室内渗透率测量方法对比分析

胡昌蓬 宁正福

(中国石油大学(北京)，北京 102249)

室内渗透率测量方法对比分析

胡昌蓬 宁正福

(中国石油大学(北京)，北京 102249)

国内油气成藏条件复杂，储层物性差异性大，渗透率范围很广，渗透率测量方法多样，需结合油藏实际选择合理的测量方法。介绍几种常用室内渗透率测试方法的测试原理，对比分析各自的测量优点和适用局限性。结合实验给出测量范围，为更准确标定岩心渗透率提供技术指导。

渗透率；实验；稳态；非稳态

在油气田勘探开发过程中，准确进行渗透率的测量，是油气资源评价和开发方案设计的地质基础，因而对其准确标定，具有重要的现实意义。国内外油气储层差别非常大，其渗透率范围10－6～1μm2级不等。目前室内渗透率测量方法按测量原理分为两类：稳态法和非稳态法。稳态法监测的是测量介质的稳定流量或压力，主要有定压法和定流量法；非稳态法主要监测的是样品两端的压力差，主要是瞬态压力脉冲法。

因测量原理和具体设备的不同，在实验过程中有一定的最佳测量范围，即对同一被测样品，不同测量方法也可能出现较大测量差异，面对不同级别的渗透率岩样，考虑准确性和经济因素，需选择合理的方法和设备。对比分析各种室内测量渗透率的方法，研究各种方法的适应性，对其相对精确测量范围给出了推荐值，为室内测量渗透率提供参考。

1 稳态法

1.1 定压法

石油工业所熟知的达西实验原理即是采用的定压法，定压法实验装置（如图1）［1］为一直立的开口圆筒，侧面装有水银压力计，在距离筒底一定高度处装有滤网，其上充填一定高度的砂样，水从上方注入，通过溢流管保持一定的水位高度以形成稳定的水头压差，渗流介质在压差作用下流经试样，达到稳定渗流状态时通过计量底部水流量，即可得到测试样渗透率，达西定律引入石油行业后，其通用形式［1］为：

式中：Q—流经测试样的体积流量；（pr1-pr2）—进出口压差；A—测试样的端面积；L—测试样的长度；μ—测试介质黏度；k—被测试样的渗透率。

图1 达西实验测渗透率装置简图

达西定律定压法测渗透率适用的条件之一是测试介质在岩石孔隙中的渗流需达到稳定状态。对于中高渗岩样来说，达到稳定状态所需时间较短，因而测试时间较短，但是对于低渗岩样，达西实验装置提供的较小压差达到平衡状态时间长，伴随长时间平衡过程，带来的是环境因素对测量结果的影响增大。

研究者采用压力装置替代水头差，其原理（如图2）是采用压力装置来代替水位产生的水头差，这样可使压差增大几十倍，上百倍，解决了水头差过小的问题，缩短了测试时间，减小测试环境因素对结果的影响。

图2 室内常用定压法测渗透率装置简图

实验过程中发现，以液体作为介质测试渗透率会受到较多因素的影响，如黏土遇水膨胀、岩石孔隙表面吸附液体等，这些因素会影响渗透率测量的准确性。针对上述问题，建立了以气体作为测试介质来测量渗透率的方法和技术 （图3为气测渗透率仪流程图）。为了更准确模拟地层环境，目前岩心夹持器已经可以对岩样施加径向和轴向压力，也可在特定温度条件下测量渗透率，从而更准确模拟地层环境。

图3 气测渗透率仪流程图

对于中高渗岩石实验，上述液测和气测定压法是可行的，但是对于低渗特低渗透岩样，过高的压差形成的高渗流水力梯度，将使得介质渗流出现非达西流，用达西定律重复实验发现计算渗透率误差很大，即达西定律不再适用。

因此传统水头定压法通常适用渗透性在D级以上的岩样，达西定律引入石油工业后采用的定压法，后继研究者不断提高计量仪的精度，改进实验装置，这使得目前石油行业室内稳态法测渗透率下限不断扩大，目前室内实验可测得0.1×10-3μm2岩样，且实验重复性较好。

