本發(fā)明涉及一種測試多孔介質中CO₂擴散濃度和擴散系數的裝置及其測試方法，屬于油氣田開發(fā)工程的技術領域。

背景技術：

CO₂是主要的溫室氣體之一，碳捕集和埋存技術在近年來受到廣泛關注。研究發(fā)現CO₂的地質埋存潛力巨大，能夠有效緩解溫室氣體的增長，且CO₂與地層流體間具有獨特的理化作用，是油氣田開發(fā)過程中理想的注入流體。根據《石油與天然氣雜志》的2012年“全球EOR調查”結果顯示，在全球EOR項目中，氣驅項目數量占54％，而CO₂相關項目數量占到氣驅項目的77％，已成為最為重要的提高原油采收率技術之一。

提高CO₂地質埋存效率的關鍵是CO₂在地層巖石中的擴散能力，CO₂在多孔巖石介質中的擴散速度以及濃度對CO₂地質埋存的效果起決定性作用。而CO₂在多孔介質中的傳質擴散是濃差作用下的自發(fā)過程，受到儲層溫度、壓力、滲透率及流體飽和度等多種因素的影響，難以準確測量。

目前的研究中大多采取數值計算方法，對地層巖石中不同時間點、空間點的CO₂擴散濃度進行預測，《Journal of Porous Media》雜志中2006年第9期的《A New Method for Gas Effective Diffusion Coefficient Measurement in Water-Saturated Porous Rocks under High Pressures》一文采用的方法較為成熟。其利用壓降曲線法通過數學模型描述了CO₂在飽和水多孔介質中的擴散，通過實測擴散壓降曲線結合CO₂狀態(tài)方程，計算出了非膨脹條件下的CO₂在多孔介質中的擴散系數。這種方法也能模擬地層的高溫高壓環(huán)境，所得擴散系數更接近實際值。但是此方法的未能直接獲得CO₂濃度分布，數學模型中涉及狀態(tài)方程、壓縮因子等參數的計算，可能與多孔介質中真實狀態(tài)有較大誤差，從而影響最終結果。

技術實現要素：

針對現有技術存在的技術問題，本發(fā)明提供了一種測試多孔介質中CO₂擴散濃度和擴散系數的裝置，該裝置能夠直接測量獲得多孔介質中某一時間點、空間點處的CO₂濃度，進而通過有限大一維軸向擴散模型求得CO₂擴散系數。本發(fā)明提出的裝置可直接獲得多孔介質中CO₂的擴散濃度，并通過與之配套的方法直接計算得到CO₂在多孔介質中的擴散系數，避免了傳統(tǒng)方法需要通過復雜數學模型修正擴散系數的繁瑣過程；同時本發(fā)明也可以滿足高溫高壓實驗條件，貼近現場環(huán)境，從而對CO₂在多孔介質中的實際擴散情況進行研究，對數值計算預測CO₂擴散濃度進行修正與指導。

本發(fā)明還提供一種利用上述裝置實現測試多孔介質中CO₂濃度及擴散系數的方法。

本發(fā)明還提供一種針閥取樣器。

發(fā)明詳述

本發(fā)明的技術方案如下：

一種測試多孔介質中CO₂濃度及擴散系數的裝置，包括恒溫控制箱、在恒溫控制箱內設置的巖心夾持取樣器、圍壓控制裝置和CO₂高壓儲罐；在所述恒溫控制箱外設置有計算機：用于監(jiān)測CO₂的壓力和恒溫控制箱內的溫度；在所述恒溫控制箱外還設置有CO₂氣源與所述CO₂高壓儲罐相連；在所述巖心夾持取樣器上還配套設置取樣口和取樣器。

根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述CO₂氣源通過CO₂冷卻循環(huán)增壓泵與所述CO₂高壓儲罐相連。

在所述恒溫控制箱1中設置有巖心夾持取樣器3，壓力傳感器8，圍壓控制裝置2和CO₂高壓儲罐4；在恒溫控制箱1外設有計算機6和CO₂冷卻循環(huán)增壓泵7。所述的CO₂冷卻循環(huán)增壓泵7與恒溫控制箱1中CO₂高壓儲罐4相連，在該段管線中間接有單向閥11；所述CO₂高壓儲罐4與四通閥12相連，所述四通閥12分別與巖心夾持取樣器3的兩端及壓力傳感器8相連；所述壓力傳感器8與計算機6相連；所述巖心夾持取樣器3在軸向設置均勻分布的取樣點5，巖心夾持取樣器3與圍壓控制裝置2相連。恒溫控制箱1與溫度傳感器9及計算機6相連。所述的壓力傳感器8與計算機6相連，通過壓力采集模塊記錄并監(jiān)控實驗進行時的壓力條件。所述的恒溫控制箱1與溫度傳感器9和計算機6相連。

