本發(fā)明涉及一種測量co2在油水兩相間擴散過程及擴散系數的方法，屬于油氣田開發(fā)工程的技術領域。

背景技術：

近年來，全球石油需求迅速增長，油氣勘探開發(fā)對象日趨復雜，儲量品味越來越差。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)的重要對象。在非常規(guī)油藏的眾多開發(fā)方式中，注co2開采技術由于其經濟高效且符合當下減少溫室氣體排放的要求而被廣泛應用。

注co2開采技術主要包括co2驅、co2吞吐以及co2水氣交替驅等。在這些技術應用的過程中，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行擴散傳質。co2的擴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。對于co2在三相體系中的擴散作用進行研究，有助于預測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現(xiàn)高效開采。因此，測量co2在油水兩相間的擴散過程以及擴散系數對于應用co2技術高效開發(fā)油藏意義重大。

目前，測定co2在油相或水相中的擴散系數的方法多為改進的壓力降落法，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定擴散過程中的壓力變化，不需要直接測定擴散過程中的濃度，測量快捷方便，從而被廣泛應用。然而，此種方法只能用作測定co2向單液相擴散時的擴散系數，不適用于測定co2向兩相間擴散時的擴散系數，如果將此種方法用于測定co2在油水兩相間的擴散過程時，co2在單位時間內擴散進入另一液相的物質的量較小，導致壓力降較小，常規(guī)壓力計難以準確捕捉，測定過程持續(xù)時間較長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，導致實驗過程中測得的壓力出現(xiàn)劇烈波動，使得壓力曲線難以準確獲得。

中國專利文獻cn104237079a公開了一種測量co2在水中擴散系數的實驗方法和裝置。實驗裝置采用固定擴散距離，主要包括數據采集系統(tǒng)、恒溫加熱系統(tǒng)、ph計探頭、擴散釜、壓力傳感器、溫度探頭等，ph計探頭安裝在擴散釜的下端蓋，壓力傳感器安裝在上端蓋，溫度探頭一端連接擴散釜外的加熱線圈，另一端與恒溫加熱系統(tǒng)連接。在擴散釜中進行實驗時，擴散釜安裝在軸承上，旋轉擴散釜模擬傾斜地層，根據理想氣體狀態(tài)方程利用壓力來計算co2的初始濃度，根據數據采集系統(tǒng)采集的ph值計算co2的水解量，繪制co2的水解量與時間平方根的擬合曲線，得到斜率k，根據計算模型求得擴散系數d，該裝置及方法只是測定co2在水中擴散系數，無法測定在油水兩相間擴散系數。

中國專利文獻cn104502236a公開了一種測量co2從水相向油相擴散過程中擴散系數和平衡濃度的方法。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，根據改進的pvt壓降法，通過測定co2向飽和碳酸水擴散造成的壓力變化，結合壓降公式即可求出co2從水相向油相擴散時的擴散系數以及平衡后co2在原油中的平衡濃度。該方法僅能夠通過實驗測定co2從水相向油相擴散過程中的壓力變化，但實驗獲得的壓降曲線波動較大，給后續(xù)實驗結果的處理帶來了極大的誤差，且測量過程復雜。

因此，如何利用簡單快捷的方法測試co2在油水兩相間擴散過程及擴散系數成為目前有待解決的技術問題。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術不足，本發(fā)明提供一種測量co2在油水兩相間擴散過程及擴散系數的方法。

發(fā)明概述：

本發(fā)明的測量方法將廣泛應用的單液相壓力降落法與本發(fā)明的雙液相擴展?jié)舛确植寄Ｐ拖嘟Y合，根據壓力降落法分別測定的co2向單液相中的擴散系數，通過擴展?jié)舛确植寄Ｐ涂梢灾苯拥玫絚o2在兩個液相中的濃度分布，進而求得co2在油水兩相間的擴散系數。該方法避免了直接測量co2向雙液相擴散時的壓力，提高了后續(xù)實驗數據處理時的計算精度；同時，該方法更加符合高溫高壓下的擴散特征，避免了在雙液相擴散壓力降較小的條件下存在壓力大幅波動的問題，使得計算結果更加符合高溫高壓下擴散的實際情況。

本發(fā)明的技術方案如下：

一種測量co2在油水兩相間擴散過程及擴散系數的方法，包括步驟如下：

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

(2)根據菲克定律，采用式②測試出擴散系數d為常數的一維擴散的濃度分布規(guī)律：

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

(3)將濃度c對x進行積分，并設定根據式③得到擴散進入液相的總物質的量為：

(4)將式③變換為常數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)標準誤差函數為式

采用標準誤差函數將式表示，得到式

式中，c0為實驗條件下co2在當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時刻的濃度分布對于x進行積分，根據式⑦得到t時刻擴散進入兩種液相中co2總物質的量n：

(8)由狀態(tài)方程得到式⑧：

式⑧中，p1為擴散初始壓力，pa；p2為擴散進行至t時刻時的壓力，pa；v為氣體體積，m³；z1為初始狀態(tài)氣體壓縮系數；z2為終止狀態(tài)氣體壓縮系數；n1為擴散初始物質的量，mol；n為擴散進入兩個液相的物質的量，mol；r為通用氣體常數，pa*m³/(mol*k)；t為開氏溫度，k；不考慮擴散過程中液相體積膨脹的影響；