目前根据实验测量结果，建议岩样渗透率在1×10-3μm2以上。更低渗透率的样品，由于容器计量和人工操作问题可能导致重复试验得到的前后结果误差较大，不推荐本方法。

1.2 定流量法

定流量法是通过提供稳定流量，监测岩样两端压力变化。因为高精度压力监测比流量计量更准确，因而测量也更精确。定流量法的核心是高精度的恒流泵（如图 4）［2］，在岩样上端连接一个恒速泵，以恒定流量q注入岩样，待上下游流量达到稳定状态时岩样上下端压力时，按照达西定律即可求得测试样渗透率：

式中：q—恒流泵提供的体积流量；ΔP—岩样两端面压差；A—岩样的端面积；L—岩样的长度；μ—测试介质黏度；k—被测岩样的渗透率。

图4 定流量法测渗透率装置图

恒流泵法可按照实验需要精确控制注入流量，目前可达到0.001～40mL/min，这样可以根据测试地层的实际情况来精确的调节水力梯度，这样测得的渗透率也更接近实际情况。缺点是定流量法的测量精度取决于恒流泵的质量。高精密的恒流泵价格昂贵，而且在测量低渗透岩样时，其局限与定水位法类似，即达到稳定的渗流状态所需要时间较长，测量结果受环境和温度因素的影响逐渐增大，因此建议被测岩样的渗透率在0.1×10-3μm2以上。

2 非稳态法

2.1 瞬态压力脉冲法

瞬态压力脉冲法最早由W FBrace［3］在测量花岗岩渗透系数时提出其原理并给出其近似解。在测试样两端各有一个封闭的容器（图5），测试时，待上下容器和岩样内部压力平衡后，给上端容器一个压力脉冲。然后，上部容器压力将慢慢降低，下部容器压力慢慢增加，监测两端压力随时间变化情况，直至容器内达到新的压力平衡状态。

图5 瞬态压力脉冲法原理图

通过上下游压力衰减曲线可求得测试样渗透率。W F Brace给出了计算渗透率的近似解析解：

式中：Δp(t)—岩样两端压差实测值；pi—初始脉冲压力；θ—衰减曲线斜率；Vu、Vd—上、下游容器体积。

瞬态压力脉冲法在非稳态下测量渗透率，较传统稳态法所需测试时间大大缩短，而且高精度的压力计量要比传统流体计量更准确，因而测试结果也更精确，目前此方法已广泛应用于致密低渗岩样的测量实验中。但是W F Brace在测量花岗岩渗透率求解过程中是假定岩样孔隙度为零，这在计算致密低孔岩样时有一定的合理性，但在计算页岩等孔隙度相对不能忽略的岩样时其误差较大。后继研究者在求解方法上做了很多研究，提出了精确的解析解和图解法。A I Dicker等详细讨论了上下端容器体积对测量过程的影响，S C Jones提出的渗透率测量装置(图6)下限达到0.01μd，目前基于此原理制备的PDP-200已有商业制品出售，在测量如页岩气等超低渗储层岩心方面效果较好。

图6 S C Jones改进瞬态压力脉冲法装置图

经过四十多年的发展，压力脉冲法在数据处理和测量装置上不断得到改善，在测量煤层气、页岩气等低渗超低渗储层渗透率方面，压力脉冲法效果极好。目前国内亦有厂家基于此原理研制渗透率测试装置，但精度较之国外尚有较大差距。

瞬态压力脉冲法不适合测量渗透性高的岩石，因为对于渗透性高的岩石，压力脉冲平衡时间过快，测试时间太短，初始脉冲造成的压力紊乱使得数据记录过程中，尚未检测出压力衰减曲线中的稳定压力下降过程，压力已经达到平衡。因此推荐测量渗透率在 0.1×10-3μm2以下的岩样。

2.2 变容压力脉冲法

压力脉冲法测渗透率实验，时间不宜过长也不宜太短，前者受设备密封、环境温度、微生物滋扰影响较大，后者则受人为操作影响。传统压力脉冲法测量渗透率，由于岩样上下端容器容积是固定的，因此对某一测量介质，其压缩储容是固定的，这就限制了仪器的测量范围。国内学者王颖博士针对此情况研制了变容压力脉冲法测渗透率装置（图7）［2］。

