专利名称：低速非线性渗流参数的测量系统和方法
技术领域：
本发明涉及测试多孔材料的渗透性的技术领域，特别涉及一种低速非线性渗流参 数的测量系统和方法。
背景技术：
低速非线性渗流(low velocity non-linear fluid flow)是流体在低渗透多孔 介质(Low Permeability Porous Media)中渗流时表现出的一种特殊现象。此现象广泛存 在于油气田开发工程、岩土工程、水利工程及工业催化等相关学科领域。低渗透多孔介质中 的渗流不再满足达西定律(Darcy’ s Law) 0低速非线性渗流的特征曲线形态与流体类型、 岩石类型及流体饱和度等密切相关；流体在多孔介质中的渗流能力是压力的连续函数。图 1为依据现有技术的方法绘制的低渗多孔介质典型非线性渗流特征曲线示意图。如图1所 示，众多研究者是将“流速-压力梯度”曲线的直线段ed反向延长，得到拟启动压力梯度 (如c点所示)，并将此项作为附加渗流阻力来修正达西定律，但忽略了对低速非线性渗流 的认识和研究，并且现有技术的方法无法准确地获得启动压力梯度(如a点所示)。发明人在实现本发明的过程中发现，目前测量低速非线性渗流特征曲线的实验方 法和实验仪器依然没有得到明显改进，主要是由于实验压力太低、流体体积小。因此，实验 数据对测量精度要求较高，普通的压力和流量测量设备难以满足要求。若购置专业实验设 备，一般价格昂贵、操作流程复杂、容易损坏，实际运用过程中，也难以显现此类专业设备的 优越性。从国内外已公开专利文献CN200610069507.8来看，拟启动压力梯度的测量方法已 经较为完善，但更低压力范围内的“流速-压力梯度”关系(ad曲线)无法得到准确测量甚 至无法测量，而且还没有形成低渗透多孔介质的启动压力(a点)测量方法。因此，低渗透 多孔介质中完整的低速非线性渗流曲线无法绘制，制约了低速非线性渗流理论的发展。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低速非线性渗流特 征曲线的测量方法和系统，以测量不同液体介质在低渗透多孔介质中渗流时的压力和液体 体积，得到低速非线性渗流的压力、流速和启动压力，并绘制完整的低速非线性渗流曲线， 达到研究低渗透多孔介质中低速非线性渗流特征的目的。一方面，本发明实施例提供了一种低速非线性渗流参数的测量系统，包括中间容器，具有第一开口和第二开口，内部中空以容纳驱替液；岩心夹持器，具有第三开口和第四开口，所述岩心夹持器的第三开口通过管线与 所述中间容器的第二开口连接，所述岩心夹持器内设有岩心，在连接所述中间容器的第二 开口与所述岩心夹持器的第三开口的管线上设置有开关部，所述开关部靠近所述第二开
n ；动力输出装置，通过管线与所述中间容器的第一开口连接，用于输出不同的驱动 压力以驱替所述中间容器中的驱替液经由管线传输至岩心夹持器中的岩心；
压力测量装置，包括压力表和U型管压力计，所述压力表的量程大于所述U型管压 力计的量程；所述压力表，通过管线与所述岩心夹持器的第三开口连接，用于当所述压力表的 量程与所述岩心夹持器的第三开口压力相匹配时，根据外部触发而启动，以测量在不同的 驱动压力下所述岩心夹持器的第三开口压力；所述U型管压力计，通过管线与所述岩心夹持器的第三开口连接，用于当所述U 型管压力计的量程与所述岩心夹持器的第三开口压力相匹配时，根据外部触发而启动，以 测量在不同的驱动压力下所述岩心夹持器的第三开口压力；并当所述驱动压力降低至最小 值、所述开关部处于关闭状态以及所述U型管压力计内的液面达到稳定时，显示液面高度 差以获得所述岩心的启动压力；流量测量装置，通过管线与所述岩心夹持器的第四开口连接，用于测量在不同的 所述第三开口压力下从所述岩心渗流出的驱替液的体积。另一方面，本发明实施例提供了另一种低速非线性渗流参数的测量系统，包括中间容器，具有第一开口和第二开口，内部中空以容纳驱替液；岩心夹持器，具有第三开口和第四开口，所述岩心夹持器的第三开口通过管线与 所述中间容器的第二开口连接，所述岩心夹持器内设有岩心，在连接所述中间容器的第二 开口与所述岩心夹持器的第三开口的管线上设置有开关部，所述开关部靠近所述第二开
n ；动力输出装置，通过管线与所述中间容器的第一开口连接，用于输出不同的驱动 压力以驱替所述中间容器中的驱替液经由管线传输至岩心夹持器中的岩心；压力测量装置，包括压力表、第一 U型管压力计和第二 U型管压力计，所述压力表 的量程大于所述第一 U型管压力计的量程，所述第一 U型管压力计的量程大于所述第二 U 型管压力计的量程；所述压力表，通过管线与所述岩心夹持器的第三开口连接，用于当所述压力表的 量程与所述岩心夹持器的第三开口压力相匹配时，根据外部触发而启动，以测量在不同的 驱动压力下所述岩心夹持器的第三开口压力；所述第一 U型管压力计，通过管线与所述岩心夹持器的第三开口连接，用于当所 述第一 u型管压力计的量程与所述岩心夹持器的第三开口压力相匹配时，根据外部触发而 启动，以测量在不同的驱动压力下所述岩心夹持器的第三开口压力；所述第二 U型管压力计，通过管线与所述岩心夹持器的第三开口连接，用于当所 述第二 u型管压力计的量程与所述岩心夹持器的第三开口压力相匹配时，根据外部触发而 启动，以测量在不同的驱动压力下所述岩心夹持器的第三开口压力；并当所述驱动压力降 低至最小值、所述开关部处于关闭状态以及所述第二U型管压力计内的液面达到稳定时， 显示液面高度差以获得所述岩心的启动压力；流量测量装置，通过管线与所述岩心夹持器的第四开口连接，用于测量在不同的 所述第三开口压力下从所述岩心渗流出的驱替液的体积。还一方面，本发明实施例提供了一种低速非线性渗流参数的测量方法，包括通过动力输出装置输出不同的压力以驱替中间容器中的驱替液经由管线传输至 岩心夹持器中的岩心；
