致密储层岩石超低渗测试系统研发与应用进展

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致密储层岩石超低渗测试系统研发与应用进展

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来源

http://www.dsjyj.com.cn/article/doi/10.13544/j.cnki.jeg.2024-0197

深部非常规能源开发是当前能源领域的研究热点之一。为了准确测定深部储层岩石在极端条件下的渗透率，中国科学院地质与地球物理研究所研发了一套超低渗测试系统。该系统能够模拟150℃高温、150MPa围压和100MPa孔压的深部储层环境，并采用脉冲衰减法测量岩石样品的渗透率。通过实验验证，该系统在不同加卸载循环、有效应力、孔隙压力和温度条件下均能获得可靠的数据，为深部储层渗透率评价提供了技术支撑。

面向深部非常规能源开发领域，中国科学院地质与地球物理研究所自主研制了一套适应于储层特性和深埋环境的超低渗测试系统，旨在解决高地温、高地压、高孔压条件下致密岩石超低渗透率精准测定的难题。该系统由渗流管路和高温高压多通道压力室两部分重要组件构成，经过创新设计和系统优化，能稳定且可靠地模拟150℃高温、150MPa围压和100MPa孔压的深部储层环境，并能实现从亚纳达西至毫达西量级岩石样品渗透率的脉冲衰减法测量。

图 1 岩石渗透率测试方法及适用范围(修改自Sander et al. (2017))

图 2 脉冲衰减法测试渗透率的方法示意：(a)上游气体压力；(b)一维渗流方向；(c)下游气体压力

图 3 基于脉冲衰减法的岩石超低渗测试系统结构(修改自Pan et al. (2015))

图 4 高温高压多通道压力室结构与密封设计

图 5 超低渗测试系统集成与压力室稳定性检验

基于该系统，开展了花岗岩和页岩在不同加卸载循环、有效应力、孔隙压力和温度条件下的渗透率测试。测试结果表明，加卸载循环次数增加有助于减少取样、制样过程中次生变形或次生微裂隙对测试结果的干扰；孔隙压力的提升抑制了气体滑脱效应，测得的表观渗透率更接近固有渗透率；相同有效应力条件下，页岩单一裂隙渗透率比基质渗透率至少高3个数量级；所建立的裂隙渗透率物理模型精准拟合了单一裂隙渗透率的测试结果，适用于刻画有效应力、孔隙压力和裂隙压缩变形共同影响下的裂隙页岩渗透率变化规律；固定有效应力和孔隙压力条件时，页岩渗透率随温度升高而降低。

图 6 应力效应控制下的花岗岩渗透率：(a)样品截面外观；(b)不同加卸载循环下渗透率随有效应力的变化；(c)试验过程中记录的样品上下游气压数据示例；(d)上下游气压差随时间演化的数据拟合曲线

图 7 孔压效应控制下的页岩渗透率(数据来自Zhou et al. (2019))：(a)裂隙样品表面形貌；(b)不同孔压条件下完整页岩样品渗透率随有效应力的演化；(c)不同孔压条件下裂隙页岩样品Ⅰ渗透率随有效应力的演化；(d)不同孔压条件下裂隙页岩样品Ⅱ渗透率随有效应力的演化

图 8 温度效应控制下的页岩渗透率(数据来自Li et al. (2023))：(a)样品内部裂隙形貌；(b)25℃时渗透率随有效应力的演化；(c)45℃时渗透率随有效应力的演化；(d)75℃时渗透率随有效应力的演化；(e)100℃时渗透率随有效应力的演化；(f)初始渗透率和裂隙压缩系数随温度的变化

该系统的主要技术参数如下：

序号	项目	参数	备注
1	压力室内径/mm	300
2	样品直径/mm	25~100	4种规格Ф25×50、Ф50×100、Ф75×150、Ф100×200
3	轴向最大载荷/kN	2500
4	围压最大载荷/MPa	150
5	孔压最大载荷/MPa	100
6	最高加热温度/℃	150	加热方式：电磁加热
7	接口/数据通道/个	32	流体进出口、传感器数据通道
8	轴向刚度/GN·m-1	11.49
9	提升行程/mm	500
10	油泵功率/kW	0.37

该系统中高精度计量泵的技术参数如下：

ISCO泵技术指标	主要参数
型号	260D
泵体容积/mL	266
流速范围/mL·min-1	0.001~107
双泵流速范围/mL·min-1	0.001~80
流速准确度	0.5%设定值
驱动分辨率/nL	16.6
压力范围/psi	0~7500
标准压力准确度	0.5%满程值