專利名稱：一種測(cè)量二氧化碳在巖石中擴(kuò)散系數(shù)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量二氧化碳在巖石中擴(kuò)散系數(shù)的裝置，屬于石油化工的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
二氧化碳作為主要的溫室氣體，其減排問(wèn)題已經(jīng)是當(dāng)今世界的熱點(diǎn)問(wèn)題?？茖W(xué)家們研究表明，實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排的有效方法是地質(zhì)埋存，然而在進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)埋存時(shí)，其地質(zhì)埋存場(chǎng)所的選擇顯得尤為重要。這是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)操作機(jī)構(gòu)、環(huán)境監(jiān)管機(jī)構(gòu)以及公眾都希望在進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)埋存時(shí)能確保其埋存安全性，確保二氧化碳在地下不會(huì)超越預(yù)定的邊界，不會(huì)再次滲漏到大氣中。因此，在進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)埋存之前對(duì)其埋存場(chǎng)所進(jìn)行安全性評(píng)估顯得尤為重要。二氧化碳在地下埋存時(shí)，時(shí)刻處于動(dòng)態(tài)的擴(kuò)散狀態(tài)，直至達(dá)到平衡。為了評(píng)估埋存場(chǎng)所安全性需要測(cè)定二氧化碳在巖石中的擴(kuò)散系數(shù)。目前常見的測(cè)定氣體在巖石中擴(kuò)散系數(shù)的裝置，其原理大多基于測(cè)定氣體在巖石樣品兩端濃度的變化進(jìn)而計(jì)算出氣體在巖石中的擴(kuò)散系數(shù)。這類方法需要通過(guò)對(duì)巖石兩端氣室進(jìn)行實(shí)時(shí)取樣，然后對(duì)各時(shí)間點(diǎn)氣體樣品進(jìn)行氣相色譜分析，從而計(jì)算出巖石兩端氣體濃度的變化，這樣就會(huì)在取樣瞬間對(duì)巖石兩端氣室壓力帶來(lái)影響，從而影響測(cè)量精度。并且由于需要在巖石兩端設(shè)置兩個(gè)氣室，導(dǎo)致需 要測(cè)定氣體在飽和地層流體的巖石中擴(kuò)散系數(shù)時(shí)，將會(huì)使飽和的地層流體在抽真空過(guò)程中損失，影響了實(shí)驗(yàn)與地層真實(shí)條件的同一性。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明概述針對(duì)以上的技術(shù)不足，本發(fā)明公開一種測(cè)量二氧化碳在巖石中擴(kuò)散系數(shù)的裝置。本發(fā)明不再通過(guò)測(cè)量二氧化碳的濃度來(lái)測(cè)量二氧化碳在巖石中擴(kuò)散系數(shù)，而是通過(guò)測(cè)定二氧化碳?xì)怏w壓力的變化獲取二氧化碳在巖石中擴(kuò)散系數(shù)通過(guò)校正的二氧化碳?xì)怏w狀態(tài)方程換算出其濃度的變化，進(jìn)而測(cè)定出二氧化碳?xì)怏w在巖石中的擴(kuò)散系數(shù)。本發(fā)明從根本上取消了氣室，消除了取樣對(duì)氣體壓力造成的影響，并且將抽真空、飽和地層流體及氣體擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定一體化，從而徹底消除了抽真空過(guò)程中對(duì)巖石中飽和流體的影響。術(shù)語(yǔ)解釋飽和流體處理是指通過(guò)抽真空將擴(kuò)散筒中裝填樣品巖石內(nèi)部細(xì)小孔隙中的空氣全部吸出，然后利用平流泵將實(shí)驗(yàn)流體驅(qū)替入擴(kuò)散筒中，繼續(xù)注入實(shí)驗(yàn)流體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)憋壓，通當(dāng)壓力憋到IOMPa時(shí)，使得擴(kuò)散筒中的實(shí)驗(yàn)流體在高壓下被壓入裝填樣品巖石的孔隙中，實(shí)現(xiàn)了裝填樣品巖石的孔隙中全部飽和上實(shí)驗(yàn)流體。