通过以管线与所述岩心夹持器的第三开口连接的压力测量装置，测量在不同的驱 动压力下所述岩心夹持器的第三开口压力，所述压力测量装置包括压力表和U型管压力 计，所述压力表的量程大于所述U型管压力计的量程；根据所述岩心夹持器的第三开口压力与所述压力表和所述U型管压力计各自的 量程的匹配结果，启动所述压力表和U型管压力计的其中之一；通过以管线与所述岩心夹持器的第四开口连接的流量测量装置，按照预设时间长 度测量在不同的所述第三开口压力下从所述岩心渗流出的驱替液的体积；当所述驱动压力降低至最小值时，关闭靠近所述中间容器的第二开口的开关部， 获取所述U型管压力计内的液面达到稳定时的液面高度差，并根据所述液面高度差获得所 述岩心的启动压力。最后一方面，本发明实施例提供了又一种低速非线性渗流参数的测量方法，包 括通过动力输出装置输出不同的压力以驱替中间容器中的驱替液经由管线传输至 岩心夹持器中的岩心；通过以管线与所述岩心夹持器的第三开口连接的压力测量装置，测量在不同的驱 动压力下所述岩心夹持器的第三开口压力，所述压力测量装置包括压力表、第一 U型管压 力计和第二 U型管压力计，所述压力表的量程大于所述第一 U型管压力计的量程，所述第一 U型管压力计的量程大于所述第二 u型管压力计的量程；根据所述岩心夹持器的第三开口压力与所述压力表、所述第一 U型管压力计和所 述第二 U型管压力计各自的量程的匹配结果，启动所述压力表、所述第一 U型管压力计和所 述第二 u型管压力计三者的其中之一，关闭上述三者中的另外两者；通过以管线与所述岩心夹持器的第四开口连接的流量测量装置，按照预设时间长 度测量在不同的所述第三开口压力下从所述岩心渗流出的驱替液的体积；当所述动力输出装置输出的驱动压力降低至最小值时，关闭靠近所述中间容器的 第二开口的开关部，并获取所述第二 U型管压力计内的液面达到稳定时的液面高度差，以 根据所述液面高度差获得所述岩心的启动压力。本发明实施例提供的上述技术方案，通过不同量程的压力表和U型管压力计的组 合实现对岩心夹持器的入口端压力的实时监测，避免了在长时间测量过程中由于采用高精 度压力传感器因温度升高引起的零点漂移，使压力测量结果更加准确，提高了实验精度，也 避免了单独采用压力表带来的测量结果不可靠问题。同时相对于高精度压力传感器，采用 U型管压力计降低了测量成本，简化了测量结构，并且不易损坏，即使发生误操作或量程溢 出也不会使U型管压力计损毁，提高了检测的安全性。通过当动力输出装置输出最小压力 时，关闭中间容器的出口端开关部件，并当U型管压力计内液面达到稳定时，获取稳定后的 液面高度差，并根据液面高度差获得岩心的启动压力，从而采用简洁方便的操作流程实现 了对低渗透多孔介质的启动压力的准确测量。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可 以根据这些附图获得其它的附图。图1为现有技术的低渗多孔介质典型非线性渗流特征曲线示意图；图2为本发明实施例1的低速非线性渗流曲线的测量系统的结构框图；图3为本发明实施例2的低速非线性渗流参数的测量系统的结构框图；图4为本发明实施例3的低速非线性渗流参数的测量系统的结构框图；图4A为本发明实施例3的图4中密封元件的剖面图；图5为本发明实施例4的低速非线性渗流参数的测量方法的整体流程图；图6为本发明实施例5的低速非线性渗流参数的测量方法的具体流程图。
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例 中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是 本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员 在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明实施例中，所述的低渗透多孔介质包括但不限定于岩石、土壤、流化床 岩心等。本发明实施例中采用的驱替(displacement)液体介质包括但不限定于蒸馏水、 去离子水、地层水、注入水和活性水等水溶液，还包括煤油、白油、原油等。实施例1 本发明实施例1提供了一种低速非线性渗流参数的测量系统，以实现在低速非线 性渗流条件下的压力和流体体积的测量。本发明实施例的测量系统主要应用于对低速非线 性条件下的压力(包括启动压力)和流体体积测量，并根据测量结果绘制低渗多孔介质的 “流速-压力梯度”曲线。图2为本发明实施例1的一种低速非线性渗流参数的测量系统的结构框图。以下 对该测量系统的结构及功能进行详细说明，如图2所示，该测量系统包括中间容器13，具有第一开口 13a和第二开口 13b，内部中空以容纳驱替液16 ；可选 地，还可以在中间容器13中设置活塞18以将中间容器13的内部空间一分为二，活塞18上 部空间容纳驱替液16，活塞18下部空间容纳动力液17。