（油气田开发工程专业论文）非稳态气测渗透率新方法研究及实现.pdf

r e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o no fan e w u n s t e a d y s t a t em e t h o do fm e a s u r i n gg a s p e r m e a b i l i 锣 i n t r o d u c t i o no fm ea u t h o r ：w a nj u n - f e n g ，f e n l a l e ，、v a sb o mi nd e c 锄b e r ，1 9 7 9 ， w h o s em t o rw a l sp r o l uy u a na i l dz h a os u n s h e g r a d u a t e df r o mc h e n g d u u n i v e r s i t ) ，o ft e c h n o l o g ) ，i no i l & g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n gm 匈o ra i l d w a s g r a n t e dt h em a s t e rd e 舒e ei nj u n e ，2 0 0 8 a b s t r a c t l o wp e 肋e a b l l l t yr e s e r v o i rc o m a i n sv e qr i c hh y d r o c a r b o nr e s o u r c e st h a ta r e 丽d e l yd i 嘶b u t e di n 也ew o r l d c o n t i n e n t a lr e s e o i r h a sab a dr e s e o i rp h y s i c s c n a r a c t e rl no u rc o u n 仃y ，a i l dt h ep e m e a b i l i 锣o fas 嘶e s o fl o wp e 衄e a b i l 蛔 r e s e r v o i ri sb e l o w1o 1 0 j “m 2 s i n c et 1 1 e r ei sac e r t a i n1 i m i t a t i o nt 0s t e a d v s t a t e m e t h o do f 。 m e a s u r i n gp e 蛐e a b i l i 锣， t h e 吼s t e a d y 一伽em e t 量l o do fm e a s 谢n g p e n l l e a b i l 时h a sb e e nd e v e i o p e db o t ha th o m ea i l da b r o a d h o w e v e r ，m a i l ym e a s u d n gi n s t m m e n t sh a v ec o m p l e xs 伽j c t u r e sa 1 1 dh i g l lp r i c e s c o n s i d e r i n gt l l ea b o v er e a s o n s ，i ti sn e c e s s a d ，t os 砌yan e wm e a s u r i n gm e t h o d t h e l l i l s t e a d y 。s t a t em e t h o do fm e a s 嘶n gg a l sp e m e a b i l 时d e s c 曲e di nt h i sp a p e ri sc l o s e t om eg o a l s h a od o n g 1 i a l l ga d u l c e de n 百n e e rw h oc o m e sf r o m p e t r 0 1 e u r ni n s t m m e n t r e s e a r c hi n s t i t u t ei nc h i n au n i v e r s i t yo fp e 仃o l e 啪p r o p o s e da n e w 吼s t e a d y s t a t e m e t h o do f 。