岩样三向渗透率测定方法实验研究

岩样三向渗透率测定方法实验研究

鲍云杰1,2曹婷婷1,2翟怡1，2

(1.中国石油化工股份有限公司 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所， 无锡 214151；2. 中国石油化工集团公司 油气成藏重点实验室，无锡 214126)

摘要：受岩石样品夹持器形状结构的限制，岩样必须加工成规则圆柱状才能测定渗透率。这种岩样外形的限制性要求，使得同一样品测定三个方向的渗透率难以实现。本文提出了一种岩样三向渗透率测定方法，这种方法通过使用岩心分析测试用过渡套(ZL201120152706.1)以及一种岩样三向渗透率的检测方法及其检测系统(201210400962.7)，利用过渡套外圆内方的结构特点，将正方体岩样按照标注好的方向先后放入过渡套中，再分别进行三个方向的渗透率测试，从而得到同一样品三个方向的渗透率数据。9块泥岩、泥灰岩样品实验表明，样品渗透率各向异性显著，这种方法的应用不仅能够节省样品，减少工作量，还能提高样品渗透率各向异性信息的可比性，具有良好的应用前景。

关键词：岩样；三向渗透率；测定方法

作者简介：鲍云杰，男，高级工程师，从事储层评价与测试分析研究工作，E-mail：byj2006@sina.com。

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2015.01.021

收稿日期：2014-06-01

Three-dimensional permeability method for determination of rock sample.BaoYunjie1,2,CaoTingting1,2，ZhaiYi1，2(1.WuxiInstituteofPetroleumGeology,PetroleumExploration&ProductionResearchInstitute,Wuxi214151,China;2.KeyLaboratoryofPetroleumAccumulationMechanism,Sinopec,Wuxi214126,China)

Abstract:According to this method, the cube rock samples can be put into the transition units followed the marked direction in accordance with the structural characteristics of the transition units, and then the permeability test will be carried out in three directions respectively. After that, the three-dimensional permeability datas of the same sample can be obtained. Nine rock samples, including shale and marlstone, are selected to test the experiment, the result shows a significant anisotropic permeability. This method has the advances of saving samples, reducing the workload, improving the comparability of anisotropic permeability, can be applied well in the future.

Key words：rock sample; three-dimensional permeability; determination method

1前 言

在油气地质勘探和开发领域，渗透率是一项重要的参数。在实验室，通常是在岩样上钻取标准岩心柱，以渗透率测定仪测定岩心柱渗透率，为油气勘探和开发工作提供依据。由于地层的渗透率具有各向异性的特点，而这种特性对于油气田的勘探和开发具有特殊意义，故有时在获得岩心后，在钻取岩心柱时，会因研究需要，在岩心上钻取轴向岩心柱和径向岩心柱，并分别标注方向测试，最后得到通常所称的垂向渗透率和水平渗透率，以便为地层渗透性研究提供更多信息。

刘月田等建立了用于测量地层平面内各向异性渗透率的方法[1]。通过测量岩心外侧表面不同方向的最大和最小流量，确定最大和最小渗透率主方向，并申报了发明专利-“各向异性渗透率的测试方法及装置”。周涌沂等开展了岩石方向渗透率的确定方法研究[2]，推导了一种新的具有代表性和普遍性的方向渗透率计算模型。这一模型可用于计算平面内任意方向上的渗透率大小。其应用基础与条件是：一要有岩样实测的一个平面三个方向的渗透率及其方位角数据；二是确定最大、最小渗透率及其方位角的方法，只适用于正反两个渗透率相等或相近的情形。孙东生等在储层岩心三个互相垂直的方向上取样，研究储层渗透率的各向异性[3]。郑新卫等研究了岩心垂向及侧向渗透率的测定方法[4]。这些研究工作促进了渗透率测定和分析技术的发展。

上述技术方法与需求相比，尚存在一定的不足。这些方法的应用基础，都是要获得规则圆柱状样品，甚至需要全岩心样品。但在当前泥岩、页岩的渗透率分析测试工作量越来越多的情况下，由于泥岩、页岩具有性脆、页理发育等特点，钻取岩心柱(或取心)过程中经常发生破裂现象，导致钻取岩心柱样品的成功率低，而上述方法对岩样外形的要求，在一定程度上限制了其在更大范围上的应用，也不能满足各向异性岩样渗透率测定和研究工作的需要。

