一种结合核磁共振测量低渗透储层相对渗透率的仪器

摘要

本发明公开了一种结合核磁共振技术的低渗透储层渗透率测量仪器。所述仪器包括硬件和软件，所述硬件包括无磁岩样夹持器、承压容器、气体干燥装置、电子天平和气体流量测量装置；所述软件包括通信采集模块、数据整理模块、数据显示模块、数据记录模块、实验过程控制模块和数据导出模块。所述仪器可用于非常规储层气、水相对渗透率测量实验，准确给出实验参数并达到对流体分布及流动规律进行动态监测的目的。

说明书

技术领域

本发明属于煤、页岩等低渗透储层渗透率测试实验设备技术领域，具体涉及一种 结合核磁共振测量低渗透储层相对渗透率的仪器。

背景技术

煤储层相对渗透率参数是煤储层模拟评价和煤层气井产出动态预测的关键参数 之一，准确获得煤储层相对渗透率对于煤层气的开采有重要意义。目前，常规储层相对渗透 率分析方法（石油行业标准：SY/T5843-1997）是获取低孔、低渗透储层相对渗透率的重要 途径，虽此方法在常规储层中的应用非常成熟，但考虑到非常规储层的“低孔（可动流体孔 隙度一般都小于3%）、低渗（一般都小于0.1mD）和高非均质性”的特点，这种常规方法在非常 规油气（煤层气、页岩气等）储层的气、水相对渗透率研究中的实用性较差。

非稳态法是测量相对渗透率的重要方法，该方法以一维两相渗流理论和气体状态 方程为依据，利用非稳态恒压法进行岩样气驱水实验，记录气驱水过程中岩样出口端各个 时刻的产气量、产水量和岩样两端压差等数据。

非稳态实验过程中需要测定各个时刻的产水量，由于非常规储层的低孔、低渗特 征，岩样中所含水量较少，驱替过程中管线中也可能会残余部分水量难以获取，导致产水量 的测量数据误差较大。同时，对于双孔双渗模型的煤和页岩储层，流体分布对相随渗透率有 较大影响，常规实验方法，在气驱水过程中难以对不同存在状态的水进行定量分析。

实验技术条件是限制煤储层气、水渗透率准确测量的重要因素之一。由于储层的 低孔、低渗特点，常规储层相对渗透率分析方法对于低孔、低渗储层中流体饱和度的测量误 差较大，实验参数（气体、液体流量等）获取存在不确定性。同时，对流体分布状态及运移规 律达不到动态监测效果，不能得到流体分布的动态连续的变化规律。

因此需要发明一套适用于低渗储层相对渗透率测定的仪器，准确获取实验中流体 流量、饱和度等参数，并且对实验中流体分布及流动规律实现动态监测。

发明内容

为了解决常规储层相对渗透率测量仪器针对低孔、低渗非常规储层测得的流体饱 和度、流体流量等实验参数误差较大的问题，本发明提供一种结合核磁共振技术的低渗透 储层渗透率测量仪器，用于非常规储层气、水相对渗透率测量实验，准确给出试验参数并达 到对流体分布及流动规律进行动态监测的目的。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

一种结合核磁共振技术的低渗透储层渗透率测量仪器，包括硬件和软件，所述硬件包 括无磁岩样夹持器、承压容器、气体干燥装置、电子天平和气体流量测量装置，所述承压容 器的进口端与气体增压泵连接，出口端与所述无磁岩样夹持器相连接，所述无磁岩样夹持 器的一端与所述承压容器相连，另一端与所述气体干燥装置相连，所述气体干燥装置放置 于所述电子天平之上，所述气体干燥装置的一端与所述无磁岩样夹持器相连，另一端与所 述气体流量测量装置相连接；所述软件包括通信采集模块、数据整理模块、数据显示模块、 数据记录模块、实验过程控制模块和数据导出模块。