m e a s 谢n gg a sp e r m e a b i l i t y t t l i sn e wm e m o di sb a s e do nm em e a s u r i n g p r i n c i p l eo fn o wt u _ b e a r e rt i l ev a l i d i t yo fm em e a s u d n gm e m o di si d e n t i f i e db v c m s 一3 0 0p r e s e n t i n gt h ea d v a n c e dl e v e lo fa u t o m a t i cc o r em e a s u r e m e n ts v s t e mi nt h e w o r l d ，s y s t e m a t l cg e n e r a lp r o c e s si sd e t e 姗i n e d b a s e do nu n s t e a d y s t a t ep r i n c i p l ea i l d m o d e lo f m e a s u r i n gg a sp e 咖e a b i l i t y t h e ns y s t e mh a r d w a r ea 1 1 ds o 小v a r ea r e d e s i 印e di nd 喇l s ，a 1 1 da ne x p 鲥m e n t a l 讪l eb yt 1 1 i sm e t h o di sp u tu p t h e ns t a n d 删 s 锄p l e so fd i 毹r e n tp e n l l e a b i l 时v a l u e sa r et e s t e do nt h ee x p e 疵l e n t a l 劬l e a n d c o n 饥l s ta n a l y s i sw i mm e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sb yam a n u a lg a sp e n n e a b i l i t ) ，a l l a l y z e r i sm a d e t h er e s u l ts h o w st h a tt l l ee x p e r i m e n t a lt a b l e s 胁c t i o ni ss t a b l e 觚d r e l i a b l e b e s l d e s ， t h e t e s t i n gp r e c i s i o nm e e t st h ed e s i 朗d e m a i l d t h e f e a s i b i l i t yo f u i l s t e a d y 。s t a t em e t h o do fm e a s 嘶n gg a l s p e n n e a b i l i 哆a i l dt h er a t i o n a l 时o f 舭 e x p 耐m e n t a l t a b l ea r ec o n f i 姗e d 。 t h i se x 删m e 删诎l ei s1 1 i 曲l na u t 伽a t i o na n d c o n v e n i e n ti no p e r a ：n o n 狃d m ec o m p u t e rc a na u t o m a t i c a l l ys e l e c ts u i t a b l es 伽1 d a r d v e s s e lt om e a s u r ec o r e ln e e n t i r ed r o c e s si s c o n t r o l l e db yc o m p u t e re x c e p t i n gh a n d l i n g c o r ca n dr e a l l z e s a u t o m a t i o n p e 珊e a b i l i 够m e a s u r e m e n ti s p e r f o n n e db yu s i n ga i r a se x p e n m e n t a l m e d i 啪n ee x p e r i m e n t a lt a b l eh a st h ea d v 蝴s o fh a v i n g d e m a l l d s1 0 rp m e d i aa n ds i m p l es t n l c t u r e hi s s u i 讪1 et 0m e a s u r ei n t h ep e 肌e a b l l l t y 跚g eo t 10 6 m 2 2 i m 2 t h ep a 】攒h i 出i 咖s 也e o r yr e s e a r c ha n d t h e o r yv 两f i c a t i o na n d 锄p h a s l z e s t n e d e v e l o p m e n ta 1 1 dd e s i g ni n t h ep r o j e c to fs o r 、7 咖e a n dh 鲫押a r et o a c h i e v et h e u n s t e a d v s t a t et e c h n o l o g y 。