專利名稱：多組分氣液體系在巖心中分子擴(kuò)散系數(shù)的測定裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及氣-液相間傳質(zhì)分子擴(kuò)散系數(shù)確定，尤其是針對石油行業(yè)高溫高壓條件下實際巖心中多組分油氣體系分子擴(kuò)散系數(shù)的確定裝置及方法。
背景技術(shù)：
注氣提高采收率是目前國內(nèi)外提高原油采收率重要技術(shù)手段，注入氣與地層原油通過相間傳質(zhì)改變原油流體性質(zhì)，改善原油流動能力。氣-油相平衡實驗測試是注氣方案設(shè)計基礎(chǔ)性工作，為注氣數(shù)值模擬提供流體高壓物性參數(shù)；而其中分子擴(kuò)散系數(shù)確定是描述注入氣與地層原油之間動態(tài)質(zhì)量傳遞快慢的重要參數(shù)。分子擴(kuò)散對注氣效果的影響已得到國內(nèi)外學(xué)者的認(rèn)同，尤其對于基質(zhì)滲透率低、毛管壓力高的裂縫性儲層，氣油密度差引起重力驅(qū)油作用受到限制、分子擴(kuò)散作用占主導(dǎo)地位。因此合理確定分子擴(kuò)散系數(shù)對于準(zhǔn)確 評價氣驅(qū)效率具有重要的意義。嚴(yán)格地講，大多數(shù)注氣開發(fā)油藏油氣體系相平衡過程發(fā)生在多孔介質(zhì)中、溫度壓力高、流體組分復(fù)雜，因此有必要建立如何準(zhǔn)確確定實際油藏儲層巖心中分子擴(kuò)散系數(shù)至觀重要。目前分子擴(kuò)散系數(shù)值的確定，主要有兩大類方法，即實驗測定法和理論估算法。理論估算法主要包括一些理論公式和經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，比如Fick擴(kuò)散定律及Chapman-Enskog公式等。分子擴(kuò)散系數(shù)實驗確定方法主要有“間接法”和“直接法”兩種。直接法，即在不同的時間和不同的擴(kuò)散距離對流體采樣，然后把這些樣本進(jìn)行分析，得到氣體的濃度數(shù)據(jù)，再結(jié)合相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出擴(kuò)散系數(shù)；“間接法”，即通過測試相間由于傳質(zhì)引起的體系壓力、流體密度等變化，采用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來確定擴(kuò)散系數(shù)。近年來，隨著現(xiàn)代測試技術(shù)的發(fā)展，間接法成為測試分子擴(kuò)散系數(shù)主要手段；代表性方法有1996年Riazi，M. R. (SPEJ)建立的定容擴(kuò)散實驗測試方法；1989，Oballa等(JCPT)建立的激光測試法；1996，Das和Butler (CJCE)等建立的X射線掃描方法；2010年，基于Riazi原理，郭平等建立了 PVT筒中高溫高壓多組分油氣體系分子擴(kuò)散系數(shù)確定方法，但以上成果均未考慮多孔介質(zhì)的影響。2004年，Juarez (SPE)等基于多點濃度測試，建立了 PVT筒中填砂模型中單組分氣液之間分子擴(kuò)散系數(shù)測試方法。目前有關(guān)多孔介質(zhì)中分子擴(kuò)散系數(shù)的確定方法，主要存在以下不足(I)理論估算方法僅適用于單組份或三組份油氣分子擴(kuò)散系數(shù)計算；(2)大多數(shù)分子擴(kuò)散系數(shù)測試方法沒有考慮多孔介質(zhì)的影響；(3)實驗測試溫度、壓力條件達(dá)不到油田實際注氣要求；(4) Juarez等建立的基于濃度測試分子擴(kuò)散系數(shù)確定方法，僅適用于單組份氣液體系在填砂模型中分子擴(kuò)散，無法確定真實油氣藏儲層中多組分油氣體系分子擴(kuò)散系數(shù)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高溫高壓多組分氣液體系在實際儲層巖心中分子擴(kuò)散系數(shù)的測定裝置，該裝置原理可靠，操作簡便，利用該裝置能夠確定不同油藏溫度壓力條件下，真實巖心中多組分注入氣體與實際原油體系中每一組分在氣相、油相中分子擴(kuò)散系數(shù)。