岩心夹持器20，具有第三开口 21和第四开口 22，所述岩心夹持器20的第三开口 21通过管线(pipeline) 19与所述中间容器13的第二开口 13b连接，所述岩心夹持器20内 设有岩心23，在连接所述中间容器13的第二开口 13b与所述岩心夹持器20的第三开口 21 的管线19上设置有开关部14，所述开关部14靠近所述第二开口 13b ；具体地，上述开关部 14例如可以是阀门，其中阀门可以是三通阀或者六通阀。其中上述用于测试的岩心为低渗 透多孔介质中的一种，进一步地，还可以在岩心23的外表面上设置与岩心23紧密接触的橡 胶套24。进一步地，岩心夹持器20还可以通过管线32与围压泵31相连接，在围压泵31的 输出端管线上设置有阀门33和压力表34。动力输出装置11，通过管线12与所述中间容器13的第一开口 13a连接，用于输出 不同的驱动压力以驱替所述中间容器13中的驱替液16经由管线19传输至岩心夹持器20 中的岩心23 ；具体地，动力输出装置11例如可以为动力泵，其中动力泵可以是恒速恒压泵、ISC0泵、Quizix泵或者配置有减压阀的氮气瓶等。进一步地，还可以在管线12上靠近中间 容器13的第一开口 13a的位置设置开关部15。 压力测量装置，包括压力表26和U型管压力计28，所述压力表26的量程大于所述 U型管压力计28的量程；所述压力表26，通过管线与所述岩心夹持器20的第三开口 21连接，用于当所述压 力表26的量程与所述岩心夹持器20的第三开口压力相匹配时，根据外部触发而启动，以测 量在不同的驱动压力下所述岩心夹持器20的第三开口压力；所述U型管压力计28，通过管线与所述岩心夹持器20的第三开口 21连接，用于当 所述U型管压力计28的量程与所述岩心夹持器20的第三开口压力相匹配时，根据外部触 发而启动，以测量在不同的驱动压力下所述岩心夹持器20的第三开口压力；并当所述驱动 压力降低至最小值、所述开关部14处于关闭状态以及所述U型管压力计28内的液面达到 稳定时，显示液面高度差以获得所述岩心的启动压力；流量测量装置25，通过管线与所述岩心夹持器20的第四开口 22连接，用于测量在 不同的所述第三开口压力下从所述岩心23渗流出的驱替液16的体积。以下对上述测量系统各部分的结构、功能及效果分别进一步详细说明。通过在中间容器13中设置有用于分隔动力液17和驱替液16的活塞18，可以有效 地缓冲动力输出装置11输出的压力，避免岩心夹持器20入口压力(即第三开口压力)在 某一值附近波动，使入口压力保持稳定或平稳。进一步地，动力泵上可设置显示当前的输出压力的显示装置，以利于控制降压的 幅度，并利于估计岩心夹持器20的入口压力。优选地，本发明实施例的实验过程中，围压泵31始终向岩心夹持器20内的橡胶套 24提供压力，使橡胶套24与岩心23的柱面紧密接触，有利于防止驱替介质从岩心23与橡 胶套24的接触面流过。具体地，U型管压力计28内的工作液体可以包括水、水银或者煤油。压力表26可 以是普通的压力表，此时，该压力测量装置形成为2级压力监测仪，第1级为普通压力表，第 2级为U型管压力计。当岩心夹持器20的入口端压力在该压力表的量程范围内时，通过人 工控制、外部控制或外部触发等手段启动该压力表进入工作状态，并关闭U型管压力计28 ； 当岩心夹持器20的入口端压力在U型管压力计28的量程范围内时，启动该U型管压力计 28，并同时根据人工控制、外部控制或外部触发等手段关闭该压力表26。进一步地，本发明 实施例还基于以下原则来启动相应的压力监测仪当岩心夹持器20入口压力同时满足相 邻两级压力测量仪的测量范围时，优先选择启动量程范围较小且精度较高的压力测量仪。可选地，可在进一步与U型管压力计配套设置刻度标记30，这个刻度标记30可以 是U型管压力计本身固有的，也可以是一个独立的刻度标尺。可选地，U型管压力计28的 两个管口上还可以进一步设置具有孔的薄膜，以有效地防止管内工作液体受到污染，并减 少蒸发对实验结果的影响。薄膜的材料和孔的形状、尺寸及排列方式，本发明实施例不做限 制。进一步地，可对U型管压力计28设置与其形状、结构相匹配的固定支架，以使US 管压力计内液面保持水平，便于减小读数误差。由于U型管管口敞开，大气压在岩心夹持器入口产生的压力与出口的大气压抵消，U型管内液面高度差产生的压力即为作用在岩心上的压力，也即岩心夹持器的入口端压 力。本发明实施例采用U型管压力计，而不采用高精度压力传感器进行实时压力监测 的主要原因在于压力传感器的任何元器件参数的变化(包括电源电压的波动)，都会引起 输出电压的漂移，而环境温度的变化是引起这种漂移的最主要原因，也是最难克服的因素， 这是由于半导体元件的导电性对温度非常敏感，而在长时间的测量过程中环境温度又很难 维持恒定，从而将导致压力传感器中三极管的静态工作点发生微小而缓慢的变化，这种变 化量会被后面的电路逐级放大，最终在输出端产生较大的电压漂移，因此，零点漂移也叫温切。本发明实施例要求实时监测压力，而长时间使用压差传感器，会使其温度提高，发 生零点漂移，从而降低测量精度。有鉴于此，本发明实施例采用U型管压力计来实现实时压 力监测。