专利名称：一种测量二氧化碳在岩石中扩散系数的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量二氧化碳在岩石中扩散系数的装置，属于石油化工的技术领域。
背景技术：
二氧化碳作为主要的温室气体，其减排问题已经是当今世界的热点问题。科学家们研究表明，实现二氧化碳减排的有效方法是地质埋存，然而在进行二氧化碳地质埋存时，其地质埋存场所的选择显得尤为重要。这是因为现场操作机构、环境监管机构以及公众都希望在进行二氧化碳地质埋存时能确保其埋存安全性，确保二氧化碳在地下不会超越预定的边界，不会再次渗漏到大气中。因此，在进行二氧化碳地质埋存之前对其埋存场所进行安全性评估显得尤为重要。二氧化碳在地下埋存时，时刻处于动态的扩散状态，直至达到平衡。为了评估埋存场所安全性需要测定二氧化碳在岩石中的扩散系数。目前常见的测定气体在岩石中扩散系数的装置，其原理大多基于测定气体在岩石样品两端浓度的变化进而计算出气体在岩石中的扩散系数。这类方法需要通过对岩石两端气室进行实时取样，然后对各时间点气体样品进行气相色谱分析，从而计算出岩石两端气体浓度的变化，这样就会在取样瞬间对岩石两端气室压力带来影响，从而影响测量精度。并且由于需要在岩石两端设置两个气室，导致需 要测定气体在饱和地层流体的岩石中扩散系数时，将会使饱和的地层流体在抽真空过程中损失，影响了实验与地层真实条件的同一性。
发明内容
发明概述针对以上的技术不足，本发明公开一种测量二氧化碳在岩石中扩散系数的装置。本发明不再通过测量二氧化碳的浓度来测量二氧化碳在岩石中扩散系数，而是通过测定二氧化碳气体压力的变化获取二氧化碳在岩石中扩散系数通过校正的二氧化碳气体状态方程换算出其浓度的变化，进而测定出二氧化碳气体在岩石中的扩散系数。本发明从根本上取消了气室，消除了取样对气体压力造成的影响，并且将抽真空、饱和地层流体及气体扩散系数的测定一体化，从而彻底消除了抽真空过程中对岩石中饱和流体的影响。术语解释饱和流体处理是指通过抽真空将扩散筒中装填样品岩石内部细小孔隙中的空气全部吸出，然后利用平流泵将实验流体驱替入扩散筒中，继续注入实验流体会产生一个憋压，通当压力憋到IOMPa时，使得扩散筒中的实验流体在高压下被压入装填样品岩石的孔隙中，实现了装填样品岩石的孔隙中全部饱和上实验流体。发明详述本发明的技术方案如下一种测量二氧化碳在岩石中扩散系数的装置，其包括装置外壳4，在所述装置外壳4内垂直并排设置有气体罐5、扩散筒6和流体罐9 ;在装置外壳4外部设置有气体管道和液体管道，所述气体管道的入口通过增压泵32与二氧化碳气瓶3相连，在所述气体管道上串联设置有四通阀30，所述四通阀30的出气口分别与四通阀25、气体罐5和压力传感器28相连；所述液体管道的入口与配样罐15相连，在所述液体管道上串联设置有四通阀19，所述四通阀19的出液口分别与四通阀25、流体罐9和压力传感器18相连；所述气体罐5用于盛装实验压力及温度下的二氧化碳气体；所述流体罐用于盛装实验压力及温度下的地层孔隙流体或模拟地层流体；在气体罐5的上部、扩散筒6的上部和流体罐9的上部分别设置有温度传感器，所述气体罐5的底部通过针阀2与平流泵I相连，所述扩散筒6的底部通过针阀12与回压阀13相连，所述流体罐9的底部通过针阀10与平流泵11相连；所述四通阀25通过三通阀23与压力传感器22相连，所述三通阀23通过针阀24与分子泵27相连； 所述的气体罐5内的轴向上设置有活塞；在流体罐9内的轴向上设置有活塞；在所述的气体罐5、流体罐9和扩散筒6中设置有加热器。所述的加热器为气体罐5、流体罐9和扩散筒6提供加热及保温功能。根据本发明优选的，在所述的测量二氧化碳在岩石中扩散系数的装置还包括计算机，所述的平流泵、针阀、回压阀13、配样罐15、温度传感器、压力传感器、四通阀、三通阀、分子泵27、增压泵32和加热器分别与计算机相连。由计算机采集上述部件的工作参数、同时控制上述部件的正常工作。