一种同时测量多孔介质渗透率和孔隙率的方法

摘要

本申请公开了一种同时测量多孔介质渗透率和孔隙率的方法。所述测量方法属于非稳态法，可以保证在一次实验中，相同应力条件下，同时测量多孔介质样品的渗透率和孔隙率。具体步骤为：1)将样品侧面包裹后放入测量装置的样品腔中；2)向上游/下游气体腔内注入/抽出一定量的气体，并保持上游/下游压力恒定，让气体穿过样品从上游流向下游，记录上下游气体腔压力随时间的变化情况；3)利用测得的上下游压差，计算样品的渗透率和孔隙率。采用本申请计算得到的孔隙率和渗透率精度较高，且测量时间短。

权利要求

1.一种同时测量多孔介质渗透率和孔隙率的方法，所述方法包括以下步骤：

1)将多孔介质样品放置在样品腔中，通过管路将样品腔的两端与上下游气体腔分别相连，使得所述多孔介质样品的上表面与上游气体腔连通，下表面和下游气体腔连通，密封所述多孔介质样品的侧面；

2)向所述上游气体腔和所述下游气体腔充入相同的工作气体，打开两气体腔与所述样品腔之间的阀门，静置直至两气体腔与所述样品腔压力相等，即初始平衡压力；

3)关闭所述下游气体腔与所述样品腔之间的阀门，将所述下游气体腔内压力降低，降低后维持压力不变，即下游初始压力P0；打开所述下游气体腔与所述样品腔之间的阀门，上游气体在压差驱动下穿过所述样品腔流入所述下游气体腔，记录所述上游气体腔内压力值随时间的变化情况P(t)；

或者，关闭所述上游气体腔与所述样品腔之间的阀门，将所述上游气体腔内的压力升高，升高后维持压力不变，即上游初始压力P0；打开所述上游气体腔与所述样品腔之间的阀门，上游气体在压差驱动下穿过所述样品腔流入所述下游气体腔，记录下游气体腔压力随时间变化情况P(t)；

5)利用所述上游气体腔和所述下游气体腔内的压差值随时间的变化情况，即|P(t)‑P0|，进行渗透率和孔隙率的测量；

6)计算|P(t)‑P0|的值，并通过拟合得到ln[|P(t)‑P0|]对时间的斜率α和截距f；

渗透率根据下式(1)进行计算：孔隙率根据下式(2)或式(3)进行计算，当降低下游气体腔压力时选择式(2)，当提高上游气体腔压力时，选择公式(3)：2

式中，k—多孔介质的渗透率，D；A—样品横截面积，cm ；φ—样品孔隙度；L—多孔介质3

样品的长度，cm；Vu—上游气体腔体积，Vd—下游气体腔体积，cm；P(t)—上游气体腔或下游‑1

气体腔在t时刻的压力值，MPa；μ—气体粘度，mPa·s；β—气体压缩性，Pa ；

4 3 2

将所述f带入式(4)a＝3091.7f ‑684.46f+76.014f+4.5344f............(4)计算得到参数a；

2 ‑4

将所述f带入式(5)b＝(4.123f +0.4846f+3.484×10 )/(f+0.01263)……(5)计算得到参数b。

2.根据权利要求1所述的同时测量多孔介质渗透率和孔隙率的方法，其中，所述工作气体选氮气、二氧化碳、氦气和氩气中的任意一种或更多种。

3.根据权利要求1所述的同时测量多孔介质渗透率和孔隙率的方法，其中，所述多孔介质选自岩芯、多孔陶瓷、泡沫金属和高分子材料中的任意一种或更多种。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的同时测量多孔介质渗透率和孔隙率的方法，其中，步骤(1)中所述样品腔、所述上游气体腔和所述下游气体腔的温度相同。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的同时测量多孔介质渗透率和孔隙率的方法，其中，步骤(3)中所述升高或降低后维持压力不变为使用注射泵自动调节所述上游气体腔或所述下游气体腔内压力。