a n d i tc a nb eu s e mf o ro t h e r r e l a t i v ed e s l g n s 踟砸 e x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：u n s t e a d y s t a t e r e s e r v o i r p e 吼e a b i l i 够 m e a s e m e m m e t h o d i i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都理王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：万军凤 2 0 口g 年6 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都理王盔堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛整理互太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) r 易 年刎 舻 _ 7 飘彭厂 乃： 名：签名师签导者者作作文文论论位位学学 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 全球范围内广泛分布的低渗透储层蕴藏有极其丰富的烃类资源，随着科学技 术的不断进步，勘探开发这种非常规资源已成为2 1 世纪石油工业的一个主要目 标。 1 1 1 国外低渗透油田分布状况 世界上低渗透油f 日资源十分丰富，分布范围非常广泛，各产油国基本上都有 该类的油田。在美国中部，南部、北部和东部，前苏联的前喀尔巴阡山、克拉斯 诺达尔、乌拉尔一伏尔加、西西伯利亚油区和加拿大西部的阿尔伯达省，低渗透 油田都有广泛的分布。随着时间的延长，小而复杂的低渗透油田的比例越来越大。 例如，俄罗斯近几年来在西西伯利亚地区新发现的低渗透、薄层等低效储量已占 探明储量的5 0 以上。有的地区，低渗透砂岩油田连片分布，成为低渗透油区。 1 1 2 国内低渗透油田储量分布 低渗透油田广泛分布在我国各个油区。截至2 0 0 0 年底，我国已探明的低渗 透油田地质储量为5 2 1 4 1 0 8 t ，占全部探明地质储量的2 6 1 ；我国已经动用 的低渗透油田地质储量为2 6 6 6 1 0 8 t ，占全部已动用储量的2 5 5 。 根据我国低渗透油田的实际状况，将低渗透油层分为六类，见表卜1 口1 ： i 类一般低渗透层：是低渗透层中的佼佼者，是低渗透油层中驱油效率最高 的油层。 i i 类特低渗透油层：喉道细，流动能力差，石油采收率在5 0 左右。 i i i 类超低渗油层：开发油层难度较大，石油采收率低，平均为3 9 5 3 ，但 仍属可采油层。 致密油层：致密油层能否产油，能否成为工业性油流，是油藏工程师最关 心的问题。从各油田的试油资料中发现，低渗透油层中往往伴有这种低产层。虽 然构不成主力油层，但它仍属于低产油层。 v 类非常致密和超致密层：是非常差的储集层，可作为气的储层或非常差的 油层。 所谓低渗透储层，一般是指岩石渗透率小于1 0 0 1 0 q 姗2 的储层乜枷。我国相 当一批低渗透油田储层渗透率在1 0 1 0 q 帅2 以下。由于渗透率参数是钻井油层保 护、完井射孔方案选择、最佳排液位置和生产速率及三次采油措施的制定基础， 成都理一i ：人学硕士学位论文 因此，准确测定岩石渗透率是勘探开发低渗透油藏必备的基础工作嫡3 。 表1 1 全国低渗透油层综合分类评价表 类型名称 标准范围k ( 1 03 m 2 ) 储集层评价 中高渗层，流动能力强，容易开 对比层 1 0 0 采，采收率高 中低储集层，流动能力较强，孑l 幸 中低渗透层 1 0 0 5 0 隙分选筹，采收率人于5 0 低渗储集层，流动能力较筹，孔 i一股低渗透层5 0 1 0 隙分选差，采收率人丁5 0 特低渗储集层，流动能力差，孔 i i 特低渗透层 1 0 1 o 隙分选差，采收率5 0 左右 超低渗储集层，流动能力差，开 i i i 超低渗透层 1 0 0 1 采困难大，采收率低 很差的储集层孔隙儿何大，孔隙 致密层 o 1 加0 1 直径小，开采难度大，采收率低 非常致密层 o 0 1 o 0 0 l 非常差的储集层，但可做为气层、 v 超致密层 0 o o l 0 0 0 0 l 油的盖层 变化大或 裂隙层油层或气层 1 0 s 为原 则。 流 0 图2 - 4 流量管气测渗透率结构图 进行岩心气体渗透率测试时，把岩心装入岩心夹持器中，加压密封，使岩心 一端与大气相通，另一端与插入水槽中的流量管相连，用抽气球将水面提升到某 一高度，待抽空停止后，流量管内水面由于静水压力作用而下降，水面下降造成 负压，会在岩心两端建立起压差，那么外界的空气就会通过岩心进入流量管，只 要测出水面在流量管内下降某一段距离( h 。_ h 。) 的时间t ，便可求出岩心的渗透 率k 。 流量管内水面下降的快慢与岩样的渗透率大小有关，即岩样渗透率越大，通 过岩样的气量愈大，水面下降亦愈快，反之则愈慢。 实验方法： 用游标卡尺先量出岩样的长度和直径，将岩样装入岩心夹持器中，使气体不 能从岩样周围窜流，然后使水池水面与流量管下端的“o 刻度线在同一水面， 再用抽气球将流量管中水面吸到最细管段的刻度以上，然后停止抽吸，并立即用 秒表记下流量管中水面从h 。