本發(fā)明的另一目的還在于提供利用上述裝置測定高溫高壓條件下多組分氣液體系在實際儲層巖心中分子擴(kuò)散系數(shù)的方法，該方法為定量評價分子擴(kuò)散效應(yīng)對注氣提高采收率的影響提供了合理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 為達(dá)到以上技術(shù)目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。 本發(fā)明的具體原理是通過測試巖心中壓力變化，通過相應(yīng)的計算方法來確定分子擴(kuò)散系數(shù)。本發(fā)明涉及分子擴(kuò)散系數(shù)的測試裝置主要有壓力控制系統(tǒng)、擴(kuò)散過程系統(tǒng)及輔助分析計量系統(tǒng)，壓力控制系統(tǒng)由注入泵、圍壓泵及回壓泵組成，擴(kuò)散過程系統(tǒng)包括存儲流體樣品的中間容器、全直徑巖心夾持器及數(shù)值式壓力傳感器等，輔助分析計量包括氣液兩相分離器、氣相色譜儀。通過壓力控制系統(tǒng)先后把一定量油相、氣相流體樣品轉(zhuǎn)入巖心中，油相與氣相接觸后即發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)致氣相壓力降低；監(jiān)測氣相區(qū)壓力變化；氣液達(dá)到平衡后，排出巖心中的流體進(jìn)入兩相分離器后，進(jìn)入氣體體積流量計、色譜分析儀，用于分析測試氣相組成和性質(zhì)的變化。多組分氣液體系在巖心中分子擴(kuò)散系數(shù)的測定裝置，主要由入口泵、圍壓泵、回壓泵、中間容器、巖心夾持器、油氣兩相分離器、壓力傳感器、計算機(jī)組成，其特征在于，所述中間容器包括氣樣中間容器、油樣中間容器和地層水中間容器，所述中間容器一端連接入口泵，一端連接巖心夾持器，巖心夾持器連接回壓泵、圍壓泵和油氣兩相分離器，所述巖心夾持器兩端連接壓力傳感器和計算機(jī)，所述油氣兩相分離器既連接液相色譜儀和電子天平，又連接氣相色譜儀和氣量計，所述中間容器、巖心夾持器位于恒溫箱中。多組分氣液體系在巖心中分子擴(kuò)散系數(shù)的測定方法，依次包括以下步驟(I)常溫條件下將氣樣、油樣、地層水分別轉(zhuǎn)入氣樣中間容器、油樣中間容器和地層水中間容器，將巖心抽真空并裝入巖心夾持器，將恒溫箱中的中間容器和巖心加溫到設(shè)定溫度，將入口泵、圍壓泵和回壓泵設(shè)定到所需壓力；(2)讀取入口泵的讀數(shù)V1，啟動入口泵，由巖心底部向巖心中緩慢注入一定量油樣，關(guān)閉入口泵，讀取入口泵的讀數(shù)v2，V1與V2之差即為轉(zhuǎn)入油樣體積；(3)啟動入口泵，從巖心上部向巖心中緩慢注入一定量氣樣，關(guān)閉入口泵，讀取入口泵的讀數(shù)v3，V3與V2兩者之差即為轉(zhuǎn)入氣樣體積；(4)關(guān)閉中間容器上部及巖心出口端閥門，開始擴(kuò)散測試，利用數(shù)值式壓力傳感器記錄時間、壓力變化，當(dāng)巖心中壓力不再發(fā)生變化，即認(rèn)為氣-油已經(jīng)達(dá)到擴(kuò)散平衡，擴(kuò)散過程結(jié)束，記錄平衡時壓力、時間。為了保證實驗測試結(jié)果代表性，整個擴(kuò)散實驗過程中保持圍壓泵壓力不變。(5)啟動入口泵，調(diào)整裝地層水中間容器壓力至步驟(4)平衡壓力，調(diào)整回壓泵壓力至平衡壓力，設(shè)定入口泵為進(jìn)泵模式，回壓泵為退泵模式，兩者速度相等，且速度盡可能小，同時打開兩泵，從巖心上部轉(zhuǎn)出一定量氣樣，測試其氣油比及組成，然后采用同樣方式測試下部油相組成,測試其氣油比及組成；(6)在Riazi，M.R.建立的擴(kuò)散系數(shù)模型基礎(chǔ)上，通過擬合巖心擴(kuò)散過程中壓力變化曲線，從而得到氣相、液相每個組分的分子擴(kuò)散系數(shù)及平衡時氣相組成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明主要有以下四方面特點一是實現(xiàn)真實巖心中分子擴(kuò)散系數(shù)測試；二是可測試多組分油氣體系之間分子擴(kuò)散系數(shù)；三是利用系統(tǒng)壓力確定分子擴(kuò)散系數(shù)，測試原理簡單、精度高；四是可開展高溫高壓分子擴(kuò)散系數(shù)測試，系統(tǒng)壓力、組成及流體量實現(xiàn)在線測試。本發(fā)明可測試高溫高壓條件下真實儲層巖心中多組分油氣體系分子擴(kuò)散系數(shù)，原理簡單可靠；并通過氣相組分分析保證，可有效保證測試的精度。