根据本发明优选的，所述装置外壳上设置有控制面板，控制面板上包括气体罐压力显示器、流体罐压力显示器、扩散筒压力显示器、温控面板、总电源开关、加热源开关和计算机控制开关；所述温控面板用于设置加热器的加热温度，压力显示器与各压力传感器相连，动态显示实验过程中各个罐体内的压力变化，计算机控制开关用于控制与计算机数据采集的连接，计算机控制开关处于打开状态时，计算机能够实时采集各压力传感器及温度传感器数据。操作人员可以通过所述的控制面板直观的设定基本的实验参数，并读取相关的温度和压力数值。本发明中的压力传感器，用于实时监控各罐体内压力，并传输给控制面板及计算机；所述温度传感器，用于实时监控各罐体内温度，并传输给控制面板及计算机；所述三通阀、四通阀、针阀、回压阀，用于连接管路及控制管路开关。根据本发明优选的，在所述扩散筒内顶部和底部设置有一对固定卡环。所述的扩散筒用于装填岩石样品，所设置的固定卡环用于固定岩石样品。根据本发明优选的，在所述的配样罐内安装有搅拌器。所述的配样罐用于盛装现场提供的地层孔隙流体或根据实际地层孔隙流体配置模拟流体。本发明采用3种动力供给装置，分别为平流泵、增压泵和分子泵，平流泵I与二氧化碳气瓶相连，用于将气体罐5中的二氧化碳驱替入扩散筒6中，平流泵14与配样罐15相连，用于将流体罐9中的实验流体驱替入扩散筒6中，增压泵32接于二氧化碳气瓶3之后，用于将二氧化碳气瓶3中二氧化碳气体输送至气体罐5中，增压至实验要求压力，分子泵27用于对扩散筒6及内部所装填岩石样品抽真空。一种上述测量二氧化碳在岩石中扩散系数的装置的工作方法，包括步骤如下(I)利用加热器分别将气体罐5、流体罐9和扩散筒6烘干；
(2)利用平流泵I和平流泵11分别将气体罐5及流体罐9的活塞上部空间排空待用；(3)将取样圆柱岩心或人造圆柱岩心作为装填样品岩石，将所述的装填样品岩石烘干，用密封胶将装填样品岩石上下两端面密封后装入扩散筒6中，利用扩散筒6中的上下固定卡环8将装填样品岩石竖直固定放置；( 4 )检验整个装置的气密性；(5)通过增压泵32将二氧化碳气瓶3中的二氧化碳输送至气体罐5中，增压至要模拟地层压力，待用； (6)将实验流体装入配样罐15中，待用；所述的实验流体为地层孔隙流体或模拟地层流体，所述模拟地层流体是通过先前勘探所得地层孔隙流体数据在配样罐15中配置得到的、与地层孔隙流体性质相同的模拟流体；(7)利用平流泵14将配样罐15中的实验流体泵入流体罐9中，并利用平流泵11将流体罐9中的实验流体加压至要模拟地层压力；(8)利用分子泵27将扩散筒6抽真空；(9)利用加热器分别对气体罐5、流体罐9、扩散筒6进行加热，恒温至要模拟地层压力，待用；(10)利用平流泵11将流体罐9中实验流体泵入扩散筒6中,然后利用平流泵11将扩散筒6中压力加压至lOMPa，对填装岩石样品进行饱和流体处理；(11)继续利用平流泵11通过流体罐9对扩散筒6内部实验流体进行加压操作，力口压至要模拟地层压力；(12)调整回压阀13的设定压力，所述的设定压力较扩散筒内部压力小O. IMPa ；(13)利用平流泵I将气体罐5中二氧化碳泵入扩散筒6中，由于回压阀13的作用，排空扩散筒6中的实验流体；(14)关闭针阀12、20、26，利用压力传感器22采集初始压力PO，利用压力传感器22采集η个时间点tl tn的压力Ρ1_Ρη，(η大于等于2)；(15) ΛΡ为η个时间点的压力Pl-Pn分别与初始压力PO的压力差，如，ΔΡI=Pl-PO, ΔΡ 2=Ρ2-Ρ0、ΔΡ η=ρη-ρ0 ;将计算得到的压降ΛΡ ΓΔΡ η与分别与时间点tl tn对应作图，得到ΛΡ与^7的曲线图，计算所述曲线图中直线段部分的斜率k;(16)将步骤(15)中的k带入式①，AP = ^-= kS