發(fā)明詳述本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種測(cè)量二氧化碳在巖石中擴(kuò)散系數(shù)的裝置，其包括裝置外殼4，在所述裝置外殼4內(nèi)垂直并排設(shè)置有氣體罐5、擴(kuò)散筒6和流體罐9 ;在裝置外殼4外部設(shè)置有氣體管道和液體管道，所述氣體管道的入口通過(guò)增壓泵32與二氧化碳?xì)馄?相連，在所述氣體管道上串聯(lián)設(shè)置有四通閥30，所述四通閥30的出氣口分別與四通閥25、氣體罐5和壓力傳感器28相連；所述液體管道的入口與配樣罐15相連，在所述液體管道上串聯(lián)設(shè)置有四通閥19，所述四通閥19的出液口分別與四通閥25、流體罐9和壓力傳感器18相連；所述氣體罐5用于盛裝實(shí)驗(yàn)壓力及溫度下的二氧化碳?xì)怏w；所述流體罐用于盛裝實(shí)驗(yàn)壓力及溫度下的地層孔隙流體或模擬地層流體；在氣體罐5的上部、擴(kuò)散筒6的上部和流體罐9的上部分別設(shè)置有溫度傳感器，所述氣體罐5的底部通過(guò)針閥2與平流泵I相連，所述擴(kuò)散筒6的底部通過(guò)針閥12與回壓閥13相連，所述流體罐9的底部通過(guò)針閥10與平流泵11相連；所述四通閥25通過(guò)三通閥23與壓力傳感器22相連，所述三通閥23通過(guò)針閥24與分子泵27相連； 所述的氣體罐5內(nèi)的軸向上設(shè)置有活塞；在流體罐9內(nèi)的軸向上設(shè)置有活塞；在所述的氣體罐5、流體罐9和擴(kuò)散筒6中設(shè)置有加熱器。所述的加熱器為氣體罐5、流體罐9和擴(kuò)散筒6提供加熱及保溫功能。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在所述的測(cè)量二氧化碳在巖石中擴(kuò)散系數(shù)的裝置還包括計(jì)算機(jī)，所述的平流泵、針閥、回壓閥13、配樣罐15、溫度傳感器、壓力傳感器、四通閥、三通閥、分子泵27、增壓泵32和加熱器分別與計(jì)算機(jī)相連。由計(jì)算機(jī)采集上述部件的工作參數(shù)、同時(shí)控制上述部件的正常工作。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述裝置外殼上設(shè)置有控制面板，控制面板上包括氣體罐壓力顯示器、流體罐壓力顯示器、擴(kuò)散筒壓力顯示器、溫控面板、總電源開關(guān)、加熱源開關(guān)和計(jì)算機(jī)控制開關(guān)；所述溫控面板用于設(shè)置加熱器的加熱溫度，壓力顯示器與各壓力傳感器相連，動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)罐體內(nèi)的壓力變化，計(jì)算機(jī)控制開關(guān)用于控制與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集的連接，計(jì)算機(jī)控制開關(guān)處于打開狀態(tài)時(shí)，計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)采集各壓力傳感器及溫度傳感器數(shù)據(jù)。操作人員可以通過(guò)所述的控制面板直觀的設(shè)定基本的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并讀取相關(guān)的溫度和壓力數(shù)值。本發(fā)明中的壓力傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控各罐體內(nèi)壓力，并傳輸給控制面板及計(jì)算機(jī)；所述溫度傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控各罐體內(nèi)溫度，并傳輸給控制面板及計(jì)算機(jī)；所述三通閥、四通閥、針閥、回壓閥，用于連接管路及控制管路開關(guān)。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在所述擴(kuò)散筒內(nèi)頂部和底部設(shè)置有一對(duì)固定卡環(huán)。所述的擴(kuò)散筒用于裝填巖石樣品，所設(shè)置的固定卡環(huán)用于固定巖石樣品。根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在所述的配樣罐內(nèi)安裝有攪拌器。所述的配樣罐用于盛裝現(xiàn)場(chǎng)提供的地層孔隙流體或根據(jù)實(shí)際地層孔隙流體配置模擬流體。