一種利用上述裝置實現測試多孔介質中CO₂濃度及擴散系數的方法，具體包括以下步驟：

(1)檢測裝置氣密性；

(2)使CO₂高壓儲罐提供恒壓CO₂；使恒溫控制箱內恒溫；

(3)對實驗用巖心進行抽真空并飽和實驗流體；所述實驗流體是根據研究需要所選定的流體，例如可以是地層水，原油，等；

(4)調節(jié)巖心夾持取樣器的圍壓以使所述CO₂擴散只沿多孔介質軸向進行；

(5)將CO₂高壓儲氣罐與巖心加持取樣器連通并使兩者壓力平衡；

(6)在所述巖心加持取樣器上選取至少3個取樣口并利用所述取樣器進行取樣；

(7)對取樣進行氣液分離，并對所得氣體進行氣相色譜分析得到CO₂濃度；

(8)擴散由巖心兩端進行，因此濃度分布以巖心中點為對稱軸分布，巖心中點處可看為封閉邊界，端面處可看為定濃度邊界，以巖心一側為研究對象，建立有限大一維軸向擴散模型式①：

式①中，c為CO₂濃度，mol/m³；c₀為實驗溫度、壓力下，CO₂在實驗流體中的最大溶解度，mol/m³；t為時間，s；x為取樣點處到實驗巖心端面的距離，m；D為CO₂在多孔介質中的擴散系數，m²/s；對式①求解，得到式②：

式②中l(wèi)為實驗巖心半長，m；

(9)將測量得到的n個不同取樣點的CO₂濃度帶入式②，對算出的CO₂擴散系數取平均值，即為在實驗溫度、壓力下，CO₂在多孔介質中的擴散系數，n≥3。

根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述取樣器為針閥取樣器，包括由下至上依次設置的采樣器針頭、采樣針閥、液體儲集管、氣液分離針閥和氣體儲集袋。

根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述采樣器針頭與所述巖心夾持取樣器的鋼制主體采用螺紋連接。

根據本發(fā)明優(yōu)選的，所述采樣器針頭與采樣針閥采用螺紋連接；液體儲集管為鋼制，分別與采樣針閥、氣液分離針閥通過螺紋連接。

所述的取樣點在巖心夾持取樣器軸向上均勻分布，將針閥取樣器插入并貫穿巖心夾持取樣器的橡膠套中；所述取樣點呈錐形，并由上下兩部分組成，下半部分為柔性膠管，直接接觸所述實驗用多孔介質表面，當未插入針閥取樣器前所述取樣點下半部分被橡膠套擠壓，達到完全密封狀態(tài)；取樣點的上半部分為鋼制錐體，延伸到巖心夾持取樣器外，確保針閥取樣器能順利插入，同時具有螺紋與采樣器針頭連接。鋼制部分與橡膠套的密封環(huán)采用過盈配合，確保密封性。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

本發(fā)明提供了一種測試多孔介質中CO₂擴散濃度和擴散系數的裝置，該裝置能夠直接測量獲得多孔介質中某一時間點、空間點處的CO₂濃度，進而通過有限大一維軸向擴散模型求得CO₂擴散系數。本發(fā)明提出的裝置可直接獲得多孔介質中CO₂的擴散濃度，并通過與之配套的方法直接計算得到CO₂在多孔介質中的擴散系數，避免了傳統(tǒng)方法需要通過復雜數學模型修正擴散系數的繁瑣過程；同時本發(fā)明也可以滿足高溫高壓實驗條件，貼近現場環(huán)境，從而對CO₂在多孔介質中的實際擴散情況進行研究，對數值計算預測CO₂擴散濃度進行修正與指導。

一種利用上述裝置實現測試多孔介質中CO₂濃度及擴散系數的方法。本發(fā)明根據所測得的在一定時間、空間點上的CO₂濃度，通過有限空間內一維軸向擴散方程的解計算CO₂在一定溫度、壓力下的擴散系數，決了CO₂擴散濃度無法直接測量、只能依靠計算模擬的問題，同時也避免了傳統(tǒng)壓降測量方法測量擴散系數式的繁瑣修正過程，對研究CO₂擴散過程及指導油田現場注CO₂作業(yè)具有積極意義。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明所述測試多孔介質中CO₂擴散濃度和擴散系數的裝置結構示意圖；

在圖1中，1-恒溫控制箱，2-圍壓控制裝置，3-巖心夾持取樣器，4-CO₂高壓儲罐，5-取樣點，6-計算機，7-CO₂冷卻循環(huán)加壓泵，8-壓力傳感器，9-溫度傳感器，10-CO₂氣源，11-單向閥，12-四通閥；

