高溫高壓非穩(wěn)態(tài)氣水相滲測試裝置及方法

張廣東，吳 錚，李釔池，陳一健，楊青松，2，潘 毅

(1.西南石油大學，四川 成都 610500；2.中海石油湛江分公司，廣東 湛江 524057)

0 引 言

高溫高壓氣藏氣水相滲曲線是氣田開發(fā)的必要參數(shù)，由于實驗溫度、壓力與實際氣藏條件更接近，測得的氣水相滲曲線更能代表地下真實的氣水兩相滲流情況，高溫高壓氣水相滲曲線越來越受到氣田開發(fā)的重視。由于穩(wěn)態(tài)法測試氣水相滲時間過長，因此，高溫高壓氣水相滲曲線多采用非穩(wěn)態(tài)測試方法。國外對高溫高壓氣水相滲實驗研究較早，1965年Edmondsons[1]使用貝雷亞砂巖開展了不同溫度下的油水相對滲透率實驗。此后，Miller和Ramey[2]探討了溫度對松散砂和固結(jié)砂油水相對滲透率的影響，Gawish[3]等進行了高溫高壓氣水相滲實驗研究。中國學者也對氣水相滲做了大量研究：2007年易敏[4]等將回壓閥引入到非穩(wěn)態(tài)水驅(qū)氣相對滲透率測試中，進行了高溫高壓條件下的氣驅(qū)水實驗；鐘曉和杜建芬[5]通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外非穩(wěn)態(tài)氣水相滲的實驗裝置含2個BPR回壓控制器，溫度可達93.3 ℃，壓力可達34.54 MPa；方建龍[6]、汪周華[7]等分別進行了非穩(wěn)態(tài)高溫高壓氣水相滲實驗研究，最高實驗溫度達到160.0 ℃、最高實驗壓力達到116.0 MPa，實驗裝置采用回壓閥控制回壓，但回壓閥容易產(chǎn)生回壓波動，導致氣水分離裝置被壓力彈開，同時，實驗過程中氣水兩相在巖石中反應劇烈，若巖心中出現(xiàn)顆粒運移，顆粒進入回壓閥也容易造成回壓閥失控或壓力控制薄片損壞，造成實驗失敗。為克服上述缺點，提出了一種基于電容法測定高溫高壓非穩(wěn)態(tài)氣水相滲裝置及方法，該裝置及方法可以滿足實驗溫度200.0 ℃，流體壓力80.00 MPa條件下的氣水相滲測試。

1 高溫高壓非穩(wěn)態(tài)氣水相滲裝置的研制

高溫高壓非穩(wěn)態(tài)氣水相滲測試的主要難點在于回壓閥壓力控制的穩(wěn)定性及氣水量檢測的準確性。為克服回壓閥壓力波動易造成實驗失敗的缺點，設計了一種基于電容法的液位計量計，通過測定液位計讀數(shù)，并根據(jù)其與電容轉(zhuǎn)換關系來標定實驗的產(chǎn)水量[8]，進而準確計量高溫高壓條件下的產(chǎn)水量。同時，利用電動渦輪計量泵進行流體壓力控制和高壓下氣量檢測，具有回壓控制更穩(wěn)定、不受巖心顆粒運移影響的顯著優(yōu)勢。

實驗裝置主要包括高溫高壓巖心夾持器、電容式液位計量計、電動渦輪計量泵、圍壓泵、高溫高壓反應釜、低摩阻中間容器、閥門和管線等。實驗流程如圖1所示。

圖1 非穩(wěn)態(tài)法相滲測試實驗流程圖Fig.1 The experimental flow chart of relative permeability test with unsteady state method

(1) 高溫高壓巖心夾持器：最高溫度為200.0 ℃，最高壓力為200.00 MPa。

(2) 電容式液位計量計(圖2)：最高溫度為200.0 ℃，最高壓力為80.00 MPa；液位計讀數(shù)精度為0.1 mL。每次實驗需根據(jù)實驗條件重新標定。為驗證電容式液位計量計的適用性，采用質(zhì)量濃度分別為0、20 000、100 000、200 000 mg/L的氯化鈣溶液進行標定，根據(jù)實驗結(jié)果(圖3、4)可知，水量與電容、液位計讀數(shù)均呈良好的線性關系，測試誤差小于1%，表明電容式液位計量裝置可滿足實驗要求。

圖2 電容式液位計量計Fig.2 Capacitive liquid meter

圖3 智能儀表電容與水量變化關系Fig.3 The relationship between intelligent instrumentcapacitance and water volume change

(3) 在高溫高壓實驗時，電容受地層水礦化度、氣體在水中溶解度等參數(shù)影響，因此，在不同溫度及壓力條件下，不同礦化度的地層水與氣體混合溶液所使用的校正公式不同，需要進行重新標定。

(4) 此次實驗使用電動渦輪計量泵：最高壓力為130.00 MPa，體積為500 mL，壓力精度為0.01 MPa。

2 高溫高壓非穩(wěn)態(tài)氣水相滲測量步驟

(1) 將巖心切割磨平，測定巖心直徑、長度、基礎孔滲參數(shù)，配制模擬地層水和實驗氣體。

(2) 采用高溫高壓反應釜在實驗條件下配制飽和實驗氣體的地層水，采用該水樣對電容式液位計量計進行標定，獲取該條件下電容與水量的轉(zhuǎn)換關系式，將電容式液位計量計液面調(diào)整到原始零點位置。