2测量方法

岩样三向渗透率的测定依赖于岩心测试用过渡套[5]，这种过渡套的材料为橡胶，与现用围压套(胶套)弹性、强度等物理参数相同或相近，保证其在装入样品后，在围压套压力的作用下包紧岩样；过渡套是一个轴向通透的、具有外圆内方结构特点的圆筒，其通透截面是正方形；过渡套的直径略小于围压套的内径，与以往规则圆柱状岩样的直径相同。这样就可以将各种尺寸的立方体岩样放入其中进行渗透率的测试。当改变岩样方向进行测试时，即可获得不同方向的渗透率。如图1所示，当将岩样沿垂向放入过渡套测试时，可以获得岩样垂向渗透率。可见，这种测量方法用1块样品即可测定三个方向的渗透率，样品用量少，获得的三向渗透率可比性强，可以为渗透率各向异性研究工作提供丰富信息。

图1　岩样三向示意图

测试方法和流程如下：

(1)以切割、打磨等方式，取得立方体岩样，岩样要标记方向，如垂向、横向一、横向二(相当于三维直角坐标系的XYZ三轴)；

(2)将立方体岩样放入其中之后，再将它放入当前的圆筒状岩样夹持器中，经过侧面加压密封，进行渗透率的测试。

(3)渗透率的计算，当测量介质为气体时，以下述公式计算岩样的渗透率。

Ka=2PaQoμL/A(P12-P22)

Ka为气体渗透率, mD；Qo为出口气体流量, mL/s；

Pa为大气压力，MPa；μ为气体粘度,mPa·s；

L为样品长度，cm；A为样品端面积，cm2；

P1为入口压力，MPa；P2为出口压力,MPa；

其中，样品长度为岩样任意一边的长度；样品的端面积为任意两个边长的乘积。

(4)渗透率的测定

分别按照岩样标记的垂向、横向一、横向二三个方向，将岩样放入围压套(过渡套)中，依次测定岩样三个方向的渗透率。

3实验与结果分析

3.1　实验条件

实验仪器：无锡惠奥GDS-90F型气体渗透率测定仪。

实验样品：选取钻井岩心或露头样品，加工成16*16*16mm的立方体状，并标注好方向，以便测定数据的比对分析。

过渡套：直径25mm，长度16mm，中间通透部分为正方体，长度为16mm，截面为16*16mm。

围压以及测量介质入口压力：围压为1.5MPa，测量介质入口压力为0.1～0.2 MPa，与渗透率测定仪测定圆柱状岩样工作条件一致。

样品选择：通过岩心观察，选择9块具有纹层状结构、水平层理的样品进行实验测试。

3.2　实验数据分析

选取9块岩石样品，每个方向测定了3次，计算了平均渗透率，测试结果见表1。

表1　渗透率测定数据表

由表1可见，由过渡套测试立方体状岩石样品渗透率是可行的，同一样品同一方向3次重复测试结果具有良好的重复性，相对误差在15%以内，符合当前渗透率测定要求；同一样品不同方向渗透率具有较大差异，5块泥岩样品其横向渗透率大于垂向渗透率，4块泥灰岩样品中有3块其横向渗透率大于垂向渗透率。无论是泥岩还是泥灰岩，同一样品其横向渗透率差异也较大，反映了这些样品渗透率各向异性的普遍性，也暗示了开展岩石渗透率多向测试的重要性。

初步实验表明，本实验所建立的岩样三向渗透率测量方法可以依托现有渗透率测定仪进行实施，不需要对现有仪器结构等进行改造，具有良好的可操作性。其应用的前提条件是引入过渡套，并且必须将岩样加工成立方体。

4讨论

实验数据显示，三向渗透率测试方法的重复性误差小于15%，符合低渗透岩样测定要求，具有良好的推广应用前景。

依托过渡套可以在不改变现有渗透率测定仪夹持器结构的条件下，测定立方体形状岩样的三向渗透率，可以提升和扩展现用渗透率测定仪的功能及其适用范围。

同一块样品在其互为90度夹角的三个方向渗透率具有较大差异，反映了岩石样品渗透率各向异性的普遍性，也暗示了开展岩石渗透率多向测试的必要性。

参考文献

[1] 刘月田，郭分乔，涂斌，等.全岩心非均匀径向渗流各向异性渗透率测定方法[J].石油学报，2005，26(6)：66-68.

[2] 周涌沂，王端平.岩石方向渗透率的确定方法研究[J].大庆石油地质与开发，2005，24(4)：21-24.

[3] 孙东生，李阿伟，王红才，等.低渗砂岩储层渗透率各向异性规律的实验研究[J].地球物理学进展，2012，27(3)：1101-1106.

[4] 郑新卫，刘新华，马天游，等.全直径岩心孔渗分析技术[J].录井工程，2013，24(2)：27-30.

[5] 鲍云杰，俞凌杰，李志明.非圆柱状岩样渗透率测定方法实验研究[J].分析仪器，2014，(4)：76-78.