CN113906283A

CN113906283A - 在渗透率测量系统中检测泄漏的方法

Info

Publication number: CN113906283A
Application number: CN202080038097.9A
Authority: CN
Inventors: J·J·张; 刘会海; 陈煌晔
Original assignee: Saudi Arabian Oil Co
Current assignee: Saudi Arabian Oil Co
Priority date: 2019-05-24
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2022-01-07
Also published as: US20200370989A1; EP3977090A1; SA521430762B1; WO2020242915A1; US11371905B2

Abstract

用于在渗透率测量系统中检测泄漏的方法和系统。该方法包括将多条流线连接到岩心样品的第一维度，将一条或多条流线连接到页岩样品的第二维度，将带有连接的岩心样品放置在测量单元中，使得流线可从测量单元外部进入，将一个或多个气体传感器连接到每条流线的一个端部，将测量单元的出口连接到气罐，将测量单元内的流体压力设置为预定值，并通过耦接到流线的一个或多个气体传感器检测岩心样品中的泄漏。

Description

在渗透率测量系统中检测泄漏的方法

技术领域

本公开大体上涉及用于确定地下岩石地层的渗透率和孔隙率的方法和系统。更具体地，涉及在确定地下岩石地层的渗透率和孔隙率的系统中检测泄漏的方法。

背景技术

与常规储层不同，页岩地层中的孔隙通常为纳米级。在这些纳米孔隙中，一部分不可忽视的气体分子比起其它分子更频繁地碰撞孔隙壁，因此发生所谓的“滑流(slipflow)”和克努森扩散(Kunudsen diffusion)。对页岩基质中气体流动的先前研究发现，页岩中的气体渗透率是孔隙气体压力的函数，因为当孔隙气体压力是每平方英寸几百磅(psi)或更小时，滑流和克努森扩散效应变得显著。

作为孔隙气体压力的函数的页岩气体渗透率(由“滑流”和扩散过程导致的)对于表征和模拟页岩气体储层中的气体流动至关重要。然而由于缺乏可以用来常规地确定与压力有关的页岩气渗透率的实用且有效的技术，这种重要的孔隙气体压力关联性通常被忽略。

压力关联性对预测的气体生产速率有影响。目前在实验室中测量气体渗透率的压力关联性有两种方法。第一种方法是仅仅在不同的气体压力下进行多次脉冲衰减渗透率测试。这些测试的结果提供了多种气体压力的气体渗透率值。首先系统在给定的气体压力下处于平衡状态。然后将一个较小压力脉冲(通常是孔隙压力的5％至10％)引入上游气体储层，使得该脉冲不会对该系统中的气体压力产生显著的干扰。监测两个气体储层处的压力相对于时间的函数。以渗透率为拟合参数，使用解析解来拟合压力变化结果。然而，将测试系统从一个测试压力平衡到下一个通常需要相对较长的时间。

确定压力相关性的另一种方法是：首先构建气体渗透率相对于气体压力的函数公式，然后通过对在不同气体压力条件下的相关测试结果进行数值匹配来估计公式中的参数的值。使用这种方法的测试结果通常与脉冲衰减测试不同，因为压力脉冲不限于较小值，例如孔隙压力的5％至10％。数值模型足够灵活，可以将脉冲扰动纳入该系统。然而，参数估计的非唯一性可能是逆向建模的一个问题。此外，这种方法的估计结果的准确性最终取决于气体渗透率相对于气体压力的函数公式，而该公式尚未完全建立。

对于非常规页岩储层，挑战之一是确定基质渗透率，其是表征非常规储层和模拟流动过程的关键参数。出于三个原因，在实验室中测量极小量级的渗透率(例如几纳达西(nano Darcies)到几百纳达西)并不是一项微不足道的任务。首先，气体渗透率对有效应力敏感。其次，由于直径为几纳米的小孔隙中的扩散效应，对于给定的有效应力，气体渗透率也是孔隙压力的函数。第三，在实验室渗透率测量系统中使用多个压力传感器和机械泵还使实验室设备的设计和实施复杂化。目前，对非常规岩石样品测量渗透率，经常采用脉冲衰减方法。包括在第一孔隙压力和有效应力下测量第一渗透率，然后在测量第二渗透率之前，在第二孔隙压力和有效应力下平衡系统。然而，地下地层的测量到的渗透率或孔隙率对系统中的任何泄漏都极为敏感。