圖4 液位計讀數(shù)與水量變化關系Fig.4 The relationship between liquid gaugereading and water volume change

(3) 在實驗條件下，將配制好的飽和水蒸汽的實驗氣體和飽和實驗氣體的地層水轉(zhuǎn)入中間容器備用。

(4) 按實驗流程連接實驗設備，抽真空，利用計量泵驅(qū)替水樣至巖心中建立含水條件，采用逐級飽和法加壓使裝置內(nèi)達到實驗預設壓力，此過程中始終保持圍壓、出口壓力高于流體壓力2.00 MPa以上，利用加熱裝置使巖心升溫至模擬地層溫度，待整個系統(tǒng)溫度壓力達到穩(wěn)定。

(5) 采用飽和水蒸汽的實驗氣體進行恒壓驅(qū)替，記錄驅(qū)替過程中2臺泵的體積和壓力值，以及電容式液體計讀數(shù)。

(6) 待采集系統(tǒng)中電容讀數(shù)穩(wěn)定后結(jié)束實驗。

在實驗數(shù)據(jù)處理過程中，使用電容法測得的液體體積作為出口端產(chǎn)液量，參照行業(yè)標準“巖石中兩相流體相對滲透率測定方法”(GB/T28912—2012)[12]數(shù)據(jù)處理方法進行處理。

3 實驗結(jié)果及分析

采用以上實驗方法測定了某區(qū)高溫高壓氣藏的氣水相滲曲線[9]，分析實驗流體壓力、實驗溫度對氣水相滲曲線的影響。

3.1 流體壓力對氣水相滲的影響

為分析實驗流體壓力對相滲曲線影響，利用模擬氣(70%甲烷+30%氮氣)和模擬地層水(礦化度為12 000 mg/L)為介質(zhì)，采用恒壓法測定實驗流體壓力分別為70.00、50.00、30.00和10.00 MPa條件下的氣水相滲曲線[10]。實驗巖心的物性參數(shù)如表1所示，結(jié)果如圖5所示。

表1 巖心物性參數(shù)Table 1 Core physical parameters

圖5 不同實驗壓力下巖心的氣水相滲曲線Fig.5 The gas-water permeability curves of cores under different experimental pressures

實驗結(jié)果表明，地層壓力下降對氣水相滲曲線具有較大影響。在圍壓一定的條件下，隨著實驗流體壓力的下降，巖心所受有效應力增加，氣相相對滲透率與水相相對滲透率減小，束縛水飽和度變大，氣水兩相共滲區(qū)變窄，等滲點向含水飽和度增大方向平移。巖心滲透率越高，兩相共滲區(qū)越寬，氣相相對滲透率越高，氣體流動能力更強。因此，氣田開發(fā)不同階段滲流規(guī)律不同，應該采用不同氣水相滲進行描述。

3.2 實驗溫度對氣水相滲的影響

為分析實驗溫度對相滲曲線的影響，利用模擬氣(70%甲烷+30%氮氣)和模擬地層水(礦化度為12 000 mg/L)為介質(zhì)，測定實驗流體壓力為70.00 MPa，實驗溫度為180.0、160.0、130.0、100.0 ℃條件下的氣水相滲曲線[11]。實驗巖心的基礎參數(shù)如表2所示，結(jié)果如圖6所示。

圖6 實驗溫度對巖心氣水相滲曲線影響Fig.6 The influence of experimental temperature on core gas-water relative permeability curve

表2 巖心物性參數(shù)Table 2 The list of core physical parameters

實驗結(jié)果表明，相同條件下，隨著實驗溫度的上升，氣相相對滲透率與水相相對滲透率增大，氣水兩相共滲區(qū)變大，束縛水飽和度降低，氣相相對滲透率曲線與水相相對滲透率曲線均向左上方移動。這是由于高溫高壓條件下氣水互溶導致黏度比降低，降低了氣水流動阻力，儲層中氣水滲流受孔隙結(jié)構(gòu)、黏度比、界面張力等因素影響，溫度升高可降低黏度比以及界面張力，從而使氣水更易從儲層中產(chǎn)出。

4 結(jié) 論

(1) 自主研制了高溫高壓電容式液位計量計，分別將最高實驗溫度和實驗壓力提高到200.0 ℃和80.00 MPa，可實現(xiàn)高溫高壓產(chǎn)水量的直接計量，計量精度為0.01 mL，穩(wěn)定性好，可為高溫高壓氣藏開發(fā)提供基礎實驗參數(shù)。

(2) 將高溫高壓電容液位計量計引入到非穩(wěn)態(tài)氣水相滲測試裝置中，構(gòu)建了高溫高壓氣水相滲測試新流程，探索了一種直接在高溫高壓條件下監(jiān)測產(chǎn)水量的新思路。該流程可實現(xiàn)產(chǎn)水量的精確計量和壓力的穩(wěn)定控制，解決了回壓閥高溫高壓條件下壓力波動引起實驗誤差的問題。

(3) 相同條件下，實驗溫度升高，束縛水飽和度減小，氣水共滲區(qū)域變寬；實驗流體壓力降低，束縛水飽和度變大，氣相相對滲透率變小；地層壓力下降對氣水相滲曲線具有較大影響。