从水相向油相扩散过程中扩散系数的装置及其工作方法
【专利摘要】本发明涉及一种测量CO2从水相向油相扩散过程中扩散系数的装置,包括依次垂直并排连接在管道上的CO2气源、蒸馏水源、U型高温高压可视扩散装置、原油源，U型高温高压可视扩散装置内垂直设有钢体隔板，钢体隔板将U型高温高压可视扩散装置内分隔成底部相通的左侧空间及右侧空间，U型高温高压可视扩散装置内底部设有测温点、测压点、下出口，装置还包括压力采集系统、回压气罐、加热器、温度控制系统，本发明原理可靠，操作简便，克服了油气水密度差异造成的影响，将测定气液两相扩散系数的压降法应用到气体在水相、油相间扩散系数测定中，无需测定CO2浓度变化和实验平衡压力即可求出CO2从水相向油相的扩散系数。
【专利说明】-种测量co;从水相向油相扩散过程中扩散系数的装置及 其工作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种测量c〇2从水相向油相扩散过程中扩散系数的装置及其工作方 法，属于石油化工的【技术领域】。
【背景技术】
[000引 c02-水交替注入驱油技术是国内外目前应用最为普遍的c02驱油技术。该技术在 提高原油采收率方面具有很好的应用前景；同时，C02作为主要的温室气体，约占温室气体 总量的=分之二W上，C02驱油技术是实现温室气体减排的有效方法之一。因此，上述技术 W其驱油效率高、适用范围大、降低温室效应等优势，受到世界各国的广泛重视。
[000引地层温度、压力下，C0山一定比例溶于水相和油化其中C0班原油中的溶解导致 原油粘度降低、原油体积膨胀、油水界面张力降低甚至与原油达成混相，极大地提高了 0)2 驱油效率。驱替过程中，由于密度差与粘度差影响，C02优先从油层上方、高渗带W及连通孔 道通过，并容易产生气窜，未波及区域的原油不能与C02直接接触，因此C02只能通过水相向 油相扩散。此时研究C02从水相向油相的扩散系数，分析C0 2在油水相间的传质扩散规律， 对于指导C02驱提高油气采收率具有重要意义。
[0004] 中国专利文献CN102706779A公开了一种测量C〇2在岩石中扩散系数的方法。与 常规方法中通过测量CA的浓度来测量C0 2的扩散系数不同，该发明是通过测定C0 2气体压 力的变化获取C〇2在岩石中扩散系数；通过校正的C0 2气体状态方程换算出其浓度的变化， 进而测定出C〇2气体在岩石中的扩散系数。本专利的缺陷如下；该专利中测量C〇2在岩石中 扩散系数的方法是针对气液两相间的分子扩散系数而言，目前，对于C〇2在不互溶的油水两 相间的传质研究，特别是C〇2从水相向油相运移过程中扩散系数的测定，国内外还未见相关 报道，同时也没有用于测量C〇2从水相向油相运移扩散系数的相关装置。
[0005] 国内外常用的扩散系数测定方法有定容PVT直筒压降法、定压PVT直筒压降法、动 态垂滴形状分析法和玻璃毛细管接触法等。该些方法和装置都只能测定C〇2-原油体系或 C〇2-水体系的扩散系数，目前还没有研究％从水相向油相扩散系数的装置，并且由于油气 水密度差的存在，原理上直筒PVT法无法测定C〇2从水相向油相扩散过程中扩散系数。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本发明公开了一种测量c〇2从水相向油相扩散过程中扩散 系数的装置；
[0007] 本发明还公开了上述装置的工作方法；
[000引本发明中的U型高温高压可视扩散装置15分隔油、气两相，气相C02先溶解在U型 高温高压可视扩散装置15内一端和底部的水相中，再通过水相扩散到U型高温高压可视扩 散装置15另一端上部的油相中，在保持水相饱和C02前提下，通过测量U型高温高压可视 扩散装置15中C02向油相中溶解扩散造成的压力变化，结合Fick定律和质量守恒方程，最 终得到C02从水相向油相扩散过程中扩散系数。