发明内容

因此，需要一种改进的系统来在用于确定地下岩石地层渗透率和孔隙率的系统中检测泄漏。

有许多目前正用于执行这些测量的流体/气体泄漏测试系统。例如，有的系统在测试系统外部使用氦气，并且然后从测试系统内部检测由泄漏导致的氦气。然而，这些方法在测试系统外部混合了空气和氦气，因此氦气是气体混合物的次要成分。在这样的测试中，至少在系统上部分地抽真空，这样如果有任何泄漏，当氦气泄漏到系统内部时将检测到氦气。在这样的测试中，问题在于这种检测方法仅限于确定系统是否存在泄漏，而不是准确地确定泄漏的位置。

根据一些实施例的系统和方法将测试系统(样品组件)置于使用加压氦气的测量单元内，因为氦气检测更灵敏。此外，不再需要在测试系统内形成真空。其次，一些实施例允许检测任何泄漏的精确位置。

因此，一个实施例是在渗透率测量系统中检测泄漏的一种方法。该方法包括：从地下地层提取岩心样品，将岩心样品插入圆柱形套筒中以形成样品组件，沿岩心样品的长度连接多条流线，将第一流线连接到岩心样品的第一端，将第二流线连接到岩心样品的第二端，并将气体传感器连接到每条流线的端部。在一个实施例中，套筒的内径约等于岩心样品的直径。

该方法还包括：将带有连接的样品组件放置在测量单元中，使得流线可从测量单元外部进入，将测量单元的出口连接到气罐，将测量单元内的流体压力设置为预定值，并通过连接到每条流线的端部的一个或多个气体传感器在系统中检测泄漏。岩心样品可具有包括长度、直径、第一端和第二端的圆柱形形状。

该方法还可以包括：在将样品组件放置在测量单元内之前，用预定压力下的预定气体使岩心样品饱和。气体传感器可以包括氦气嗅探器，并且可以包括任何类型的传感器，包括但不限于，可燃气体传感器、光电离检测器、红外点传感器、红外成像传感器、超声波传感器、电化学气体传感器、全息传感器和金属氧化物半导体传感器。根据一个实施例，气体传感器能够检测到每秒1x10^-7立方厘米(cc/s)的最小气体流速率，因为即使是系统中最轻微的泄漏也会影响测量岩石地层的渗透率和孔隙率，并且所公开的方法基于检测泄漏的(一个或多个)流线来确定泄漏的精确位置。气罐可包括氦气、氮气、氩气、氧气及其组合中的至少一种。尽管上述示例涉及页岩样品，但岩心样品可以包括页岩、砂岩或石灰岩中的任何一种。

另一个实施例是一种用于在渗透率测量系统中检测泄漏的装置。该装置包括样品组件，样品组件包括圆柱形套筒和设置在套筒内的地下地层的岩心样品，岩心样品具有包括长度、直径、第一端和第二端的圆柱形形状。该装置还包括：多条流线，沿岩心样品的长度连接；第一流线，连接到岩心样品的第一端；第二流线，连接到岩心样品的第二端；以及气体传感器，连接到每条流线的端部。该装置还包括：测量单元，配置为容纳样品组件使得流线可从测量单元外部进入；以及气罐，耦接到测量单元的出口，其中测量单元内的流体压力设置为预定值，其中气体传感器配置为在系统中检测泄漏。

附图说明

为了获得并且能更详细地理解本发明的特征、优点和目的，以及其它可能变得明显的特征、优点和目的的方式，可以通过参考在附图中示出的本发明的实施例来对以上简要概括的本发明进行更具体的描述，这些附图构成本说明书的一部分。然而应当注意的是，因为本发明可以允许其它同样有效的实施例，附图仅示出了本发明的示例实施例并且因此不应被认为是对其范围的限制。

图1示出了根据本公开的一个示例实施例的用于确定地下地层的渗透率和孔隙率的示例系统。

图2A至图2D示出了根据本公开的一个示例实施例的用于确定地下地层的渗透率和孔隙率的示例装置。

图3示出了根据本公开的一个示例实施例的用于确定地下地层的渗透率和孔隙率的装置的横截面图。

图4A和图4B示出了根据本公开的一些示例实施例的用于确定地下地层的渗透率和孔隙率的示例装置。

图5A和图5B示出了根据本公开的一些示例实施例的用于在确定地下岩石地层的渗透率和孔隙率的系统中检测泄漏的示例装置。

图6A至图6E示出了根据本公开的一些示例实施例的用于在确定地下岩石地层的渗透率和孔隙率的系统中检测泄漏的方法中的示例步骤。

图7示出了根据本公开的一些示例实施例的用于在确定地下岩石地层的渗透率和孔隙率的系统中检测泄漏的方法中的示例操作的流程图。

图8示出了根据本公开的一个示例实施例的在沿页岩地层样品的不同位置处的边界效应发生时(实际时间)和估计时间的模拟时间值的绘制图线。

图9示出了根据本公开的一个示例实施例的在距离入口约一英寸的岩心位置的模拟气体孔隙气体压力的真实值(随机误差为+/-0.2磅每平方英寸(psi))相对于时间的函数的绘制图线。

