本發(fā)明涉及一種測(cè)量co2在油水兩相間擴(kuò)散過(guò)程及擴(kuò)散系數(shù)的方法，屬于油氣田開發(fā)工程的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，全球石油需求迅速增長(zhǎng)，油氣勘探開發(fā)對(duì)象日趨復(fù)雜，儲(chǔ)量品味越來(lái)越差。稠油油藏、低滲透致密油藏等非常規(guī)油藏將成為今后油氣開發(fā)的重要對(duì)象。在非常規(guī)油藏的眾多開發(fā)方式中，注co2開采技術(shù)由于其經(jīng)濟(jì)高效且符合當(dāng)下減少溫室氣體排放的要求而被廣泛應(yīng)用。

注co2開采技術(shù)主要包括co2驅(qū)、co2吞吐以及co2水氣交替驅(qū)等。在這些技術(shù)應(yīng)用的過(guò)程中，注入的co2能夠與地層水、注入水以及原油形成三相體系，co2能夠在單液相以及油水兩相之間進(jìn)行擴(kuò)散傳質(zhì)。co2的擴(kuò)散作用能夠降低油水界面張力、原油粘度并且能夠使得原油膨脹，從而有利于油層中原油的采出。對(duì)于co2在三相體系中的擴(kuò)散作用進(jìn)行研究，有助于預(yù)測(cè)co2在油層中的波及體積、提高非常規(guī)油藏最終采收率并最終實(shí)現(xiàn)高效開采。因此，測(cè)量co2在油水兩相間的擴(kuò)散過(guò)程以及擴(kuò)散系數(shù)對(duì)于應(yīng)用co2技術(shù)高效開發(fā)油藏意義重大。

目前，測(cè)定co2在油相或水相中的擴(kuò)散系數(shù)的方法多為改進(jìn)的壓力降落法，以《journalofpetroleumscienceandengineering》期刊中2005年25期的《measurementofgasdiffusivityinheavyoils》一文中提到的方法較為成熟。此方法由于只需要測(cè)定擴(kuò)散過(guò)程中的壓力變化，不需要直接測(cè)定擴(kuò)散過(guò)程中的濃度，測(cè)量快捷方便，從而被廣泛應(yīng)用。然而，此種方法只能用作測(cè)定co2向單液相擴(kuò)散時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)，不適用于測(cè)定co2向兩相間擴(kuò)散時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)，如果將此種方法用于測(cè)定co2在油水兩相間的擴(kuò)散過(guò)程時(shí)，co2在單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散進(jìn)入另一液相的物質(zhì)的量較小，導(dǎo)致壓力降較小，常規(guī)壓力計(jì)難以準(zhǔn)確捕捉，測(cè)定過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)并且平衡壓力難以確定。此外，高溫高壓下的co2呈超臨界態(tài)且極不穩(wěn)定，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得的壓力出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，使得壓力曲線難以準(zhǔn)確獲得。

中國(guó)專利文獻(xiàn)cn104237079a公開了一種測(cè)量co2在水中擴(kuò)散系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法和裝置。實(shí)驗(yàn)裝置采用固定擴(kuò)散距離，主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、恒溫加熱系統(tǒng)、ph計(jì)探頭、擴(kuò)散釜、壓力傳感器、溫度探頭等，ph計(jì)探頭安裝在擴(kuò)散釜的下端蓋，壓力傳感器安裝在上端蓋，溫度探頭一端連接擴(kuò)散釜外的加熱線圈，另一端與恒溫加熱系統(tǒng)連接。在擴(kuò)散釜中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，擴(kuò)散釜安裝在軸承上，旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散釜模擬傾斜地層，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程利用壓力來(lái)計(jì)算co2的初始濃度，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的ph值計(jì)算co2的水解量，繪制co2的水解量與時(shí)間平方根的擬合曲線，得到斜率k，根據(jù)計(jì)算模型求得擴(kuò)散系數(shù)d，該裝置及方法只是測(cè)定co2在水中擴(kuò)散系數(shù)，無(wú)法測(cè)定在油水兩相間擴(kuò)散系數(shù)。

中國(guó)專利文獻(xiàn)cn104502236a公開了一種測(cè)量co2從水相向油相擴(kuò)散過(guò)程中擴(kuò)散系數(shù)和平衡濃度的方法。該方法將u型管底部水相飽和co2，形成飽和碳酸水，u型管上端注入co2，下端注入原油，根據(jù)改進(jìn)的pvt壓降法，通過(guò)測(cè)定co2向飽和碳酸水?dāng)U散造成的壓力變化，結(jié)合壓降公式即可求出co2從水相向油相擴(kuò)散時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)以及平衡后co2在原油中的平衡濃度。該方法僅能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定co2從水相向油相擴(kuò)散過(guò)程中的壓力變化，但實(shí)驗(yàn)獲得的壓降曲線波動(dòng)較大，給后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的處理帶來(lái)了極大的誤差，且測(cè)量過(guò)程復(fù)雜。

