[发明专利]多孔材料中关于流体流动参数的测量

说明书

技术领域

本发明涉及多孔材料中关于流体相流动的物理性质的测量。

背景技术

它尤其应用于具有小直径孔隙排水通道的材料，即对流体的流动具有强大阻力的材料(与固有渗透率相反)。这种材料的示例包括但并不限制于：来自致密气储层的岩石、潜在存储地点的覆盖层、防水装置中使用的材料、复合材料等。

流体通过位于代表性材料块的多孔介质的流动，取决于下述三个固有物理特性：

-它的流体(或固有)渗透率k_I，以m²表示或通常以D表示(达西：1D≈0.987×10^-12m²)；

-它的克林肯伯格(Klinkenberg)系数b，以Pa表示，适用于低渗透率介质和低压气体流；或者它的福希海默(Forchheimer)系数β，以m^-1表示，也称之为惯性阻力因子，适用于会导致惯性效应的高流速；

-它的孔隙率φ，等于该材料中孔洞容积与其总容积的比率。

目前，还没有方法允许使用单个实验来同时确定这三项参数。尤其是，孔隙率通过使用测比重的方法(使用氦、水银等)或称重量的方法与其它两项参数分开测量。

材料的渗透率可使用下述两种方法中的一种通过测量获得：对稳定状态或非稳定状态的测量。例如，参见J.A Rushing等撰写的《在致密气砂岩中克林肯伯格校正渗透率测量法：稳定状态与非稳定状态技术》(详见J.A.Rushing et al，Klinkenberg-corrected permeability measurements in tight gas sands：Steady-state versus unsteady-state techniques，SPE89867 1-11，2004)。

稳定状态方法的缺点是为了获得测量点需要相当长的时间才能达到稳定流动的状态。直至达到这种稳定状态的时间变化与k_I成反比并与样品厚度的平方成正比。对于非常低的渗透率，轻易地就需要几个小时。固有渗透率k_I和克林肯伯格系数b的分别确定需要多个测量点，并因此需要获得相同数量的稳定状态，这就需要很长时间，使得此方法难以适用于低渗透率。此外，这一技术还需要测量流体的流速，而当渗透率很低时是很难测量的。

在瞬时状态下的测量能更好地克服这些缺点。典型的是，在非稳定状态下的实验包括记录样本的端点之间的压差ΔP(t)的演变。样本的各端都连接着一个对应的容器，并且其中之一初始便承受压力脉冲，这一方法被称为“脉冲衰减”。该方法的变型是下游容器具有无限容积(大气)，被称为“降压(draw down)”

对ΔP(t)的解析导致能识别介质的渗透率。通常，此技术并不考虑克林肯伯格效应。

在美国专利US2,867,116中，提出了一种近似法，用于实验性地确定孔隙率、视渗透率(即，包括克林肯伯格效应)以及固有渗透率。在该文献中，通过进行三次同一实验，其中在初始压力脉冲数值和样本中的初始压力之间保持恒定的比率，来近似确定k_I、b和φ。第一次实验通过记录压力脉冲减少至其初始数值的指定部分(例如55％)所需的时间来进行。第二次实验与第一次实验相同，只不过通过简单地改变脉冲的压力等级和样本中的初始压力使得两者之差相同于第一次实验中的压力差来进行。再次记录压力脉冲减少至其初始数值的相同部分(55％)的时间。第三次实验与前两次实验相同，只不过改变了用于产生压力脉冲的容器的容积。使用列线图并利用经验线性特性，通过这三次实验估计出k_I、b和φ的数值。但难以估算出对这些近似数值的实际影响。此外，应当注意与该装置以及将样本置于不同压力下所需的进行时间相关的实验难度。

S.E.Haskett等在“用于在低渗岩芯中同时确定渗透率和孔隙率的方法”(详见A method for the simultaneous determination of permeability and porosity in low permeability cores，SPE 15379.1-11，1988)一文提出了一种用于确定渗透率k_I和孔隙率φ的方法，其中忽略克林肯伯格效应。该方法需要进行实验直到上游和下游容积中的压力相等。它基于测量上游和下游容积之间随时间变化的压差。这一配置对于参数确定来说既不是十分精确的也不是最优的。