u型管压力计长时间测量时不存在零点漂移现象，故能保证实验精度，而且u型管 压力计成本低廉，降低了检测成本，并且不易损坏，即使发生量程溢出也不会损坏U型管压 力计，减轻了维护开销和负担，有利于大量开展此类实验。具体地，图2所示的流量测量装置25，与所述岩心夹持器20的出口端管线相连接， 用于按照预设时间长度测量在不同的所述入口端压力下从所述岩心23渗流出的流体的体 积。可选地，该流量测量装置25还可以用于针对同一个入口端压力时，按照预设的多 段时间长度，分别测量每段时间长度内从所述岩心23渗流出的流体的体积，通过将同一压 力下的流体流量至少记录三次，然后将各次计算的流速取算术平均，可提高计量的准确性。进一步地，流量测量装置25可采用毛细管流量计(capillary flowmeter) 0在本 发明实施例的实验过程中，由于从低渗多孔介质中渗流出的流体流量较�。舨捎昧客布� 量液体体积，将导致较大测量误差，测量精度无法保证，而且量筒开口较大，暴露于空气中， 量筒中液体与空气间具有较大接触面积，使流体易蒸发，影响流体体积的测量精度，因此不 适宜采用量筒进行计量。与小量筒相比，本发明实施例的毛细管流量计的优势还包括首 先，便于读取流体体积，微小液体体积即可在毛细管流量计内产生较明显的液柱长度；其 次，内径较�。苣谝禾逵肟掌哟ッ婊。灰谆臃⒒蚧臃⒘拷闲。茉诔な奔涞牟饬抗� 程中保证计量准确度，可以有效地减小微流量条件下的流体蒸发对实验结果的影响。总之， 这是一种经济实惠的准确测量低渗透多孔介质中流体渗流体积的仪器。在本发明实施例中，可根据实际需要制作不同规格(量程、精度)的毛管流量 计，例如可制作如下规格的毛管流量计以满足不同压力下的流体体积测量的需求量程 0. 1ml，精度 0. 0005ml、量程 0. 5ml，精度 0. 0025ml、量程 1. 0ml，精度 0. 005ml ；量程 5. 0ml, 精度0. 0125ml等。当待测试的岩心渗透率较大时，可选择较大量程的毛管流量计，当待测 试的岩心渗透率较小时，可选择较小量程的毛管流量计，其它情况依此类推，以适应不同的 需要。利用上述测量系统获得的参数，在信息处理装置上进行数据处理，即可以绘制“流 速_压力梯度”关系曲线。具体地，在“流速_压力梯度”关系曲线中，压力梯度等于岩心夹 持器20入口压力与岩心长度的比值，即gradP = P/L, gradP为压力梯度(单位MPa/m) ；P 为岩心夹持器入口压力(单位MPa) ；L为岩心长度(单位m)。岩心夹持器20入口压力的测量数值通过两种方式获得普通压力表读数和U型管液面高度差产生的压力。其中，对于 普通压力表，可直接读取指针对应数值；而对于U型管而言，U型管液面高度差对应的压力 为Pgh，P为U型管内工作液体的密度(单位kg/m3)，g为实验所在地的重力加速度(单 位m/s2)，h为U型管液面高度差(单位m)。液体流速的计算公式为v = Q/( Ji r2 t)， Q为t时间内的流体体积(单位m3) ；t为每次测量液体体积的时间长度(单位s) ；r为岩 心截面的半径(单位m)。ae段曲线的绘制可以通过常用软件将“流速 压力梯度”等多组 散点连接。利用外推法可得到de段的延长线与压力梯度坐标轴的交点即为拟启动压力梯度 (c 点)。通过本发明实施例获得的“流速-压力梯度”关系曲线及启动压力，有利于建立低 渗透多孔介质的低速非线性渗流数学模型，并且可用于研究低渗多孔介质中的流体的有效 动用范围、压力分布特征和产能评价，特别适合于油气田开发和水利工程等领域。实施例2 图3为本发明实施例2另一种低速非线性渗流参数的测量系统的结构框图。图3 的测量系统与图2的测量系统相比，不同之处在于，图3中压力测量装置为基于压力表26、 第一 U型管压力计28和第二 U型管压力计35的3级压力监测装置。以下针对上述不同之 处进行详细说明，而相同之处则不再赘述。请参阅图3，压力测量装置包括压力表26、第一 U型管压力计28和第二 U型管压 力计35，所述压力表26的量程大于所述第一 U型管压力计28的量程，所述第一 U型管压力 计28的量程大于所述第二 U型管压力计35的量程；所述压力表26，通过管线与所述岩心夹持器20的第三开口 21连接，用于当所述压 力表26的量程与所述岩心夹持器20的第三开口压力相匹配时，根据外部触发而启动，以测 量在不同的驱动压力下所述岩心夹持器20的第三开口压力；所述第一 U型管压力计28，通过管线与所述岩心夹持器20的第三开口 21连接，用 于当所述第一 U型管压力计28的量程与所述岩心夹持器20的第三开口压力相匹配时，根 据外部触发而启动，以测量在不同的驱动压力下所述岩心夹持器20的第三开口压力；所述第二 U型管压力计35，通过管线与所述岩心夹持器20的第三开口 21连接，用 于当所述第二 U型管压力计35的量程与所述岩心夹持器20的第三开口压力相匹配时，根 据外部触发而启动，以测量在不同的驱动压力下所述岩心夹持器20的第三开口压力；并当 所述驱动压力降低至最小值、所述开关部14处于关闭状态以及所述第二 U型管压力计35 内的液面达到稳定时，显示液面高度差以获得所述岩心的启动压力。