[0009] 术语解释
[0010] 水相、油相；相是指体系中具有相同成分、相同物理化学性质的均匀物质部分，相 与相之间有明显的界面，一个相中可W含有多种组分；由于水和原油之间不互溶，存在明 显的油水界面，并且各自均可包含多种组分，因此油田上为更好区别原油和水，将水称为水 相，将原油称为油相。
[0011] 本发明的技术方案如下：
[0012] 一种测量c〇2从水相向油相扩散过程中扩散系数的装置，包括依次垂直并排连接 在管道上的C〇2气源、蒸馈水源、U型高温高压可视扩散装置15、原油源，所述U型高温高压 可视扩散装置15内垂直设有钢体隔板41，所述钢体隔板41将所述U型高温高压可视扩散 装置15内分隔成底部相通的左侧空间35及右侧空间40,所述U型高温高压可视扩散装置 15内底部设有测温点42、测压点43、下出口 46,所述C〇2气源、所述蒸馈水源分别通过管道 连通所述左侧空间35,所述原油源通过所述管道连接所述右侧空间40,所述装置还包括压 力采集系统20、回压气罐18、第一加热器13、第二加热器23、温度控制系统44,所述U型高 温高压可视扩散装置15连接所述压力采集系统20,所述下出口 46通过回压阀17连接所述 回压气罐18,所述第一加热器13内设置有所述C〇2气源及所述蒸馈水源，所述第二加热器 23内设置有所述原油源，所述U型高温高压可视扩散装置15底部设有温度控制系统44。
[0013] 所述C〇2气源为所述U型高温高压可视扩散装置15提供CO 2;所述蒸馈水源为所 述U型高温高压可视扩散装置15提供蒸馈水；所述原油源为所述U型高温高压可视扩散装 置15提供原油；所述压力采集系统20用于存储、显示所述U型高温高压可视扩散装置15 内压力、温度数据；所述第一加热器13用于对所述C〇2气源及所述蒸馈水源进行加热保温； 所述第二加热器23用于对所述原油源进行加热保温；所述回压气罐18用于为所述U型高 温高压可视扩散装置15提供回压；所述温度控制系统44用于加热所述U型高温高压可视 扩散装置15。
[0014] 根据本发明优选的，所述U型高温高压可视扩散装置15底部设有底座45,所述底 座45上设有所述温度控制系统44。
[0015] 根据本发明优选的，所述U型高温高压可视扩散装置15两侧设有承压可视玻璃36 及不诱耐蚀钢体29,通过螺栓30将所述承压可视玻璃36嵌入所述不诱耐蚀钢体29中，所 述中间压垫32、0型圈33、上压垫34密封所述承压可视玻璃36与所述不诱耐蚀钢体29之 间的环形间隙；所述不诱耐蚀钢体29耐温为150°C，耐压为32MPa ;所述中间压垫32、0型 圈33、上压垫34耐压为25MPa。
[0016] 此处设计的优势在于，通过所述承压可视玻璃36能够客观真实地观察扩散过程 的液面变化，并读取油相、气相高度。
[0017] 根据本发明优选的，所述U型高温高压可视扩散装置15上部设有旋转压盖31。 [001引此处设计的优势在于，旋转压盖31能够拆卸，方便实验结束后清洗所述U型高温 高压可视扩散装置15内部空间。
[0019] 根据本发明优选的，所述C〇2气源包括CO 2气罐7及第一平流累3,所述蒸馈水源 包括蒸馈水罐8及所述第一平流累3,所述原油源包括原油罐21及第二平流累24,所述C〇2 气罐7内的轴向上设有活塞，所述蒸馈水罐8内的轴向上设有活塞，所述原油罐21内的轴 向上设有活塞，所述C〇2气罐7下部连接针阀5,所述蒸馈水罐8下部连接针阀6,所述U型 高温高压可视扩散装置15下部连接针阀16,所述原油罐21下部连接针阀22,所述第一平 流累3通过=通阀4分别连接所述针阀5、所述针阀6,所述回压气罐18通过所述回压阀17 连接所述针阀16,所述第二平流累24通过所述针阀22连接所述原油罐21。