说明书

一种同时测量多孔介质渗透率和孔隙率的方法

技术领域

[0001] 本申请涉及但不限于油气工程技术领域，具体涉及但不限于石油天然气勘探开发与利用领域。尤其涉及但不限于一种同时测量多孔介质渗透率和孔隙率的方法及装置。

背景技术

[0002] 多孔介质的物理属性，包括渗透率和孔隙率，在地质工程，包括核废料处理，二氧化碳埋存，非常规油气开采中，有着重要作用。渗透率测量方法分为稳态和非稳态两种。稳
态测量方法通过测量给定压差下的气体通过多孔介质样品的流量来计算渗透率。但对于渗
透率很低的致密介质，稳态下的气体流量很小，测量的难度和误差较大；非稳态方法通过在
样品一侧施加压力脉冲，然后测量两侧的压力变化情况来推算样品的渗透率，测量容易且
效率较高。

[0003] 目前已有的非稳态方法只能测量渗透率，孔隙率需要使用其他方法进行测量，这带来两方面的问题：1.渗透率和孔隙率分开测量，导致总的测量时间很长；2.难以保证渗透
率和孔隙率测量时的应力条件完全一致，导致测量误差较大。因此有必要发展能够在一次
实验中，相同应力条件下，同时测量渗透率和孔隙率的非稳态测量方法。

发明内容

[0004] 以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制本申请的保护范围。

[0005] 本申请公开了一种可以同时测量多孔介质渗透率和孔隙率非稳态测量方法。采用本申请得到的多孔介质渗透率和孔隙率精度与其他方法一致，测量时间比采用其他方法大
大减少。可以保证在一次实验中，相同应力条件下，同时测量多孔介质样品的渗透率和孔隙
率。

[0006] 本申请公开了同时测量多孔介质渗透率和孔隙率的方法，包括如下步骤：

[0007] 将样品侧面包裹后放入测量装置的样品腔中；向上游/下游气体腔内注入/抽出一定量的气体，并保持上游/下游压力恒定，让气体穿过样品从上游流向下游，记录上下游气
体腔压力随时间的变化情况；利用测得的上下游压差，计算样品的渗透率和孔隙率。

[0008] 可选地，所述同时测量多孔介质渗透率和孔隙率的方法，包括如下步骤：

[0009] 1)将多孔介质样品放置在样品腔中，通过管路将样品腔的两端与上下游气体腔分别相连，使得所述多孔介质样品的上表面与上游气体腔连通，下表面和下游气体腔连通，密
封所述多孔介质样品的侧面；

[0010] 2)向所述上游气体腔和所述下游气体腔充入相同的工作气体，打开两气体腔与所述样品腔之间的阀门，静置直至两气体腔与所述样品腔压力相等，即初始平衡压力；

[0011] 3)关闭所述下游气体腔与所述样品腔之间的阀门，将所述下游气体腔内压力降低，降低后维持压力不变，即下游初始压力P0；打开所述下游气体腔与所述样品腔之间的阀
门，上游气体在压差驱动下穿过所述样品腔流入所述下游气体腔，记录所述上游气体腔内
压力值随时间的变化情况P(t)；

[0012] 或者，关闭所述上游气体腔与所述样品腔之间的阀门，将所述上游气体腔内的压力升高，升高后维持压力不变，即上游初始压力P0；打开所述上游气体腔与所述样品腔之间
的阀门，上游气体在压差驱动下穿过所述样品腔流入所述下游气体腔，记录下游气体腔压
力随时间变化情况P(t)；

[0013] 5)利用所述上游气体腔和所述下游气体腔内的压差值随时间的变化情况，即|P(t)‑P0|，进行渗透率和孔隙率的测量；

[0014] 6)计算|P(t)‑P0|的值，并通过拟合得到ln[|P(t)‑P0|]对时间的斜率α和截距f；

[0015] 渗透率根据下式(1)进行计算：

[0016] 孔隙率根据下式(2)或式(3)进行计算，当降低下游气体腔压力时选择式(2)，当提高上游气体腔压力时，选择公式(3)：

[0017]

[0018]