本發(fā)明采用3種動(dòng)力供給裝置，分別為平流泵、增壓泵和分子泵，平流泵I與二氧化碳?xì)馄肯噙B，用于將氣體罐5中的二氧化碳驅(qū)替入擴(kuò)散筒6中，平流泵14與配樣罐15相連，用于將流體罐9中的實(shí)驗(yàn)流體驅(qū)替入擴(kuò)散筒6中，增壓泵32接于二氧化碳?xì)馄?之后，用于將二氧化碳?xì)馄?中二氧化碳?xì)怏w輸送至氣體罐5中，增壓至實(shí)驗(yàn)要求壓力，分子泵27用于對(duì)擴(kuò)散筒6及內(nèi)部所裝填巖石樣品抽真空。一種上述測(cè)量二氧化碳在巖石中擴(kuò)散系數(shù)的裝置的工作方法，包括步驟如下(I)利用加熱器分別將氣體罐5、流體罐9和擴(kuò)散筒6烘干；
(2)利用平流泵I和平流泵11分別將氣體罐5及流體罐9的活塞上部空間排空待用；(3)將取樣圓柱巖心或人造圓柱巖心作為裝填樣品巖石，將所述的裝填樣品巖石烘干，用密封膠將裝填樣品巖石上下兩端面密封后裝入擴(kuò)散筒6中，利用擴(kuò)散筒6中的上下固定卡環(huán)8將裝填樣品巖石豎直固定放置；( 4 )檢驗(yàn)整個(gè)裝置的氣密性；(5)通過(guò)增壓泵32將二氧化碳?xì)馄?中的二氧化碳輸送至氣體罐5中，增壓至要模擬地層壓力，待用； (6)將實(shí)驗(yàn)流體裝入配樣罐15中，待用；所述的實(shí)驗(yàn)流體為地層孔隙流體或模擬地層流體，所述模擬地層流體是通過(guò)先前勘探所得地層孔隙流體數(shù)據(jù)在配樣罐15中配置得到的、與地層孔隙流體性質(zhì)相同的模擬流體；(7)利用平流泵14將配樣罐15中的實(shí)驗(yàn)流體泵入流體罐9中，并利用平流泵11將流體罐9中的實(shí)驗(yàn)流體加壓至要模擬地層壓力；(8)利用分子泵27將擴(kuò)散筒6抽真空；(9)利用加熱器分別對(duì)氣體罐5、流體罐9、擴(kuò)散筒6進(jìn)行加熱，恒溫至要模擬地層壓力，待用；(10)利用平流泵11將流體罐9中實(shí)驗(yàn)流體泵入擴(kuò)散筒6中,然后利用平流泵11將擴(kuò)散筒6中壓力加壓至lOMPa，對(duì)填裝巖石樣品進(jìn)行飽和流體處理；(11)繼續(xù)利用平流泵11通過(guò)流體罐9對(duì)擴(kuò)散筒6內(nèi)部實(shí)驗(yàn)流體進(jìn)行加壓操作，力口壓至要模擬地層壓力；(12)調(diào)整回壓閥13的設(shè)定壓力，所述的設(shè)定壓力較擴(kuò)散筒內(nèi)部壓力小O. IMPa ；(13)利用平流泵I將氣體罐5中二氧化碳泵入擴(kuò)散筒6中，由于回壓閥13的作用，排空擴(kuò)散筒6中的實(shí)驗(yàn)流體；(14)關(guān)閉針閥12、20、26，利用壓力傳感器22采集初始?jí)毫O，利用壓力傳感器22采集η個(gè)時(shí)間點(diǎn)tl tn的壓力Ρ1_Ρη，(η大于等于2)；(15) ΛΡ為η個(gè)時(shí)間點(diǎn)的壓力Pl-Pn分別與初始?jí)毫O的壓力差，如，ΔΡI=Pl-PO, ΔΡ 2=Ρ2-Ρ0、ΔΡ η=ρη-ρ0 ;將計(jì)算得到的壓降ΛΡ ΓΔΡ η與分別與時(shí)間點(diǎn)tl tn對(duì)應(yīng)作圖，得到ΛΡ與^7的曲線圖，計(jì)算所述曲線圖中直線段部分的斜率k;(16)將步驟(15)中的k帶入式①，AP = ^-= kS
r0V^r在式①中，ΛΡ為η個(gè)時(shí)間點(diǎn)的壓力Pl-Pn分別與初始?jí)毫O的壓力差，如，ΔΡ I=Pl-PO, ΔΡ 2=Ρ2-Ρ0、ΔΡ n=Pn_P0 W00—時(shí)間趨近于無(wú)窮時(shí)二氧化碳擴(kuò)散進(jìn)入裝填樣品巖石中的量，mol ;Z—壓縮因子由實(shí)驗(yàn)的壓力和溫度確定；R—通用氣體常數(shù)，8. 314Pa · m3 · Γ1 · moF1 ;T一實(shí)驗(yàn)溫度，K ;Deff—二氧化碳擴(kuò)散系數(shù)Jtl一裝填樣品巖石的橫截面半徑，m ;V—巖樣與擴(kuò)散筒之間的環(huán)空體積，m3 ;t—時(shí)間點(diǎn)，包括tl tn ;k — ΛΡ與t1/2所形成直線段部分的斜率；
由式①得
權(quán)利要求