[0020] 所述第一平流累3用于为所述C〇2气罐7内的CO 2及所述蒸馈水罐8内的蒸馈水 累入所述U型高温高压可视扩散装置15提供动力；所述第二平流累24为所述原油罐21内 的原油累入所述U型高温高压可视扩散装置15提供动力。
[0021] 根据本发明优选的，所述装置还包括真空累1，所述真空累1上部连接针阀2,所述 C〇2气罐7上部连接针阀9,所述蒸馈水罐8上部连接针阀10,所述左侧空间35上部连接针 阀14,所述右侧空间40上部连接针阀19,所述管道上依次连接=通阀11、=通阀12,所述 =通阀11的出气口分别与所述针阀2、所述针阀9、所述=通阀12相连，所述=通阀12的 出气口分别与所述=通阀11、所述针阀10、所述针阀14相连，所述原油罐21通过所述针阀 19连接所述U型高温高压可视扩散装置15。
[0022] 所述真空累1用于实验前对所述C〇2气罐7及所述蒸馈水罐8进行真空处理。
[0023] 根据本发明优选的，所述左侧空间35上部设有备用进出口 26,所述右侧空间40上 部设有备用进出口 27,所述压力采集系统20通过=通阀分别连接所述备用进出口 26及所 述备用进出口 27。
[0024] 根据本发明优选的，所述左侧空间35上部还设有C〇2进口 25,所述右侧空间40上 部还设有原油进口 28,所述针阀14通过所述C〇2进口 25连接所述U型高温高压可视扩散 装置15,所述针阀19通过所述原油进口 28连接所述U型高温高压可视扩散装置15。
[0025] 上述装置的工作方法，具体步骤包括：
[0026] (1)检验整个装置的气密性；
[0027] (2)利用所述真空累1将所述C〇2气罐7、所述蒸馈水罐8及所述U型高温高压可 视扩散装置15抽真空；
[002引 做将C02、蒸馈水和原油分别转入所述C02气罐7、所述蒸馈水罐8和所述原油罐 21中，利用所述第一加热器13将所述C02气罐7及所述蒸馈水罐8加温至实验温度T，利用 所述第二加热器23将所述原油罐21加温至实验温度T，所述T的取值范围为25°C -90°C， 待用；
[0029] (4)利用所述温度控制系统44将所述U型高温高压可视扩散装置15加热至实验 温度T ;
[0030] (5)打开所述针阀6、所述针阀10及所述针阀14,利用所述第一平流累3将所述蒸 馈水罐8中的蒸馈水累入所述U型高温高压可视扩散装置15中，使蒸馈水充满所述U型高 温高压可视扩散装置15,并加压到预定压力P1，所述P1的取值范围为0. lMPa-25MPa ; [00引](6)调整所述回压气罐18内的压力至P2,所述P2为（P1-0. l)MPa;
[0032] (7)关闭所述针阀6及所述针阀10,打开所述针阀5、所述针阀9及所述针阀16， 接通回压，在恒压条件下，利用所述第一平流累3将所述C〇2气罐7中的CO 2送至所述U型 高温高压可视扩散装置15的所述左侧空间35中，并且C〇2没有到达所述右侧空间40,关闭 第一平流累3 ;
[0033] 由于回压P2的存在，步骤（7)中所述U型高温高压可视扩散装置15内压力保持 不变，所述回压阀17出口处有蒸馈水排出，排出的蒸馈水与步骤（7)进入所述U型高温高 压可视扩散装置15中的C〇2等体积；
[0034] (8)关闭所述针阀5、所述针阀9及所述针阀16,所述U型高温高压可视扩散装置 15封闭，利用所述压力采集系统20观察所述测压点测定的压力变化，直至30min内压力下 降幅度不超过化为止，所述U型高温高压可视扩散装置15中的流体处于动态平衡状态， 水中的C〇2达到饱和，形成饱和碳酸水，测得此时所述高温高压可视扩散装置15中的压力 即为实验初始压力P3 ;