图10示出了根据本公开的一个示例实施例的在作为孔隙气体压力的函数的真实渗透率与来自数值实验结果的渗透率之间的比较的绘制图线。

图11示出了根据本公开的一些示例实施例的可编程计算机和各种形式的计算机可读介质，其形成用于在确定地下岩石地层的渗透率和孔隙率的系统中检测泄漏的系统的一部分。

具体实施方式

现在将参考示出实施例的附图，在下文中更全面地描述本公开的方法和系统。本公开的方法和系统可以是许多不同的形式，并且不应被解释为限于本文阐述的图示实施例；相反，提供这些实施例是为了使本公开彻底和完整，并将其范围充分传达给本领域技术人员。相同的数字始终指代相同的元素。

现在转向附图，图1示出了根据本公开的一些示例实施例的用于确定地下地层的渗透率函数k(p)和孔隙率的示例系统10。系统10包括的圆柱体或柱体形式的样品30(例如页岩样品、石灰岩样品或砂岩样品)，可以从地下提取样品30以确定地层的特征。样品30被放置在可包含限制流体22(例如气体、水基流体或油基流体)的压力容器50中。压力容器50通过压力管线28耦接到泵16、18，并向样品30提供限制压力。

系统10包括配置为将流体从第一气罐12泵入样品30的入口泵16。系统还包括配置为将流体从第二气罐14泵入样品30的出口泵18。两个泵都可以包括一个或多个压力和流量传感器，以测量和控制岩心样品组件内的压力。压力容器50可以配备有液压泵20，其可以将限制流体22泵入压力容器50中。压力容器50可以包括监测和调节压力容器50内的压力的装置。温度计34和压力计32分别耦接到岩石样品和岩心样品的入口。两种计量器都可以包括高精度传感器(典型精度为0.01％)，以分别实时测量温度和压力。可以使用旁通阀24和出口管26在多个点处对通往岩心样品组件的入口28进行分流，以便调节置于压力容器50中的样品30中的孔隙气体压力(例如，建立初始孔隙压力)。

图2A至图2D更详细地示出了在压力容器50中设置页岩样品组件300的示例设置。如图2A所示，首先将页岩样品30插入具有长度、直径、第一开口端60和第二开口端70的套筒52中。可以使用第一端件或出口42以及第二端件或入口40将页岩样品封闭在套筒52中，其中第一端件或出口42适于插入套筒52的第一开口端60中，第二端件或入口40适于插入套筒52的第二开口端70中。图2B示出了将页岩样品30插入套筒52中的第一步。如图2C所示，用于压力测量的通孔或端口65形成为穿过套筒52的主体并进入样品30的主体中以插入管道，例如管道44(如图2D所示)。半套筒46可以设置在管状套筒52上，并且半套筒46可以包括对应于第一套筒上的第一孔65的第二孔。例如，管道44可以耦接到温度计34和压力计32，如图1所示。锚定设备48可以用于将管道44固定到半套筒46，从而形成组件。其它紧固设备(例如环形夹)可用于固定半套筒46和套筒52。样品组件300上的入口40和出口42可以通过压力容器50的壁或端盖上的连接器耦接到压力管线(例如28)，压力管线可以耦接到入口泵16和出口泵18。

图3示出了图2D中的装置的横截面图，其中管道44(在一些实施例中可以包括钢)插入穿过半套筒46、套筒52，并且使用锚定设备48固定。根据一个示例实施例，套筒52和半套筒46可以包括橡胶和聚合材料中的至少一种。根据另一示例实施例，半套筒46的内径可以小于套筒52的外径。根据另一示例实施例，半套筒46的长度等于或小于套筒52的长度。

在固定套筒52以防止从压力测量端口65泄漏之后，将组件设置在压力容器50中，例如如图4A所示。压力容器50可以包括多个测压口54，每个测压口54均沿岩石样品耦接压力测量位置。图4B示出了一种替代设置，其中测压口54可沿压力容器50的一端配置。在这种情况下，可以根据图2A至图2D和图3中描述的过程对沿岩石样品的多个测量位置来配置。根据一个示例实施例，一个或多个温度计34和压力计32可以使用柔性管线56耦接到管道44。

