image
Home Journals Progress in Geophysics
Progress in Geophysics

Abbreviation (ISO4): Prog Geophy      Editor in chief:

About  /  Aim & scope  /  Editorial board  /  Indexed  /  Contact  / 
Online first  /  Current issue  /  All issues  /  Top access  /  RSS

Progress in Geophysics >

2024 , Vol. 39 >Issue 5: 1857 - 1862

DOI: https://doi.org/10.6038/pg2024HH0435

Measurement method of porosity for overpressure deep reservoir with double high precision constant pressure and speed pumps

  • Feng LU , 1, 2 ,
  • Jian WANG 1, 2 ,
  • XiaoHui PAN 3 ,
  • Zhen LIU 1, 2 ,
  • Huan JIANG 1, 2 ,
  • Like XIE 1, 2 ,
  • XueHui HAN , 4, *
Expand
  • 1 Research Institute of Experiment and Detection, PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Karamay 834000, China
  • 2 Key Laboratory of Conglomerate Reservoir Exploration and Development, CNPC, Karamay 834000, China
  • 3 Research Institute of Exploration and Development, Xinjiang Oilfield Company, PetroChina, Karamay 834000, China
  • 4 School of Geoscience, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China

Received date: 2023-12-03

  Online published: 2024-12-19

Copyright

Copyright ©2024 Progress in Geophysics. All rights reserved.
Fold

Abstract

It is very important to measure the porosity in situ of overpressure deep reservoir for characterization and prediction. The normal method with back-pressure valve technology for exerting pore pressure and measurement of flow was not able to gain ideal porosity precision because of low control precision of pore pressure and low measurement precision of pore volume. A new measurement method for overpressure porosity was developed with the employment of double high precision constant pressure and speed pumps to exert pore pressure and measurement the increment of the pore volume. Firstly, the pore pressure was built by the double high precision constant pressure and speed pumps located both sides of rock sample. Secondly, an empirical relation between volume variation of dead volume and effective pressure was gotten through a set of calibration measurement with the employment of steel plug. Thirdly, the pore volume measured under the normal condition was adopt as basic pore volume. At last, the pore volume/porosity can be measured by the basic pore volume and the increment between the volume variation of bump and dead volume calculated through the empirical relation. The measurement results of 5 rock samples shows that the new method has good repeatability and matches the porosity measured under overburden pressure good.

Key words： Overpressure; Deep reservoir; In situ; Porosity; Experiment

Cite this article

Feng LU , Jian WANG , XiaoHui PAN , Zhen LIU , Huan JIANG , Like XIE , XueHui HAN . Measurement method of porosity for overpressure deep reservoir with double high precision constant pressure and speed pumps[J]. Progress in Geophysics, 2024 , 39(5) : 1857 -1862 . DOI: 10.6038/pg2024HH0435

0 引言

异常高压(地层压力系数大于1.2)深层油气藏是油气藏勘探和开发的主要目标之一.孔隙度是异常高压深层油气藏的重要参数之一(Bustin et al., 2008；田兵等，2022；刘畅等，2013).由于埋深大(超过4000 m)，成岩作用强，深层油气藏储层的孔隙度低，孔隙度测量的相对误差更大，孔隙度的准确测量和测井评价显得尤为重要(张帆等，2022).同时，超高的孔隙压力对深层油气藏物性的影响直接关系到储层表征和预测.因此，异常高压条件下的深层油气藏的原位孔隙度一直受到地质学家和油藏工程师的普遍关注.
目前，实验室测量孔隙度的方法包括：氦气法、饱和液体法、高压压汞法、核磁共振法(NMR)、扫描电镜(SEM)、等温吸附法、Micro-CT扫描方法(刘伟新等，2006；Sondergeld et al., 2010；刘富林等，2014；姜柏材等，2016).针对致密储层(如致密页岩气、页岩油储层)，最近提出一系列新方法来提高孔隙度的测量精度，包括原子力显微镜(AFM)法(Sondergeld et al., 2010)、水浸法(WIP)(Kuila et al., 2014)、注气孔隙度测定法(GIP)(Sun et al., 2016)、改进的氦孔隙度测量方法(韩学辉等，2021)等.这些常规方法一般在有效压力决定孔隙度的前提下不施加孔隙压力(孔隙压力实际上是大气压)进行，采用施加围压模拟有效压力的方式完成孔隙度的测量.如果施加孔隙压力，实验难度大大增加.目前，从技术上只能采用哈斯勒夹持器通过施加围压和孔隙压力来实现不同围压和孔隙压力条件下岩石孔隙体积的测量，再结合岩样的骨架体积或者总体积得到异常高压储层的原位孔隙度(韩学辉，2020).在低孔隙压力条件下，可以使用气体介质采用非稳态方法实现.在高孔隙压力条件下，由于气体介质的压缩系数大，只能采用水、油这样的液体介质测量，一般在哈斯勒夹持器的出口端设置回压阀后再基于加压后的孔隙体积计量孔隙度.由于回压阀的技术特性，测量孔隙体积存在一些技术缺陷.首先，利用回压阀建立油藏实际地层压力或者实验设定孔隙压力较为困难，特别是低渗透率岩心建立孔隙压力耗费的时间过于漫长.其次，回压阀容易变形，岩心出口端到回压阀的管汇体积难以计量，无法准确测量孔隙压力增加时进入岩心孔隙体积的液体体积，影响孔隙体积的计量精度.因此，有必要开发新的实验测量方法，提高异常高压条件下的孔隙度测量精度.
本文建立了一种双泵联控联测的异常高压深层油气藏的孔隙度的实验测量方法，实验测量高压条件下的孔隙度的重复性好，低压阶段的孔隙度测量结果与相同有效压力的覆压孔隙度结合吻合得较好，能够实现异常高压条件下深层油气藏孔隙度的准确测量.