具体地，本发明实施例的测量系统在工作过程中，根据所述岩心夹持器20的第三 开口压力(即入口端压力)与所述压力表、所述第一 U型管压力计28和所述第二 U型管压 力计35各自的量程的匹配结果，启动所述压力表26、所述第一 U型管压力计28和所述第二 U型管压力计35三者的其中之一，关闭上述三者中的另外两者。具体地，当岩心夹持器20入口压力在水柱U型管压力计的测量范围内，并且动力 泵不足以提供更低的压力时，而且中间容器13的出口端附近的开关部14被关闭后，岩心夹 持器20的入口压力不断下降，水柱U型管压力计内的水柱高度也随之变化，当水柱U型管 压力计内的水柱高度连续几天甚至更长时间内没有出现明显变化时(即达到稳定时)，该水柱产生的压力即为低渗岩心的启动压力。 可选地，如图3所示，所述压力表26、所述第一 U型管压力计28和所述第二 U型管 压力计35还可以分别通过第一开关部27、第二开关部29和第三开关部36与所述岩心夹 持器20的入口端管线相连接，并分别形成交点A、B、C，其中交点A、B、C可以通过六通阀连 接在一起，通过上述配置，操作人员可根据所述岩心夹持器20的入口端压力与所述压力表 26、所述第一 U型管压力计28和所述第二 U型管压力计35各自的量程的匹配结果，开启第 一开关部26、第二开关部29和第三开关部36中的其中之一，并关闭第一开关部26、第二开 关部29和第三开关部36中的另外两个，以启动与所述开启的开关部相关联的压力测量装 置。 具体地，在图3所示的3级压力监测装置中，第1级采用普通压力表，第2级采用水 银柱U型管压力计，第3级采用水柱U型管压力计或者煤油柱U型管压力计。可选地，第3 级的U型管内的工作液体还可以采用密度与水或煤油相近的其它液体，或者采用相对于水 银而言密度更轻的液体。上述3级测量仪器量程依次递减，并且在第2级和第3级的U型 管压力计的两个管口上均可以进一步设置具有孔的薄膜。以下进一步说明上述3级压力监测装置的配置。在第1级设置普通压力表，发明人发现单独采用压力表监测数据时，当待监测压 力介于压力表量程的大约1/3 2/3范围内时，所获取的压力数据是可靠的；但当监测压力 大于或小于此范围时，所获取的数据误差较大。因此尽量使压力表工作在其可靠量程段，在 本发明实施例中，当岩心持器入口压力较大时，该压力表处于工作状态，进行准确地压力测量。在第2级设置水银柱U型管压力计，根据AP = p gh的关系式可知，由于水银的 密度较大，可使在其压力测量范围内的液度高度差(在不影响读数精度的前提下)不至于 太大，而液度高度差越大，就相应地要求U型管的长度等尺寸增大，故在第2级设置水银柱 U型管压力计可降低对采用过长的u型管的需求。在第3级设置水柱U型管压力计是因为水的密度较�。诓饬课⑿⊙沽κ蹦芄辉� 管内显示明显的液面高度差，从而能够使测量结果更加准确，可避免液面高度差太小使测 量不够准确，以及对测量带来不便的问题。采用煤油柱U型管压力计也有类似效果。总之，通过在第2级采用水银柱U型管压力计，及在第3级采用水柱U型管压力计， 可以使对应压力范围内的液面高度差异较大或较明显，便于读取压力数值。当然，本发明实施例的压力监测装置的级别并不限制于为3级，本领域技术人员 根据本发明实施例的教导可对级数进行扩展。在本发明实施例中，由于实验采用的最大压力要求小于1.6MPa，最小压力要求约 为O.OlMPa，针对该实验要求，上述3级压力监测仪器的规格可选地设计为普通压力表量 程0 1. 6MPa，精度0. OlMPa ；水银柱U型管量程0 0. 2MPa，刻度分辨率0. 005m ；水柱 U型管量程0 0.02MPa，刻度分辨率0.005m。在其它实施例中，要求动力输出装置输出 的最小驱动压力为0. 005MPa。实施例3 图4为本发明实施例3的又一种低速非线性渗流参数的测量系统的结构框图。图 4所示的测量系统与图3所示的测量系统相比，不同之外在于，图4中流量测量装置是基于
12多个毛细管流量计的多级流量监测装置。以下针对上述不同之处进行详细说明，而相同之 处则不再赘述。图4中的多级流量监测装置包括至少两个不同规格的毛细管流量计，在连接每 个毛细管流量计与所述岩心夹持器20的第四开口 22的管线上分别设置有开关部。从而可根据所述岩心夹持器20的入口端压力，使所述至少两个开关部的其中之 一被打开以启动相应规格的毛细管流量计。例如图4中示意性地绘示了三个不同规格的毛 细管流量计38、39、40，并绘示了在连接每个毛细管流量计与所述岩心夹持器20的第四开 口 22的管线上分别设置的开关部，如图4中标号41所示。进一步地，如图4所示，所述毛细管流量计的入口处还可以设置有密封元件42。所 述的密封元件42用于使毛细管流量计和管线保持良好接触，可选地，上述密封元件42可以 采用毛细管流量计接箍。图4A为本发明实施例3的图4中密封元件的剖面图。如图4A所示，密封元件包 括压冒1、金属二通2、塑料或橡胶卡箍3及橡胶垫片4。以下结合图4A描述本发明实施 例中毛细管流量计与密封元件之间进行连接的装配流程。首先，使毛细管流量计(图中未 绘示)依次穿过压冒1和橡胶卡箍3，然后，顺时针旋转压冒1，并挤压橡胶卡箍3，使橡胶卡 箍3与毛细管流量计紧密接触，同时使毛细管流量计与橡胶垫片4紧密接触，避免毛细管流 量计直接与金属二通2接触，防止液体漏失，其中管线5焊接在金属二通2上。图4中的多级流量监测装置包含的多个不同规格的毛细管流量计可从如下规格 中选择量程0. lml，精度0. 