1.一種測(cè)量二氧化碳在巖石中擴(kuò)散系數(shù)的裝置，其特征在于，其包括裝置外殼(4)，在所述裝置外殼(4)內(nèi)垂直并排設(shè)置有氣體罐(5)、擴(kuò)散筒(6)和流體罐(9);在裝置外殼(4)外部設(shè)置有氣體管道和液體管道，所述氣體管道的入口通過(guò)增壓泵(32)與二氧化碳?xì)馄?3)相連，在所述氣體管道上串聯(lián)設(shè)置有四通閥(30)，所述四通閥(30)的出氣口分別與四通閥(25)、氣體罐(5)和壓力傳感器(28)相連；所述液體管道的入口與配樣罐(15)相連，在所述液體管道上串聯(lián)設(shè)置有四通閥(19)，所述四通閥(19)的出液口分別與四通閥(25)、流體罐(9)和壓力傳感器(18)相連； 在氣體罐(5)的上部、擴(kuò)散筒(6)的上部和流體罐(9)的上部分別設(shè)置有溫度傳感器，所述氣體罐(5)的底部通過(guò)針閥(2)與平流泵(I)相連，所述擴(kuò)散筒￠)的底部通過(guò)針閥(12)與回壓閥(13)相連，所述流體罐(9)的底部通過(guò)針閥(10)與平流泵(11)相連；所述四通閥(25)通過(guò)三通閥(23)與壓力傳感器(22)相連，所述三通閥(23)通過(guò)針閥(24)與分子泵(27)相連；所述的氣體罐(5)內(nèi)的軸向上設(shè)置有活塞；在流體罐(9)內(nèi)的軸向上設(shè)置有活塞；在所述的氣體罐(5)、流體罐(9)和擴(kuò)散筒￠)中設(shè)置有加熱器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測(cè)量二氧化碳在巖石中擴(kuò)散系數(shù)的裝置，其特征在于，在所述的測(cè)量二氧化碳在巖石中擴(kuò)散系數(shù)的裝置還包括計(jì)算機(jī)，所述的平流泵、針閥、回壓閥(13)、配樣罐(15)、溫度傳感器、壓力傳感器、四通閥、三通閥、分子泵(27)、增壓泵(32)和加熱器分別與計(jì)算機(jī)相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種測(cè)量二氧化碳在巖石中擴(kuò)散系數(shù)的裝置，其特征在于，所述裝置外殼上設(shè)置有控制面板，控制面板上包括氣體罐壓力顯示器、流體罐壓力顯示器、擴(kuò)散筒壓力顯示器、溫控面板、總電源開關(guān)、加熱源開關(guān)和計(jì)算機(jī)控制開關(guān)；所述溫控面板用于設(shè)置加熱器的加熱溫度，壓力顯示器與各壓力傳感器相連，動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各個(gè)罐體內(nèi)的壓力變化，計(jì)算機(jī)控制開關(guān)用于控制與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集的連接，計(jì)算機(jī)控制開關(guān)處于打開狀態(tài)時(shí)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集各壓力傳感器及溫度傳感器數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測(cè)量二氧化碳在巖石中擴(kuò)散系數(shù)的裝置，其特征在于，在所述擴(kuò)散筒內(nèi)頂部和底部設(shè)置有一對(duì)固定卡環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種測(cè)量二氧化碳在巖石中擴(kuò)散系數(shù)的裝置，其特征在于，在所述的配樣罐內(nèi)安裝有攪拌器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量二氧化碳在巖石中擴(kuò)散系數(shù)的裝置，其包括裝置外殼，在所述裝置外殼內(nèi)垂直并排設(shè)置有氣體罐、擴(kuò)散筒和流體罐；在裝置外殼外部設(shè)置有氣體管道和液體管道，所述氣體管道的入口通過(guò)增壓泵與二氧化碳?xì)馄肯噙B，在所述氣體管道上串聯(lián)設(shè)置有四通閥，所述四通閥的出氣口分別與四通閥、氣體罐和壓力傳感器相連；所述液體管道的入口與配樣罐相連，在所述液體管道上串聯(lián)設(shè)置有四通閥，所述四通閥的出液口分別與四通閥、流體罐和壓力傳感器相連。本發(fā)明從根本上取消了氣室，消除了取樣對(duì)氣體壓力造成的影響，并且將抽真空、飽和地層流體及氣體擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定一體化，從而徹底消除了抽真空過(guò)程中對(duì)巖石中飽和流體的影響。
文檔編號(hào)G01N13/00GK102735592SQ20121022310
公開日2012年10月17日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者呂廣忠, 張超, 李兆敏, 李賓飛, 李松巖, 王舒華 申請(qǐng)人:中國(guó)石油大學(xué)(華東)