1 方法原理

为了克服采用回压阀的技术缺陷，建立了一种双泵联控联测的异常高压深层油气藏的孔隙度的实验测量方法.该方法使用高精度恒速恒压计量泵代替回压阀，通过在岩心的进口端和出口端布设的两台高精度恒速恒压计量泵建立孔隙压力并测量进入、退出岩心孔隙的液体体积增量，结合常规条件的孔隙体积得到给定围压、孔隙压力条件的孔隙体积，最后除以岩样的总体积实现异常高压条件下孔隙度的测量.具体测量时，采用图 1所示的技术路线图完成地层压力条件孔隙度的测试.首先，确定未施加孔隙压力条件下的岩样孔隙体积、管线死体积作为基准.其次，测量给定围压、孔隙压的液体体积增量.再次，校正掉给定孔隙压条件下管线体积增量得到孔隙体积增量.最后，基于岩样孔隙体积基准和孔隙体积增量得到孔隙体积最终得到孔隙度.
图1 双泵联控联测的异常高压深层油气藏的孔隙度的实验测量技术路线

Figure 1 Work flow of porosity measurement in situ of overpressure rock sample with double high precision constant pressure and speed pumps

方法的实施客观上需要实验测量3个基本的参数：未加孔隙压岩样的初始孔隙体积Vpi；施加围压、孔隙压力的泵入管线和岩心孔隙的液体体积增量Vpt；施加围压、孔隙压力的泵入管线的液体体积增量Vpd.
岩样的初始孔隙度∅pi，有：
在某一上覆压力和孔隙压力下的孔隙度∅p，有：
初始的孔隙体积Vpi可以采用氦气法、饱和液体法得到.使用氦气法时，由于深层油气藏的孔隙度和渗透率较低，需要考虑2 MPa以上的膨胀前压力得到氦气法的孔隙体积.使用饱和法测量孔隙体积时，同样因为物性的原因，韩学辉等(2014)建议使用一种基于CO2置换的低渗透储层岩心饱和方法以提高样品的饱和程度避免测量的孔隙体积偏小.由于采用柱塞样测量，采用游标卡尺法即可完成总体积的测量，并且不确定度能够满足要求.施加设定围压、孔隙压的泵入管线和岩心孔隙的液体体积增量Vpt可以用精度为0.001 mL的高精度计量泵直接计量得到.因此，唯一的困难在于设定围压、孔隙压的泵入管线的液体体积增量Vpd的确定.由于无法直接测量得到，需要根据理论计算或者实验测量刻度得到.
为了实现图 1方法所示的异常高压深层油气藏的地层压力条件孔隙度的测量，设计制作了实验装置(图 2).装置包括：高温高压岩心夹持器、高精度恒速恒压计量泵、阀门、金属管线等.其中，夹持器围压接口通过金属管线与围压泵连接；夹持器孔隙压力进口端及出口端均采用双管线设计，分别与三通阀和排空阀相连接.这种设计的优势在于，施加围压后，可以利用加压驱替的方法排空管线内空气代替抽真空方式，缩短实验时间.
图2 双泵联控联测异常高压孔隙度的实验装置