因此，如何利用簡(jiǎn)單快捷的方法測(cè)試co2在油水兩相間擴(kuò)散過(guò)程及擴(kuò)散系數(shù)成為目前有待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供一種測(cè)量co2在油水兩相間擴(kuò)散過(guò)程及擴(kuò)散系數(shù)的方法。

發(fā)明概述：

本發(fā)明的測(cè)量方法將廣泛應(yīng)用的單液相壓力降落法與本發(fā)明的雙液相擴(kuò)展?jié)舛确植寄Ｐ拖嘟Y(jié)合，根據(jù)壓力降落法分別測(cè)定的co2向單液相中的擴(kuò)散系數(shù)，通過(guò)擴(kuò)展?jié)舛确植寄Ｐ涂梢灾苯拥玫絚o2在兩個(gè)液相中的濃度分布，進(jìn)而求得co2在油水兩相間的擴(kuò)散系數(shù)。該方法避免了直接測(cè)量co2向雙液相擴(kuò)散時(shí)的壓力，提高了后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)的計(jì)算精度；同時(shí)，該方法更加符合高溫高壓下的擴(kuò)散特征，避免了在雙液相擴(kuò)散壓力降較小的條件下存在壓力大幅波動(dòng)的問(wèn)題，使得計(jì)算結(jié)果更加符合高溫高壓下擴(kuò)散的實(shí)際情況。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種測(cè)量co2在油水兩相間擴(kuò)散過(guò)程及擴(kuò)散系數(shù)的方法，包括步驟如下：

(1)采用壓力降落法分別測(cè)定的co2向水相的擴(kuò)散系數(shù)d1及co2向油相的擴(kuò)散系數(shù)d2；

(2)根據(jù)菲克定律，采用式②測(cè)試出擴(kuò)散系數(shù)d為常數(shù)的一維擴(kuò)散的濃度分布規(guī)律：

式②中，c為co2在液相中的濃度，mol/m³；t為擴(kuò)散時(shí)間，s；a為物質(zhì)的量確定的常數(shù)；x為到液相表面的距離，m。

(3)將濃度c對(duì)x進(jìn)行積分，并設(shè)定根據(jù)式③得到擴(kuò)散進(jìn)入液相的總物質(zhì)的量為：

(4)將式③變換為常數(shù)a的公式代入式②，得到式④：

(5)將式④寫成積分形式，得到式

(6)標(biāo)準(zhǔn)誤差函數(shù)為式

采用標(biāo)準(zhǔn)誤差函數(shù)將式表示，得到式

式中，c0為實(shí)驗(yàn)條件下co2在當(dāng)前液相中的最大溶解量，mol/m³；

(7)采用式⑤、式⑥模型得到co2在油相、水相中的濃度分布：

式⑤中，c1為水相中t時(shí)刻距液面x位置處co2濃度，mol/m³；x1為水相的下邊界位置，m；式⑥中，c2為油相中t時(shí)刻距液面x位置處co2濃度，mol/m³；x2為油相2的下邊界位置，m；

將t時(shí)刻的濃度分布對(duì)于x進(jìn)行積分，根據(jù)式⑦得到t時(shí)刻擴(kuò)散進(jìn)入兩種液相中co2總物質(zhì)的量n：

(8)由狀態(tài)方程得到式⑧：

式⑧中，p1為擴(kuò)散初始?jí)毫?，pa；p2為擴(kuò)散進(jìn)行至t時(shí)刻時(shí)的壓力，pa；v為氣體體積，m³；z1為初始狀態(tài)氣體壓縮系數(shù)；z2為終止?fàn)顟B(tài)氣體壓縮系數(shù)；n1為擴(kuò)散初始物質(zhì)的量，mol；n為擴(kuò)散進(jìn)入兩個(gè)液相的物質(zhì)的量，mol；r為通用氣體常數(shù)，pa*m³/(mol*k)；t為開氏溫度，k；不考慮擴(kuò)散過(guò)程中液相體積膨脹的影響；