确定地下地层渗透率和孔隙率的分析方法

以下部分提供了使用图1所示的系统10确定地下地层的渗透率k和孔隙率的示例方法。该方法基于一维气体流在特定边界和初始条件下的解析解。气体流的控制质量平衡方程可由方程1给出，如下所示：

其中t是时间，x是空间坐标(从样品入口沿其轴的距离)，k是渗透率，μ、ρ和p分别是气体粘度、密度和压力(注意k、μ、ρ是p的函数)，m是多孔介质的每单位体积的总气体质量或表观气体密度，可由方程2给出，如下所示：

m＝φρ+(1-φ)ρ_a (2)

其中Φ是孔隙率，并且ρ_a是固相或地下地层的每单位体积的吸附气体质量。对于守恒(conservative)气体，方程2右侧的第二项可以认为是零。

在方程1中，存储项可以改写为：

该方法可以与等温状态相关，因此m可以被视为仅是压力的函数。该方法还可以包括相对高的限制应力(例如高达10000psi)，从而可以忽略由孔隙气体压力变化引起的机械变形的影响。因此，压力中气体密度变化对存储的贡献可以由方程4给出，如下所示：

考虑一个无限长的圆柱体/柱体形式的页岩样品，气体流来自入口(x＝0)，并符合以下边界和初始条件：

其中p_i是测量系统内在应用升高的上游压力p₀之前的初始压力。

使用转换

方程5和方程1可以转换如下：

p(λ)＝p_i (λ→∞)

p(λ)＝p₀ (λ＝0) (7)

并且

其中

方程8是常微分方程，只有一个自变量λ。

在区间(λ，∞)直接积分方程8可得到：

方程10表明当p(λ)已知时，可以完全确定D(p)。

根据气体质量平衡，可以使用方程11确定(在x＝0处)进入柱体的累积气体流，如下所示：

其中A是页岩柱体的横截面积。结合方程11和方程6给出

其中B是M(t)相对于t^1/2的曲线的斜率。结合方程4和方程12给出

根据本公开的一个或多个示例实施例，方程10和方程13可以用于估计气体渗透率和孔隙率。

如前所述，对于具有均匀初始孔隙气体压力的无限长页岩柱体，可以根据在柱体入口处在恒定压力下获得的M(t)和p(λ)的测量值，使用方程10和方程13将孔隙率和渗透率估计为孔隙气体压力的函数。然而应该注意的是，气体压缩率和吸附参数(在这些方程中是孔隙气体压力的函数)可以从其它测试或现有文献中独立确定或估计。如果用于测试的气体不是反应性的，则可能不涉及吸附参数。

测试方法与用于获得方程10和方程13的初始条件和边界条件一致。M(t)和p(λ)可以通过测试运行来有效和可靠地测量。最初，具有限制应力的页岩样品30具有均匀的气体孔隙压力p_i。限制应力可以显著高于测试中使用的孔隙气体压力的范围，例如15psi至2015psi，使得可以忽略由孔隙气体压力变化引起的任何机械变形。样品30足够长，例如4英寸长，使得样品30可以在一定的测试时间段内被视为无限长。然后页岩样品30的上游气体储层可以在精确的压力和流速控制下耦接到入口泵16。岩心样品30的上游压力可以由入口泵16保持为恒定的p₀。p_i和p₀之间的压力范围覆盖了实际感兴趣的范围或重要压力相关性所在的范围。可以监测进入柱体入口的累积气体质量流速率M(t)。可以在页岩柱体的给定位置处测量孔隙气体压力相对于时间的函数。监测位置可以设置在除两端以外的任意位置。在一个实施例中，可以在距柱体入口约1英寸处进行测量。根据方程6中给出的变换，可以从压力测量中获得p(λ)。测量样品30出口处的压力以监测孔隙气体的压力突破。当压力增加了约0.1psi时，认为在出口处发生压力突破。但需要注意的是在压力突破后，来自下游的边界效应可能会传播到测量点。在时间(t_c)之后，样品30的长度不能再被视为无限长。因此，只有在时间(t_c)之前的压力数据可用于计算p(λ)。

时间t_c可以使用方程14估计如下：

其中t_b为样品30出口处的压力突破的时间，L为页岩样品30的长度，并且L_b为压力测量位置与柱体出口之间的距离。可以通过假设方程9中的D(p)为常数来获得先前的方程。在这种情况下，由于压力在出口处突破，所以因出口扰动导致的扩散前沿的行进距离可能与时间的平方根成正比。

