CN1009389B

CN1009389B - 岩芯高压渗、孔测定仪及使用方法

Info

Publication number: CN1009389B
Application number: CN 88105876
Authority: CN
Inventors: 邓克定; 丁传柏; 马小平
Original assignee: CHUANXINAN MINING AREA GEOLOGY TEAM SICHUAN PETROLEUM ADMINISTRATIVE BUREAN
Current assignee: CHUANXINAN MINING AREA GEOLOGY TEAM SICHUAN PETROLEUM ADMINISTRATIVE BUREAN
Priority date: 1988-03-14
Filing date: 1988-03-14
Publication date: 1990-08-29
Also published as: CN88105876A

Abstract

本发明公开了一种用于测量岩样物理性质的测量仪，它由岩芯夹持器、动力泵、高压气瓶，控制阀、压力表、连接管道等构成，可在113MPa的垂压和50MPa侧压下对岩样在三个轴向上进行渗透率及孔隙度等物理量的测定，即能模拟最深相当于4，000M深度下岩层的受力状况，并具有测量数据精确可靠、重复性好、适应范围广，能对任何性质的岩样进行测量等优点。从而克服了常规仪器中对地层模拟性差、适应性和测量范围窄、孔隙度测量不方便等弊端。

Description

本发明属于地质勘探中对所获取的岩芯在常规和模拟地层受压条件下进行全直径、三轴向渗透率及孔隙度等物理性质进行测量的仪器及其测量的方法。它特别适用于油、气田勘探中对岩层物理性质进行测定、分析。

地层围压（包括垂直、侧向压力）的大小对岩石的孔隙度、渗透率影响很大。因此，准确地测定岩样在模拟地层压力状况下的渗透率、孔隙度等物理性质，对研究和评价油、气富集程度，储量和产能（量）的大小，具有重要的实际和理论价值，但是目前国内外广泛采用的是在常压或低压下，利用小岩样进行物理性能测定。其围压通常不超过1.4MPa（兆帕），所施围压也往往只有一个侧压力，例如美国岩芯实验公司生产的转塔式渗透率测定仪（型号3020-144）就是仅有一个侧压，而无轴向压力，其最高侧向封压为1.4MPa（兆帕），渗流介质（气体）的最高上流压力为0.3MPa（兆帕），渗透率测定下限值为9.87×10^-6um²（平方微米），小于此值就没法测定了，使适用范围受到很大限制。此外，该仪器只能用气体作封压介质，而且在测定孔隙度时必须与扩展氦孔隙度仪联机使用，因此，使用起来亦不方便。此外美国专利4599891披露了一种三维岩芯夹持器，它虽具有两个围压，折装亦较方便，但却不能进行径向渗透率及孔隙度的测定，从结构上看围压亦不高。而美国专利4573342和4649737两份专利文献所公开的“多岩样孔隙度和渗透率自动测定仪及方法”和“岩样自动测定仪和方法”其围压虽可达1000PSig，作用于岩芯样品上的轴向压力亦可高达130多大气压，还可测孔隙度，测定时自动化程度也较高，但侧向压力却较低，当侧向地应力较高时，该仪器不能进行模拟测量，而且只能测岩样的轴向渗透率而不能进行径向渗透率的测定，这对全直径、大岩样的岩芯样品及对不均质岩层的岩样的测定，其模拟性和实用性均较差。

本发明的目的旨在于研制一种能在模拟不同地层深度的侧压和垂压的条件下，在X、Y、Z三个轴向上对岩芯进行渗透率物理性质测定。并对同一岩芯测定孔隙度，使数据配套。岩芯实际承受的侧压力最高可达50MPa（兆帕），垂直压力可达113MPa（兆帕），即能模拟最深相当于4000m深度岩层的受力状态。并具有测定数据精确可靠，重复性好，适应范围广，能测定任何岩样，特别是不均质的低渗透率，低孔隙度的岩样，以达到克服常规仪器在对岩样进行测定时对地层的模拟性差、适应性差、测量范围窄、适用面较窄等弊端的目的。

本发明的解决方案，是通过具有两个封压的岩芯夹持器，两个作为高压动力源的手动螺杆泵，两个作为中间容器的液压缸及两个盛装氮气、氦气等气体的高压气瓶和各种压力表、连接管道、控制阀、快速接头、多种规格的气体流量计等组成的管路和测量系统来实现上述目的的。附图一是其工作原理图，其中：岩芯夹持器Ⅲ的作用是对岩样按要求施予不同的垂压和侧压力，使其处于不同压力状态下进行各种物理性质的测定;手动螺杆泵Ⅰ、Ⅱ的作用是向夹持器的两个封压腔及1^＃、2^＃液压缸提供工作压力（压力液采用轻质油或水），以满足岩芯测定中所需要的压力条件;压力表是用来控制各种介质工作时的压力值;各控制阀用来控制不同工作介质的通断及流向;快速接头组27、28、24及30、31是用以迅速转换通过岩芯的测量及垂压、侧压介质;1^＃、2^＃液压缸内有一无柄活塞57，将压力腔分为两部分，其作用既可向岩样提供各种待测的渗流介质，也可给岩芯夹持器的侧封压腔37和垂直压压腔47提供其它液体传压介质作为工作动力;高压气瓶Ⅴ、Ⅵ则是向待测岩样提供气体测量介质。

