PPTS-1压力传递型泥页岩渗透性测试系统_胡郁乐.pdf

第41卷第6期 2013年12月 煤田地质与勘探 COALGOOLOGY 2.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川成都611734 摘要井壁失稳一直是困扰油气勘探开发的难题，而泥页岩渗透性是坪价泥页岩井壁稳定性的重 要指标之一．介绍了一套基于LabVIEW软件平台的PPTS-1压力传递实验系统平台，采用岩心分 析法和压力传递测试技术精确测试泥页岩的渗透率．实验结果表明，该实验平台操作简单，性能 稳定，测试精度高，为井壁稳定性深入研究提供了支撑． 关键词压力传递；泥页岩；渗透率；LabVIEW软件 中图分类号TEI35文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.06.021 Shale permeability testing system based on PPTS-1 pressure transmission HUYule1, LUO Guangqiang1,2, YANG Guowei, LIU Dilei1 1. Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 2. Institute of Exploration Techology, Chengdu 611734, China Abstract The problem of wellbore instability has been puzzling oil-gas exploration all the time, and to quan“fy也e permeability of shale is an important index to estimate shale borehole instability. Based on Lab VIEW plat，也ispaper puts forw缸dPPTS-1 pressure transmission of shale system plat, which could obtain precious data of shale perme- ability by using core analysis and pressure transmission testing techniques. Experimental results showed that也eplat is easy to operae with high testing precision, and favorable for the也此herresear由onwellbore stability. Key words pressure transmission; shale; permeability; Lab VIEW 油气钻井过程中泥页岩地层井壁稳定性问题十 分复杂，所钻遇地层的75以上是泥页岩地层，而由 它引起的井眼失稳问题超过了90［）。因此，泥页岩 井壁稳定性研究一直是钻井工程中的难点和热点问 题之一，而泥页岩渗透率的定量测定是评价泥页岩井 壁稳定性的重要指标之一（2-3）。 随着全球油气资源的开发和利用，中、高渗油气 田逐步衰退，低渗透油气藏已经陆续投入开发［4）。由 于现有的渗透率测试设备的测试原理，或者测试设备 的构成，或者数据采集系统方面或多或少存在一些缺 陷，导致测试精度不高，不能满足低渗透率测试的要 求［5）。在消化吸收已有渗透率测试方法和测试设备的 基础上，结合油气勘探与开发的需要，基于LabVIEW 软件平台设计了一套泥页岩渗透率测试系统，并利用 该系统进行了科学有效地试验研究。 1 泥页岩渗透基本原理 1.i 渗透率测试基本原理 泥页岩的渗透性是指在一定压差下允许流体在 收稿日期2012-08-02 岩石中渗流的性质。由于泥页岩的渗透率极低，无法 利用常规实验方法来测定，只能采取压力传递的方法 进行检测［6）。测试过程中有恒温箱的控制，温度是恒 定的，这里主要考虑岩石的受力。压力传递测试系统 如图1所示。 Fig. 1 Basic principle of pressure衍ansmission 压力传递测试系统是以压力传递基本原理为依 据，在一定压力条件下，对泥页岩的渗透率进行测量 研究的实验设备。实验过程中，将泥页岩置于封闭的 基金项目国家自然科学基金项目（41072111）；深部探测技术与实验研究专项SinoProbe-05课题（201011064 作者简介胡郁乐（197ι一），男，湖北鄂州人，博士，教授，研究方向为科学钻探和钻井参数测试与控制． ChaoXing 88 煤田地质与勘探第41卷 压力釜中，利用液压系统给泥页岩岩样上下端加压， 形成压力差，上端压力Pm恒定，约l.72阳a，下端 提供初始压力Po，为岩样孔隙压力，然后通过压力 传感器实时监测下游压力随时间的变化特征来确定 渗透率。 1.2 泥页岩渗透率公式 根据达西定律，结合渗流数学模型，采用岩心分 析法，应用拉普拉斯变换，结合初始条件（初始下游 压力为凡，Po等于岩石的孔隙压力）、边界条件（岩样 上游压力维持为定值），求解渗透率方程（7］。渗透率 公式如下 λCVL K＝一一一一l A 式中K为泥页岩渗透率，m2;为流体的粘度， l x io-3Pas; C为流体静态压缩率，lxlO--{jpsi-1，其中， l x 10--{j psi-10.l45x 10-3pa-1; V为测试仪器岩样下游容器 体积，m3;L为泥页岩岩样厚度，mA为泥页岩岩样横 L,t 截面积，m2；λ为曲线的斜率，h二τ写一为t斜 率，其中PL，。表示耐刻的下游压力。 2 PPTS-1压力传递实验系统平台 该装置由压力传递系统和数据采集系统组成，主 要有平流泵、油缸、阅、背压阀、压力釜、环氧树脂、 岩心切割机、岩样切割机、恒温装置、压力传感器、 采集卡、PC机等组成。 测试精度传感器为0～2.5MPa，精度为土0.5, 温度漂移土0.05FS／℃；采集卡精度土0.5FS，分辨率 为12位，采样率150kS/s，温度漂移土0.05FS／℃， 最终得到渗透率的精度为土l.425。 压力传递测试系统最大限度地模拟泥页岩在地 层中的压力状况，使试验背景与实际情况相符，提高 了实验数据的可靠性和科学性。 