圖I是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中1-注入泵；2、3、4、5、6、7_閥門；8_氣樣中間容器；9_油樣中間容器；10-地層水中間容器；11_巖心夾持器；12_圍壓泵；13_壓力傳感器；14_計算機(jī)；15_回壓閥；16-回壓泵；17-油氣兩相分離器；18_電子天平；19-液相色譜儀；20_氣相色譜儀；21_氣量計；22_恒溫箱。圖2是CO2與凝析油擴(kuò)散過程巖心中實測及擬合壓力變化曲線。圖3是CO2在凝析油中分子的擴(kuò)散系數(shù)圖(實驗起始壓力20MPa、60°C )。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。參看圖I。多組分氣液體系在巖心中分子擴(kuò)散系數(shù)的測定裝置，主要由入口泵I、圍壓泵12、回壓泵16、中間容器、巖心夾持器11、油氣兩相分離器17、壓力傳感器13、計算機(jī)14組成，其特征在于，所述中間容器包括氣樣中間容器8、油樣中間容器9和地層水中間容器10，所述中間容器一端連接入口泵I，一端連接巖心夾持器11，巖心夾持器連接回壓泵16 (通過回壓閥15)、圍壓泵12和油氣兩相分離器17，所述巖心夾持器兩端連接壓力傳感器13和計算機(jī)14，所述油氣兩相分離器既連接液相色譜儀19和電子天平18，又連接氣相色譜儀20和氣量計21，所述中間容器、巖心夾持器位于恒溫箱22中。下面通過實例來說明巖心中高溫高壓多組分油氣體系分子擴(kuò)散系數(shù)的測試方法首先把孔隙度已知的全直徑巖心裝入巖心夾持器，并計算巖心孔隙體積Vtl ;按照如圖I所示流程連接好實驗流程、將巖心抽真空，把恒溫箱溫度、中間容器壓力升高至設(shè)定值60°C、20MPa ;打開閥門3，然后由巖心底部向巖心中緩慢注入0. 5V0油量，轉(zhuǎn)樣速度保持在0. 05ml/min ;打開閥門2，然后把0. 5V0氣量緩慢從巖心上部轉(zhuǎn)入巖心中，泵速0. 005ml/min。轉(zhuǎn)樣完成后立刻關(guān)閉閥門3、閥門2、閥門5、閥門6，開始記錄時間及其對應(yīng)的巖心壓力數(shù)據(jù)；當(dāng)30分鐘之內(nèi)，巖心中壓力變化不超過lpsi，即認(rèn)為油氣兩相擴(kuò)散達(dá)到平衡狀態(tài)，擴(kuò)散過程結(jié)束。將入口泵及回壓泵設(shè)定為平衡時刻壓力值，入口泵設(shè)定為進(jìn)泵模式、回壓泵設(shè)定為退泵模式，兩泵速度一致；依次緩慢開啟閥門4、閥門7、巖心夾持器出口端閥門，計量排出上部氣量體積，并采用色譜儀分析分離出來油、氣組成、油相質(zhì)量，按照同樣的步驟，重復(fù)實驗3次；當(dāng)氣相完全排除后，采用同樣的方式排出液相，并分別利用油氣色譜分析儀分析出油、氣兩相的組成，按照同樣的步驟，重復(fù)實驗3次。實驗結(jié)束后，整理實驗數(shù)據(jù)，然后采用Riazi，M. R. (1996)年建立的擴(kuò)散系數(shù)計算模型擬合擴(kuò)散過程中壓力變化，從而計算氣相、液相每個組分的分子擴(kuò)散系數(shù)及擴(kuò)散平衡時刻油相、氣相組成；為了驗證計算模型的準(zhǔn)確性，將計算組成與實驗測試組成進(jìn)行對比。參看圖2、圖3。圖2為20MPa、60°C條件下，測試及模擬的CO2氣體與國內(nèi)某凝析油油擴(kuò)散壓力變化；圖3為通過擬合壓力確定CO2在油相中分子擴(kuò)散系數(shù)。CO2與該凝析油 擴(kuò)散達(dá)到平衡時間約為92. 46小時。擴(kuò)散實驗結(jié)束時，3次測試巖心中油相CO2含量平均值為51. 5%，利用模型擬合壓力變化計算平衡時油相中CO2含量為52. 3%，計算值與實驗值誤差僅為I. 60%。