0005ml ；量程0. 5ml，精度0. 0025ml ；量程1. 0ml，精度0. 005ml ； 或者，量程5. 0ml，精度0. 0125ml。此外，毛细管流量计的长度可设计为23cm，其管径可设计 为 lmm、2mm、2. 5mm 或者 6mm0本发明实施例中，毛细管流量计可采用带有刻度的毛细玻璃管，通过读取管内采 集的液柱长度对应的体积刻度，即可得到从岩心渗流出的流体体积。在测量过程中，可采用 多级毛细管流量计组合测量，根据需要，可选择性的使用2级或3级毛细管流量计测量流体 体积。在测量过程中，当使用某一级毛细管流量计测量时，关闭与其它两级毛细管流量 计的阀门；在实验过程中，对于同一块岩心，当压力较高时，采用大量程的毛细管流量计； 当压力较低时，采用小量程的毛细管流量计。可选地，也可以采用其它依据来控制切换不同规格的毛细管流量计的工作状态， 例如可根据毛细管流量计在预先设定的时间长度内收集到的流体体积与多个具有不同规 格的毛细管流量计的量程的比较结果，选择开启与所述流体体积相匹配的毛细管流量计， 并关闭与所述流体体积不匹配的毛细管流量计。进一步地，当上述收集到的流体体积同时 与至少两个毛细管流量计的量程相匹配时，优先选择采用量程较小的毛细管流量计进行计 量。通过上述配置及对应的工作过程可以进一步提高对低速非线性渗流在微流量条 件下的流体体积的计量精度，减少误差。综上所述，本发明实施例的3级或多级压力测量装置不仅结构简单，还具有简捷 方便、准确测量液体在岩心夹持器入口的压力(包括启动压力)、检测成本低廉的优点。而 采用基于多个不同规格的毛细管流量计的多级流量测量装置，使流量测试更加灵活、高效、精确。实施例4:以下详细说明本发明实施例图2-图4所示测量系统的工作原理。图5为本发明实施例4的一种低速非线性渗流参数的测量方法的流程图。如图5 所示，该方法包括如下步骤S501、通过动力输出装置输出不同的驱动压力以驱替中间容器中的驱替液经由管 线传输至岩心夹持器中的岩心；S502、通过以管线与岩心夹持器的第三开口连接的压力测量装置，测量在不同的 驱动压力下所述岩心夹持器的第三开口压力；其中，所述压力测量装置包括压力表和U型管压力计，所述压力表的量程大于所 述U型管压力计的量程；S503、根据所述岩心夹持器的第三开口压力与所述压力表和所述U型管压力计各 自的量程的匹配结果，启动所述压力表和U型管压力计的其中之一；S504、通过以管线与所述岩心夹持器的第四开口连接的流量测量装置，按照预设 时间长度测量在不同的所述第三开口压力下从所述岩心渗流出的驱替液的体积；S505、当所述驱动压力降低至最小值时，关闭靠近所述中间容器的第二开口的开 关部，获取所述U型管压力计内的液面达到稳定时的液面高度差，并根据所述液面高度差 获得所述岩心的启动压力。可选地，还可以将两个U型管压力计分别通过管线连接至岩心夹持器的第三开 口，本发明实施例中以第一 U型管压力计和第二 U型管压力计进行区分，其中，所述第二 U 型管压力计的量程小于所述u型管压力计的量程，对应于这种情况，图5中相应步骤S502、 S503和S505的具体过程如下S502的具体过程包括通过以管线与岩心夹持器的第三开口连接的压力测量装 置，测量在不同的驱动压力下所述岩心夹持器的第三开口压力；S503的具体过程包括根据所述岩心夹持器的第三开口压力与所述压力表、所述 第一 u型管压力计和所述第二 U型管压力计各自的量程的匹配结果，启动所述压力表、所 述第一 U型管压力计和所述第二 U型管压力计三者的其中之一，关闭上述三者中的另外两 者；S505的具体过程包括当所述动力输出装置输出的驱动压力降低至最小值时，关 闭靠近所述中间容器的第二开口的开关部，并获取所述第二 U型管压力计内的液面达到稳 定时的面高度差，以根据所述液面高度差获得所述岩心的启动压力。具体地，所述第一 U型管压力计包括水银柱U型管压力计，所述第二 U型管压力计 包括水柱U型管压力计或者煤油柱U型管压力计。进一步地，所述流量测量装置包括至少一个毛细管流量计，并当所述流量测量装 置包括一个以上的毛细管流量计时，在连接每个毛细管流量计与所述岩心夹持器的第四开 口的管线上分别设置有开关部。可选地，所述毛细管流量计的入口处还可以设置有密封元 件。相应地，图5中S504的具体过程可以包括通过所述毛细管流量计针对同一个入 口端压力，按照预设的多段时间长度，分别测量每段时间长度内从所述岩心渗流出的驱替液的体积。进一步地，当所述流量测量装置包括至少两个不同规格的毛细管流量计，并且分 别通过至少两个开关部与所述岩心夹持器的出口端管线相连接时，图5所示方法还可以包 括如下步骤根据所述岩心夹持器的第三开口压力(入口端压力)，通过开启所述至少两个 开关部的其中之一以启动相应规格的毛细管流量计。进一步地，所述毛细管流量计的入口处还可以设置有密封元件。具体地，所述动力输出装置输出的驱动压力的最小值为O.OlMPa。在其它实施例 中，也可将动力输出装置输出的驱动压力的最小值设定为0. 005MPa。实施例5:以下以低渗透油藏岩心为例，并结合本发明实施例图3所示的测量系统对图5所 法方法进行详细的说明。图6为本发明实施例5的一种低速非线性渗流参数的测量方法的 具体流程图。