進(jìn)而得到式⑨：

(9)根據(jù)式⑨求出不同擴(kuò)散時(shí)間t下的壓力p2，獲得壓力p2隨時(shí)間t的變化曲線后根據(jù)擬合式進(jìn)行擬合，由式計(jì)算得到co2在油水兩相間的擴(kuò)散系數(shù)；式⑩中z1為液相高度，m；k1為壓力p2-時(shí)間t擬合參數(shù)。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，co2向水相的擴(kuò)散系數(shù)d1按如下步驟測(cè)定得到：

(a)測(cè)定擴(kuò)散容器的橫截面面積a及擴(kuò)散容器的容積v1，對(duì)擴(kuò)散容器進(jìn)行清洗烘干并抽真空；

(b)將co2充滿擴(kuò)散容器并升壓至實(shí)驗(yàn)壓力p1，擴(kuò)散容器外接回壓，回壓與實(shí)驗(yàn)壓力p1相等；

(c)將溫度為t的純水以15～25ml/min的速度從擴(kuò)散容器下部注入，記錄注入的純水體積v2，注入過(guò)程連通回壓，以保持?jǐn)U散容器體系壓力恒定，其中水相高度所述v2取值范圍為

(d)純水注入后，封閉擴(kuò)散容器，利用壓力采集系統(tǒng)記錄擴(kuò)散容器內(nèi)的壓力變化，直至30min內(nèi)壓力的下降幅度不超過(guò)1kpa；

(e)把采集的壓力pt-時(shí)間t關(guān)系數(shù)據(jù)與平衡壓力peq進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為壓差對(duì)數(shù)ln(pt-peq)-時(shí)間t曲線進(jìn)行線性擬合，計(jì)算得到co2向水相的擴(kuò)散系數(shù)d1：

式①中，k為壓差對(duì)數(shù)-時(shí)間線性擬合曲線的斜率；d1為co2向水相中擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)，m²/s。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，co2向油相的擴(kuò)散系數(shù)d2的測(cè)定方法及步驟與co2向水相的擴(kuò)散系數(shù)d1的測(cè)定方法相同。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(b)中，所述p1取值范圍為1mpa-20mpa。

根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(c)中，所述t的取值范圍為293.15k-353.15k，所述v2取值范圍為50ml-150ml。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明的方法能夠根據(jù)壓力降落法測(cè)定的co2在單液相中的擴(kuò)散系數(shù)，通過(guò)擴(kuò)展?jié)舛确植寄Ｐ陀?jì)算得到co2在油水兩相間擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)，有效地解決了co2在油水兩相間擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算方法缺失的問(wèn)題。并且在co2向雙液相擴(kuò)散壓力降較小的條件下，避免了壓力測(cè)定結(jié)果存在大幅波動(dòng)帶來(lái)的誤差，提高了后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)的計(jì)算精度。

2、本發(fā)明的方法根據(jù)壓力降落法分別測(cè)定的co2向單液相中的擴(kuò)散系數(shù)，通過(guò)擴(kuò)展?jié)舛确植寄Ｐ涂梢灾苯拥玫絚o2在兩個(gè)液相中的濃度分布，進(jìn)而求得co2在油水兩相間的擴(kuò)散系數(shù)。該方法避免了直接測(cè)量co2向雙液相擴(kuò)散時(shí)的壓力，提高了后續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)的計(jì)算精度；同時(shí)，該方法更加符合高溫高壓下的擴(kuò)散特征，避免了在雙液相擴(kuò)散壓力降較小的條件下存在壓力大幅波動(dòng)的問(wèn)題，使得計(jì)算結(jié)果更加符合高溫高壓下擴(kuò)散的實(shí)際情況。

附圖說(shuō)明

圖1是co2向水相擴(kuò)散過(guò)程中壓差對(duì)數(shù)-時(shí)間關(guān)系曲線及擬合曲線；

圖2是co2向油相擴(kuò)散過(guò)程中壓差對(duì)數(shù)-時(shí)間關(guān)系曲線及擬合曲線；

圖3是co2在雙液相中擴(kuò)展?jié)舛确植嘉锢砟Ｐ偷氖疽鈭D；

圖中，1、co2；2、水相；3、油相。

圖4是co2通過(guò)油相向水相擴(kuò)散過(guò)程中壓力-時(shí)間關(guān)系曲線及擬合曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明，但不限于此。

實(shí)施例1

一種預(yù)測(cè)co2通過(guò)油相向水相擴(kuò)散過(guò)程及擴(kuò)散系數(shù)的方法，實(shí)施步驟如下：

(1)測(cè)定擴(kuò)散容器的橫截面面積為20cm²及擴(kuò)散容器的容積v1為250ml，對(duì)擴(kuò)散容器進(jìn)行清洗烘干并抽真空；