实现本发明的关键技术之一，是岩芯夹持器Ⅲ的结构及密封性。附图二是岩芯夹持器的剖视图，其中33为夹持器本体，34为底塞、50为顶塞，两者均通过螺纹与本体33联结，垂直封压腔47位于压力活塞45与顶塞50之间，弹簧52的作用是保证垂直封压腔47有一个起码的空间并使其正对压力液进孔30;补心塞53的作用是在测定水平渗透率时保证有良好的线性流动;54为扩散板，55为扩散瓦片，两者均为带网状沟槽的金属板，其网状沟槽使测量介质在压力下均匀地分布于岩样，测孔隙度时则将扩散板54换为闷板（即不带沟槽和孔的块）;38为橡胶筒，待测岩样44置于扩散板54、扩散瓦片55和橡胶筒38之间。测定中所需的侧压力来源于侧封压腔37中的流体压力作用于橡胶筒，通过橡胶筒的弹性变形来实现;垂直压力则通过压力活塞45将垂直封压经扩散板54直接作用于岩样44的截面;高压快速接头30、31分别为垂直封压及侧封压压力流体的进口。32为侧封压腔空气排放口;40为侧压帽、41为侧芯管、43为硫化铁芯、硫化铁芯的外沿面通过矩形沟槽与橡胶筒38密合，内园柱面则与侧芯管41动配合，并通过两O型橡胶圈密封，侧芯管与硫化铁芯两端面的接触面上则用O型橡胶圈39，通过侧压帽40的压力进行密封以防止侧封压腔中的压力介质污染岩样;35、36、42、46、48、49、51均为O型橡胶密封圈，分别对两封压腔之间及封压腔与外部进行密封，以保证在高压下压力介质不会相互渗透或泄漏;螺杆泵Ⅰ、Ⅱ通过控制阀19、20及18、14、17、10分别向垂直封压腔、侧封压腔及1^＃、2^＃液压缸提供压力液，两螺杆泵的最大工作压力均可达60MPa（兆帕）。测量介质的提供：一是由高压气瓶Ⅴ、Ⅵ通过控制阀1、高压调压阀J，经控制阀5、6及快速接头组28和24、27分别向待测岩样提供气体测量介质，如氮气、氦气等高压气体;其次流经高压调压阀J的气体还可经过控制阀3、13及4、9分别向1^＃、2^＃液压缸提供高压气体作为液压缸的动力液。附图三是液压缸剖视图，1^＃、2^＃液压缸的结构及尺寸相同，缸体结构对称，内有一无柄活塞57，将缸体内腔分为上、下两部分，活塞上有两组聚四氟乙烯密封环58，以防止上、下两腔内的压力介质互相渗透。上部盛轻质油与螺杆泵和高压气瓶相接，下部盛液体测量介质，这种盛于1^＃、2^＃液压缸的测量介质可分别通过控制阀15或11经快速接头组28或27分别向岩样提供液体测量介质。此外：1^＃、2^＃液压缸可通过控制阀16、12，分别向垂直封压腔和侧封压腔提供其它压力液体作为封压介质。附图一中A、B、C为气体压力表，7、8为压力表B、C的控制阀，K为低压调压阀。A表控制范围为0～15MPa（兆帕），B、C表控制范围分别为0～1MPa和0～0.1MPa（兆帕）;E、F 为液压表，控制范围为0～60MPa（兆帕），D为测岩样孔隙度时所用的精密压力表，测量范围为0～0.6MPa（兆帕）;六通阀29用于选择气体测量介质;G为各种规格的气体流量计（当用液体测量时则用量杯计量）。测量中可能加于待测岩样上的侧向压力，最高可达50MPa（兆帕）;垂直压力，由于扩散板54的面积与压力活塞45下端相等并远小于上表面在垂直封压腔内的受力面积，因此实际作用到岩样上的压力最高可达113MPa（兆帕）。胶筒中部与岩芯接触部分的直径为φ100mm或65mm，即适应用8 1/2 “和6 1/2 ”取芯钻头所获取的岩芯进行测定，或将其它规格的岩芯经加工后进行测定。