圖2為本發(fā)明所述巖心夾持取樣器上取樣點的結構示意圖；

在圖2中，2-1-實驗巖心，2-2-橡膠套，2-3-取樣點；

圖3為本發(fā)明所述針閥取樣器結構示意圖；

在圖3中，3-1-采樣器針頭，3-2-采樣針閥，3-3-液體儲集管，3-4-氣液分離針閥，3-5-氣體儲集袋。

具體實施方式

下面根據實施例和說明書附圖對本發(fā)明做詳細說明，但不僅限于此。

實施例1、

一種測試多孔介質中CO₂濃度及擴散系數的裝置，包括恒溫控制箱1、在恒溫控制箱1內設置的巖心夾持取樣器3、圍壓控制裝置2和CO₂高壓儲罐4；在所述恒溫控制箱1外設置有計算機6：用于監(jiān)測CO₂的壓力和恒溫控制箱1內的溫度；在所述恒溫控制箱1外還設置有CO₂氣源10與所述CO₂高壓儲罐4相連；在所述巖心夾持取樣器3上還配套設置取樣口5和取樣器。

所述CO₂氣源10通過CO₂冷卻循環(huán)增壓泵7與所述CO₂高壓儲罐4相連。

實施例2、

一種利用如實施例1所述裝置實現測試多孔介質中CO₂濃度及擴散系數的方法，具體包括以下步驟：

(1)檢測裝置氣密性：對所述裝置中的管路進行清洗并干燥，分別檢測在所述巖心夾持取樣器3上未裝取樣器與安裝采樣器后裝置的氣密性；

(2)使CO₂高壓儲罐4提供恒壓CO₂，使恒溫控制箱1內恒溫：調節(jié)CO₂冷卻循環(huán)增壓泵7使CO₂高壓儲罐4內CO₂達到指定壓力，此處優(yōu)選為5MPa，通過計算機6調節(jié)恒溫控制箱1至實驗溫度條件，此處優(yōu)選為60℃，并穩(wěn)定1.5-3小時；

(3)對實驗用巖心進行抽真空并飽和實驗流體：將實驗用巖心抽真空并飽和流體，飽和流體完畢后放入巖心加持取樣器3；

(4)調節(jié)巖心夾持取樣器3的圍壓以使所述CO₂擴散只沿多孔介質軸向進行：調節(jié)圍壓控制裝置2，使巖心夾持取樣器3內的圍壓超過壓力傳感器8的示數2～3MPa，確保擴散只沿多孔介質軸向進行；

(5)將CO₂高壓儲氣罐4與巖心加持取樣器3連通并使兩者壓力平衡：打開四通閥12連通CO₂高壓儲氣4與巖心加持取樣器3，使氣體快速進入并達到壓力平衡；

(6)在所述巖心加持取樣器3上選取至少3個取樣口5并利用所述取樣器進行取樣：所述的取樣器為針閥取樣器；在同一時間點下，選取3個不同取樣點5插入針閥取樣器，打開采樣針閥3-2對流體進行泄壓取樣，要求取樣時間盡可能短，完成后迅速關閉采樣針閥3-2，并抽出針閥取樣器；在本實施例中，擴散開始30小時后，選取距離實驗巖心端面分別為0.03m，0.06m，0.09m的3個取樣點5插入針閥取樣器，打開采樣針閥3-2對流體進行泄壓取樣，要求取樣時間盡可能短，完成后迅速關閉采樣針閥3-2，并抽出取樣器；

(7)對取樣進行氣液分離，并對所得氣體進行氣相色譜分析得到CO₂濃度：將取樣流體加熱進行氣液分離，并對所得氣體進行氣相色譜分析，得到某一時間點、空間點下多孔介質中的CO₂濃度；本實施例中將所測濃度數據形成表1；

表1不同取樣點處的CO₂濃度

(8)擴散由巖心兩端進行，因此濃度分布以巖心中點為對稱軸分布，巖心中點處可看為封閉邊界，端面處可看為定濃度邊界，以巖心一側為研究對象，由此可建立有限大一維軸向擴散模型式①：

式①中，c為CO₂濃度，mol/m³；c₀為實驗溫度壓力下，CO₂在流體中的最大溶解度，本實施例中為979.46mol/m³；t為時間，s；x為取樣點處到巖心端面的距離，m；D為CO₂在多孔介質中的擴散系數，m²/s；該模型求解，可得到式②：

式②中l(wèi)為巖心半長，m；

(9)將測量得到的n個不同取樣點的CO₂濃度帶入式②，算出的擴散系數取平均值，即為實驗溫度壓力下，CO₂在多孔介質中的擴散系數，n＝3，所得數據形成表2。

表2 CO₂在多孔介質中擴散系數