如图6所示，该方法包括如下步骤S601、利用动力泵提供驱动能量，驱替中间容器的驱替液，使驱替液流经岩心。S602、当岩心入口压力稳定时，记录岩心入口压力，并记录岩心出口的流体体积。具体地，同一压力下的流体流量至少记录三次，然后将各次计算的流速算术平均， 以提高计量的准确性。S603、降低动力泵提供的压力，重复上述操作，直至动力泵不足以提供更小的压力 为止。在此过程中，当岩心夹持器入口压力介于某一级压力测量仪器范围内时，关闭其 它两级压力测量仪器的阀门。每个压力测量仪均通过独立的阀门与岩心夹持器入口管线连 接。根据岩心夹持器入口压力的变化顺序，依次选用各压力测量仪。只有当岩心夹持器入 口压力在某一级压力测量仪的量程范围内时，才将与该压力测量仪连接的阀门打开，并关 闭其它2个压力测量仪的阀门。并且当岩心夹持器入口压力同时满足相邻两级压力测量仪 的测量范围时，优先选择量程范围较小且精度较高的压力测量仪。S604、当动力泵提供的压力达到其所能提供的最小值时，关闭中间容器的出口阀 门，并观察液面水柱U型管的液面缓慢下降的情况，当液面连续几天或更长时间内没有发 生明显变化，即液面达到稳定(岩心渗透率越低，稳定时间越长)时，通过读取水柱U型管 内最终的液面高度差，并记录水柱液面高度差，以便于计算岩心的启动压力。其中，观察液 面是否达到稳定的时间范围可能为几天至几周。S605、于实验结束后进行数据处理和绘图过程，将每一组压力和流量数据分别处 理成压力梯度和流速，并根据水柱U型管内液面稳定时的水柱液面高度差和压力转换公 式，计算岩心的启动压力，然后将启动压力转换成启动压力梯度，最后绘制“流速-压力梯 度”关系曲线。通过采用本发明实施例的测量方法，可以确保准确测量低速非线性渗流的压力， 并测量低渗透多孔介质的启动压力，并可以准确测量微流量条件下的流体体积，有利于绘 制低渗透多孔介质中完整的低速非线性渗流特征曲线，促进了低速非线性渗流理论的发展。以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述 实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而 这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例各实施例技术方案的精 神和范围。
权利要求
一种低速非线性渗流参数的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括中间容器，具有第一开口和第二开口，内部中空以容纳驱替液；岩心夹持器，具有第三开口和第四开口，所述岩心夹持器的第三开口通过管线与所述中间容器的第二开口连接，所述岩心夹持器内设有岩心，在连接所述中间容器的第二开口与所述岩心夹持器的第三开口的管线上设置有开关部，所述开关部靠近所述第二开口；动力输出装置，通过管线与所述中间容器的第一开口连接，用于输出不同的驱动压力以驱替所述中间容器中的驱替液经由管线传输至岩心夹持器中的岩心；压力测量装置，包括压力表和U型管压力计，所述压力表的量程大于所述U型管压力计的量程；所述压力表，通过管线与所述岩心夹持器的第三开口连接，用于当所述压力表的量程与所述岩心夹持器的第三开口压力相匹配时，根据外部触发而启动，以测量在不同的驱动压力下所述岩心夹持器的第三开口压力；所述U型管压力计，通过管线与所述岩心夹持器的第三开口连接，用于当所述U型管压力计的量程与所述岩心夹持器的第三开口压力相匹配时，根据外部触发而启动，以测量在不同的驱动压力下所述岩心夹持器的第三开口压力；并当所述驱动压力降低至最小值、所述开关部处于关闭状态以及所述U型管压力计内的液面达到稳定时，显示液面高度差以获得所述岩心的启动压力；流量测量装置，通过管线与所述岩心夹持器的第四开口连接，用于测量在不同的所述第三开口压力下从所述岩心渗流出的驱替液的体积。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述流量测量装置包括至少一个毛 细管流量计；当所述流量测量装置包括一个以上的毛细管流量计时，在连接每个毛细管流 量计与所述岩心夹持器的第四开口的管线上分别设置有开关部。
3.根据权利要求3所述的测量系统，其特征在于，所述毛细管流量计的入口处还设置 有密封元件。
4.一种低速非线性渗流参数的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括 中间容器，具有第一开口和第二开口，内部中空以容纳驱替液；岩心夹持器，具有第三开口和第四开口，所述岩心夹持器的第三开口通过管线与所述 中间容器的第二开口连接，所述岩心夹持器内设有岩心，在连接所述中间容器的第二开口 与所述岩心夹持器的第三开口的管线上设置有开关部，所述开关部靠近所述第二开口 ；动力输出装置，通过管线与所述中间容器的第一开口连接，用于输出不同的驱动压力 以驱替所述中间容器中的驱替液经由管线传输至岩心夹持器中的岩心；压力测量装置，包括压力表、第一 U型管压力计和第二 U型管压力计，所述压力表的量 程大于所述第一 U型管压力计的量程，所述第一 U型管压力计的量程大于所述第二 U型管 压力计的量程；所述压力表，通过管线与所述岩心夹持器的第三开口连接，用于当所述压力表的量程 