下降至h ，的时间t ，如果t 1 0 s 为止，记录水面从h 。下降至h ，的时间t ，然后根据流量管计算公式便可求出岩样 1 2 第2 章非稳态法气测渗透率理论基础 的渗透率嘶3 。 2 流量管测量公式理论推导 流量管有不同的管段，不同的管段有不同的截面积f ，不同的管段都标有相 应的刻度，假设h 。表示初始刻度，h 。表示终了刻度，下面进行流量管计算公式的 推导。玎1 ： 设在t 时刻流量管内的水柱高为h ，那么流量管内液面以上的空气压力和体 积分别为： # = 昂一九劝1 0 以 ( 2 5 ) 巧= 矿+ 魄一妒 ( 2 6 ) 式中：p 。一t 时刻流量管内液面以上的空气压力，p a ； p 。r 大气压力，p a ； p ，水的密度，k g m 3 ； g 一重力加速度，n k g ； v 。一t 时刻流量管内液面以上的空气体积，c m 3 ； v l h 。以上的余隙容积，c m 3 ； h o _ 由水池水面0 - 0 线到h 。标线的高度，c m ； f 一流量管截面积，c m 2 。 根据玻玛定律，p ，压力下体积为v ，的空气在大气压p o 下的体积为： 形，：盟( 2 7 ) 1 只 眠 w ：生型霉墼竖蚓 ：墨匕：二丝兰! 旦：竺：墨盥二垒堡二丝兰! q ：3 鱼二尘! ( 2 8 ) ：= - - - 一 、厶一o ， 只 假设从t 时刻到t + d t 时刻内，进入流量管的气体量为d v ，流量管内的水面 下降d h ，在t + d t 时刻，流量管内液面以上的空气压力和体积分别为： 昱= 昂一风g ( 办一砌) l o 五 ( 2 9 ) = y + ( j i l d 一向+ 锄) f ( 2 1 0 ) 根据玻玛定律，p 2 压力下体积为v ：的空气在大气压p 。下的体积为： = 盟( 2 1 1 ) 只 即： 成都理i ：人学硕士学位论文 ：墨竺：二曼! 垒二塑! 兰! q ：兰：墨! 鱼二垒塑! 二星! 垒二塑! 兰! q ：至鱼二垒塑! ! r ( 2 1 2 ) 则 d 矿= 巧一k ( 2 一1 3 ) 即： d y =躞三( 1 0 一2 + 昂f + 风g f 1 0 一2 风办f 1 0 一2 ) 砌+ 风g ( 砌) 2 f 1 0 一2 昂 ( 2 1 4 ) 忽略二阶无穷小项风g ( 幽) 2f 1 0 ，则上式变为： d 矿：盥坠坚些生哮型生垒型砌( 2 _ 1 5 ) 由达西公式： d v = q d t ：型篓翼j 婆丝出( 2 ) 2 止只1 0 。 ：竺丝丝! 兰墨兰! q ：二丝兰! q ：! 兰! q ： 肚 2 咒 式中：卜气体流量，c m 3 s ； k 一岩心的气测渗透率，蛳2 ； u 一通过岩心的空气粘度，m p a s ； 卜岩心长度，c m ； a 一岩心截面积，c m 2 。 由( 2 一1 5 ) ( 2 1 6 ) 式相等，得 星竺：兰! q ：墨竺亟兰! q ：二兰巡兰! q ：幽 ：鱼丝! q ：丝! 三墨兰墨：2 二丝兰! q ：尘 2 1 7 肛 2 最 将( 2 1 7 ) 式变形后，得： 掣：2 口贮坐羔堕鐾箪坐笔型羔砌( 2 _ 1 8 ) 一= z 口二_ l _ _ 二d 厅 z i 毯j 肚( 2 口只1 0 2 一办1 0 一4 ) 办 式中： 口= l = 1 0 3 3 6c l t l h 。0 a t m ，对( 2 一1 8 ) 式积分，得 p 。，g 1 4 第2 章非稳态法气测渗透率理论基础 型：2 口f t z 丝型堕生笙坐笔型坞( 2 书) b 础 也， ( 2 口只1 0 2 一厅1 0 4 ) 厅 即： 卫垫：2 口h 业堡坐靼尘她一f ，掣坚瑚l 声厶己 i 。( 2 1 0 2 订昂一向) 办 。2 1 0 2 口r 一矗l i 贮丛塑丛塑il n 堡蛆- l n 堡必1 1 = 2 口 2 哦 【- 级 j l 一2 1 0 2 f i n ( 2 1 0 2 口昂一九) l n ( 2 1 0 2 口晶一) 】j ( 2 2 0 ) 则得到流量管计算公式： k ：等1 0 3 ( 毫达西) ( 2 2 1 ) 式中：b _ 流量管常数，c 卉3 a t m ； t 一水面从h 。下降到h ，所需时间，s 。 其中： b = c - 2 0 0 f 1 n ( 1 0 0 呱一纹) 一1 n ( 1 0 0 c r 一) 】+ 堕塑鲨攀堑型【l n 掣_ l n 掣】) ( 2 _ 2 2 吼 丸 ” 式中：h 广由水池水面o 、0 线到h 。标线的高度，c m ； p o - 当地大气压力，p a ； c 一常数，c = 2 0 6 7 2 。 2 3 非稳态法气测渗透率原理及模型 流量管有上述优点的同时，也有它的不足之处： 当对一岩心进行测试时，需要选择流量管合适的管段与之匹配，这就需要人 工操作来记录流量管中水面从h 。下降至h ，的时间t ，从而进行合适管段的选取。 在吸取流量管优点的同时，考虑它的不足之处，中国石油大学( 华东) 石油 仪器仪表研究所的邵东亮高工首先提出并建立了一种非稳态气测渗透率模型，得 到了一种测量岩心气体渗透率的非稳态方法。