(2)將co2充滿擴(kuò)散容器并升高壓力至實(shí)驗(yàn)壓力14.60mpa，擴(kuò)散容器外接回壓，回壓與實(shí)驗(yàn)壓力相等；

(3)將92ml溫度為323.15k的純水以20ml/min的速度從擴(kuò)散容器下部注入，注入過(guò)程連通回壓，以保持?jǐn)U散容器體系壓力不變，其中水相高度z0為1.3cm；

(4)純水注入后，封閉擴(kuò)散容器，利用壓力采集系統(tǒng)記錄擴(kuò)散容器內(nèi)的壓力變化直至30min內(nèi)壓力的下降幅度不超過(guò)1kpa，實(shí)驗(yàn)結(jié)束；

(5)把采集的壓力pt-時(shí)間t關(guān)系數(shù)據(jù)與平衡壓力peq進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為壓差對(duì)數(shù)ln(pt-peq)-時(shí)間t曲線進(jìn)行線性擬合，如圖1所示，計(jì)算得到co2向水相的擴(kuò)散系數(shù)d1：

式①中，k為壓差對(duì)數(shù)-時(shí)間曲線的斜率；d1為co2向水相中擴(kuò)散的擴(kuò)散系數(shù)，m²/s。

(6)重復(fù)步驟(1)-步驟(5)，測(cè)定壓差對(duì)數(shù)-時(shí)間進(jìn)行線性擬合，如圖2所示，計(jì)算co2向油相的擴(kuò)散系數(shù)

(7)對(duì)于擴(kuò)散系數(shù)d為常數(shù)的一維擴(kuò)散，根據(jù)菲克定律，可以寫出其濃度分布規(guī)律：

式②中，c為co2在液相中的濃度，mol/m³；t為擴(kuò)散時(shí)間，s；a為物質(zhì)的量確定的常數(shù)；x為到液相表面的距離，m。

(8)將濃度c對(duì)x進(jìn)行積分，并設(shè)定可以得到擴(kuò)散進(jìn)入液相的總物質(zhì)的量為：

(9)將式③變換為常數(shù)a的公式代入式②，得到式④：

(10)將式④寫成積分形式，得到式

(11)標(biāo)準(zhǔn)誤差函數(shù)為式

采用標(biāo)準(zhǔn)誤差函數(shù)將式表示，得到式

式中，c0為實(shí)驗(yàn)條件323.15k，14.60mpa下co2在油相中的最大溶解量，為6957.38mol/m³。

(12)如圖3所示，根據(jù)式⑤、式⑥模型得到co2在油相、水相中的濃度分布：

式⑤中，c1為水相中t時(shí)刻距液面x位置處co2濃度，mol/m³；x1為水相的下邊界位置，m；式⑥中，c2為油相中t時(shí)刻距液面x位置處co2濃度，mol/m³；x2為油相的下邊界位置，m。

將t時(shí)刻的濃度分布對(duì)于x進(jìn)行積分，可以得到t時(shí)刻在水相及油相中擴(kuò)散的總物質(zhì)的量：

(13)由狀態(tài)方程可得：

可以得出：

其中，p1為擴(kuò)散初始?jí)毫?.46*10⁷pa；p2為擴(kuò)散進(jìn)行至t時(shí)刻時(shí)的壓力；v為氣體體積，8.6*10^-5m³；z1為初始狀態(tài)氣體壓縮系數(shù)，為0.3486；z2為終止?fàn)顟B(tài)氣體壓縮系數(shù)，為0.3431；n為擴(kuò)散進(jìn)入液相的物質(zhì)的量，2.2081mol；r為通用氣體常數(shù)，8.314pa*m³/(mol*k)；t為開氏溫度，323.15k；不考慮擴(kuò)散過(guò)程中液相體積膨脹的影響。

(14)根據(jù)式⑨可以求出不同擴(kuò)散時(shí)間t下的壓力p2，獲得壓力p2隨時(shí)間t的變化曲線后根據(jù)擬合式擬合參數(shù)k1，如圖4所示，根據(jù)擬合參數(shù)k1計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)

實(shí)施例2

一種測(cè)量co2在油水兩相間擴(kuò)散過(guò)程及擴(kuò)散系數(shù)的方法，同實(shí)施例1所示，不同之處在于：

將擴(kuò)散容器中的油相與水相位置互換，擴(kuò)散過(guò)程為co2通過(guò)水相向油相的擴(kuò)散，也可以采用該方法測(cè)量得到擴(kuò)散系數(shù)。