Figure 2 Measurement device of porosity in situ of overpressure reservoir with double high precision constant pressure and speed pumps

2 管线的液体体积增量Vpd的实验室刻度方法

为了得到给定围压、孔隙压力条件下的管线的液体体积增量Vpd，采用孔隙体积为0 mL的实心钢块刻度.由于钢块没有孔隙体积，使用高精度恒速恒压计量泵加压/降压时泵入/泵出的液体体积增量主要是管线的液体体积增量Vpd，可以通过测量若干孔隙压力下的液体体积增量Vpd，最终建立管线的液体体积增量Vpd与有效压力(围压-孔隙压力)的实验统计关系作为给定围压、孔隙压力条件下液体体积增量Vpd确定方法.
为了配合岩样的地层压力条件下的孔隙度测量，可按照以下步骤完成实验刻度.
第一步：将标准钢块置入哈斯勒夹持器，关闭孔隙压力阀，打开围压阀，泵入待测岩样的上覆地层压力并保持恒定.
第二步：打开孔隙压力阀、放空阀，泵入0.1 MPa压力排空管线内气体，关闭放空阀.此时管线充满了测试液体.由于孔隙压力很小，管线基本没有发生形变，体积变化量为0 mL.记录当前泵体积读数Vs0.
第三步：泵入测试液体至孔隙压力为1 MPa，有效压力ΔP0，记录当前泵体积读数Vs1，进液体积增量为：
第四步：逐步增大孔隙压力，记录泵液体积Vsi，标定各有效压力ΔPi条件下的进液体积增量为：
第五步：绘制管线体积增量VΔi与有效压力ΔPi的交会图，得到二者的实验统计关系.
图 3为按照上述步骤得到的X异常高压深层油气藏的地层压力条件孔隙度实验室测量的管线的液体体积增量Vpd刻度的交会图.泵体积变化量反映的管线的变化量与有效压力成比较好的线性关系(R2=0.9982).可见，可以依据该统计关系得到不同有效压力条件下的管线体积.
图3 某异常高压深层油气藏孔隙度测量的管汇体积刻度结果

Figure 3 Calibration result of dead volume for porosity measurement in situ of overpressure deep reservoir

3 实验测量孔隙度的不确定度分析

当不考虑环境和人为因素带来的测量不确定时，依据CNAS-GL05《测量不确定度要求的实施指南》，变孔隙压力孔隙度的B类不确定度可按以下方法评估.
设样品的干重m1、湿重m2、浮重m3，则测量饱水法孔隙度∅pi、孔隙体积和Vpi和总体积VT时的测量不确定度可表示为：
测量岩心施加上覆地层压力状态孔隙度∅p0时，加压前泵液体积V0，加压后泵液体积V1，不确定度可表示为：
测量岩心施加孔隙压力至有效压力为1 MPa状态孔隙度∅p1时，泵液体积增量Vp1，泵入管线液体体积Vp2，不确定度可表示为：
测量岩心施加孔隙压力至地层压力状态孔隙度∅p时，泵液体积增量Vpt，泵入管线液体体积Vpd，不确定度可表示为：
当电子天平的精度为0.001 g，计量泵计量精度为0.001 mL时，则变孔隙压力测量孔隙度的绝对不确定度u∅p≈0.214%.若测量岩心孔隙度为4%~5%, 则测量的相对不确定度在4%~5%, 能够满足孔隙度测试的准确度要求.

4 异常高压深层油气藏的地层压力条件孔隙度的实验效果分析

选取X异常高压深层油气藏的5块岩样, 从原位孔隙度测量的重复性和与覆压孔隙度的对比两方面考察了地层压力条件孔隙度的实验测量方法和装置的应用效果.表 1给出了来自X异常高压深层油气藏的5块岩样的埋深(6000 m以上)、上覆地层压力、地层压力、常规孔隙度、岩性信息.岩性主要是含砾砂岩和小砾岩，上覆地层压力大约150 MPa, 地层压力大约138 MPa, 孔隙度分布在7.75%~9.80%之间，为致密储层.
表1 X异常高压深层油气藏的5块岩样参数

Table 1 Basic information of 5 rock samples from overpressure deep reservoir X

岩样号 深度/m 氦气法孔隙度/% 上覆地层压力/MPa 地层压力/MPa 岩性
1 6498.37 8.73 149.46 137.44 小砾岩
2 6505.82 9.29 149.63 137.60 含砾砂岩
3 6521.55 9.80 150.00 137.93 含砾砂岩
4 6528.38 8.27 150.15 138.08 小砾岩
5 6534.64 7.75 150.30 138.21 小砾岩