他将上述流量管测量原理模型化并 智能化：用标准室代替流量管，用真空泵代替抽气球，将压力传感器、数据采集 系统及计算机的结合应用代替人工读数，得到非稳态法气测渗透率模型如图2 5 所示。 其测试原理可描述为：其夹持器一端与标准室相连，另一端与大气相通，用 真空泵对标准室抽空使其具有一初始压力p 。，测定标准室内的压力从p 。变化到 成都理f ：人学硕十学位论文 p ：所用的时间t ，便可计算岩心的气体渗透率。下面进行非稳态法气测渗透率计 算公式的推导： 夹持器 电磁阀 电磁阀 l 莎 一 标准室卜- 弗 一 鹤q l 计感器白 真 空 泵 算 机 图2 - 5 非稳态法气测渗透率原理模型 假设标准室以及其与岩心之间空隙的容积总和为v 。，在某一t 时刻，标准室 内的压力为p ，标准室内的气体换算到大气状态下的体积为v 。，则有： 尸= r 杉 ( 2 2 3 ) 式中：p t 时刻标准室内的压力，a t m ( 1 0 叫m p a ) ； v 0 _ 标准室以及其与岩心之间空隙的容积总和，c r n 3 ； p 0 _ 大气压力，a t m ( 1 0 。1 m p a ) ； v 。一t 时刻标准室内的气体换算到大气状态下的体积，c m 3 。 到t + d t 时刻，标准室内压力为p + d p ，标准室内的气体换算到大气状态下的 体积为v 。+ d v ，则有： ( p + 卯) = 昂( k + d y ) ( 2 2 4 ) 联立( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 式，得到： d y ：鲨( 2 2 5 ) 昂 根据达西公式，有： d v = q d t =丝噬二堕西 ( 2 2 6 ) 2 础昂 由于滑脱效应对气测渗透率有较大的影响，特别是对低渗岩石、在低压下测 定时影响更大；在此考虑滑脱效应造成的影响，那么： ，) k = k ，( 1 + 兰l ) ( 2 2 7 ) r 七p j 式中：k 。一岩心克氏渗透率，m 2 ； b 一滑脱因子，a t m ( 1 0 叫m p a ) 。 将( 2 2 7 ) 式代入( 2 2 6 ) 式，联立( 2 2 5 ) 式，整理得到： 1 6 第2 章非稳态法气测渗透率理论基础 一旦一卯= j 坠生衍( 2 2 8 )尸2 + 2 6 p 一( 只2 + 2 6 只)2 肚 对( 2 2 8 ) 式两边积分： r 2 一瓦面卯= ：2 盖衍防2 9 ， 式中：p 一标准室内进行抽空操作后的压力值，a t m ( 1 0 _ m p a ) ； p ：厂时间为t 时刻标准室中的压力值，a t m ( 1 0 叫m p a ) ； t 。一当标准室内的压力为p ，时对应的时间，s ； t ：厂当标准室内的压力为p ：时对应的时间，s 。 整理得： 一1 n 墨二墨 = 一l n 墨二墨 + 墨丝! 墨垒2 ( 六一乇) ( 2 3 0 ) 只+ 只+ 2 6只+ 鼻+ 2 6肛圪 叫“ ( 2 3 0 ) 式也可写成下面形式： k l =删m 赫乩赫， 4 0 ：一于。) ( 只+ 6 ) ( 2 3 1 ) 对于超低渗岩心的测量，式( 2 3 1 ) 同样适用，此时只要把式( 2 3 1 ) 的 p i ，换为提高的上游压力值即可。 为了便于求解，将( 2 3 0 ) 式表示为下面的形式： 】，= 4 + 4 x ( 2 3 2 ) p p 式中：卜一n 赫 x = f ，一六 对( 2 3 2 ) 式的求解，参见第4 章4 3 测量软件主程序的实现。 2 4 理论验证研究 代表当今世界先进水平的自动岩心测量系统c m s 一3 0 0 ，与本文提到的测量方 法在测试原理方面有相似点，前者在正压的条件下，根据罐内压力变化率求取渗 透率，而后者在负压( 正压) 的条件下，根据标准室内压力的变化求取渗透率。 所以，从数学角度来考虑，两者在求取渗透率的公式方面能统一起来。如果能够 统一，则进一步说明此非稳态气测渗透率方法的f 确性。 自动岩心测量系统c m s 一3 0 0 的渗透率计算公式为心m 3 ： 成都理，l ：人学硕十学位论文 p 口+ 等胞+ 警订乙足( 嚣 3 3 ， 式中：p 广压力p 、p ：的几何平均值，p s i ( 表压) ( 0 0 0 6 8 9 m p a ) ； 犷由( 2 3 5 ) 式定义的i 与m 的比值，p s i ( 0 0 0 6 8 9 m p a ) ； l 一岩心长度，c m ； | l 一氦气粘度，m p a s ； k 。一克氏渗透率，1 0 。时； d 一岩心直径，c m ； y 一由( 2 3 7 ) 式定义的体积流速函数，c m 3 s ； z 广压缩因子； q 一紊流系数，； 卜摩尔质量，g m 0 1 ； p ，大气压力，p s i ( 绝对压力) ( 0 0 0 6 8 9 m p a ) 。 本文阐述的测量方法在室温和低压的条件下实验，压缩因子近似为1 ；且假 设测试过程中气体流动不会形成紊流。 