图7 变容压力脉冲法测渗透率装置图

变容压力脉冲法装置中上下游容器内是液体和气体的混合介质，因为液体和气体的压缩性差别大，通过调节液体和气体的比例，可以实现测量时间的调节，从而扩大装置的量程。其测量范围可达10-7～10-1D。

3 对比分析

定压法在室内测常规岩心渗透率方面已经非常成熟，研究者针对实验装置方面也做了许多独到的改进，使渗透率测量更易于操作也更准确，在测试10-3μm2级以上岩心试验中其准确性和经济性比较合适。定流量法在测量特低渗等岩样时可以满意实验精度要求，但是基于定流量法制作的设备对测量装置本身性能要求高，目前仅一高精度恒流泵价格就在20万左右，实验操作过程中对实验人员操作要求也较高，推荐测量在特低渗超低渗级别的岩样。面对页岩气等致密储层，国外开发了压力脉冲衰减测渗透率技术，经过四十多年的发展，国外在设备和求解方面都有了较大的进步，很好的满足了致密气的勘探开发需要。脉冲法技术适用于测量超低渗以下的岩样，在测试高渗透岩样时误差很大，这限制了此方法的测试范围。变容压力脉冲法在实验原理上较好的解决了这一问题，已有按此原理制作的设备，其测量范围大7个数量级，商业制品尚未查到。

未来我国的能源缺口将越来越明显。非常规能源（包括页岩气、煤层气等）将在我国能源中占有越来越大的比例，这类储层渗透率属于低渗超低渗范围，常规渗透率测试装置无法满足，借鉴国外在此方面的技术，压力脉冲法是一个很好的选择。国内学者也做了大量脉冲法渗透率的研制工作，但与国外尚有较大差距，且进口产品价格高昂。为了满足国内低渗超低渗层-页岩气和煤层气的开发，需加大研究开发力度。实验操作过程中，因环境因素和人为操作原因可能导致渗透率重复测试相差较大，越是精密设备对人员的知识和操作要求越高，建议建立标准操作流程。

表1 国内储层渗透率分级表

分析各种方法的测量原理和实际使用情况，结合国内渗透层划分情况［4］，同时考虑实验操作的经济成本，笔者给出了各类岩石渗透率的推荐测量方法（图8）。

图8 渗透率测量方法分级

[1]秦积舜，李爱芬.油层物理学[M].东营:中国石油大学出版社，2003：123-130.

[2]王颖.变容压力脉冲渗透系数测量方法研究[D].武汉:中国科学院武汉岩土力学研究院，2009.

[3]Brace W F.Permeability of Crystalline And argillaceous Rocks[J].International Journal of Rock Mechanics Mining SciencesandGeomechanics.Abstracts,1980,17(3)：241-250.

[4]万军凤.非稳态气测渗透率新方法研究及实现[D].成都:成都理工大学，2008.

[5]张金川，徐波，聂海宽，等.中国页岩气资源勘探潜力[J].天然气工业,2008,28(6):136-140.

[6]江怀友，宋新民，安晓璇，等.世界页岩气资源与勘探开发技术综述[J].天然气技术，2008，2(6):26-30.

A Comparative Analysis of Permeability Measuring Methods in Laboratory

HU Changpeng NING Zhengfu
(China University of Petroleum，Beijing 102249)

The complexity of domestic reservoir-forming conditions lead to large differences in reservoir physical properties,a wide range of permeability and various permeability measurement methods.Hence,it's necessary to choose the proper measurement method according to the actual reservoir condition.In this paper,current laboratory testing methods commonly used at home and abroad are surveyed and studied.The testing principles of the above methods are explained and a comparative analysis of their advantages and disadvantages are made.Moreover,the recommended measurement ranges of the above methods are put forward in accordance with actual experiments so as to provide guidance for testing rock permeability more accurately.

permeability；experiment；stable state；unstable state

TE312

A

1673-1980（2012）01-0075-04

2011-09-02

教育部科学研究重大项目（311008）

胡昌蓬（1985-），男，山东东营人，中国石油大学（北京）在读硕士研究生，研究方向为页岩气储层基础物性测试和渗流机理研究。