低渗透岩心渗透率测试方法总结

低渗岩心渗透率的测试方法：1、稳态法2、脉冲衰减法3、周期振荡法
一、稳态法测量渗透率
1、测试原理
根据达西定律Q / S=-k△P/ηL
式中；Q 为流量(m3/s)；S 为样品横截面积(m2)；L为样品长度（m）；η为流体黏滞系数(Pa·s)；k 为渗透率（m2）；ΔP 为样品上、下游的压力差（Pa）。

在岩样的上、下游端施加稳定的压力差ΔP，通过测量流经样品的流量Q 得到渗透率，或者保持恒定的流量Q 而测量上、下游端的压力差ΔP 而得到渗透率。

2、适用条件
达西定律定压法测渗透率适用的条件之一是测试介质在岩石孔隙中的渗流需达到稳定状态，对于中高渗岩样来说$达到稳定状态所需时间较短，因而测试时间较短但是对于低渗岩样达西实验装置提供的较小压差达到平衡状态时间长伴随长时间平衡过程带来的是环境因素对测量结果的影响增大
3、实验装备
1）定压法
石油工业所熟知的达西实验原理即是采用的定压法
室内常用定压法测渗透率装置简图
2）定流量法
定流量法是通过提供稳定流量监测岩样两端压力变化因为高精度压力监测比流量计量更准确因而测量也更精确
定流量法测试渗透率装置简图
4、优缺点
此法对于渗透率大于10×10−3μm²中高渗透率的储层岩石，测试结果较为准确，但是若为了保证精度，对设备装置的要求就很高，并且在测量时需要很长的流速
稳定时间。

二、脉冲衰减法
1、测试原理及装置图解
与常规稳态法渗透率测试原理不同，脉冲衰减法是基于一维非稳态渗流理论，通过测试岩样一维非稳态渗流过程中孔隙压力随时间的衰减数据，并结合相应的数学模型，对渗流方程的精确解答和合适的误差控制简化，就可以获得测试岩样的脉冲渗透率计算模型和方法。

1）瞬态压力脉冲法：
瞬态压力脉冲法最早在测量花岗岩渗透系数时提出其原理并给出其近似解在测试样两端各有一个封闭的容器，测试时待上下容器和岩样内部压力平衡后，给上端容器一个压力脉冲。

然后上部容器压力将慢慢降低，下部容器压力慢慢增加，监测两端压力随时间变化情况，直至容器内达到新的压力平衡状态。

瞬态压力脉冲法原理图
通过上下游压力衰减曲线可求得测试样渗透率。

W F Brace给出了计算渗透率的近似解析解：
Δp(t)
P i
=e−θt(1)
θ=kA
μw C w L (1
V u
+1
V d
)(2)
式中Δp(t)——岩样两端压差实测值；P i——初始脉冲压力；θ——衰减曲线斜率；V u、V d——上下游容积体积
瞬态压力脉冲法在非稳态下测量渗透率，较传统稳态法所需测试时间大大缩短，而且高精度的压力计量要比传统流体计量更准确，因而测试结果也更精确。

目前此方法已广泛应用于致密低渗岩样的测量实验中。

但是W F Brace 在测量花岗岩渗透率求解过程中是假定岩样孔隙度为零，这在计算致密孔岩样时有一定的合理性，但在计算页岩等孔隙度相对不能忽略的岩样时其误差较大，后继研究者在求解方法上做了很多研究，提出了精确的解析解和图解法。

A I Dicker等详细讨论了上下端容器体积对测量过程的影响，S C Jones提出的渗透率测量装置下限达到0.01μd目前基于此原理制备的PDP-200已有商业制品出售,在测量如页岩气等超低渗储层岩心方面效果较好。

S C Jones改进瞬态压力脉冲法装置图
经过四十多年的发展，压力脉冲法在数据处理和测量装置上不断得到改善，在测量煤层气(页岩气等低渗超低渗储层渗透率方面，压力脉冲法效果极好。

目前国内亦有厂家基于此原理研制渗透率测试装置，但精度较之国外尚有较大差距!瞬态压力脉冲法不适合测量渗透性高的岩石，因为对于渗透性高的岩石，压力脉冲平衡时间过快，测试时间太短，初始脉冲造成的压力紊乱使得数据记录过程中，尚未检测出压力衰减曲线中的稳定压力下降过程，压力已经达到平衡。

