特殊形状大尺度岩心渗透率测试方法研究

周 贤 杜立红 李二鹏

(中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京 102249)

特殊形状大尺度岩心渗透率测试方法研究

周 贤 杜立红 李二鹏

(中国石油大学石油工程教育部重点实验室，北京 102249)

为适应大孔道多孔渗流介质制作方法以及油藏宏观模拟的需要，在常规渗透率测试装置的基础上，研究设计适应特殊形状大尺度岩心的渗透率测试方法。以人造5cm×5cm正方体状砂岩岩心为主要研究对象，设计相应的岩心夹持器，并在大量的实验基础上证实了所设计的岩心夹持器在测试精度和稳定性上均满足要求。另外，对实验操作进行了部分优化，使岩心测试工作更加快速、高效、准确。

大尺度；特殊形状；渗透率；测试；岩心夹持器

渗透率大小反映了在一定压差下允许液体或气体在岩心孔隙中通过的能力，是研究油水在油层中运移规律的重要参数，是影响原油采收率的重要因素。因此，准确而快速高效地测量岩心渗透率显得尤为重要。

随着石油科技的不断发展和深入，实验室研究也出现了许多新的思路，实验室模拟研究所用的岩心也不再局限于传统的圆柱体状岩心［1］，开展特殊形状大尺度岩心渗透率测试方法的研究显得十分重要。

以人造5cm×5cm正方体状岩心为主要研究对象，研究特殊形状岩心渗透率优化测试方法。正方体大尺度岩心具有一定的代表性［1］，其应用相对广泛。

目前，确定储层岩石渗透率的方法为标准常规测试法。该方法的原理是基于达西定律，采用稳流技术，适用范围一般为渗透率大于10-5μm2的储层岩石［4］。 但对于渗透率低于 10-5μm2的储层岩石，由于流体流动速率很小，通过岩样的微小流量难以直接测定。20世纪80年代，国外发展了一种测量低渗透岩石渗透率的瞬时脉冲技术。本次研究在原有稳定流动下的标准常规测试方法基础上，研究了适应5cm×5cm正方体人造岩心的测试方法。

1 岩心夹持器的设计

1.1 岩心夹持器常规密封方式

目前，国内外各类岩心夹持器均采用以下3种密封方式［3］:

（1）机械式密封：不借助气体或液体等密封介质，靠机械压实作用直接挤压密封岩心样品。如使用千斤顶或丝扣紧固方式密封。机械式密封适用于对测试精度要求不高的检验或实验。

（2）液压式密封：通过将具有一定压力的液体作用于密封套实现对夹持器内岩石样品的密封。如使用自动计量泵或手动计量泵注入高压水或其他液体介质密封。

（3）气压式密封：使用空气或氮气作为密封介质，通过空气压缩机或高压气瓶提供密封动力。

不同密封方式的岩心夹持器具有不同的使用范围。机械式密封多为手工操作，实际密封效果难以掌握。20世纪70年代后，国内外地质实验室大多己不采用机械式密封方式。大批量常规岩石物性分析一般多采用气压式密封，特别是用空气压缩机作为动力源，成本低，密封压力控制稳定。近年来，随着储层保护技术和油气二次采油技术的发展，使用岩心夹持器完成岩心驱替、岩石堵水、岩心水敏、岩石碱敏、岩石酸敏等多项实验研究，对岩心夹持器密封套的耐压性和安全性提出了更高的要求。当试验或测试条件要求密封压力达到2.8MPa以上时，出于操作安全性考虑，一般多采用液压式密封。

1.2 岩心夹持器的研制

由于是正方体人造岩心，岩心四周带有棱角，不同于圆柱状岩心侧表面光滑，因此测试对围压的要求比圆柱状岩心更高。经过反复对比测试，发现在4MPa时能保正较好的密封性，故采用了液压式密封。

本实验中采用的岩心夹持器由4部分构成：①母体结构，与胶套构成环形空间，并起到固定胶套和密封作用；②胶套，正方形中空，两端为环形，与密封环连接后可贴合母体钢结构，中间段为正方形，与母体结构内壁构成环形空间，可用于注水加围压；③密封环，外露丝扣，可固定在母体结构上，可起到密封环形空间的效果；④两端密封部件用作与岩心截面相同的长方体从两端固定贴紧岩心。同时，在与岩心的接触面上设计有小孔，可用于通流体。

1.3 岩心夹持器特点

由于是正方体岩心，相应的岩心夹持器内部空间必须为正方形，这样就给密封带来了一些难度。两端的密封圈上的过紧会导致胶套过度扭曲，岩心和两端密封部件难以置入。但是，如果两端的密封圈上的太松，又会造成环形空间被压漏，密封不严。所以，在固定岩心夹持器时，应将胶套置于正中，再从两边同步上紧密封圈。实际操作时的原则就是使岩心夹持器两端密封程度尽可能接近，减少渗漏的可能。