那么( 2 3 3 ) 式压缩因子z 产l ，紊流系数q = 0 ，( 2 3 3 ) 式写为： o 刮+ 等乃 3 4 ) 其中： 口= 二= 2 ( + 6 ) ( 2 3 5 ) 式中：b 一滑脱因子，p s i ( 0 0 0 6 8 9 m p a ) 。 所：堡垒： 茎苎丝 ( 2 3 6 ) 3 7 4 2 5 三 2 0 0 0 l4 6 9 6 肚 m 2形( o + 去) ( 7 2 一) 三 ，竹 只( 最+ 二) l n 4 昱( 名+ 二) 朋 ( 2 3 7 ) 式中：v 。一氦气罐的体积，c r n 3 ； p 。、p 广分别为t 。、t ：时刻氦气罐中的压力，p s i ( 表压) ( 0 0 0 6 8 9 m p a ) ； t 。、t 。一当氦气罐中的压力分别为p 。、p 。时对应的时间，s 。 结合( 2 3 5 ) 、( 2 3 6 ) 式，那么( 2 3 4 ) 式可以写为： 1 坟= 一2 ( 只+ 6 ) + 二y l ( 2 3 8 ) 则聊= + ( 弛+ 6 ) 联立( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) 式，整理得 1 8 第2 章1 稳态法气测渗透率理论基础 1 0 0 0 1 4 6 9 6 肛矿l n 型2 必! 耻_ 丢鬻俨3 由于( 2 3 9 ) 式中的压力p 。、r 代表表压，用p s i 作单位，p 。代表绝对压力， 也以p s i 作单位，k 以1 0 。帅2 作单位；为了使( 2 3 1 ) 式与( 2 3 9 ) 式统一起来， 现把( 2 3 1 ) 式中的压力p 、p ：也以表压表示，用p s i 作单位，p 0 也用p s i 作单 位，k 以1 0 ：帅2 作单位。 令：昂一= 0 ，则r = 只； 暑一只= 鼻7 ，则# = 墨+ 乞； 罡一只= 足，则昱= 巧+ 。 式中：p 。一大气压力，p s i ( 绝对压力) ( 0 0 0 6 8 9 m p a ) ； f p ，对应的表压，p s i ( 0 0 0 6 8 9 m p a ) ； 只一p ：对应的表压，p s i ( o 0 0 6 8 9 m p a ) 。 那么( 2 3 1 ) 式变为： k ，：! ! ! ! 二! 兰：! ：! ! 竺! ! ! ：三墨二! ：三! 翌! 。 彳( f 2 一) ( 只+ 6 ) _ l o o o 川仞6 俐n 鬻笔筹豸 = = 一 彳( f ：一f 。) ( + 6 ) 可以看出( 2 4 0 ) 式与( 2 3 9 ) 式达到了一致， 方法的正确性。 1 9 ( 2 4 0 ) 说明了此非稳态气测渗透率 成都理r 人学硕士学位论文 第3 章非稳态气测渗透率硬件设计方案 3 1 非稳态气测渗透率实验平台性能及技术指标 非稳态气测渗透率技术用于描述低渗储层岩石渗透能力，根据非稳态气测渗 透率测量原理搭建起的实验平台自动化程度较高，使用方便。其技术指标如下： 1 、测试渗透率范围：1 0 邓啪2 2 时 低渗样品渗透率相对误差 l o ，中、高渗样品渗透率相对误差为 5 2 、岩心规格：长度2 6 c m ，直径2 4 5 2 5 4 c m 3 、工作压力：0 1 m p a 4 、压力计量精度：o 1 ，0 2 5 5 、标准介质：空气 6 、测量温度：常温 3 2 非稳态气测渗透率实验平台设计方案 3 2 1 非稳态气测渗透率测量原理 高速计算机数据采集系统和精确的压力传感器技术，为应用此非稳态气测渗 透率技术提供了基本条件。此项技术的基本思路是：在岩心夹持器的下游端接上 不同容积的标准室，气体流过被测岩心进入下游端的标准室，下游标准室内气体 压力随时间而增加，采集压力随时间变化的数据，依据玻玛定律、k 1 i n k e n b e r g 关系和达西定理导出的非稳态气测渗透率计算公式，得到岩心的克氏渗透率和滑 脱因子。 3 2 2 非稳态气测渗透率实验平台总体框图 为了拓宽测试装置的测量范围及模拟围压的需要，且考虑测试装置测试时间 的限制，在非稳态法气测渗透率原理模型( 图2 5 ) 的基础上作了以下改进： ( 1 ) 设计了几个不同容积的标准室； ( 2 ) 用增压器进一步压缩空压机出来的压缩气体来模拟围压； ( 3 ) 用空压机提高上游压力的方法，缩短对低渗岩心的测量时间。 得到非稳态气测渗透率实验平台总体框图如图3 1 所示。主要由测量系统、 工作气路系统、数据采集与处理系统、计算机监控系统四大部分组成。 第3 章非稳态气测渗透率硬件设计方案 图3 1 非稳态气测渗透率实验平台总体框图 3 3 非稳态气测渗透率实验平台系统结构 3 3 1 测量系统 该部分主要由岩心夹持器、系列标准室及对比室、下游压力传感器、真空泵 等组成。 其作用是：测量不同渗透率的岩心时，需用不同的标准室与之匹配。标准室 的多少和容积的大小直接影响到测量装置的测试范围和测试精度。 ( 1 ) 系列标准室及对比室 为了拓宽渗透率测量范围，需要设计几个不同容积的标准室； 对比室结合标准室来对标准室以及其与岩心之间空隙的容积总和( v 。) 进行 校定，通过标准块校定后，进行岩样渗透率计算时，v 。将取标定值。 ( 2 ) 真空泵 用来对密封容器抽除气体而获得真空的基本设备。 