用于检测渗透率测量系统中的泄漏的示例系统

图5A和图5B示意性地示出了根据本公开的一些示例实施例的用于确定地下地层渗透率和孔隙率的方法。该方法至少包括以下三个步骤。第一，当样品组件在具有特定限制压力的限制流体的单元内时，用特定压力下的测量气体(例如氮气)使样品30饱和。第二，在上游储层12中保持恒定压力，并且将在沿岩心样品的多个侧口54(如图5B所示)上的压力测量值记录为测量过程中时间的函数。第三，下游储层14的压力升高到比预定压力阈值大的值。

然而在测量过程中遇到的问题是，包含岩心样品的单元中的限制流体有时会泄漏到(一个或多个)压力测量管线中或(一个或多个)流线中，其中所述压力测量管线将岩心样品通过侧口连接到(一个或多个)压力传感器，所述流线将岩石样品连接到上游气体储层和下游气体储层。正因如此，在执行下一步之前，将宝贵的时间浪费在清洁流线或压力测量管线上。

图6A至图6E示出了根据本公开的一些示例实施例的用于在渗透率测量系统中检测泄漏的示例系统100。在图6A中，样品30放置在具有多条侧管线1、2、3的套筒52中，多条侧管线1、2、3可以通过侧口耦接到样品30的侧面以进行压力测量。在将端盖正确安装在套筒52上之后，流线4、5耦接到岩石样品的入口和出口。流线1、2、3、4、5中的每一个可以连接到作为具有例如传感器或气体嗅探器的气体传感器。

在图6B中，样品组件被放入至具有出口62的测量单元50中。然而应该注意的是，管线1至5可以从任何方向伸出单元50，并且气体管线不一定必须是直的。例如，图6C示出了系统100，其中侧管线1、2、3在测量单元50的任一侧离开测量单元50。作为可选步骤，可以堵塞管线的开口，只保留一个管线，使得将样品30抽真空以去除岩石样品30内的残余流体。接着如图6D所示，将氦气罐64耦接到测量单元50，从而将流体限制在单元50中。然后将氦气压力升高到预定值。通常，建议压力高于100psi。最后，可以在能够排出气体的每条管线1、2、3、4、5的开放端口处检测到氦气。图6E示出了一个实施例，其中氦气嗅探器被附接到侧管线3，而其它管线被堵塞。在某些情况下，如果测试开口被堵塞，则需要移除插头。在另一个实施例中，可以使用商用氦气嗅探器(其能够检测的最小气体流速率是每秒1x10^-7立方厘米(cc/s))来检测任何大小的泄漏。

在一个实施例中，氦气嗅探器可以耦接到能够排出气体的管线1、2、3、4、5中的每一个。结果，如果检测到气体泄漏，则可以从与氦泄漏相关的(一个或多个)管线确定泄漏位置。然后可以从单元中取出样品组件并重新连接。如果没有检测到气体泄漏，可以将管线耦接到适当的传感器或储层，并且进行渗透率测量。

因此，一个实施例是用于在渗透率测量系统中检测泄漏的方法。方法包括：从地下地层提取岩心样品，将岩心样品插入圆柱形套筒中以形成样品组件，沿岩心样品的长度连接多条流线，将第一流线连接到岩心样品的第一端，将第二流线连接到岩心样品的第二端，以及将气体传感器连接到每条流线的端部。在一个实施例中，套筒的内径大约等于岩心样品的直径。

该方法还包括：将带有连接的样品组件放置在测量单元中使得流线可从测量单元外进入，将测量单元的出口连接到气罐，将测量单元内的流体压力设置为预定值，以及通过连接到每条流线一端的一个或多个气体传感器来检测系统中的泄漏。岩心样品可以具有圆柱形形状，具有长度、直径、第一端和第二端。

该方法还可以包括：在将样品组件放置在测量单元内之前、用预定压力下的预定气体使岩心样品饱和。气体传感器可以包括氦气嗅探器，并且可以包括任何类型的传感器，包括但不限于可燃气体传感器、光电离检测器、红外点传感器、红外成像传感器、超声波传感器、电化学气体传感器、全息传感器和金属氧化物半导体传感器。根据一个实施例，气体传感器能够检测每秒1x10^-7立方厘米(cc/s)的最小气体流速率，因为即使是系统中最轻微的泄漏也会影响测量岩石地层的渗透率和孔隙率，并且所公开的方法基于检测泄漏的(一个或多个)流线来确定泄漏的精确位置。气罐可包括氦气、氮气、氩气、氧气及其组合中的至少一种。尽管上述示例涉及页岩样品，但岩心样品可以包括页岩、砂岩或石灰岩中的任何一种。

