專利名稱：各向異性滲透率的測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種油氣田開發(fā)領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)室測(cè)量巖石滲透率的裝置。尤其是指一種針對(duì)沉積各向異性油藏、利用全巖芯非均勻徑向流動(dòng)測(cè)定地層平面內(nèi)各向異性滲透率的技術(shù)；同時(shí)適用于一般的各向異性介質(zhì)。

背景技術(shù)：
地層滲透率的測(cè)定是油氣田開發(fā)的基礎(chǔ)，而實(shí)驗(yàn)室?guī)r芯測(cè)試分析是各種滲透率測(cè)定方法中最直接、最可靠的方法。各向異性滲透率有兩大類，一類由沉積作用形成，另一類由裂縫作用造成。油藏裂縫各向異性滲透率只能在油田現(xiàn)場測(cè)試，實(shí)驗(yàn)室?guī)r心測(cè)試主要針對(duì)沉積各向異性滲透率。
早在20世紀(jì)30年代以前，人們對(duì)油藏滲透率的各向異性就已有所認(rèn)識(shí)，但只限于垂向滲透率跟水平方向滲透率的不同。從40年代起，隨著二次采油(油田注水開發(fā))方法的使用，人們發(fā)現(xiàn)同一地層平面內(nèi)滲透率的各向異性同樣普遍存在，并且對(duì)油田注水開發(fā)效果有著非常明顯的影響。由于各向異性油藏滲透率的復(fù)雜性，其測(cè)試方法一直是人們所探尋的課題。
(1)Willard E.Johnson和Richard V.Hughes[2]早在1948年提出了專門用于測(cè)量地層平面各向異性滲透率張量的方法沿柱形巖心軸線鉆孔，從中心圓孔注入氣體，然后測(cè)量巖心外壁各方向流出的氣體量，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計(jì)算巖心各向異性滲透率的主方向和主值。但由于缺少巖心內(nèi)部各向異性滲流分析，沒能給出計(jì)算各向異性滲透率主值的方法；其數(shù)據(jù)處理僅簡單地采用各向同性巖心徑向流動(dòng)公式，必然導(dǎo)致不正確的結(jié)果。同時(shí)，將氣體作為流體介質(zhì)很難準(zhǔn)確測(cè)量其在巖芯外壁的流量分布。
(2)R.A.Greenkorn和C.R.Johnson于1964年提出了類似的測(cè)試方法，但仍然沒有解決上述問題。
(3)其后的研究者改變思路，試圖用與常規(guī)巖心測(cè)試相似的手段進(jìn)行測(cè)量，再通過特殊的數(shù)學(xué)處理獲得巖心的各向異性滲透率參數(shù)，但這些方法的可靠性和實(shí)用性都不夠強(qiáng)。
有鑒于此，本設(shè)計(jì)人為解決上述公知技術(shù)存在的問題，乃決心憑其從事本領(lǐng)域多年研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)多次的精心開發(fā)研究后終于得到本實(shí)用新型的各向異性滲透率的測(cè)試方法與裝置。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種各向異性滲透率的測(cè)試裝置，以利用全巖芯非均勻徑向流動(dòng)測(cè)定地層平面內(nèi)各向異性滲透率，獲取各向異性滲透率的主方向及相應(yīng)主值，從而改善甚至克服上述公知技術(shù)的缺陷。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是一種各向異性滲透率的測(cè)試裝置，其利用具有中心孔的全直徑巖心進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)定壓邊界各向異性圓形地層中心一口井滲流的解析解得到各向異性巖心內(nèi)部流動(dòng)解析解；圓柱形全直徑巖心沿中心軸線鉆空形成上述中心孔，所述測(cè)試裝置包括將泵中流體注入巖心內(nèi)部的注入部分、流動(dòng)測(cè)量部分及輔助部分。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是本實(shí)用新型是以各向異性介質(zhì)滲流分析為基礎(chǔ)，提出一套測(cè)定二維各向異性滲透率的測(cè)試裝置，給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及各向異性滲透率計(jì)算的公式，建立完善的各向異性巖心滲透率測(cè)試計(jì)算方法。