[0035] (9)调整所述回压气罐18内的压力至P4,所述P4为（P3-0. 1)MP ;
[0036] (10)打开所述针阀16、所述针阀19及所述针阀22,接通回压，在恒压条件下，利用 第二平流累24将所述原油罐21中的原油送至所述U型高温高压可视扩散装置15的所述 右侧空间40中，并且原油没有到达所述左侧空间35,关闭第二平流累24,通过所述承压可 视玻璃36观察并记录所述右侧空间40中的原油高度Z。；
[0037] 由于回压P4的存在，步骤（10)中所述U型高温高压可视扩散装置15内压力保持 不变，所述回压阀17出口处有蒸馈水排出，排出的蒸馈水与步骤（10)送到所述U型高温高 压可视扩散装置15中的原油等体积；
[003引 （11)关闭所述针阀16、所述针阀19及所述针阀22,所述U型高温高压可视扩散装 置15封闭，利用所述压力采集系统20观察不同时刻t所述测压点测定的压力P(t)变化， 记录压力P(t)-时间t关系数据，直至30min内压力下降幅度不超过化I^a为止，测得此时 所述U型高温高压可视扩散装置15中的压力即为实验最终平衡压力P。。；
[0039] (12)把步骤（11)所述压力采集系统20记录的压力P(t)-时间t关系数据按照下 式进行非线性拟合：
[0040]
【权利要求】
1. 一种测量CO2从水相向油相扩散过程中扩散系数的装置，其特征在于，包括依次垂 直并排连接在管道上的CO2气源、蒸馏水源、U型高温高压可视扩散装置（15)、原油源，所述 U型高温高压可视扩散装置（15)内垂直设有钢体隔板（41)，所述钢体隔板（41)将所述U型 高温高压可视扩散装置（15)内分隔成底部相通的左侧空间（35)及右侧空间（40)，所述U 型高温高压可视扩散装置（15)内底部设有测温点（42)、测压点（43)、下出口（46)，所述CO2 气源、所述蒸馏水源分别通过管道连通所述左侧空间（35)，所述原油源通过所述管道连接 所述右侧空间（40)，所述装置还包括压力采集系统（20)、回压气罐（18)、第一加热器（13)、 第二加热器（23)、温度控制系统（44)，所述U型高温高压可视扩散装置（15)连接所述压力 采集系统（20)，所述下出口（46)通过回压阀（17)连接所述回压气罐（18)，所述第一加热 器（13)内设置有所述CO2气源及所述蒸馏水源，所述第二加热器（23)内设置有所述原油 源，所述U型高温高压可视扩散装置（15)底部设有温度控制系统（44)。
2. 根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述U型高温高压可视扩散装置（15)底部 设有底座（45)，所述底座（45)上设有所述温度控制系统（44)。
3. 根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述U型高温高压可视扩散装置（15)两侧 设有承压可视玻璃（36)及不锈耐蚀钢体（29)，通过螺栓（30)将所述承压可视玻璃（36)嵌 入所述不锈耐蚀钢体（29)中，所述中间压垫（32)、0型圈（33)、上压垫（34)密封所述承压 可视玻璃（36)与所述不锈耐蚀钢体（29)之间的环形间隙；所述不锈耐蚀钢体（29)耐温为 150°C，耐压为32MPa;所述中间压垫（32)、0型圈（33)、上压垫（34)耐压为25MPa。
4. 根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述U型高温高压可视扩散装置（15)上部 设有旋转压盖（31)。