现在转向图7，示出了根据一个或多个示例实施例的示出用于在渗透率测量系统中检测泄漏的方法500中的示例操作的流程图。在步骤502，将多条流线(例如沿样品的长度)耦接到页岩样品的第一维度，并且耦接到第一维度的这些流线可以称为侧口连接。在步骤504，将一个或多条流线耦接到页岩样品的第二维度(例如耦接到样品的圆柱表面)，并且耦接到第二维度的这些流线可以称为入口连接或出口连接。在步骤506，将页岩样品与其连接放置在测量单元中，使得流线可从测量单元外进入。可以将一个或多个传感器(例如氦气嗅探器)耦接到每条流线的一端或靠近每条流线的一端设置。在步骤508，将测量单元的一个出口耦接到氦气罐。在步骤510，通过从氦气罐中引入氦气而将测量单元内的流体压力增加到预定压力。在步骤512，由耦接到流线的传感器或放置在流线端部附近的气体嗅探器检测样品中的任何泄漏。在步骤514，由于流线的一端直接耦接到页岩样品，可以基于检测泄漏的(一个或多个)流线来确定泄漏的位置。

所公开的方法基于可能适用于任何大小的样品的解析解。然而在实验数据中，4英寸长的页岩柱体与方程14中给出的时间t_c之前的压力数据结合使用。图8示出了根据本公开的一个示例实施例的在沿页岩地层样品的不同位置处当边界效应发生时(来自模拟的实际时间)602和估计时间(来自方程14)604的(基于方程1和相关的边界条件和初始条件的)模拟时间值600的绘制图线。样品中的初始孔隙气体压力可以是100psi。在t>0时，入口处的压力可以瞬间升高至1000psi。方程1中的气体密度和粘度可以被视为孔隙气体压力的函数。模拟中使用了长度为4英寸和12英寸的两个柱体。在测试期间没有观察到长柱体的孔隙气体压力突破；因此可以将之视为无限长的柱体。比较了两个柱体在不同位置处的模拟压力。认为两柱体在某一位置处的压力差大于0.1psi时发生出口边界效应。可以看出，方程14的估计小于模拟时间值。因此，方程14可以认为是守恒的。将在t<t_c收集的压力数据视为对应于无限长柱体是可靠的。因此对于4英寸长的页岩样品，无流动边界效应在X＝1英寸处可以被最小化。对于给定的示例，压力测量的有效时间段(0至3000s)可以涵盖大约100至750psi的压力范围。

还进行了数值实验以检查测试程序是否给出了页岩气体渗透率的“真实”压力关联性。在数值实验中，将“真实”渗透率用作模型输入。使用从距离入口约1英寸的位置处观察到的压力数据，并将0.2psi幅度大小的随机误差添加到模拟压力中以考虑压力测量误差。如图8中的线602所示，无流动边界影响上游位置处的压力响应的时间随着到无流动边界的距离而增加。因此，为了确保有足够的时间进行有效测量，压力计应放置在距边界预定距离处。但同时，压力计不应该靠近入口，因为那里的压力响应从p_i迅速增加到p₀。在本方法中，测量位置在X＝1英寸处。

在进行实际测量时，可以使用方程14计算有效测量的估计时间。图8中(根据方程14计算的)虚线604表示这是守恒估计，并且因此可以安全地用于实践。

图9示出了根据本公开的一个示例实施例的在距离入口约一英寸的岩心位置的模拟气体孔隙气体压力700的真实值702(随机误差704为+/-0.2psi)相对于时间的函数的绘制图线。由于压力测量误差通常很小(例如约0.1psi)，因此额外的随机误差不会对压力分布产生显著差异。

图10示出了根据本公开的一个示例实施例的在作为孔隙气体压力的函数的测量渗透率与来自数值实验结果的渗透率之间的比较的绘制图线。如图10中的曲线图800所示，基于前一段讨论的具有来自数值实验的输入k(p)和压力数据的实验室测试程序的结果804与测量值802(或输入k(p))几乎相同，这表明建议的程序是准确和可靠的。可以观察到二者彼此高度一致，这也意味着记录的压力响应非常接近理论模型，并且边界效应在位置X＝1英寸处被最小化。

计算机可读介质

另一个示例实施例是存储在计算机可读介质中的计算机程序。参考图11，如参考图1至图10所解释的前述过程可以在用于在渗透率测量系统中检测泄漏的计算机可读代码中实施以测量地下地层的渗透率和/或孔隙率。代码可以存储在例如计算机可读介质上，例如可由磁盘驱动器158读取的软盘164、可由磁盘驱动器156读取的CD-ROM 162、或形成通用可编程计算机的一部分的磁性(或其它类型)硬盘驱动器160。如本领域中已知的，计算机包括中央处理单元150、诸如键盘154的用户输入设备、和诸如平板LCD显示器或阴极射线管显示器的用户显示器152。根据一个示例实施例，图6A至图6E中描绘的气体传感器可以连接到计算机系统中的处理器或中央处理单元150。

