[发明专利]瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于岩石工程和非常规油气藏工程领域，特别涉及瞬态稳态同时测试致密岩石渗透率的装置及方法。

背景技术

随着常规油气藏资源储量的日益衰减，非常规油气藏资源作为一种重要的战略性补充能源，其勘探和开发制约着中国未来经济的快速发展。我国非常规油气藏资源主要包括页岩气、致密砂岩气、煤层气和深部致密油气藏，其中页岩气储量超过常规天然气，致密砂岩气、煤层气储量均与页岩气储量相当。十二五规划中明确要求2015年页岩气产量达到65亿立方米，然而由于中国含气页岩的基础理论研究仍十分匮乏，目前，除了四川盆地处于页岩气开发初期，其他区块并未实现大规模的商业开采。致密砂岩气和煤层气虽然已进入开发阶段，但其产气量低、衰减快，远未能达到与常规天然气相当的商业开发产量。造成目前非常规天然气开发瓶颈的重要原因之一在于缺乏适用于非常规天然气储层岩石试验研究的测试装置和方法，从而导致非常规天然气开发方案设计和开采技术出现偏差。

非常规天然气储层岩石渗透率是其评价、选区、勘探和开发方案设计所需要的重要参数之一。非常规天然气储层与常规天然气储层相比具有独有的特点：非常规天然气储层岩石较为致密，孔隙度、渗透率都比常规储层岩石低。含气页岩孔隙度小于6％，渗透率范围为10μD-0.1nD。致密砂岩气储层岩石孔隙度小于10％，渗透率多小于0.1mD。非常规天然气储层致密岩石渗透率的准确测量成为制约非常规天然气勘探开发的关键问题之一。

在非常规天然气开采过程中，气体通过孔隙和裂隙通道运移至井筒，气体压力沿储层到井筒逐渐降低，其渗透的最大压差为储层压力与井筒压力的差值。由于非常规天然气储层高埋深的特点，非常规天然气井存在一段气柱，使得气体出口处的井底压力大于大气压。因此，致密岩石渗透率测定需在一定背压条件下进行，现有的致密岩石稳态法渗透率测定中，由于并未考虑到现场实际情况和以及现有设备的限制，气体低压端均直接连通大气，其低压端压力即为大气压。根据实际生产情况，非常规天然气储层致密岩石渗透率测定的合理气体压力高压端应采用致密岩石储层压力，低压端则应采用气井井底压力，可见低压端采用大气压的测量方式偏离了工程实际，使得所测得的致密岩石渗透率出现偏差。

在实际的非常规天然气开采过程中，随着排采降压的不断进行，孔隙流体压力的变化引起储层岩石有效应力的改变，导致岩石骨架发生改变，即引起应力场和变形场的变化；另一方面页岩气藏骨架的变形场、应力场的变化又将导致页岩孔隙度、渗透率等渗流物性参数的变化，进一步影响孔隙、裂隙流体在岩石内的运移。非常规天然气储层岩石的渗透性能是上述应力场、变形场、渗流场之间的动态耦合作用的结果。中国非常规天然气储层埋深大，多位于地下500-3500m，且经历了复杂的地质改造作用，使得储层岩石处于复杂的应力状态中。综上，非常规天然气储层岩石渗透率的准确测量必须要提供符合工程实际的偏应力环境，而目前的非常规天然气储层岩石渗透率测试方法中所提供的应力环境多为静水压力环境。

高埋深使得非常规天然气储层处于一定的温度环境中，埋深越大，其储层温度越高。高温环境使得储层岩石骨架膨胀，骨架之间的孔隙和微裂隙被压缩，渗透率降低；同时又会使得储层中的气体分子活跃。稳态法测试非常规天然气储层岩石渗透率时，试样出口端流量非常小，必须具有高精度的恒温环境才可以保证流量测定的准确度。综上，非常规天然气储层岩石渗透率的准确测量必须要为试样和测试气体同时提供符合工程实际的恒温环境。

目前致密岩石渗透率的测试系统未实现注入气体的加温，只实现了对试样进行加温。在测试中，温度的波动会导致注气压力不稳定，使得瞬态法压力测试和稳态法流量测试出现误差，进而影响致密岩石渗透率测定的准确性。致密岩石的出口端流量非常微小，利用稳态法测试致密岩石渗透率时，需测得能够实时准确的测量出口气体流量，现有的渗透率测定常采用排水法人工记录读数，该方法将气体收集装置暴露在空气中，导致温度波动对气体收集产生影响；且人工记录误差较大，无法实现准确的实时动态流量测定。

现有的测试系统对试样的加热或通过将整个三轴腔室置入恒温水浴加温，或通过加温三轴腔室的液压油对试样加温，这两种方法均要经过很长时间的热传导才可以使试样达到恒定的温度，而如何确保和判断试样达到指定温度这个问题并未得到解决。另外，对于渗透测试所用气体加温后，必须等待气体达到热平衡后才可以开始测试，而如何判断其达到热平衡状态，目前更未有过相关报道。