2.1 压力传递系统 a.首先油缸驱替模拟的孔隙流体（通常是4的 盐水）与岩样下表面接触，维持下游压力稳定为Po。 Po等于地层孔隙压力。 b.平流泵泵送清水，通过活塞驱动待测试的液 体（泥浆或盐水）流经泥页岩岩样的上表面。 c.待测试的流体在常压Pm250psi，约l.72MPa 下流经岩样表面，系统记录岩样两端的压力随时间变 化情况。 d.通过压力传递（上表面→下表面）的速率来直 接和定量的测试岩样的渗透率［8］。渗透率测试系统原 理如图2所示。 图2中，Vl是单向调节间，调节测试系统进口流 量和压力的大小；V2是排空间，排除系统中的空 V2 氯气 图2渗透率测试系统结构图 Fig. 2 Diagram of permeability testing system 气，减少误差；阀V3控制待测液体进出压力釜，调 节流量大小；阅V4控制模拟流体（盐水）进入下游压 力釜流量的大小；阀V5调节油缸泵送模拟流体（盐 水）流量的大小；阀V6为平衡间，调节出口压力与下 游压力平衡（实验开始阶段，打开阀V6，充满模拟流 体至出口压力的油缸，再关紧阀V6）；阀V7调节出 口压力处流量的大小；阀V8控制废液的排出；阔 V9控制背压氮气压力、流量的大小。 这种方法能显著地缩短渗流实验时间，进而降低 实验设备对温度、围压等环境略微变化的限制要求， 减少实验误差。设备图如图3所示。 排空阀 料斗\ 图3渗透率测试装置图 Fig. 3 Experimental apparatus 2.2 数据采集系统 Lab VIEW是由美国国家仪器公司开发的软件产 品，也是目前应用广泛、功能强大的图形化软件集成 开发环境，采用图形化编程语言-G语言进行编程［9］。 数据采集系统能实现泥页岩压力传递实验系统参 数的实时采集、显示、分析、、存储、数据回放等功能。 数据采集系统由传感器模块、数据采集模块、PC机等组 成，选用SQ-PGl205P-2.5MPa-GB标准螺纹平模型赫斯 曼接头压力传感器和USB-47llA型数据采集卡。 数据采集流程被检测的物理信号通过三路压力 传感器采集变成模拟信号，再经过数据采集卡AID转 ChaoXing 第6期胡郁乐等PPTS-1压力传递型泥页岩渗透性测试系统 89 换变成数字信号，然后将该信号送到FIFO数据缓存 器中，再通过USB通信连接到PC机；基于LabVIEW 软件平台实现数据的高精度采集、分析、显示、存储、 数据回放功能［10］，所测得的参数自动显示保存到 Excel表格中[11］。 在基于LabVIEW虚拟仪器图形化编程平台上实 现数据的高精度采集，建立人机交互界面，自动实现 参数的实时采集和数据回放功能。数据的挖掘和分析， 数据分析处理可直接得出渗透率大小，对采集到的数 据进行分析后直接在计算机上显示和存储。数据采集 系统对优化和研究渗透率测试系统具有非常重要的意 义，同时参数采集也是压力传递试验系统最关键的因 素［12］。渗透率测试系统界面如图4所示。 图4渗透率测试系统主界面 Fig. 4 UI of permeability testing system 通过数据回放，观察上游和下游压力曲线，比较 分析测试系统的稳定时间［13］。数据回放功能可以重 复观察压力曲线，便于数据的后期处理和数据的二次 开发［14］。最后，将系统生成可执行文件，安装文件， 就可以在不同计算机上运行系统。 3 试验结果分析 该实验平台已经在中国地质大学（武汉）国家重 点实验室获得应用。从某现场取得的泥页岩岩心，经 过了真空保存，岩样的制作与存储。岩样直径40mm, 厚度7mm，在恒温装置70℃保温条件下，初始下游 压力900kPa，上游恒压1720 kPa, 5 h后得到岩样 的渗透率为2.5310-26旷，实验数据如图5所示。 实验结果表明，PPTS-1压力传递实验系统平台 满足了实验要求，操作简单，性能稳定，测试精度高， 可满足测量泥页岩低渗测量的要求。 4结论 a. PPTS-1压力传递实验系统平台适用于测量超 低渗透率。 2 000 [ .....二上游坏力 1600 -R 眨皇1200 800 [ 下游压力 400 。 。2 3 4 5 6 7 8 9 时间斤1 图5压力曲线图 Fig. 5 Pressure curve b. PPTS-1压力传递实验系统软件是基于LabVIEW 软件编程平台设计的一套测试系统软件。该软件能实 现参数的实时采集、显示、分析、存储、数据回放等 功能，在此基础上建立了一套渗透率评价体系。 c.该实验平台利用压力传递系统为岩样创造一 定的压力背景，分析该压力背景下泥页岩的渗透率变 化规律，为井壁稳定性深入研究提供了有力支撑。 参考文献 [l MANOHAR L. Shale stability drilling n山dinteraction and shale strength［耳SocietyofPetroleumEngineers54356,1999, 214 2-10. [2] E.VAN 0, SHELL RESEARCH, RIJSWIJK, et al. A novel technique for the investigation of企illingn山dinduced borehole instability in shales[]. Society of Petroleum Engineers 28064, 1994, 299 293-308. [3］陈昭年．石油与天然气地质学［M].北京地质出版社，2005. [4］赵海波泥质砂岩渗透率测井研究[DJ.大庆大庆石油学院， 2004. [5］蔡文斌，李兆敏，张霞林，等．低渗透泊藏水平井压裂理论及 现场工艺探讨［月．石油勘探与开发，2009,361 80-85. [6］张开洪，陈一健，徐海莹．测量低渗岩心液体渗透率的压力脉 冲技术［巧石油仪器，1988,123 12-14. [7] MOHAMMAD T. Experimen时studyof也emembrane behavior 。fshale during interaction with water- based and oil-based muds[D]. Austin The University of Texas, 2005. [8] SENSOY T. 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