与所述岩心夹持器的第三开口压力相匹配时，根据外部触发而启动，以测量在不同的驱动 压力下所述岩心夹持器的第三开口压力；所述第一 U型管压力计，通过管线与所述岩心夹持器的第三开口连接，用于当所述第 一 U型管压力计的量程与所述岩心夹持器的第三开口压力相匹配时，根据外部触发而启动，以测量在不同的驱动压力下所述岩心夹持器的第三开口压力；所述第二 U型管压力计，通过管线与所述岩心夹持器的第三开口连接，用于当所述第 二 U型管压力计的量程与所述岩心夹持器的第三开口压力相匹配时，根据外部触发而启 动，以测量在不同的驱动压力下所述岩心夹持器的第三开口压力；并当所述驱动压力降低 至最小值、所述开关部处于关闭状态以及所述第二U型管压力计内的液面达到稳定时，显 示液面高度差以获得所述岩心的启动压力；流量测量装置，通过管线与所述岩心夹持器的第四开口连接，用于测量在不同的所述 第三开口压力下从所述岩心渗流出的驱替液的体积。
5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于所述第一 U型管压力计包括水银柱U型管压力计；所述第二 U型管压力计包括水柱U 型管压力计或者煤油柱U型管压力计。
6.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述压力表、所述第一U型管压力计和所述第二U型管压力计分别通过第一开关部、第 二开关部和第三开关部与所述岩心夹持器的第三开口管线连接。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的测量系统，其特征在于，所述流量测量装置包括 至少一个毛细管流量计；当所述流量测量装置包括一个以上的毛细管流量计时，在连接每 个毛细管流量计与所述岩心夹持器的第四开口的管线上分别设置有开关部。
8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述毛细管流量计的入口处还设置 有密封元件。
9.一种低速非线性渗流参数的测量方法，其特征在于，所述方法包括通过动力输出装置输出不同的压力以驱替中间容器中的驱替液经由管线传输至岩心 夹持器中的岩心；通过以管线与所述岩心夹持器的第三开口连接的压力测量装置，测量在不同的驱动压 力下所述岩心夹持器的第三开口压力，所述压力测量装置包括压力表和U型管压力计，所 述压力表的量程大于所述U型管压力计的量程；根据所述岩心夹持器的第三开口压力与所述压力表和所述U型管压力计各自的量程 的匹配结果，启动所述压力表和U型管压力计的其中之一；通过以管线与所述岩心夹持器的第四开口连接的流量测量装置，按照预设时间长度测 量在不同的所述第三开口压力下从所述岩心渗流出的驱替液的体积；当所述驱动压力降低至最小值时，关闭靠近所述中间容器的第二开口的开关部，获取 所述U型管压力计内的液面达到稳定时的液面高度差，并根据所述液面高度差获得所述岩 心的启动压力。
10.一种低速非线性渗流参数的测量方法，其特征在于，所述方法包括通过动力输出装置输出不同的压力以驱替中间容器中的驱替液经由管线传输至岩心 夹持器中的岩心；通过以管线与所述岩心夹持器的第三开口连接的压力测量装置，测量在不同的驱动压 力下所述岩心夹持器的第三开口压力，所述压力测量装置包括压力表、第一 U型管压力计 和第二 U型管压力计，所述压力表的量程大于所述第一 U型管压力计的量程，所述第一 U型 管压力计的量程大于所述第二 U型管压力计的量程；根据所述岩心夹持器的第三开口压力与所述压力表、所述第一 U型管压力计和所述第 二 U型管压力计各自的量程的匹配结果，启动所述压力表、所述第一 U型管压力计和所述第 二U型管压力计三者的其中之一，关闭上述三者中的另外两者； 通过以管线与所述岩心夹持器的第四开口连接的流量测量装置，按照预设时间长度测 量在不同的所述第三开口压力下从所述岩心渗流出的驱替液的体积；当所述动力输出装置输出的驱动压力降低至最小值时，关闭靠近所述中间容器的第二 开口的开关部，并获取所述第二 U型管压力计内的液面达到稳定时的液面高度差，以根据 所述液面高度差获得所述岩心的启动压力。
全文摘要
本发明实施例提供了一种低速非线性渗流参数的测量系统和方法，该系统包括动力输出装置通过管线与中间容器的第一开口连接，输出不同的驱动压力以驱替中间容器中的驱替液经由管线传输至岩心夹持器中的岩心；压力测量装置，包括压力表和U型管压力计，分别通过管线与岩心夹持器的第三开口连接，测量在不同的驱动压力下岩心夹持器的第三开口压力；U型管压力计还当驱动压力降低至最小值、开关部处于关闭状态及自身的液面稳定时，显示液面高度差以获得岩心启动压力；流量测量装置，通过管线与岩心夹持器的第四开口连接，测量在不同的第三开口压力下从岩心渗流出的驱替液体积。该系统可对低速非线性渗流条件下的压力、启动压力和流体体积精确测量。
文档编号G01N15/08GK101852714SQ201010164988
公开日2010年10月6日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者曾保全, 李春兰, 程林松, 郑华, 郝斐 申请人:中国石油大学(北京)
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