[0019] 式中，k—多孔介质的渗透率，D；A—样品横截面积，cm2；φ—样品孔隙度；L—多孔3
介质样品的长度，cm；Vu—上游气体腔体积，Vd—下游气体腔体积，cm ；P(t)—上游气体腔或
‑1
下游气体腔在t时刻的压力值，MPa；μ—气体粘度，mPa·s；β—气体压缩性，Pa ；

[0020] 将所述f带入式(4)a＝3091.7f4‑684.46f3+76.014f2+4.5344f…………(4)

[0021] 计算得到参数a；

[0022] 将所述f带入式(5)b＝(4.123f2+0.4846f+3.484×10‑4)/(f+0.01263)……(5)

[0023] 计算得到参数b。可选地，所述测量方法由上述步骤组成。

[0024] 在一种实施方式中，所述工作气体选氮气、二氧化碳、氦气和氩气中的任意一种或更多种。

[0025] 在一种实施方式中，所述多孔介质选自岩芯、多孔陶瓷、泡沫金属和高分子材料中的任意一种或更多种。

[0026] 在一种实施方式中，所述初始平衡压力与所述P(0)的相对差值不超过20％或绝对差值不超过0.5MPa。

[0027] 在一种实施方式中，步骤(1)中所述样品腔、所述上游气体腔和所述下游气体腔的温度相同。

[0028] 在一种实施方式中，步骤(3)中所述升高或降低后维持压力不变为使用注射泵自动调节所述下游气体腔内压力。

[0029] 本申请的有益效果是：采用本申请测得的多孔介质渗透率和孔隙率精度与其他方法一致，测量时间比其他方法大大减少。其他非稳态多孔介质渗透率测量方法不能同时测
量孔隙率，导致总的测量时间较长，应力条件不一致。

[0030] 本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书中所描述的
方案来发明实现和获得。

附图说明

[0031] 附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

[0032] 图1为本申请所用的测量装置结构示意图；其中，1、上游注射泵；2、上游气瓶；3、上游气体腔；4、下游气体腔；5、下游气瓶；6、下游注射泵；

[0033] 图2为本申请实施例1测得的一组压力数据。其中上图为测得的上下游压差的绝对值，下图为压差绝对值的对数。

[0034] 图3为本申请实施例2测得的一组压力数据。其中上图为测得的上下游压差的绝对值，下图为压差绝对值的对数。

具体实施方式

[0035] 为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相
互任意组合。

[0036] 本申请实施例公开了同时测量多孔介质渗透率和孔隙率的方法，包括如下步骤：

[0037] 1)将多孔介质样品放置在样品腔中，通过管路将样品腔的两端与上下游气体腔分别相连，使得所述多孔介质样品的上表面与上游气体腔连通，下表面和下游气体腔连通，密
封所述多孔介质样品的侧面；

[0038] 2)向所述上游气体腔和所述下游气体腔充入相同的工作气体，打开两气体腔与所述样品腔之间的阀门，静置直至两气体腔与所述样品腔压力相等，即初始平衡压力；

[0039] 3)关闭所述下游气体腔与所述样品腔之间的阀门，将所述下游气体腔内压力降低，降低后维持压力不变，即下游初始压力P0；打开所述下游气体腔与所述样品腔之间的阀
门，上游气体在压差驱动下穿过所述样品腔流入所述下游气体腔，记录所述上游气体腔内
压力值随时间的变化情况P(t)；

[0040] 或者，关闭所述上游气体腔与所述样品腔之间的阀门，将所述上游气体腔内的压力升高，升高后维持压力不变，即上游初始压力P0；打开所述上游气体腔与所述样品腔之间
的阀门，上游气体在压差驱动下穿过所述样品腔流入所述下游气体腔，记录下游气体腔压
力随时间变化情况P(t)；

[0041] 5)利用所述上游气体腔和所述下游气体腔内的压差值随时间的变化情况，即|P(t)‑P0|，进行渗透率和孔隙率的测量；

[0042] 6)计算|P(t)‑P0|的值，并通过拟合得到ln[|P(t)‑P0|]对时间的斜率α和截距f；

[0043] 渗透率根据下式(1)进行计算：

[0044] 孔隙率根据下式(2)或式(5)进行计算，当降低下游气体腔压力时选择式(2)，当提高上游气体腔压力时，选择公式(3)：

[0045]