本實(shí)用新型的測(cè)定巖心二維各向異性滲透率張量的測(cè)試方法與以前的實(shí)驗(yàn)方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)本項(xiàng)實(shí)用新型以最新的各向異性介質(zhì)滲流理論為基礎(chǔ)，原理、方法和裝置自然地融為一體，符合各向異性滲透率巖心結(jié)構(gòu)及其滲流特點(diǎn)； (2)全直徑巖心的軸線就是實(shí)際井筒的軸線，實(shí)驗(yàn)巖心內(nèi)的流動(dòng)為徑向滲流流動(dòng)，與實(shí)際生產(chǎn)井及近井地層中的滲流情況相似，能更準(zhǔn)確的反映實(shí)際油藏內(nèi)滲流與滲透率的分布情況； (3)全直徑巖芯垂直放置，避免了重力對(duì)各方向滲流分布及滲透率值測(cè)試結(jié)果的影響； (4)本測(cè)試裝置可同時(shí)測(cè)定圓柱形巖心四個(gè)互相垂直方向上的流體流量，大大提高了實(shí)驗(yàn)工作效率。

圖1為鉆有中心孔的全直徑巖心。
圖2為各向異性滲透率巖心截面流場示意圖。
圖3為各向異性滲透率測(cè)定實(shí)驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3A、圖3B為圖3中的沿A-A線及B-B線的截面示意圖。
圖4為注入部分的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為流動(dòng)測(cè)量部分的底盤結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6A、圖6B為流動(dòng)測(cè)量部分的接收槽的俯視及正視方向的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為流動(dòng)測(cè)量部分的定位座頂面示意圖。
圖8為輔助部分的底座的示意圖。
圖9為全直徑巖心外側(cè)表面流速分布曲線。
具體實(shí)施方式
下面配合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本實(shí)用新型首先提出一種各向異性滲透率的測(cè)試方法，包括下列步驟 形成巖心中心孔的步驟，將圓柱形全直徑巖心上下端面密封，然后沿中心軸線鉆空形成圓形孔眼，其中，中心孔眼直徑跟巖心直徑相比為小量； 測(cè)試步驟，將巖心垂直放置，向端面中心孔注入流體，流體從軸心孔進(jìn)入巖心體內(nèi)，在巖心體內(nèi)形成垂直于巖心軸線的輻射狀平面流動(dòng)，再由巖心周圍側(cè)表面流出； 測(cè)量步驟，測(cè)量巖心外側(cè)表面不同方向的流量或流速，同時(shí)記錄中心孔注入壓力與巖心外表面壓力之差，流體流速最大的方向則為最大滲透率主方向，流量最小的方向則為最小滲透率主方向； 計(jì)算步驟，根據(jù)巖心內(nèi)外壓差和滲透率主方向的流速計(jì)算得到滲透率主值。
以下對(duì)本實(shí)用新型的測(cè)試試驗(yàn)原理、計(jì)算方法及測(cè)試計(jì)算步驟進(jìn)行詳細(xì)說明 測(cè)試實(shí)驗(yàn)原理 本實(shí)用新型的巖心各向異性滲透率測(cè)試的目的就是獲取各向異性滲透率的主方向及相應(yīng)主值。其是將圓柱形全直徑巖心100的上下端面102、103密封，然后沿中心軸線鉆空形成圓形孔眼狀的中心孔101，其中，中心孔101的直徑跟巖心100的直徑相比為小量，如圖1所示。測(cè)試時(shí)，將巖心100垂直放置，向端面中心孔101注入流體，流體從軸心孔101進(jìn)入巖心100體內(nèi)，在巖心體內(nèi)形成垂直于巖心軸線的輻射狀平面流動(dòng)，再由巖心周圍側(cè)表面流出，如圖2所示。測(cè)量巖心外側(cè)表面不同方向的流量(流速)，同時(shí)記錄中心孔100注入壓力與巖心外表面壓力之差。流體流速最大的方向則為最大滲透率主方向，流量最小的方向則為最小滲透率主方向；再根據(jù)巖心內(nèi)外壓差和滲透率主方向的流速計(jì)算得到滲透率主值，計(jì)算方法通過滲流分析給出。