權(quán)利要求
1.多組分氣液體系在巖心中分子擴(kuò)散系數(shù)的測定裝置，主要由入口泵(I)、圍壓泵(12)、回壓泵(16)、中間容器、巖心夾持器(11)、油氣兩相分離器(17)、壓力傳感器(13)、計算機(jī)(14)組成，其特征在于，所述中間容器包括氣樣中間容器(8)、油樣中間容器(9)和地層水中間容器(10)，所述中間容器一端連接入口泵(I)，一端連接巖心夾持器(11)，巖心夾持器連接回壓泵(16)、圍壓泵(12)和油氣兩相分離器(17)，所述巖心夾持器兩端連接壓力傳感器(13)和計算機(jī)(14)，所述中間容器、巖心夾持器位于恒溫箱(22)中。
2.如權(quán)利要求I所述的測定裝置，其特征在于，所述油氣兩相分離器(17)既連接液相色譜儀(19)和電子天平(18)，又連接氣相色譜儀(20)和氣量計(21)。
3.利用權(quán)利要求I所述的裝置測定多組分氣液體系在巖心中分子擴(kuò)散系數(shù)的方法，依次包括以下步驟 (1)常溫條件下將氣樣、油樣、地層水分別轉(zhuǎn)入氣樣中間容器、油樣中間容器和地層水中間容器，將巖心抽真空并裝入巖心夾持器，將恒溫箱中的中間容器和巖心加溫到設(shè)定溫度，將入口泵、圍壓泵和回壓泵設(shè)定到所需壓力； (2)啟動入口泵，由巖心底部向巖心中緩慢注入一定量油樣，關(guān)閉入口泵； (3)啟動入口泵，從巖心上部向巖心中緩慢注入一定量氣樣，關(guān)閉入口泵； (4)關(guān)閉中間容器上部及巖心出口端閥門，開始擴(kuò)散測試，記錄時間、壓力變化，當(dāng)巖心中壓力不再發(fā)生變化，即認(rèn)為氣-油已經(jīng)達(dá)到擴(kuò)散平衡，記錄平衡時壓力、時間，整個過程中保持圍壓泵壓力不變； (5)啟動入口泵，調(diào)整裝地層水中間容器壓力至步驟(4)平衡壓力，調(diào)整回壓泵壓力至平衡壓力，設(shè)定入口泵為進(jìn)泵模式，回壓泵為退泵模式，兩者速度相等，且速度盡可能小，同時打開兩泵，從巖心上部轉(zhuǎn)出一定量氣樣，測試其氣油比及組成，然后采用同樣方式測試下部油相組成，測試其氣油比及組成； (6)在Riazi，M.R.建立的擴(kuò)散系數(shù)模型基礎(chǔ)上，通過擬合巖心擴(kuò)散過程中壓力變化曲線，從而得到氣相、液相每個組分的分子擴(kuò)散系數(shù)及平衡時氣相組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及多組分氣液體系在巖心中分子擴(kuò)散系數(shù)的測定裝置及方法，主要由入口泵、圍壓泵、回壓泵、中間容器、巖心夾持器、油氣兩相分離器、壓力傳感器、計算機(jī)組成，中間容器一端連接入口泵，一端連接巖心夾持器，巖心夾持器連接回壓泵、圍壓泵和油氣兩相分離器，巖心夾持器兩端連接壓力傳感器和計算機(jī)。通過入口泵把油樣、氣樣轉(zhuǎn)入巖心中，油相與氣相接觸后發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)致氣相壓力降低；監(jiān)測氣相區(qū)壓力變化，氣液達(dá)到平衡后，排出巖心中的流體進(jìn)入兩相分離器，分析測試氣相組成和性質(zhì)的變化。本發(fā)明原理可靠，操作簡便，能夠確定不同油藏溫度壓力條件下，真實巖心中多組分氣液體系每一組分在氣相、油相中的分子擴(kuò)散系數(shù)，為定量評價分子擴(kuò)散效應(yīng)對注氣提高采收率的影響提供了合理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
文檔編號E21B49/00GK102644459SQ20121009785
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者葉安平, 彭松, 徐艷梅, 杜建芬, 汪周華, 蒙春, 郭平 申請人:西南石油大學(xué)