根据该方面，计算机可读介质包括可操作以使得计算机执行如关于前述附图所预先阐述和解释的动作的逻辑。具有计算机可执行指令的非暂态计算机可读介质使计算机执行读取样品组件300内的第一孔隙气体压力p_i的测量值的操作，样品组件300包括地下地层的样品、气体、和压力计。指令还包括读取施加到样品入口的第二孔隙气体压力p₀的测量值，其中第二孔隙气体压力大于第一孔隙气体压力。指令还包括读取在样品中在时间t、在位置x处的第三孔隙气体压力p的测量值，并确定地下地层的每单位体积的总气体质量m。指令还包括：至少部分地基于第一孔隙气体压力、第二孔隙气体压力、第三孔隙气体压力和气体密度来确定地下地层的渗透率k。

计算机可执行指令还使计算机使用第一公式执行确定地下地层的传输参数D(p)的操作：

其中p_i是在施加第二孔隙气体压力p₀之前、组件300中样品内的第一孔隙气体压力，p是在时间t、在位置x处的第三孔隙气体压力，m是地下地层的每单位体积的总气体质量，λ是使用公式xt^-1/2计算的自变量。然后可以使用方程9由D(p)确定渗透率。

计算机可执行指令还使计算机使用第二公式执行确定地下地层的每单位体积的总气体质量m的操作：

m＝φρ+(1-φ)ρ_a

其中Φ是地下地层的孔隙率，ρ是天然气体的气体密度，ρ_a是地下地层的每单位体积的吸附气体质量。

计算机可执行指令还使计算机使用第三公式执行确定地下地层的孔隙率φ的操作：

其中A是样品的横截面积，并且B是进入样品的累积气体流(在x＝0处)相对于t^1/2的曲线的斜率。

计算机可执行指令还使计算机使用第四公式执行确定曲线的斜率B的操作：

这里公开的方法可以提供渗透率作为孔隙气体压力的函数的改进估计和地下岩石地层的孔隙率的改进估计。公开了用于测量页岩的压力相关气体渗透率的解析模型。公开了测量页岩气渗透率作为孔隙气体压力的函数的示例方法和系统。与当前可用的方法相比，这种方法的优点包括使用单个测试运行更有效地测量与压力相关的气体渗透率，并且无需考虑对气体渗透率和压力之间的参数关系进行任何假设。此外，所公开的实施例还允许根据相关测量估计页岩孔隙率。

包括发明内容、附图说明和具体实施方式的说明书以及所附权利要求涉及本公开的特定特征(包括过程或方法步骤)。本领域技术人员理解，本发明包括说明书中描述的特定特征的所有可能组合和使用。本领域技术人员理解，本公开不限制说明书中给出的实施例的描述不被明书中给出的实施例的描述限制。

本领域技术人员还理解，用于描述特定实施例的术语不限制本公开的范围或广度。在解释说明书和所附权利要求时，应以与每个术语的上下文一致的尽可能广泛的方式解释所有术语。除非另有定义，否则说明书和所附权利要求中使用的所有技术和科学术语与本发明所属领域普通技术人员通常理解的含义相同。

除非上下文另有明确说明，否则如在说明书和所附权利要求中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”均包括复数形式。动词“包括”及其各种形式应解释为以非排它方式指代元素、组件或步骤。引用的元素、组件或步骤可以存在、使用或组合到未明确引用的其它元素、组件或步骤。动词“可操作地连接”及其各种形式意味着完成任何类型的所需连接(包括电气、机械或流体)以在两个或多个先前未连接的对象之间形成连接。如果第一组件可操作地连接到第二组件，则该连接可以直接发生或通过公共连接器发生。“可选”及其各种形式意味着随后描述的事件或情况可能会或可能不会发生。描述包括事件或情况发生的实例和不发生的实例。

除非另有特别说明，或在所使用的上下文中以其它方式理解，否则条件语言，例如“可以”、“可能”、“也许”或“能够”，通常旨在传达某些特征、元素和/或操作可以包括在某些实现中，而不包括在其它实现中。因此，此类条件语言通常不旨在暗示特征、元素和/或操作对于一个或多个实现是以任何方式必需的，或者一个或多个实现必然包括用于在有或没有用户输入或提示的情况下决定的逻辑，无论这些特征、元素和/或操作是否包括任何特定实现或是否将在任何特定实现中执行。