所述无磁岩样夹持器是本发明所提供仪器的核心部件，由2个压帽、2个金属堵头、 2个径向密封圈、2个轴向密封圈、2个PEEK(PolyEtherEtherKetone，聚醚醚酮)样品柱 塞、PEEK夹持器本体、胶套、围压进口、压力源入口和压力源出口组成。参见图2，所述2个 PEEK样品柱塞用于从左右两端固定住待测岩样，在所述PEEK样品柱塞和岩样的外面覆盖有 所述胶套，所述PEEK夹持器本体包裹在所述胶套的外面，上述部件构成一个圆柱形的夹持 器主体，在所述夹持器主体的两端各有一个所述金属堵头，在每个所述金属堵头与所述胶 套的结合部安装有一个所述轴向密封圈，在每个所述金属堵头与所述PEEK夹持器本体的结 合部安装有一个所述径向密封圈，在所述金属堵头的外面各有一个压帽，在左侧金属堵头 上安装有所述压力源入口，在右侧金属堵头上安装有所述压力源出口，从所述压力源入口， 经所述左侧金属堵头、左侧PEEK样品柱塞、岩样、右侧PEEK样品柱塞、右侧金属堵头和压力 源出口，形成一条流体（气体和液体）传输通道，在所述PEEK夹持器本体的一侧，安装有所述 围压进口，用于对所述胶套及其包裹体施加围压。

所述无磁岩样夹持器可置于低场核磁共振仪中进行样品中流体的定量测量而不 产生干扰信号量。具体用法是：将无磁岩样夹持器置于低场核磁共振仪中，进行驱替实验； 试验过程中在不同时刻对岩样进行核磁信号量测量，同时记录出口端气体产气量、两端压 差等测量数据；将获取的不同时刻的核磁信号量转换成岩样中水的质量，用“JNB” （Johnson-Bossler-Naumann）方法计算岩样相对渗透率和含水饱和度。

所述承压容器的功能是缓冲和调节气体压力，以保证所述无磁岩样夹持器的压力 源入口的气体按照设定值以恒定压力供给。所述承压容器由底座、筒体、进口、密封圈、压 环、上堵头和出口组成，所述筒体安装在所述支架之上，所述进口位于所述筒体的底部，在 所述筒体的上部安装有所述上堵头，在所述上堵头底部与筒体内壁之间安装有密封圈，所 述上堵头的外部装有所述压环，所述出口位于所述上堵头的顶部。从所述进口，经所述筒 体、上堵头和出口，形成气体通路。所述承压容器的出口端装有气体单向阀，根据实验要求 的进口压力设定承压容器出口压力，使得气体以恒定压力流出。所述承压容器的最大耐压 为10MPa。

所述气体干燥装置是一个装有气体干燥剂的容器瓶，瓶塞上插有左右两根导管， 左边导管与所述无磁岩样夹持器的压力源出口相连接，右边导管与所述气体流量测量装置 相连接。所述气体干燥装置放置于所述电子天平之上。

实验过程中产生水量较小，通过常规气、水分离方法难以测出驱替水量，本装置采 用干燥剂进行气体干燥，电子天平测量驱替出水量方法与核磁方法进行对比验证，同时干 燥气体减小气体流量测量误差。

所述气体流量测量装置包括机械流量计和皂泡流量计两部分，两个流量计通过一 个三通阀与所述气体干燥装置的右边导管相连接，任意时刻根据气体流量选择使用其中的 一个流量计，当气体流量过小机械流量计难以测量时则改用皂泡流量计，以提高测量值的 准确度，当气体流量较大时使用机械流量计，同时气体出口端可以使用回压装置控制出口 端压力值。

所述通信采集模块与现场测量模块进行通信，通信数据交给所述数据整理模块进 行处理；所述数据整理模块对通信返回的数据进行处理后，得到需要的现场实际测量值（如 温度，压力等）；所述数据显示模块将实际测量值显示，供用户查看；所述实验过程控制模块 从所述数据整理模块获得数据后，经过处理得到其他数据（比如实验数据，实验结果等），并 将得到的数据交给所述显示模块显示，同时，控制所述数据记录模块记录数据，记录数据包 括实际测量数据和实验数据以及实验结果等；所述数据导出模块从已记录的数据中提取数 据导出到表格中，供用户查看和处理。