計(jì)算方法 本實(shí)用新型是利用定壓邊界各向異性圓形地層中心一口井滲流的解析解來實(shí)現(xiàn)的，其將全直徑巖心看作油藏，中心孔作為注水井，則可以直接得到各向異性巖心內(nèi)部流動(dòng)的解。設(shè)巖心半徑為re，高度為h，中心孔半徑為ri，中心孔壓力為pw，巖心外表面壓力為pe。以巖心中心為原點(diǎn)、取滲透率主方向?yàn)樽鴺?biāo)軸x，y建立直角坐標(biāo)系，x，y方向上的滲透率主值分別為kx和ky，kx<ky。油藏內(nèi)流體為單相不可壓流體，粘度為μ，整個(gè)流場為穩(wěn)定滲流且不考慮垂向流動(dòng)。巖心內(nèi)壓力分布為p，流體注入流量為Q。建立如下關(guān)系式 其中 de滿足 ao和bo由如下兩式聯(lián)立決定 圖2為上述流動(dòng)的流場示意圖。圖中環(huán)形線為等壓線，巖心的內(nèi)外等壓邊界用粗環(huán)線表示；圖中的輻射狀曲線為流線，其中互相垂直的粗直線為主流線，分別對(duì)應(yīng)不同的滲透率主方向。該流場為非均勻徑向平面流動(dòng)，流線越密的區(qū)域其滲流速度越大，沿最大和最小滲透率主方向滲流速度分別達(dá)到最大和最??；巖心外側(cè)流體的流量分布是不均勻的，隨角度的變化呈橢圓型分布。流場內(nèi)任意一點(diǎn)的滲流速度與經(jīng)過該點(diǎn)的流線平行。與常規(guī)(各向同性)介質(zhì)滲流不同，各向異性介質(zhì)中的流線(滲流速度)一般不與等壓線垂直，這意味著流體將斜向流出巖心的側(cè)表面；只有在滲透率主方向上流線(滲流速度)才與等壓線垂直。
在上述所列關(guān)系式的基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型的計(jì)算公式如下 由(1)式可得 根據(jù)達(dá)西定律，巖心外表面與兩個(gè)滲透率主方向的交點(diǎn)(re，0)和(0，re)處的滲流速度為 (re，0)點(diǎn)處 (0，re)點(diǎn)處 (6)除以(7)得 其中滲流速度vx，vy由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。
根據(jù)上述測(cè)試試驗(yàn)原理及計(jì)算公式，本實(shí)用新型的測(cè)試方法的測(cè)量、計(jì)算步驟表述如下 (1)測(cè)試記錄流體注入量Q，壓差pw-pe；在巖心外表面上根據(jù)流量分布判斷滲透率最大和最小主方向所在位置，并計(jì)算這些點(diǎn)的流速vx，vy； (2)將流速vx，vy代入(8)，與(4)聯(lián)立求得

和

從而得到 (3)將β代入(3)、(4)、(5)中，求得aw，bw，ao，bo，ae，be，de； (4)將aw，bw，ao，bo，ae，be，de和實(shí)測(cè)注入量Q、壓差pw-pe代入(2)式，得到K； (5)由和求得滲透率主值kx＝K·β，ky＝K/β。
相應(yīng)地，為了與上述測(cè)試方法相配合，本實(shí)用新型還提出一種各向異性滲透率的測(cè)試裝置，其用于測(cè)定二維各向異性滲透率張量，其測(cè)試裝置(圖3)由注入部分、流動(dòng)測(cè)量部分、輔助部分組成。具體如下 注入部分的用途是將泵中流體注入巖心100內(nèi)部，如圖3、圖4所示，其主要包括以下幾個(gè)部分 注入管11，在一具體實(shí)施例中，該注入管11為外直徑D＝6mm，內(nèi)直徑d＝3.1mm的鋼管； 頂盤12，在一具體實(shí)施例中，其為直徑D＝320mm，厚h＝20mm的鋼體，且中間設(shè)有一螺紋孔121，通過使用配套的固定螺母123可以將穿過頂盤12的注入管11固定，另外在頂盤12上以120度為間隔鉆三個(gè)緊固螺孔124，以裝設(shè)下述的緊固螺桿33，緊固螺孔124的直徑由緊固螺桿33的直徑?jīng)Q定。
環(huán)形膠墊13，該環(huán)形膠墊13可為彈性膠，設(shè)于頂盤12與被測(cè)巖心100之間，注入管11穿過頂盤12螺紋孔121后通過膠墊13插入巖心孔101中，膠墊13在此起密封作用。