4.1 原位孔隙度的实验测量的重复性

在150 MPa围压条件下，应用上述方法和装置重复测量了孔隙压力分别为38 MPa、58 MPa、78 MPa、98 MPa、118 MPa、138 MPa条件下的原位孔隙度，并将两次结果做了对比，结果见图 4.在固定围压的情况下，5块样品的孔隙度随着孔隙压力增大而增大，这与孔隙度随有效压力变小而变大的一般认识一致.同时，两次重复测量的孔隙度相对偏差有正有负，平均相对偏差小于5%, 有较好的重复性.
图4 高压条件孔隙度的重复性测量结果

Figure 4 Repeatability of porosity measured by the method under the condition of high pressure

4.2 与覆压孔隙度实验结果对比

为了考察异常高压深层油气藏的地层压力条件孔隙度的测量结果的准确性，选用1~4号岩样与同等有效压力条件的覆压孔隙度测量结果做了对比.相同有效压力条件的覆压孔隙度采用CMS-300型覆压孔渗自动测试仪测量，其最大测量压力为10000 Psi(合69 MPa)，孔隙度测量范围为0.01%~40%, 孔隙度测量的绝对不确定度小于0.5%.为了尽可能排除高孔隙压力可能产生的微裂缝的干扰(Secor，1965；Walsh，1981；Du Rouchet，1981)，在50 MPa围压条件下分别测量了孔隙压力为10 MPa、20 MPa、30 MPa、35 MPa、40 MPa、45 MPa的地层压力条件孔隙度，分别对应孔隙压力为0 MPa的围压为40 MPa、30 MPa、20 MPa、15 MPa、10 MPa、5 MPa)条件下的覆压孔隙度，实验测量结果见表 2.在相同的有效压力下，异常高压地层压力条件孔隙度与覆压孔隙度的差值有正有负，异常高压原位孔隙度相对覆压孔隙度的平均相对偏差小于5%, 表明两种测量方法的结果吻合得较好.
表2 地层压力条件孔隙度和覆压孔隙度测量结果对比

Table 2 A comparison between porosity in situ and overburden pressure porosity

编号 孔隙压力/MPa 有效压力/MPa 地层压力条件孔隙度/% 覆压孔隙度/% 差值/% 相对偏差/% 编号 孔隙压力/MPa 有效压力/MPa 地层压力条件孔隙度/% 覆压孔隙度/% 差值/% 相对偏差/%
1 45 5 8.38 8.20 0.18 2.15 3 45 5 9.33 9.06 0.27 2.89
40 10 7.71 7.86 -0.15 1.95 40 10 8.76 8.55 0.21 2.40
35 15 7.51 7.54 -0.03 0.40 35 15 8.12 8.03 0.09 1.11
30 20 7.44 7.35 0.09 1.21 30 20 7.71 7.69 0.02 0.26
20 30 7.10 7.01 0.09 1.27 20 30 7.15 7.22 -0.07 0.98
10 40 7.03 6.94 0.09 1.28 10 40 7.10 7.16 -0.06 0.85
2 45 5 8.54 8.47 0.07 0.82 4 45 5 8.35 8.02 0.33 3.95
40 10 7.72 7.78 -0.06 0.78 40 10 8.10 7.87 0.23 2.84
35 15 7.48 7.56 -0.08 1.07 35 15 7.98 7.74 0.24 3.01
30 20 7.25 7.32 -0.07 0.97 30 20 7.85 7.67 0.18 2.29
20 30 7.16 7.07 0.09 1.26 20 30 7.65 7.56 0.09 1.18
10 40 7.08 6.98 0.1 1.41 10 40 7.61 7.52 0.09 1.18

5 结论与认识

(1) 利用回压阀建立油藏实际地层压力或者实验设定孔隙压力较为困难，特别是低渗透率岩心建立孔隙压力耗费的时间过于漫长.另一方面，回压阀容易变形，岩心出口端到回压阀的管汇体积难以计量，无法准确测量孔隙压力增加时进入岩心孔隙体积的液体体积，影响孔隙体积的计量精度.因此，基于回压阀的常规孔隙度测量技术无法满足异常高压条件下的孔隙度的测量精度要求.
(2) 弃用回压阀，使用高精度恒速恒压计量泵代替回压阀，建立了双泵联控联测的异常高压深层油气藏的孔隙度的实验测量方法：在岩心的进口端和出口端布设的两台高精度恒速恒压计量泵建立孔隙压力并测量进入、退出岩心孔隙的液体体积增量，结合常规条件的孔隙体积得到给定围压、孔隙压力条件的孔隙体积，最后除以岩样的总体积实现异常高压条件下孔隙度的测量.该方法具有加压、稳压更快以及计量孔隙体积/孔隙度精度高的特点，能够满足异常高压深层油气藏的地层压力条件的孔隙度的测量精度要求.