[0046]

[0047] 式中，k—多孔介质的渗透率，D；A—样品横截面积，cm2；φ—样品孔隙度；L—多孔3
介质样品的长度，cm；Vu—上游气体腔体积，Vd—下游气体腔体积，cm ；P(t)—上游气体腔或
‑1
下游气体腔在t时刻的压力值，MPa；μ—气体粘度，mPa·s；β—气体压缩性，Pa ；

[0048] 将所述f带入式(4)a＝3091.7f4‑684.46f3+76.014f2+4.5344f…………(4)计算得到参数a；

[0049] 将所述f带入式(5)b＝(4.123f2+0.4846f+3.484×10‑4)/(f+0.01263)……(5)计算得到参数b。

[0050] 在本申请实施例中，所述工作气体选氮气、二氧化碳、氦气和氩气中的任意一种或更多种。

[0051] 在本申请实施例中，所述多孔介质选自岩芯、多孔陶瓷、泡沫金属和高分子材料中的任意一种或更多种。

[0052] 在本申请实施例中，所述初始平衡压力与所述P(0)的相对差值不超过20％或绝对差值不超过0.5MPa。

[0053] 在本申请实施例中，步骤(1)中所述样品腔、所述上游气体腔和所述下游气体腔的温度相同。

[0054] 在本申请实施例中，步骤(3)中所述降低后维持压力不变为使用注射泵自动调节所述下游气体腔内压力。

[0055] 实施例1

[0056] 1)将多孔介质样品(砂岩岩芯)放置在样品腔内，向上下游气体腔内同时注入氦气，平衡压力在0.05MPa。整个装置恒温35℃。

[0057] 2)关闭上游气体腔与样品腔之间的阀门，打开上游气体腔与上游注射泵之间的阀门，将上游气体腔的压力升高至0.10MPa，通过注射泵使得上游气体腔的压力保持不变，记
为P0。

[0058] 3)打开上游气体腔与样品腔之间的阀门。在压差驱动下，气体从上游气体腔穿过样品流入下游气体腔。记录下游气体腔内压力随时间升高的情况记为P(t)。在此过程中，上
游气体腔内的压力一直维持在0.10MPa。

[0059] 4)由经过足够长时间，下游气体腔压力上升至0.10MPa，上下游压差消失，流动停‑16 2
止。将这一段时间的下游气体腔数据代入计算公式，得到该样品的渗透率为1.10×10 m ，
孔隙率为8.43％。

[0060] 实施例2

[0061] 1)将多孔介质样品(砂岩岩芯)放置在样品腔内，向上下游气体腔内同时注入氦气，平衡压力在0.15MPa。整个装置恒温35℃。

[0062] 2)关闭下游气体腔与样品腔之间的阀门，打开下游气体腔与下游注射泵之间的阀门，将下游气体腔的压力下降至0.1MPa，通过注射泵使得下游气体腔的压力保持不变，记为
P0。

[0063] 3)打开下游气体腔与样品腔之间的阀门。在压差驱动下，气体从上游气体腔穿过样品流入下游气体腔。记录上游气体腔内压力随时间减小的情况记为P(t)。在此过程中，下
游气体腔内的压力一直维持在0.10Mpa。

[0064] 4)由经过足够长时间，上游气体腔压力下降至0.1MPa，上下游压差消失，流动停‑16 2
止。将这一段时间的上游气体腔数据代入计算公式，得到该样品的渗透率为1.08×10 m ，
孔隙率为8.71％。

[0065] 对比例1

[0066] 表1对比了使用本申请所述方法与中国行业标准SYT5336‑1996岩心常规分析方法测得的渗透率和孔隙率的数值以及相对误差(实施例与行业标准)，结果如下表所示；

[0067] 表1

[0068]  渗透率 孔隙率
‑16 2
实施例1 1.10×10 m 8.43％
‑16 2
实施例2 1.08×10 m 8.71％
‑16 2
行业标准 1.06×10 m 8.60％
相对误差1 3.77％ 1.98％
相对误差2 2.14％ 1.26％

[0069] 虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭
露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请
的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。