進而得到式⑨：

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

根據本發(fā)明優(yōu)選的，co2向水相的擴散系數d1按如下步驟測定得到：

(a)測定擴散容器的橫截面面積a及擴散容器的容積v1，對擴散容器進行清洗烘干并抽真空；

(b)將co2充滿擴散容器并升壓至實驗壓力p1，擴散容器外接回壓，回壓與實驗壓力p1相等；

(c)將溫度為t的純水以15～25ml/min的速度從擴散容器下部注入，記錄注入的純水體積v2，注入過程連通回壓，以保持擴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，封閉擴散容器，利用壓力采集系統(tǒng)記錄擴散容器內的壓力變化，直至30min內壓力的下降幅度不超過1kpa；

(e)把采集的壓力pt-時間t關系數據與平衡壓力peq進行處理，轉換為壓差對數ln(pt-peq)-時間t曲線進行線性擬合，計算得到co2向水相的擴散系數d1：

式①中，k為壓差對數-時間線性擬合曲線的斜率；d1為co2向水相中擴散的擴散系數，m²/s。

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

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

根據本發(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)點在于：

1、本發(fā)明的方法能夠根據壓力降落法測定的co2在單液相中的擴散系數，通過擴展?jié)舛确植寄Ｐ陀嬎愕玫絚o2在油水兩相間擴散的擴散系數，有效地解決了co2在油水兩相間擴散系數計算方法缺失的問題。并且在co2向雙液相擴散壓力降較小的條件下，避免了壓力測定結果存在大幅波動帶來的誤差，提高了后續(xù)實驗數據處理時的計算精度。

2、本發(fā)明的方法根據壓力降落法分別測定的co2向單液相中的擴散系數，通過擴展?jié)舛确植寄Ｐ涂梢灾苯拥玫絚o2在兩個液相中的濃度分布，進而求得co2在油水兩相間的擴散系數。該方法避免了直接測量co2向雙液相擴散時的壓力，提高了后續(xù)實驗數據處理時的計算精度；同時，該方法更加符合高溫高壓下的擴散特征，避免了在雙液相擴散壓力降較小的條件下存在壓力大幅波動的問題，使得計算結果更加符合高溫高壓下擴散的實際情況。

附圖說明

圖1是co2向水相擴散過程中壓差對數-時間關系曲線及擬合曲線；

圖2是co2向油相擴散過程中壓差對數-時間關系曲線及擬合曲線；

圖3是co2在雙液相中擴展?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通過油相向水相擴散過程中壓力-時間關系曲線及擬合曲線。

具體實施方式

下面結合實施例和說明書附圖對本發(fā)明做進一步的說明，但不限于此。

實施例1

一種預測co2通過油相向水相擴散過程及擴散系數的方法，實施步驟如下：

(1)測定擴散容器的橫截面面積為20cm²及擴散容器的容積v1為250ml，對擴散容器進行清洗烘干并抽真空；

(2)將co2充滿擴散容器并升高壓力至實驗壓力14.60mpa，擴散容器外接回壓，回壓與實驗壓力相等；

(3)將92ml溫度為323.15k的純水以20ml/min的速度從擴散容器下部注入，注入過程連通回壓，以保持擴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，封閉擴散容器，利用壓力采集系統(tǒng)記錄擴散容器內的壓力變化直至30min內壓力的下降幅度不超過1kpa，實驗結束；

(5)把采集的壓力pt-時間t關系數據與平衡壓力peq進行處理，轉換為壓差對數ln(pt-peq)-時間t曲線進行線性擬合，如圖1所示，計算得到co2向水相的擴散系數d1：

式①中，k為壓差對數-時間曲線的斜率；d1為co2向水相中擴散的擴散系數，m²/s。

(6)重復步驟(1)-步驟(5)，測定壓差對數-時間進行線性擬合，如圖2所示，計算co2向油相的擴散系數

(7)對于擴散系數d為常數的一維擴散，根據菲克定律，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為擴散時間，s；a為物質的量確定的常數；x為到液相表面的距離，m。

(8)將濃度c對x進行積分，并設定可以得到擴散進入液相的總物質的量為：

(9)將式③變換為常數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)標準誤差函數為式

采用標準誤差函數將式表示，得到式

式中，c0為實驗條件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時刻的濃度分布對于x進行積分，可以得到t時刻在水相及油相中擴散的總物質的量：

(13)由狀態(tài)方程可得：

可以得出：

其中，p1為擴散初始壓力1.46*10⁷pa；p2為擴散進行至t時刻時的壓力；v為氣體體積，8.6*10^-5m³；z1為初始狀態(tài)氣體壓縮系數，為0.3486；z2為終止狀態(tài)氣體壓縮系數，為0.3431；n為擴散進入液相的物質的量，2.2081mol；r為通用氣體常數，8.314pa*m³/(mol*k)；t為開氏溫度，323.15k；不考慮擴散過程中液相體積膨脹的影響。

(14)根據式⑨可以求出不同擴散時間t下的壓力p2，獲得壓力p2隨時間t的變化曲線后根據擬合式擬合參數k1，如圖4所示，根據擬合參數k1計算擴散系數

實施例2

一種測量co2在油水兩相間擴散過程及擴散系數的方法，同實施例1所示，不同之處在于：

將擴散容器中的油相與水相位置互換，擴散過程為co2通過水相向油相的擴散，也可以采用該方法測量得到擴散系數。