因此，本文描述的系统和方法非常适合于实现目标并达到所提及的目的和优点，以及其中固有的其它目的。尽管已经出于公开的目的给出了系统和方法的示例实施例，但是在用于实现期望结果的过程的细节中仍存在许多变化。本领域技术人员可以容易地想到这些和其它类似的修改，并且旨在包含在本文公开的系统和方法的精神以及所附权利要求的范围之内。

Claims

1.一种在渗透率测量系统中检测泄漏的方法，所述方法包括：

从地下地层提取岩心样品，所述岩心样品具有包括长度、直径、第一端和第二端的圆柱形形状；

将所述岩心样品插入圆柱形套筒中，以形成样品组件；

沿着所述岩心样品的所述长度连接多条流线；

将第一流线连接到所述岩心样品的所述第一端；

将第二流线连接到所述岩心样品的所述第二端；

将气体传感器连接到所述多条流线中的每条流线的端部；

将带有所述连接的所述样品组件放置在测量单元中，使得可从所述测量单元外部进入所述多条流线；

将所述测量单元的出口连接到气罐；

将所述测量单元内的流体压力设置为预定值；以及

通过连接到所述多条流线中的每条流线的一端的一个或多个气体传感器，在所述系统中检测泄漏。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：在将所述样品组件放置在所述测量单元内之前，用预定压力下的预定气体使所述岩心样品饱和。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述气体传感器包括氦气嗅探器。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述气体传感器包括以下至少之一：可燃气体传感器、光电离检测器、红外点传感器、红外成像传感器、超声波传感器、电化学气体传感器、全息传感器和金属氧化物半导体传感器。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述气体传感器检测每秒1x10^-7立方厘米(cc/s)的最小气体流速率。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述气罐包括以下至少之一：氦气、氮气、氩气、氧气及其组合。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：

基于检测泄漏的一个或多个流线来确定泄漏的精确位置。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述套筒的内径约等于所述岩心样品的直径。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述岩心样品包括页岩、砂岩或石灰岩。

10.一种用于在渗透率测量系统中检测泄漏的装置，包括：

样品组件，其包括圆柱形套筒和设置在所述套筒内的地下地层的岩心样品，所述岩心样品具有包括长度、直径、第一端和第二端的圆柱形形状；

多条流线，其沿所述岩心样品的所述长度连接；

第一流线，其连接到所述岩心样品的所述第一端；

第二流线，其连接到所述岩心样品的所述第二端；

气体传感器，其连接到所述多条流线中的每一条的端部；

测量单元，其被配置为容纳所述样品组件，使得所述多条流线可从所述测量单元外部进入；和

气罐，其连接到所述测量单元的出口，其中所述测量单元内的流体压力设置为预定值，其中所述气体传感器配置为在所述系统中检测泄漏。

11.根据权利要求10所述的装置，其中在将所述样品组件放置在所述测量单元内之前，用预定压力下的预定气体使所述岩心样品饱和。

12.根据权利要求10至11中任一项所述的装置，其中所述气体传感器包括氦气嗅探器。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的装置，其中所述气体传感器包括以下至少之一：可燃气体传感器、光电离检测器、红外点传感器、红外成像传感器、超声波传感器、电化学气体传感器、全息传感器和金属氧化物半导体传感器。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的装置，其中所述气体传感器检测每秒1x10^-7立方厘米(cc/s)的最小气体流速率。

15.根据权利要求10至14中任一项所述的装置，其中所述气罐包括以下至少之一：氦气、氮气、氩气、氧气及其组合。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的装置，其中所述装置被配置为基于检测泄漏的一个或多个流线来确定泄漏的精确位置。

17.根据权利要求10至16中任一项所述的装置，其中所述套筒的内径约等于所述岩心样品的直径。

18.根据权利要求10至17中任一项所述的装置，其中所述套筒具有长度、直径、第一开口端和第二开口端；

第一端件和第二端件，其中所述第一端件适于插入所述第一开口端，所述第二端件适于插入所述套筒的所述第二开口端；

第一孔，其穿过所述第一端件并进入位于所述套筒中的所述地下地层的所述岩心样品的主体中而形成；和

第二孔，其穿过所述第二端件并进入位于所述套筒中的所述地下地层的所述岩心样品的主体中而形成。

19.根据权利要求10至18中任一项所述的装置，其中所述套筒包括：将所述样品连接到至少一个泵的至少两个端口、用于施加限制压力的至少一个端口、以及沿所述样品位于已知位置处的用于测量压力的至少一个端口。

20.根据权利要求10至19中任一项所述的装置，其中所述岩心样品包括页岩、砂岩或石灰岩。