专利名称：高温高压多组分油气体系分子扩散系数的测试装置及方法
技术领域：
本发明涉及石油行业油气相态研究领域中针对高温高压条件下多组分油气体系 分子扩散系数的测试装置及方法。
背景技术：
注气提高采收率是石油行业提高采收率的重要技术手段。在多孔介质中，当注入 气与原油相接触时，两者间将发生质量传递，使流体相组成或相态发生变化。粘滞力、毛管 力、重力和分子扩散等因素的共同作用下，注入气驱动油气过渡带及原油在多孔介质中发 生流动。分子扩散系数对注气效果的影响已得到国内外学者的认同，在注气开发裂缝性油 藏的过程中，分子扩散作用被认为是一种非常重要的机理。尤其对于基质岩块尺寸小、渗透 率低、毛管压力高的裂缝性储层，气油密度差引起重力驱油作用受到限制，此时，分子扩散 作用占主导地位。实际计算表明裂缝与基岩之间的分子扩散作用有效地增加了基岩原油的 采出程度，且气体扩散能力越强，增油量越大。因此合理分子扩散系数的确定对于准确评价 气驱效率具有重要的意义。分子扩散系数值的确定，主要有两大类方法，即实验测定法和理论估算法。理论 估算法主要包括一些理论公式和经验关联式，比如Fick扩散定律及Chapman-Enskog公式 等。实验测试方法根据实验原理不同分为驱替法、定容测试方法及“悬滴法”，代表性成果 是1996年Riazi，M.R. (SPEJ)建立的定容扩散实验测试方法，该定容测试法的基本原理是 假设在一密闭的体积恒定的容器中，若气相与油相发生相间扩散传质则会导致系统压力降 低，因此通过监测系统压力变化，可定量确定组分分子扩散系数。目前有关分子扩散系数的测试方法，主要存在以下不足(1)理论估算方法仅适用于单组份或三组份油气分子扩散系数计算；(2)实验测试方法只适合于单组份烷烃体系；(3)实验测试精度及温度、压力条件达不到油田实际注气要求；(4)无法测试扩散过程中组分浓度剖面。
发明内容
本发明的目的在于提供高温高压多组分油气体系分子扩散系数的测试装置，该装 置原理可靠，结构简单，操作方便。本发明的另一目的在于提供利用该装置测试高温高压多组分油气体系分子扩散 系数的方法，使用该方法能够确定不同油藏温度压力条件下，多组分注入气体与实际原油 体系中每一组分在气相、油相中分子扩散系数，为定量评价分子扩散效应对注气提高采收 率的影响提供合理的基础数据。 为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。 本发明的具体原理是通过测试系统压力变化来确定分子扩散系数，通过测试不同 位置流体组成，不仅可得到浓度剖面，而且可检验油相与气相之间扩散是否达到平衡。本发明分子扩散系数的测试装置主要有压力控制系统、扩散过程系统及辅助分析计量系统，压 力控制系统有入口泵、出口泵，扩散过程系统包括存储流体样品的中间容器、PVT筒等，辅助 分析计量系统用于分析测试流体组成及性质。通过压力控制系统先后把油相、气相流体样 品转入PVT筒中，油相及气相一接触即发生扩散，通过压力控制系统监测扩散过程中压力 变化特征，通过PVT筒观测扩散过程中油气界面变化，PVT筒中的油气进入两相分离器后， 气体体积流量计、液相密度分析仪及色谱分析仪，用于分析测试流体组成和性质的变化。高温高压多组分油气体系分子扩散系数的测试装置，主要由入口泵、出口泵、中间 容器、PVT筒、油气两相分离器、气体体积流量计、液相密度分析仪、色谱分析仪组成，其特 征在于，所述中间容器包括气样中间容器和油样中间容器，其一端连有入口泵，另一端连有 PVT筒，中间容器和PVT筒均位于恒温箱中，所述PVT筒连有油气两相分离器，该分离器连有 气体体积流量计和液相密度分析仪，所述气体体积流量计和液相密度分析仪分别与色谱分 析仪相连，所述PVT筒另一端又与出口泵相连。高温高压多组分油气体系分子扩散系数的测试方法，依次包括以下步骤(1)流体及PVT筒加温、升压常温条件下将气样、油样分别转入气样中间容器和油样中间容器，将恒温箱中的 中间容器和PVT筒加温到所需温度，将入口泵、出口泵设定到所需压力，读取PVT筒活塞初 始高度hi。