本发明所述仪器的操作流程为：

1、将饱和水后的岩样装入岩样夹持器，将岩样夹持器置于低场核磁共振仪中，连接进 出口气路；利用围压泵给岩样夹持器加围压。

2、设置耐压容器出口端单向阀压力为驱替实验进口压力，打开气源和气体增压 泵，给承压容器中气体增压至大于驱替进口压力时停泵；打开单向阀，气体从单向阀通过提 供上游压力，打开进气口阀门，进行气驱水实验。

3、在不同时刻对岩样进行核磁测量，同时利用计算机采集驱替时间、驱替压差、初 始见气点和累计气体流量数据。

4、对耐压容器进行压力补充，保证实验过程中耐压容器中气体压力大于夹持器进 口的设置压力。

本发明的优点和有益效果为：

1、能够准确获取驱替实验过程中的驱替水量、气体流量等实验参数，准确计算出低孔 隙度低渗透率储层的相对渗透率；

2、在获取相对渗透率的同时对岩样中不同存在状态水的分布及运移规律进行定量分 析；

3、提高实验装置安全性能，同时提高采样时间点精确度及提高数据处理能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明所述仪器的工作原理图。

图中，1是氦气瓶，2是二氧化碳气瓶，3是截止阀，4是气瓶减压阀，5是过滤器，6是 气体增压泵，7是电磁阀，8是压力表，9是压力调节阀，10是油气分离泵，11是空气泵，12是三 通阀，13是承压容器，14是单向阀，15是安全阀，16是压力传感器，17是温度传感器，18是 PEEK岩样夹持器，19是围压泵，20是水杯，21是回压阀，22是回压泵，23是气体流量计，24是 气体干燥装置，25是电子天平，26是皂泡流量计，27是数据采集器，28是计算机。其中，13、 18、23、24、25、26是本发明所述的硬件部件，本发明所述的软件模块安装于计算机中。

图2为发明所述PEEK材料的无磁岩样夹持器的构造图。

图中，1是压帽，2是金属堵头，3是径向密封圈，4是围压进口，5是PEEK夹持器本体， 6是岩样，7是胶套，8是金属堵头，9是压力源入口，10是轴向密封圈，11是PEEK样品柱塞，12 是压力源出口。

图3为发明所述进气口端耐压容器结构图。

图中，1是出口，2是上堵头，3是压环，4是密封圈，5是筒体，6是进口，7是底座。

图4是本发明所述软件模块结构图。

图中，1是通信采集模块，2是数据整理模块，3是数据显示模块，4是实验过程控制 模块，5是数据记录模块，6是数据导出模块。

具体实施方式

实施例1

参见图1、图4，一种结合核磁共振技术的低渗透储层渗透率测量仪器，包括硬件部件和 软件模块，所述硬件部件包括无磁岩样夹持器、承压容器、气体干燥装置、电子天平和气体 流量测量装置，所述承压容器的进口端与气体增压泵连接，出口端与所述无磁岩样夹持器 相连接，所述无磁岩样夹持器的一端与所述承压容器相连，另一端与所述气体干燥装置相 连，所述气体干燥装置放置于所述电子天平之上，所述气体干燥装置的一端与所述无磁岩 样夹持器相连，另一端与所述气体流量测量装置相连接；所述软件包括通信采集模块、数据 整理模块、数据显示模块、数据记录模块、实验过程控制模块和数据导出模块。