3 3 2 工作气路系统 该部分主要由空压机、定值器、增压器、上游压力传感器、环压传感器等组 成。 其作用是：提供整个测试系统需要的气体；调整稳定气源压力，保证测试气 源压力平稳；为岩心提供所需要的围压。 3 3 3 数据采集与处理系统 由压力传感器、压力传感器供电电源以及数据采集板卡组成。 压力传感器作用：将压力信号转换成与压力成一定关系的电信号。 2 l 成都理一l ：人学硕十学位论文 数据采集板卡的功能：对数据进行采集，把模拟信号转换成数字信号，便于 对数据的分析。 3 3 4 计算机监控系统 由计算机对整个测试过程实行控制，实现了整个测试过程的自动化。该系统 主要由计算机、控制板卡、外围控制电路、电磁阀、继电器等组成。 其作用是：输入岩心基础数据，启动实验进程；控制软件保证测试在设定的 程序控制下自动运行；最后计算测试结果，显示并打印测试数据。 3 4 数据采集系统基本构成 3 4 1 数据采集的概念 数据采集是将被测对象( 外部世界、现场) 的各种参量( 可以是物理量，也 可以是化学量、生物量等) 通过各种传感元件做适当变换后，再经信号调理、采 样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。 控制器一般均由计算机承担，所以说计算机是数据采集系统的核心，它对整个系 统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。州。图3 2 是数据采集系统硬件基本 组成示意图。 传感器 a d 转换计算机 图3 2 数据采集系统硬件基本组成 传感器：作用是把非电的物理量转变成模拟电量( 如电压、电流) 。通常把 传感器输出到a d 转化器输出的这一段信号通道称为模拟通道。 模拟信号：当使用传感器测其物理量时，其连续输出都属于模拟信号。由于 真实世晃的情况不断的变化，因此利用传感器去测试这些物理量时，输出的数值 也一直随着物理量的变化而变化。真实世界里只存在模拟信号，因为在任何时间 点都会有数值，不管这个数值是多少，但总是存在的h 0 j 。 数字信号：如果信号的形成只有两种状态，不是高( h i 曲) ，就是低( l o w ) ， 那么这时的信号称为数字信号。数字信号可以用简单的两种状态予以记录，记录 的方式因场合的变化而有所不同。不管使用什么样的表示方法，只要能明确代表 两种不同的状态，就可以用来表示数字信号。在计算机的世界里，所有的数据其 实都是数字信号的集合。计算机通过o 、1 两种明确的状念集合，就可以表现当 第3 章非稳态气测渗透率硬件没计方案 前计算机应用中的数据多样化形式。不同0 与1 的组合代表了不同的意义。 模数转化器( a d ) ：将模拟量转换为一定码制的数字量称为模( 拟) 一数( 字) 转换。实现模一数转换的器件或装置称为模一数转换器，或称为a d c ( a n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e r ) ，简写为a d 转化器。实际工程测量信号大多数 是模拟信号，必须将它们转换为数字量才能为计算机接受。因此，a d 转化器是 数据采集系统的重要环节，它直接关系到测量的准确度、分辨力、转换速度h 。 要将外界的模拟信号或数字信号输入到计算机中，必须使用计算机基本功能 以外的其它方式。计算机中如果需要另外增加其他功能，可行的方式之一就是使 用适配卡( 也可以通过现有的通信接口与有其他功能的设备交互信息) 。将所需 的特殊功能的适配卡插入到计算机后，该计算机就有额外的功能了。 3 4 2 信号的处理 外界的信号在输入到计算机时，必须符合计算机所能接受的范围，太大或太 小的电平，计算机都无法处理。正因为如此，信号就必须在输入计算机并数字化 之前经过预先处理。通常的预先处理需要信号处理器。常见的信号处理器具备放 大、衰减、滤波和隔离等功能h 0 1 。 ( 1 ) 放大 信号产生后，如果其电平过低，可能造成后续的处理会比较困难，甚至会导 致信号经过传送媒体后，真实的信号已经被噪声所干扰而无法辨认。要解决信号 过小的问题，通常的方法就是将信号放大。放大信号的操作必须在信号产生后进 行，不要在信号传送了一段距离后进行。其原因是在传输过程中，原始信号被较 大的噪声干扰，如果此时再放大，可能会将噪声也一起放大，这样就无法有效的 降低噪声的干扰。 ( 2 ) 衰减 和放大效果相反的就是衰减，如果原始信号的电平大于数据采集设备所能测 量的最大信号范围，就必须先将信号的电平降低，以便可以输入到测量系统中。 ( 3 ) 滤波 真实世界里的物理信号包含了所有的成分，在信号分析领域中，并不是所有 的信号都适合用来分析，不同的分析者针对不同的研究领域有不同的研究范围。 这时就必须使用滤波器先处理希望研究探讨的信号，不需要的部分滤掉，保留需 要的部分。执行这部分的工作需要一个滤波器。 ( 4 ) 隔离 数据的采集通常会伴随着噪声。如果要取得正确的信号，则隔离操作必须要 小心。通常将信号线加上隔离网可以阻断干扰，提高信号噪声比。 成都理一人学硕十学位论文 3 5 关键技术 3 5 1 数据采集部分设计 数据采集单元是测试装置中的核心部分，所有的传感器数据采集显示及处理 均由数据采集单元完成，下面将介绍数据采集单元中的关键技术选择。 