如圖3、圖3A、圖3B、圖5、圖6A、圖6B所示，上述流動(dòng)測(cè)量部分包括 底盤21，如圖5所示，在一具體實(shí)施例中，該底盤是直徑240mm、厚20mm的柱狀鋼體，在半徑為70mm的同心圓與兩個(gè)互相垂直的直徑相交的四個(gè)點(diǎn)上分別鉆設(shè)匯流孔212(共4個(gè))，孔直徑6mm；在底盤21頂面上用膠(環(huán)氧樹脂和聚酰胺樹脂混合物)粘一層底盤大小的膠皮，待膠皮干燥后，用沖子在膠皮上打孔，孔位置與底盤21上所鉆匯流孔212位置重合，然后在附圖中每兩個(gè)匯流孔212中間位置割出一條槽以作為排水溝213(如圖5中兩條短直線間的區(qū)域所示)，巖芯100表面上非測(cè)試區(qū)域滲出的流體經(jīng)排水溝213流入下面的燒杯； 接收槽22，如圖6A、圖6B所示，在本實(shí)用新型的一具體實(shí)施例中，該接收槽22共有四個(gè)，結(jié)構(gòu)相同。本實(shí)施例中，該接收槽高h(yuǎn)＝100mm，x＝70mm，其余尺寸參考附圖所示(上述尺寸可根據(jù)需要靈活設(shè)置)；在測(cè)量過程中將各接收槽22對(duì)應(yīng)固定在各匯流孔212的上方，接收槽22底部與底盤密封，其外沿緊貼巖心側(cè)表面。接收槽22的高度等于可測(cè)巖心的長度；可測(cè)巖心直徑范圍可為86-134mm(一般全直徑巖心的直徑在100mm左右)。上述接收槽22與巖心100側(cè)表面的密封是本測(cè)試裝置設(shè)計(jì)中的一個(gè)難點(diǎn)，也是決定實(shí)驗(yàn)誤差大小的一個(gè)關(guān)鍵所在。巖心表面凹凸不平，并且和接收槽的硬度都比較大，因此兩者之間很難密封。本實(shí)用新型選用聚四氟乙烯密封帶，該材料較薄，具有一定的彈性和形變，能夠滿足測(cè)試中對(duì)密封的要求。
定位座23，如圖7所示，該定位座23可為環(huán)狀鋼板，實(shí)驗(yàn)時(shí)固定于底盤21上，在互相垂直的兩個(gè)直徑方向上鑿出如圖7所示與接收槽22底端外側(cè)形狀相對(duì)應(yīng)的容置凹槽231，每個(gè)容置凹槽231的寬度恰能使接收槽22嵌入。
如圖8所示，上述測(cè)試裝置的輔助部分包括 底座31，鋼制，在一具體實(shí)施例中，其直徑400mm，厚20mm，距邊緣10mm處鑿一環(huán)形槽310(寬為10mm，深5mm)；同時(shí)在底座31上以120度為間隔鉆三個(gè)緊固螺孔311，以裝配緊固螺桿33，緊固螺孔311的中心與底座31中心的距離等于頂盤12上的三個(gè)緊固螺孔124與頂盤12中心的距離； 支撐圓柱32，鋼制，在一具體實(shí)施例中，共設(shè)有六個(gè)，位于底座31和底盤21之間，直徑均為50mm、高分別為80mm和50mm的各三個(gè)。每次實(shí)驗(yàn)時(shí)可根據(jù)燒杯高度選用合適高度的圓柱； 緊固螺桿33，共設(shè)三根，長280mm；另附緊固螺母34若干，直徑10mm。
在利用上述測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)試時(shí)，要保證頂盤12、底盤21和底座31的中心在同一條垂直線上。
以上述測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)試時(shí)，將底盤21和接收槽22固定，并保持中心孔101流體注入壓力不變，具體測(cè)量過程包括 由中心孔101注入的流體從巖芯100四周表面流出，而進(jìn)入到測(cè)試裝置接收槽22的流體通過匯流孔212流到底盤21下面的燒杯(圖中未示)中； 記錄時(shí)間，測(cè)量與接收槽22相接的條帶形的巖芯表面積及燒杯流體流量，據(jù)此得出巖芯表面被測(cè)面積上的滲流速度； 將巖芯100轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，則接收槽22對(duì)應(yīng)到巖芯表面第二個(gè)條帶面積，重復(fù)上面測(cè)試過程，則可以得到第二個(gè)測(cè)試面積的滲流速度，如此重復(fù)進(jìn)行測(cè)試，便可得到巖芯四周表面任意部位上的滲流速度。
在上述測(cè)量步驟中，除了計(jì)量上述接收槽的流體流量外，還對(duì)測(cè)試過程中從巖芯四周表面流入測(cè)試裝置排水槽并從底盤邊緣排出的流體進(jìn)行計(jì)量，用于校驗(yàn)流體總流量，即注入流體總量＝匯流孔流量+排水槽流量。
下面以實(shí)例說明利用本實(shí)用新型的測(cè)試裝置及測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果 所選各向異性巖心的長度為9.0cm，直徑為10.0cm，軸心所鉆內(nèi)孔直徑為0.6cm。實(shí)驗(yàn)流體選用水，實(shí)驗(yàn)壓差為0.0085MPa。測(cè)得巖心總流量為1.782Gm3/s，圖9所示為折算成單位壓差下的巖心外側(cè)面流速分布，可以看出其分布曲線呈橢圓形，這與各向異性滲流分析結(jié)果是一致的。經(jīng)計(jì)算所得巖心各向異性滲透率的最大和最小主值分別為720×10-3μm2和363×10-3μm2，其方向分別為36°(216°)和126°(306°)。