本发明具有垂直和侧向两个封压，岩芯夹持器的密封性好、强度高，可使待测岩样在高达50MPa（兆帕）的侧压及113MPa（兆帕）垂压下进行各项物理性质的测定，并能保证安全和防止泄漏。本发明既可以测定渗透率，也可测定孔隙度，同时还可对岩样进行酸化效果分析及岩石弹性系数的测定等。本发明由于配有两只液压缸，因此在渗透率的测定中既可用气体，也可利用各种液体进行测定。本发明与美国岩芯试验公司等生产的同类产品相比，由于渗透率测定的下限可达9.87×10^-12um²（平方微米），因此可测定任何岩样的渗透率，特别适应低渗透性的岩样。同时在对不同渗透率的岩样进行测定时，由于分别采用了J、K两个调压阀及A、B、C三个不同量程的压力表，从而又保证了其测量的准确性。因此，本发明与同类的其它产品相比，具有工作压力高、对地层的模拟性强、测量范围宽、测量数据准确可靠、重复性好等优点。

实施例：

以测量直径为φ100mm、长度为110～180mm的岩芯为例：胶筒的内径为φ100mm、长度为300mm、两端厚度为10mm，材料为耐油橡胶;压力活塞45的压力头及扩散板54的直径均为φ100mm，而压力活塞在压力腔内的受力面积为178.16Cm²;夹持器本体内径为160mm、两侧的壁厚为35mm、高为660mm、材质为35号铬钼钢，内壁光洁度为10级;底塞34、顶塞50、侧压帽40、压力活塞45亦均为35号铬钼钢。硫化铁芯39内孔直径为φ18mm，外径为φ50mm，高为23.5mm，在铁芯的外园柱面上有两道环状矩形槽并与橡胶筒热压密合;夹持器的所有密封圈均为耐油橡胶制成。液压缸缸盖59、缸体60，材质为35号铬钼钢，钢体外径φ170mm，内径为φ120mm，缸盖与缸体通过螺纹联结，并加橡胶环密封，无柄活塞57与缸体60为滑动配合，并通过两组聚四氟乙烯密封圈58，以防止缸内上、下两部分压力介质相互渗透。本实施例中螺杆泵Ⅰ、Ⅱ均采用600型压力表校表仪中的螺杆泵。在测量过程中，1^＃、2^＃液压缸和夹持器均通过高压快速接头与整个测量系统连接在一起使用。

本发明的测量方法为：首先将已分成四个象限的待测岩样装入夹持器Ⅲ中，在压力活塞45、底塞34内均装上补心塞53，上紧顶塞、底塞，然后接上高压快速接头30、31，测定岩样的气体渗透率时，将控制阀19、20开启，通过螺杆泵Ⅰ、Ⅱ分别将压力液注入垂直封压腔47和侧封压腔37，并通过压力表E、F分别控制其压力，使待测岩芯处于要求的压力下。当压力达到所需值时，开启六通阀29与某指定气瓶接通并通过控制阀1、高压调压阀J、压力表A、B、C控制其气体的压力值。测定水平方向的1、3象限渗透率时，将高压快速接头24与27接通，（此时不用标准体架Ⅳ）开启控制阀6、23方可进行测量。测量水平方向2、4象限的渗透率时，将垂直封压腔47、侧封压腔37卸压之后，卸下岩芯夹持器的底塞34，将橡胶筒38内的岩样旋转90°后，装上底塞重复上述操作，方可进行2、4象限的水平渗透率测量。测量岩样垂直方向的渗透率时将控制阀5与高压快速接头28接通，关闭控制阀23、26，开启控制阀5、21、22便可对岩样进行垂直方向的渗透率测定。

当需测定岩样的液体渗透率时，则先将测定液体介质分别装于1^＃、2^＃液压缸活塞57的下部，再将高压快速接头组27、28与控制阀11、15接通，然后通过高压调压阀J将其压力调到要求值时打开控制阀4、9和3、13将气体作为动力源输入两液压缸的上部，当岩芯的垂直压力和侧向压力达到要求值时，开启控制阀11、23进行岩样水平方向的液体渗透率的测定，开启控制阀15、21、22 则可对岩样进行垂直方向的液体渗透率的测定。其中G为各种规格的气体流量计或量杯，控制阀2为排气阀。

进行岩芯孔隙度测定时，则将岩芯夹持器内的两块扩散板54换成闷板，将标准体架Ⅳ上的阀门25、26分别与高压快速接头组24、27接通，使其串接于高压气瓶和岩芯夹持器之间的管路中，开启控制阀6、25通过精密压力表D控制其压力值，H是标准体，当气体压力达到所需值时，关闭控制阀25，开启控制阀26，向岩样送气以测定岩样的孔隙度。测定孔隙度时，岩芯仍处于所要求的垂向及侧向压力中，测定时控制阀21、22、23呈关闭状态。