因此推荐测量渗透率在0.1×10−3μm2以下的岩样。

2）变容压力脉冲法
压力脉冲法测渗透率实验，时间不宜过长也不宜太短，前者受设备密封、环境温度、微生物滋扰影响较大，后者则受人为操作影响。

传统压力脉冲法测量渗透率，由于岩样上下端容器容积是固定的，因此对某一测量介质，，其压缩储容是固定的，这就限制了仪器的测量范围。

国内学者王颖博士针对此情况研制了变容压力脉冲法测渗透率装置
变容压力脉冲法测渗透率装置图
2、适用条件及优缺点
脉冲法技术适用于测量超低渗以下的岩样，在测试高渗透岩样时误差很大，这限制了此方法的测试范围，变容压力脉冲法在实验原理上较好的解决了这一问题，已有按此原理制作的设备，其测量范围大7个数量级，商业制品尚未查到。

三、周期振荡法
近些年来，对超低渗透率测量出现了周期振荡法，其测量下限可达10−10μm²。

周期振荡法最早由Kranz等借鉴热扩散系数测量而提出，被运用到测量低渗岩石渗透率上。

1、测试原理
Fischer等详细阐述了周期振荡法的理论背景，实验设计以及数据处理，将测试岩芯作为一个衰减与阻尼器。

首先在岩芯的一端输入一个振幅及频率一致的正弦振荡压力波，穿过岩芯在另一端输出一个振幅及相位发生衰减和延迟的同频率正弦波，振幅衰减和相位延迟与岩石渗透率有关。

正弦压力波在岩芯中的传播过程类似一维扩散：
ð2P ð2X =
μβS
K
ðP
ðt
式（1）
式中：P 为孔隙压力；k 为渗透率；μ为流体的黏滞系数；βs为岩芯-流体系统的比储流率。

式（5）的
初始条件和边界条件为
式（2）式中：x = 0 选择在下游端面处；Sd为下游容器体积结合初始条件和边界条件式（2）式（1）的解为
式（3）
从式（3）可以看出，周期振荡法可看成稳态法和脉冲衰减法相结合的一种混和法。

下游压力对上游应力的响应由两部分组成，既存在由于压力突然变为正弦波的一个瞬时响应（也呈指数衰减），也存在一个稳定的正弦周期引起的稳态响应从方程（3）的前半部分看出，相对上游的压力，下游的响应会在幅值上发生衰减（衰减因子α）和相位发生延迟θ。

通过测量上、下游幅值比α和相位延迟θ即可计算样品的渗透率。

根据Fischer研究结论，上、下游压力幅值比α和相位延迟θ可以表示为 2 个无量纲参数ψ和γ的函数：
式（4）式中：
式（5）
式中：γ、ψ为叠加过程中产生的 2 个无量纲值。

由以上的各类参数得到的渗透率为
式（6）
式中：T 为孔隙压力的振荡周期（s）。

由以上方程，从实验室中测得的振幅比α和相位移θ，求出了 2 个无量纲值ψ和γ，并由式（6）可得渗透率k。

表 1 三种方法在测量低渗透时的比较
结论：1）岩石超低渗透率测量在核废料储藏，页岩油气、致密油气开发等方面具有重要应用价值，目前我国主要采用稳态法和脉冲衰减法进行超低渗透率测试，在测试精度、稳定性和测试周期方面还存在不足，探索高精度超低渗透率的方法十分重要。

2）相比稳态法和脉冲衰减法，周期振荡法具有稳定性好、精度高、用时短的优点。

采用快速傅里叶变换（FFT）、互谱法等信号处理方法可提高数据信噪比，提高超低渗透率的测试精度和稳定性。

3）周期振荡法由于需要产生正弦变化的周期压力波，因而对测量仪器的性能要求也高，代价比脉冲衰减法要大。

目前存在问题
综上所述，用周期振荡法测超低渗储层渗透率为较优的选择方案，但目前国内外具备周期振荡法测试的仪器还不多，国内只有中国地震局地质研究所采用周
期振荡法超低渗测量系统，应用在断层岩、砂岩等岩芯的渗透率测量中。

周期振荡法的装置图和具体参数等资料较少，无法得到相关参考数据，对于进一步确定测试方法形成阻碍。