参见图2，所述无磁岩样夹持器是本发明所提供仪器的核心部件，由2个压帽、2个 金属堵头、2个径向密封圈、2个轴向密封圈、2个PEEK样品柱塞、PEEK夹持器本体、胶套、围压 进口、压力源入口和压力源出口组成。所述2个PEEK样品柱塞用于从左右两端固定住待测岩 样，在所述PEEK样品柱塞和岩样的外面覆盖有所述胶套，所述PEEK夹持器本体包裹在所述 胶套的外面，上述部件构成一个圆柱形的夹持器主体，在所述夹持器主体的两端各有一个 所述金属堵头，在每个所述金属堵头与所述胶套的结合部安装有一个所述轴向密封圈，在 每个所述金属堵头与所述PEEK夹持器本体的结合部安装有一个所述径向密封圈，在所述金 属堵头的外面各有一个压帽，在左侧金属堵头上安装有所述压力源入口，在右侧金属堵头 上安装有所述压力源出口，从所述压力源入口，经所述左侧金属堵头、左侧PEEK样品柱塞、 岩样、右侧PEEK样品柱塞、右侧金属堵头和压力源出口，形成一条流体（气体和液体）传输通 道，在所述PEEK夹持器本体的一侧，安装有所述围压进口，用于对所述胶套及其包裹体施加 围压。

所述无磁岩样夹持器可置于低场核磁共振仪中进行样品中流体的定量测量而不 产生干扰信号量。具体用法是：将无磁岩样夹持器置于低场核磁共振仪中，进行驱替实验； 试验过程中在不同时刻对岩样进行核磁信号量测量，同时记录出口端气体产气量、两端压 差等测量数据；将获取的不同时刻的核磁信号量转换成岩样中水的质量，用“JNB” （Johnson-Bossler-Naumann）方法计算岩样相对渗透率和含水饱和度。

参见图3，所述承压容器的功能是缓冲和调节气体压力，以保证所述无磁岩样夹持 器的压力源入口的气体按照设定值以恒定压力供给。所述承压容器由底座、筒体、进口、密 封圈、压环、上堵头和出口组成，所述筒体安装在所述支架之上，所述进口位于所述筒体的 底部，在所述筒体的上部安装有所述上堵头，在所述上堵头底部与筒体内壁之间安装有密 封圈，所述上堵头的外部装有所述压环，所述出口位于所述上堵头的顶部。从所述进口，经 所述筒体、上堵头和出口，形成气体通路。所述承压容器的出口端装有气体单向阀，根据实 验要求的进口压力设定承压容器出口压力，使得气体以恒定压力流出。所述承压容器的最 大耐压为10MPa。

参见图1，所述气体干燥装置是一个装有气体干燥剂的容器瓶，瓶塞上插有左右两 根导管，左边导管与所述无磁岩样夹持器的压力源出口相连接，右边导管与所述气体流量 测量装置相连接。所述气体干燥装置放置于所述电子天平之上。

实验过程中产生水量较小，通过常规气、水分离方法难以测出驱替水量，本装置采 用干燥剂进行气体干燥，电子天平测量驱替出水量方法与核磁方法进行对比验证，同时干 燥气体减小气体流量测量误差。

参见图1，所述气体流量测量装置包括机械流量计和皂泡流量计两部分，两个流量 计通过一个三通阀与所述气体干燥装置的右边导管相连接，任意时刻根据气体流量选择使 用其中的一个流量计，当气体流量过小机械流量计难以测量时则改用皂泡流量计，以提高 测量值的准确度，当气体流量较大时使用机械流量计，同时气体出口端可以使用回压装置 控制出口端压力值。

参见图4，所述通信采集模块与现场测量模块进行通信，通信数据交给所述数据整 理模块进行处理；所述数据整理模块对通信返回的数据进行处理后，得到需要的现场实际 测量值（如温度，压力等）；所述数据显示模块将实际测量值显示，供用户查看；所述实验过 程控制模块从所述数据整理模块获得数据后，经过处理得到其他数据（比如实验数据，实验 结果等），并将得到的数据交给所述显示模块显示，同时，控制所述数据记录模块记录数据， 记录数据包括实际测量数据和实验数据以及实验结果等；所述数据导出模块从已记录的数 据中提取数据导出到表格中，供用户查看和处理。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并 非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做 出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引 伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。