利用以上方法和裝置進(jìn)行了多個(gè)巖心多種壓差的重復(fù)試驗(yàn)，均取得了成功。
雖然本實(shí)用新型已以具體實(shí)施例揭示，但其并非用以限定本實(shí)用新型，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型的構(gòu)思和范圍的前提下所作出的等同組件的置換，或依本實(shí)用新型專利保護(hù)范圍所作的等同變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本專利涵蓋的范疇。
權(quán)利要求1.一種各向異性滲透率的測(cè)試裝置，其特征在于，用于測(cè)試的圓柱形全直徑各向異性巖心沿中心軸線鉆空形成有中心孔，所述測(cè)試裝置包括將泵中流體注入該巖心內(nèi)部的注入部分、流動(dòng)測(cè)量部分及輔助部分。
2.如權(quán)利要求1所述的各向異性滲透率的測(cè)試裝置，其特征在于，所述中心孔眼直徑跟巖心直徑相比為小量。
3.如權(quán)利要求2所述的各向異性滲透率的測(cè)試裝置，其特征在于，所述注入部分包括注入管、頂盤及環(huán)形密封膠墊，其中該頂盤中間有一螺紋孔，通過使用配套的固定螺母可以將穿過頂盤的注入管固定，所述環(huán)形膠墊位于頂盤與被測(cè)巖心之間，注入管穿過頂盤螺紋孔后通過膠墊插入巖心孔中。
4.如權(quán)利要求3所述的各向異性滲透率的測(cè)試裝置，其特征在于，所述流動(dòng)測(cè)量部分包括底盤、接收槽及定位座，其中，底盤為柱狀鋼體，且在同心圓與兩個(gè)互相垂直的直徑相交的各點(diǎn)上分別鉆設(shè)有孔；該底盤頂面上用膠粘設(shè)一層底盤大小的膠皮；膠皮與底盤上所鉆小孔位置重合處設(shè)有小孔，每兩個(gè)小孔間割設(shè)有排水溝，巖芯表面上非測(cè)試區(qū)域滲出的流體經(jīng)排水溝流入下面的燒杯；所述接收槽固定在各小孔的上方，槽底部與底盤密封設(shè)置，其外沿緊貼巖心側(cè)表面；所述定位座為環(huán)狀鋼板，并固定于底盤上，在互相垂直的兩個(gè)直徑方向上鑿設(shè)有容置凹槽，接收槽對(duì)應(yīng)嵌入該容置凹槽。
5.如權(quán)利要求4所述的各向異性滲透率的測(cè)試裝置，其特征在于，所述輔助部分包括鋼制底座、支撐圓柱及緊固螺桿，所述底座的鄰近邊緣處鑿設(shè)有環(huán)形槽，且底座上以120度為間隔鉆設(shè)有三個(gè)孔，孔中心與底座中心的距離等于頂盤上的三個(gè)小孔與頂盤中心的距離；該支撐圓柱用于裝設(shè)在底座和底盤之間。
6.如權(quán)利要求5所述的各向異性滲透率的測(cè)試裝置，其特征在于，前述頂盤、底盤和底座的中心在同一條垂直線上。
7.如權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的各向異性滲透率的測(cè)試裝置，其特征在于，接收槽與巖心側(cè)表面的密封選用聚四氟乙烯密封帶。
8.如權(quán)利要求7所述的各向異性滲透率的測(cè)試裝置，其特征在于，所述底盤和接收槽固定，且所述中心孔流體注入壓力不變。
專利摘要一種各向異性滲透率的測(cè)試裝置，其利用具有中心孔的全直徑巖心進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)定壓邊界各向異性圓形地層中心一口井滲流的解析解得到各向異性巖心內(nèi)部流動(dòng)解析解；圓柱形全直徑巖心沿中心軸線鉆空形成上述中心孔，且中心孔眼直徑跟巖心直徑相比為小量，所述測(cè)試裝置包括將泵中流體注入巖心內(nèi)部的注入部分、流動(dòng)測(cè)量部分及輔助部分。本實(shí)用新型以各向異性介質(zhì)滲流分析為基礎(chǔ)，提出一套測(cè)定二維各向異性滲透率的測(cè)試裝置，建立了完善的各向異性巖心滲透率測(cè)試計(jì)算方法。
文檔編號(hào)G01N11/00GK201032480SQ20072010318
公開日2008年3月5日 申請(qǐng)日期2007年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月12日
發(fā)明者劉月田, 彬 涂 申請(qǐng)人:中國石油大學(xué)(北京)