感谢审稿专家提出的修改建议.

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within
Du Rouchet J . Stress fields, a key to oil migration. AAPG Bulletin, 1981, 65(1 74 85.

DOI

Han X H , Li F B , Dai S H . Saturation method of low-permeability reservoir cores based on CO2 displacement. Petroleum Geology & Experiment, 2014, 36(6): 787-791

Han X H . Experimental Teaching Guidebook for Well logging Petrophysics Beijing Petroleum Industry Press 2020

Han X H , Zhang H , Mao X J . A method of gas porosity measurement for tight reservoirs based on mechanical analysis of core chamber. Chinese Journal of Geophysics, 2021, 64(1): 289-297.

DOI

Jiang B C , Guo H K , Shen R . Experimental method of porosity based on the thermodynamic equilibrium equation. Science Technology and Engineering, 2016, 16(23): 150-154

Kuila U , Mccarty D K , Derkowski A . Total porosity measurement in gas shales by the water immersion porosimetry (WIP) method. Fuel, 2014, 117: 1115-1129.

DOI

Liu C , Zhang Q , Pang G Y . Quantitative prediction of porosity of tight sandstone reservoir: A case study from Chang 8 oil reservoir set in Jiyuan area, Ordos Basin. Lithologic Reservoirs, 2013, 25(5): 70-75

Liu F L , Li H X , Zhou J P . Study on seabed sediment porosity measurement method by Micro-CT scanning. Science Technology and Engineering, 2014, 14(18): 168-172

Liu W X , Wang Y B , Guo L . Application of SEM/SEM in oil and gas geology. Journal of Chinese Electron Microscopy Society, 2006, 25(S1): 321-322

Secor D T . Role of fluid pressure in jointing. American Journal of Science, 1965, 263(8): 633-646.

DOI

Sun J M , Dong X , Wang J J . Measurement of total porosity for gas shales by gas injection porosimetry (GIP) method. Fuel, 2016, 186: 694-707

Tian B , Zheng Y W , Zhao J M . Research development in anomalously high porosity of deep clastic reservoirs. Science Technology and Engineering, 2022, 22(22): 9456-9465

Walsh J B . Effect of pore pressure and confining pressure on fracture permeability. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1981, 18(5): 429-435

Zhang F , Gao M , Chen G J . Application of electrical imaging logging porosity spectrum in identification of effective reservoir in sandy conglomeratic reservoirs. Science Technology and Engineering, 2022, 22(2): 488-495

韩 学辉 . 测井岩石物理实验教学指导书 北京 石油工业出版社 2020

韩 学辉 , 李 峰弼 , 戴 诗华 . 基于CO2置换的低渗透储层岩心饱和方法研究. 石油实验地质, 2014, 36(6): 787-791

韩 学辉 , 张 浩 , 毛 新军 . 基于岩心室应力应变和不确定度分析的致密储层氦孔隙度测量方法. 地球物理学报, 2021, 64(1): 289-297.

DOI

姜 柏材 , 郭 和坤 , 沈 瑞 . 基于热力学平衡方程的孔隙度实验方法研究. 科学技术与工程, 2016, 16(23): 150-154

刘 畅 , 张 琴 , 庞 国印 . 致密砂岩储层孔隙度定量预测——以鄂尔多斯盆地姬塬地区长8油层组为例. 岩性油气藏, 2013, 25(5): 70-75

刘 富林 , 李 红星 , 周 建平 . 海底沉积物孔隙度Micro-CT扫描测定方法研究. 科学技术与工程, 2014, 14(18): 168-172

刘 伟新 , 王 延斌 , 郭 莉 . 扫描电镜/环境扫描电镜在油气地质研究中的应用. 电子显微学报, 2006, 25(S1): 321-322

田 兵 , 郑 有伟 , 赵 俊梅 . 深层碎屑岩储层异常高孔研究进展. 科学技术与工程, 2022, 22(22): 9456-9465

张 帆 , 高 明 , 陈 国军 . 电成像孔隙度谱在砂砾岩有效储层识别的应用. 科学技术与工程, 2022, 22(2): 488-495

Options
Outlines

/

〈 〉