在安全防爆性上，试验中所采用的胶套最大可以承受8MPa的压力，可以满足实验需要。

岩心夹持器充分考虑了不规则岩心的要求，岩心长度最大可达10cm，可满足绝大部分正方形截面岩心的测试需要。

2 测试工作原理

改进后的渗透率测试仪采用了基于稳定流动技术的标准常规测试方法，主要针对岩心夹持器和部分结构作了一些优化设计。其工作压力较低，围压一般低于6MPa。优化设计后的渗透率测试仪可同时满足气测和液测的需要，并可快速切换，对于同一块岩心，可分别用气测法和液测法得到其渗透率值，从而确保实验测量结果的准确性。

图1为改进后渗透率测试仪示意图。只需将图中流量计替换为量筒，以水通过岩心，就可进行液测渗透率实验，也就是说，两种方法完全可以共用一套实验装置。

由于用手摇泵加围压耗时长，故设计了利用氮气瓶压中间容器中的水注入环形空间，更快且操作简便。先利用气体压力驱动中间容器中的水进入环形空间，注满后，用手摇泵精确加围压至4MPa。

气测时，开启氮气瓶，使气体通过岩心，利用气体流量计测流速。根据达西定律，可得气测时渗透率计算式为［2］：

图1 改进的渗透率测试仪示意图

式中：kg—气测渗透率，μm2；Q0—流量，cm3/s；P0—标准大气压力；A—岩心截面积，cm2；μ—气体的黏度，mPa·s；L—岩心长度，cm；P1、P2—入口、 出口断面上的绝对压力，Pa。

气体滑脱效应对气测渗透率有较大影响，特别是对于低渗透岩石，在低压下测定时影响更大。因此，凡渗透率小于100×10-3μm2的岩心，需进行克氏渗透率校正［2］。将测得的不同平均压力下的渗透率数据作为Y，压力倒数作为X，回归成一条直线，所得截距即为所求最终气测渗透率值。如此即可消除气体滑脱效应带来的影响。

液测时，开启氮气瓶，驱动水通过岩心，在出口端用量筒测取某一时间段内的水流量。由达西定律可得液测时渗透率计算式为［2］：

3 渗透率测试仪测试效果分析

为了检验改进后渗透率测试仪的测试精度和稳定性，我们对同一块岩心分别采用气测和液测方法，其中气测方法已进行克氏渗透率校正，并将所得测试结果做出对比(表1、表2、表3)，相对误差以气测为准。

表1 g1岩样的测试分析

表3 重复测试数据对比

改进的渗透率测试装置测试结果比较可靠，气测渗透率和液测渗透率的相对误差仅在20%左右。仪器的稳定性和可重复性较好，重复测试的误差一般小于5%。

4 结 论

（1）特殊形状大尺度岩心渗透率测试方法的关键在于设计制造符合要求的岩心夹持器，经过多次试验，所设计的岩心夹持器是可靠的。

（2）经过大量岩块渗透率的测试，总结出了一套优化的测试方法，重点在于如何快速精确的施加围压到环空，以及岩心夹持器的使用技巧。

（3）通过对同一块岩心进行气测和液测渗透率的对比，及多次重复试验，证实了所设计的渗透率测试装置具有足够的测试精度和稳定性，能满足准确、快速测量岩心渗透率的需要。

[1]刘月田.大尺度多孔介渗流质制作方法[P].中国发明专利公报，2010,26(47)：

[2]杨胜来，魏俊之.油层物理学[M].北京：石油工业出版社，2004:136-142.

[3]潘昊，杨明杰，程仙海.环抱式岩心密封夹持器的设计与研制[J].石油仪器，2005，19(2)：14-16.

[4]杨明松，刘涛，刘蜀知.低渗透油气藏岩石物性测试方法研究[J].特种油气藏，2003,10(4):85-86.

Study on Permeability Testing Method of Special-shaped&Big-sized Core Sample

ZHOU Xian DU Lihong LI Erpeng
(MOE Key Laboratory of Petroleum Engineering,China University of Petroleum，Beijing 102249)

In order to meet the need for making large porous media and the need for macroscopic reservoir simulation,this paper studies a permeability testing method which is suitable for special-shaped and big-sized core based on Darcy′s law and stable flow technique.This paper is concentrated on 5×5(centimeter)cubic man-made core sample,and designs a kind of core holding unit for it.Also,through substantial trial and experiments,the accuracy and stability of the core holding unit is proved good.Furthermore,we have optimized part of the operation within the experimenting process,making the test faster,more efficient and accurate.

big-sized；special-shaped；permeability；test；core holding unit

TE312

A

1673-1980（2012）01-0079-03

2011-09-21

周贤（1988-），男，湖北汉川人，中国石油大学（北京）在读硕士研究生，研究方向为油气渗流理论。