r0V^r在式①中，ΛΡ为η个时间点的压力Pl-Pn分别与初始压力PO的压力差，如，ΔΡ I=Pl-PO, ΔΡ 2=Ρ2-Ρ0、ΔΡ n=Pn_P0 W00—时间趋近于无穷时二氧化碳扩散进入装填样品岩石中的量，mol ;Z—压缩因子由实验的压力和温度确定；R—通用气体常数，8. 314Pa · m3 · Γ1 · moF1 ;T一实验温度，K ;Deff—二氧化碳扩散系数Jtl一装填样品岩石的横截面半径，m ;V—岩样与扩散筒之间的环空体积，m3 ;t—时间点，包括tl tn ;k — ΛΡ与t1/2所形成直线段部分的斜率；
由式①得
权利要求
1.一种测量二氧化碳在岩石中扩散系数的装置，其特征在于，其包括装置外壳(4)，在所述装置外壳(4)内垂直并排设置有气体罐(5)、扩散筒(6)和流体罐(9);在装置外壳(4)外部设置有气体管道和液体管道，所述气体管道的入口通过增压泵(32)与二氧化碳气瓶(3)相连，在所述气体管道上串联设置有四通阀(30)，所述四通阀(30)的出气口分别与四通阀(25)、气体罐(5)和压力传感器(28)相连；所述液体管道的入口与配样罐(15)相连，在所述液体管道上串联设置有四通阀(19)，所述四通阀(19)的出液口分别与四通阀(25)、流体罐(9)和压力传感器(18)相连； 在气体罐(5)的上部、扩散筒(6)的上部和流体罐(9)的上部分别设置有温度传感器，所述气体罐(5)的底部通过针阀(2)与平流泵(I)相连，所述扩散筒￠)的底部通过针阀(12)与回压阀(13)相连，所述流体罐(9)的底部通过针阀(10)与平流泵(11)相连；所述四通阀(25)通过三通阀(23)与压力传感器(22)相连，所述三通阀(23)通过针阀(24)与分子泵(27)相连；所述的气体罐(5)内的轴向上设置有活塞；在流体罐(9)内的轴向上设置有活塞；在所述的气体罐(5)、流体罐(9)和扩散筒￠)中设置有加热器。
2.根据权利要求I所述的一种测量二氧化碳在岩石中扩散系数的装置，其特征在于，在所述的测量二氧化碳在岩石中扩散系数的装置还包括计算机，所述的平流泵、针阀、回压阀(13)、配样罐(15)、温度传感器、压力传感器、四通阀、三通阀、分子泵(27)、增压泵(32)和加热器分别与计算机相连。
3.根据权利要求2所述的一种测量二氧化碳在岩石中扩散系数的装置，其特征在于，所述装置外壳上设置有控制面板，控制面板上包括气体罐压力显示器、流体罐压力显示器、扩散筒压力显示器、温控面板、总电源开关、加热源开关和计算机控制开关；所述温控面板用于设置加热器的加热温度，压力显示器与各压力传感器相连，动态显示实验过程中各个罐体内的压力变化，计算机控制开关用于控制与计算机数据采集的连接，计算机控制开关处于打开状态时，计算机实时采集各压力传感器及温度传感器数据。
4.根据权利要求I所述的一种测量二氧化碳在岩石中扩散系数的装置，其特征在于，在所述扩散筒内顶部和底部设置有一对固定卡环。
5.根据权利要求I所述的一种测量二氧化碳在岩石中扩散系数的装置，其特征在于，在所述的配样罐内安装有搅拌器。
全文摘要
本发明涉及一种测量二氧化碳在岩石中扩散系数的装置，其包括装置外壳，在所述装置外壳内垂直并排设置有气体罐、扩散筒和流体罐；在装置外壳外部设置有气体管道和液体管道，所述气体管道的入口通过增压泵与二氧化碳气瓶相连，在所述气体管道上串联设置有四通阀，所述四通阀的出气口分别与四通阀、气体罐和压力传感器相连；所述液体管道的入口与配样罐相连，在所述液体管道上串联设置有四通阀，所述四通阀的出液口分别与四通阀、流体罐和压力传感器相连。本发明从根本上取消了气室，消除了取样对气体压力造成的影响，并且将抽真空、饱和地层流体及气体扩散系数的测定一体化，从而彻底消除了抽真空过程中对岩石中饱和流体的影响。
文档编号G01N13/00GK102735592SQ20121022310
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者吕广忠, 张超, 李兆敏, 李宾飞, 李松岩, 王舒华 申请人:中国石油大学(华东)