(2)油样转样打开油样中间容器与PVT筒的连接阀门，设定入口泵为进泵模式、出口泵为退泵 模式，入口泵与出口泵设定速度相同，速度尽可能小；然后同时打开入口泵及出口泵，转入 一定体积油样；待油样稳定后再次读取活塞高度h2，Ill与h2高度差即为转入油样体积。(3)气样转样关闭油样中间容器阀门，打开气样中间容器与PVT筒的连接阀门，采用与油样同 样的方式，转入一定体积的气样，注入气样同样保持尽可能低的速度，避免速度过快引起对 流扩散，读取活塞高度h3及油气界面高度h4，h2与h3两者之差即为转入气样体积。(4)扩散测试关闭入口泵，开始扩散测试，记录时间、压力及液面位置变化，当PVT筒中压力不 再发生变化，即认为气-油已经达到扩散平衡，记录平衡时压力及活塞高度、气油界面高度。(5)浓度剖面测试设定出口泵为进泵模式，入口泵为退泵模式，两者速度相等，速度尽可能小。同时 打开两泵，从PVT筒上部转出一定高度气样，测试其气油比及组成，然后继续转出气样，测 试下一高度气样组成及气油比，直至气样完全转出，同时测试油气界面附近气样流体性质， 采用同样的方式，测试油相部分组成及性质随高度的变化。(6)求得油气体系分子扩散系数采用Riazi，Μ. R.建立的扩散系数计算模型拟合扩散过程中压力变化，从而得到 气相、液相每个组分的分子扩散系数。与现有技术相比，本发明可测试高温高压条件下多组分油气体系分子扩散系数及 浓度剖面，原理可靠；并通过界面附近油气平衡性检验可验证油、气扩散是否达到平衡，可
4有效保证测试的精度。
图1是本发明油气体系分子扩散系数测试装置的结构示意图。图2是CO2在液相中分子的扩散系数图(实验起始压力20MPa、60°C )图中1.入口泵；2.出口泵；3.气样中间容器；4.油样中间容器；5.恒温箱；6. PVT筒； 7.油气两相分离器；8.气体体积流量计；9.色谱分析仪；10.液相密度分析仪。
具体实施例方式下面结合附图和实施例进一步说明本发明。参看图1。高温高压多组分油气体系分子扩散系数的测试装置，主要由入口泵1、 出口泵2、中间容器、PVT筒6、油气两相分离器7、气体体积流量计8、液相密度分析仪10、色 谱分析仪9组成，其特征在于，所述中间容器包括气样中间容器3和油样中间容器4，其一端 连有入口泵1，另一端连有PVT筒6，中间容器和PVT筒均位于恒温箱5中，所述PVT筒连有 油气两相分离器7，该分离器连有气体体积流量计8和液相密度分析仪10，所述气体体积流 量计和液相密度分析仪分别与色谱分析仪9相连，所述PVT筒另一端又与出口泵2相连。所述PVT筒由耐高温、耐高压材料组成，由活塞分为上下两部分，活塞下部为传压 介质，活塞上部为扩散流体样品。在本发明中，入口泵及出口泵分别与中间容器、PVT筒连接，连接处由阀门控制，泵 的精度必须达到0. lpsi，且可实现自动控制。恒温箱工作温度控温精度达到0. 1°C。PVT筒 式为扩散实验核心部件，采用可视化特殊玻璃材料制成，可承受压力必须达到70MPa，温度 达到200°C。分离器由带2孔柱塞锥形瓶组成，分别插入两根长度不同的管线。密度分析仪 精度达到0. OOlg/cm3，气体流量计精度为0. 1ml，色谱分析仪器最低能检度3X 10-2g/s，最 高灵敏度1 X 10-12A/mv (满刻度)。下面通过实例来说明高温高压多组分油气体系分子扩散系数的测试方法首先把恒温箱温度、样品压力升高至设定值60°C、20MPa，由于气、液密度差异较 大，首先采用平衡转样方式将20ml油相注入PVT筒中，并保持PVT筒中压力恒定，转入油样 体积约占PVT统计的1/3，转样速度0. 05ml/min ；然后把气相缓慢从PVT筒上部转入筒中， 转气样过程中为了避免对流扩散，入口泵与出口泵必须保持一致进泵、退泵速度，而且两者 速度必须足够小，一般设为泵最低速度0. 005ml/min ；当油气样总体积达到PVT筒总体积的 2/3，则停止转样。转样完成后立刻关闭所有与PVT筒连接阀门，开始记录时间及其对应的 PVT筒压力数据；当30分钟之内，PVT筒中压力变化不超过lpsi，即认为油气两相扩散达到 平衡状态，扩散过程结束。