1 传感器的选择 本测试装置中压力是非常重要的参数，试验中对压力的测量要求很高，是否 能准确测量压力参数直接关系到测量结果的好坏，所以选择合适传感器是很有必 要的。 除围压传感器外其余传感器选用的都是瑞士k e l l e r 原装进口压力传感器， 精度o 1 。 ( 1 ) 下游压力传感器 测量范围( 表压) ：一1 1 b a r ( 2 ) 上游压力传感器、储气罐压力传感器 测量范围( 表压) ：一1 1 0 b a r ( 3 ) 围压传感器 测量范围( 绝压) ：0 6 m p a ，精度0 2 5 2 数据采集板卡的选择 数据采集板卡的选择也很重要，它直接影响了采集数据的精度、速度及可靠 性。 本实验平台的数据采集板卡选用凌华公司p c i 一9 1 1 1 ，p c i 一9 1 1 1 是基于3 2 位 p c i 数据总线结构的高性能的数据采集卡。它具有即插即用的特性，它提供了1 6 通道单端模拟量输入、1 6 通道数字量输入与1 6 通道数字量输出、1 2 位模拟量输 入分辨率，每个输入通道的增益可编程，输入范围包括l o v 、5 v 、2 5 v 、 1 2 5 v ，o 6 2 5 v ，可通过软件选择最适合被测信号的电压范围，采样频率可 达1 0 0 k h z 。本实验平台的传感器输出为4 2 0 m a ，经2 5 0q 电阻变换成1 5 v 模 拟信号，所以，通过软件将信号输入范围设定为5 v 以提高采样精度。 3 数据采集控制单元 ( 1 ) 数据采集控制单元结构框图 数据采集控制单元包括压力传感器、端子板、计算机、数据采集板卡、继电 器控制板构成。数据采集控制单元结构框图如图3 3 所示。 ( 2 ) 数据采集过程 压力信号经压力传感器变换成4 2 0 m a 模拟信号，在h y 一8 1 0 端子板上经 2 5 0q 电阻变换成l 5 v 模拟信号，通过数据连接线将模拟信号送入计算机内的 数据采集板卡p c i 一9 1 11 ，经a d 转换成数字信号并传送给计算机，然后传送给 2 4 第3 章非稳态气测渗透率硬件设计方案 采集程序处理( 计算、显示、控制、存盘) ；根据选定的控制方式，通过数据采 集板卡p c i 一9 l ll 输出控制命令驱动继电器控制板工作，进行控制电磁阀的动作。 蛔躺器吲蓑螺麟“f 计 p c i 9 1 11 算 励艄h 鬻h y j 。，板卜 机 l “”1 ”7 i 图3 - 3 数据采集控制单元结构框图 3 5 2 磁保持式点动开关电磁阀的设计 由于整个管路流程中的阀件在测试过程中起重要作用，它的质量好坏不仅影 响到整机的寿命，而且还会影响到数据采集的准确度，所以电磁阀的选用工作十 分重要。普通的电磁阀是靠长时间通电来保持某一状态( 开启或关闭) ，在长期 通电过程中，线圈会产生发热现象，这势必会引起管路内气体的温度变化，这样 便破坏了渗透率测试中要求的等温状态，同时也会引起气体自身的性质变化，因 此不宜采用。于是专门设计了磁保持式点动开关电磁阀h 刳。 磁保持式点动开关电磁阀结构原理图如图3 4 所示。工作原理：通过给电磁 线圈通正向( 反向) 电，让其产生一个和永磁体磁场一致( 相反) 的电磁场，通 过两个磁场叠加产生的磁场力与弹簧力大小进行比较，来决定电磁阀处于打开或 关闭状态。 阀外壳 永磁体 动铁芯 橡胶密封垫 兴 ， x ， l | l l l l 0 夕 ： ， ， 豳 ， ， ， r ，i i 。，。 偃剑 一i i l 7 刨i ii 图3 4 点动开关电磁阀结构图 此磁保持式点动开关电磁阀是一种点动开关电磁阀，只有在开与关的瞬间有 电流通过电磁阀的线圈，所以几乎不存在温升现象，保证测试过程一直处于等温 成都理上大学硕十学位论文 状态。同时开发了相应的控制电路，电磁阀的开与关完全由计算机根据具体的测 试任务来控制，提高了整个测试装置的自动化程度。 2 6 第4 章非稳态气测渗透率软件设计方案 第4 章非稳态气测渗透率软件设计方案 4 1 编程语言 本软件在w i n d o w sx p 操作系统下用v i s u a lb a s i c6 0 语言编写。v b 是可视化 的、面向对象的、由事件驱动的结构化高级程序设计语言h 3 3 。“v i s u a l ”指的是 开发图形用户界面的方法，不需编写大量的代码去描述界面元素的外观和位置， 而只要把预先建立的对象添加到屏幕上一点即可h4 】。因v i s u a lb a s i c 语言功能强 大，简单易学，极大地提高了应用程序的开发效率，在诸多领域中广泛用于各种 软件设计。 4 2 软件设计思想 求： 针对课题的研究内容及目标，非稳态气测渗透率应用软件设计应满足以下需 ( 1 ) 软件应具有实验参数的输入功能； ( 2 ) 软件应能进行传感器的零点补偿； ( 3 ) 软件应能进行采集数据的数字滤波及稳定性算法； ( 4 ) 软件应具有数据采集与处理功能； ( 5 ) 软件应具有采集数据实时显示功能； ( 6 ) 软件应具有系统调试、监测、安全保护功能； ( 7