附图：

图一为本发明的流程图;

图二为岩芯夹持器的剖视图;

图三为1^＃、2^＃液压缸剖视图。

Claims

1、一种岩芯高压渗、孔测定仪，它由岩芯夹持器、动力泵、高压气瓶、控制阀、压力表、流体计量器连接管道等构成，其特征在于它还包括两个作为中间容器的液压缸、一套标准体架，该标准体架可通过高压快速接头串接于高压气瓶和夹持器之间的管路中使用，而两个液压缸的一端均可通过高压快速接头经阀门和管道分别与高压气瓶或手动螺杆泵相接，以获得作为动力的高压气体或液体介质，而另一端则可通过高压快速接头等分别与夹持器相接；而所谓动力泵则是采用两台可提供压力为60MPa(兆帕)的手动螺杆泵；而在岩芯夹持器的本体内具有垂直和侧向两个封压腔，其中垂直封压腔位于压力活塞与顶塞之间，两封压腔之间及封压腔与外部之间均采用O型胶圈密封，该夹持器通过高压快速接头组与整个测量系统连接在一起使用。

2、按权利要求1所述之测定仪，其特征在于它由夹持器本体33、胶筒38、底塞34、顶塞50、压力活塞45、侧压帽40、侧芯管41、弹簧52、补心塞53等构成。

3、按权利要求1所述之测定仪，所谓液压缸，其特征在于它由缸盖59、缸体60、无柄活塞57等构成，活塞57可在缸体内自由滑动并将内腔分为上、下两部分，活塞上有两组聚四氟乙烯密封环58，缸盖59与缸体60通过螺纹联结，并利用O型橡胶环密封。

4、按权利要求1所述之测定仪，所谓标准体架，其特征在于它由控制阀25、26，精密压力表D，标准体套H及快速接头构成。

5、按权利要求2所述之岩芯夹持器，所谓橡胶筒，其特征在于橡胶筒上硫化铁芯43的外沿上有两道环状矩形槽，硫化铁芯通过该槽与橡胶筒热压密合，胶筒中部与岩芯接触部位的内径为φ100mm或φ65mm，长度为300mm，两端厚度为10mm，材料为耐油橡胶。

6、按权利要求1所述之测定仪的使用方法，其特征在于能在高压下，在X、Y、Z三个轴向上对岩芯进行气体渗透率、液体渗透率以及孔隙度等物理量的测定，测量前首先将已分成四个象限的待测岩样装入岩芯夹持器Ⅲ中，在压力活塞45、底塞34内均装上补心塞53，上紧顶塞、底塞，然后接上高压快速接头30、31，测量时先将控制阀19、20开启，通过螺杆泵Ⅰ、Ⅱ分将压力液注入垂直封压腔47，和侧封压腔37中，使待测岩芯处于要求的压力下;

当测定岩芯的气体渗透率时，开启六通阀29与指定的气瓶接通，并通过控制阀1，高压调节阀J，压力表A、B、C控制气体的压力值，测定水平方向的1、3象限渗透率时，将高压快速接头组24与27接通，开启控制阀6、23便可进行测量，测定后将两封压腔卸压之后，将胶筒38内的岩芯旋转90°，再按上述方法便可进行2、4象限水平渗透率的测定;测定垂直方向气体渗透率时，则将快速接头28与控制阀5接通，同时关闭控制阀23、26，开启控制阀5、21、22便可进行测量;

当需测定岩芯的液体渗透率时，还需将待测定的液体介质分别装于1、2液压缸活塞57的下部，再将高压快速接头组27、28分别与控制阀11、15接通，然后通过高压调节阀J将其压力调到要求值时，打开控制阀4、9和3、13将气体作为动力源输入两液压缸的上部，当岩芯的垂直压力和侧向压力达到要求值时，开启控制阀11、23即可进行岩芯水平方向的液体渗透率的测定;而开启控制阀15、21、22则可对岩芯进行垂直方向的液体渗透率的测定;

在进行岩芯孔隙度测定时，则应将岩芯夹持器内的两块扩散板54换成闷板，将标准体架Ⅳ上的阀门25、26分别与高压快速接头组24、27接通，使其串接于高压气瓶和岩芯夹持器之间的管路中，在岩芯处于要求的垂向及侧向压力时，开启控制阀6、25，通过精密压力表D控制其压力值，当气体达到要求值时、关闭控制阀25、开启控制阀26、向岩样送气以测定岩芯的孔隙度，测量时控制阀21、22、23均呈关闭状态。

7、按权利要求6所述之使用方法，其特征在于所谓高压下测量是指岩样在最高可达113MPa的垂压下和50MPa侧压下进行测量。