缓慢开启PVT筒上部与分离器连接阀门，并保持PVT筒中压力为平衡时刻压力 值，计量排出气量体积及液相体积，并采用色谱仪分析油、气组成，并测试液相密度；当气相 完全排除后，采用同样的方式排出液相，并分别利用油气色谱分析仪分析出油、气两相的组 成，利用密度分析仪分析液相密度。实验结束后，整理实验数据，然后采用Riazi，Μ. R. (1996)年建立的扩散系数计算模型拟合扩散过程中压力变化，从而计算气相、液相每个组分的分子扩散系数及扩散平衡 时刻油相、气相组成；为了验证计算模型的准确性，将计算组成与实验测试组成进行对比。
参看图2。图2为20MPa、60°C条件下，测试的CO2气体与国内某油田脱气原油扩散 系数，CO2与该脱气原油扩散达到平衡时间约为27. 33小时；扩散实验结束时，测试PVT筒 容器底部液相中CO2含量为66. 3558%，利用模型拟合压力变化计算PVT筒底部CO2含量为 67. 262%，计算值与实验值误差仅为1. 52%。
权利要求
1.高温高压多组分油气体系分子扩散系数的测试装置，主要由入口泵(1)、出口泵 (2)、中间容器、PVT筒(6)、油气两相分离器(7)、气体体积流量计(8)、液相密度分析仪 (10)、色谱分析仪(9)组成，其特征在于，所述中间容器包括气样中间容器(3)和油样中间 容器(4)，其一端连有入口泵(1)，另一端连有PVT筒(6)，中间容器和PVT筒均位于恒温箱 (5)中，所述PVT筒连有油气两相分离器(7)，该分离器连有气体体积流量计(8)和液相密 度分析仪(10)，所述气体体积流量计和液相密度分析仪分别与色谱分析仪(9)相连，所述 PVT筒另一端又与出口泵(2)相连。
2.利用如权利要求1所述的装置测试多组分油气体系分子扩散系数的方法，依次包括 以下步骤(1)常温下将气样、油样分别转入气样中间容器和油样中间容器，将恒温箱加温到所需 温度，将入口泵、出口泵设定到所需压力，读取PVT筒活塞初始高度Ii1 ；(2)打开油样中间容器与PVT筒的连接阀门，设定入口泵为进泵模式、出口泵为退泵 模式，入口泵与出口泵设定速度相同，同时打开入口泵及出口泵，转入油样并读取活塞高度 h2，Ii1与h2之差即为转入油样体积；(3)关闭油样中间容器阀门，打开气样中间容器与PVT筒的连接阀门，采用上步方式转 入气样，读取活塞高度h3及油气界面高度h4，h2与h3之差即为转入气样体积；(4)关闭入口泵，开始扩散测试，记录时间、压力及液面位置变化，当PVT筒中压力不再 发生变化，记录平衡时压力及活塞高度、气油界面高度；(5)设定出口泵为进泵模式，入口泵为退泵模式，两者速度相等，同时打开两泵，从PVT 筒上部转出气样，测试其不同高度的气油比及组成，同时测试油气界面附近气样流体性质， 采用同样方式测试油相部分的组成及性质；(6)采用Riazi，M.R.建立的扩散系数计算模型拟合扩散过程中压力变化，从而得到气 相、液相每个组分的分子扩散系数。
全文摘要
本发明涉及高温高压多组分油气体系分子扩散系数的测试装置及方法，该装置由入口泵1、出口泵2、中间容器、PVT筒6、油气两相分离器7、气体体积流量计8、液相密度分析仪10、色谱分析仪9组成，所述中间容器一端连有入口泵1，另一端连有PVT筒6，PVT筒连有油气两相分离器7，该分离器连有气体体积流量计8和液相密度分析仪10，所述气体体积流量计和液相密度分析仪分别与色谱分析仪9相连，所述PVT筒另一端又与出口泵2相连。该装置原理可靠，结构简单，操作方便，使用该方法能够确定不同油藏温度压力条件下，多组分注入气体与实际原油体系中每一组分在气相、油相中的分子扩散系数，为定量评价分子扩散效应对注气提高采收率的影响提供合理的基础数据。
文档编号G01N13/00GK102121891SQ20101059249
公开日2011年7月13日 申请日期2010年12月16日 优先权日2010年12月16日
发明者杜建芬, 汪周华, 郭平 申请人:西南石油大学