5. 根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述CO2气源包括CO2气罐（7)及第一平流 泵（3)，所述蒸馏水源包括蒸馏水罐（8)及第一平流泵（3)，所述原油源包括原油罐（21)及 第二平流泵（24)，所述CO2气罐（7)内的轴向上设有活塞，所述蒸馏水罐（8)内的轴向上设 有活塞，所述原油罐（21)内的轴向上设有活塞，所述CO2气罐（7)下部连接针阀（5)，所述 蒸馏水罐（8)下部连接针阀（6)，所述U型高温高压可视扩散装置（15)下部连接针阀（16)， 所述原油罐（21)下部连接针阀（22)，所述第一平流泵（3)通过三通阀（4)分别连接所述针 阀（5)、所述针阀（6)，所述回压气罐（18)通过所述回压阀（17)连接所述针阀（16)，所述第 二平流泵（24)通过所述针阀（22)连接所述原油罐（21)。
6. 根据权利要求5所述装置，其特征在于，所述装置还包括真空泵（1)，所述真空泵（1) 上部连接针阀（2)，所述CO2气罐（7)上部连接针阀（9)，所述蒸馏水罐（8)上部连接针阀 (10)，所述左侧空间（35)上部连接针阀（14)，所述右侧空间（40)上部连接针阀（19)，所述 管道上依次连接三通阀（11)、三通阀（12)，所述三通阀（11)的出气口分别与所述针阀（2)、 所述针阀（9)、所述三通阀（12)相连，所述三通阀（12)的出气口分别与所述三通阀（11)、 所述针阀（10)、所述针阀（14)相连，所述原油罐（21)通过所述针阀（19)连接所述U型高 温高压可视扩散装置（15)。
7. 根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述左侧空间（35)上部设有备用进出口 (26)，所述右侧空间（40)上部设有备用进出口（27)，所述压力采集系统（20)通过三通阀分 别连接所述备用进出口（26)及所述备用进出口（27)。
8. 根据权利要求6所述装置，其特征在于，所述左侧空间（35)上部还设有CO2进口 (25)，所述右侧空间（40)上部还设有原油进口（28)，所述针阀（14)通过所述CO2进口（25) 连接所述U型高温高压可视扩散装置（15)，所述针阀（19)通过所述原油进口（28)连接所 述U型高温高压可视扩散装置（15)。
9.权利要求6所述装置的工作方法，其特征在于，具体步骤包括： (1) 检验整个装置的气密性； (2) 利用所述真空泵（1)将所述0)2气罐（7)、所述蒸馏水罐（8)及所述U型高温高压 可视扩散装置（15)抽真空； (3) 将CO2、蒸馏水和原油分别转入所述CO2气罐（7)、所述蒸馏水罐（8)和所述原油罐 (21)中，利用所述第一加热器（13)将所述CO2气罐（7)及所述蒸馏水罐⑶加温至实验温 度T，利用所述第二加热器（23)将所述原油罐（21)加温至实验温度T，所述T的取值范围 为 25°C-90°C，待用； (4) 利用所述温度控制系统（44)将所述U型高温高压可视扩散装置（15)加热至实验 温度T; (5) 打开所述针阀（6)、所述针阀（10)及所述针阀（14)，利用所述第一平流泵（3)将 所述蒸馏水罐（8)中的蒸馏水泵入所述U型高温高压可视扩散装置（15)中，使蒸馏水充 满所述U型高温高压可视扩散装置（15)，并加压到预定压力P1，所述Pl的取值范围为 0.lMPa-25MPa； (6) 调整所述回压气罐（18)内的压力至P2,所述P2为（Pl-O.l)MPa; (7) 关闭所述针阀（6)及所述针阀（10)，打开所述针阀（5)、所述针阀（9)及所述针阀 (16)，接通回压，在恒压条件下，利用所述第一平流泵（3)将所述CO2气罐（7)中的CO2送至 所述U型高温高压可视扩散装置（15)的所述左侧空间（35)中，并且0)2没有到达所述右 侧空间（40)，关闭第一平流泵（3); (8) 关闭所述针阀（5)、所述针阀（9)及所述针阀（16)，所述U型高温高压可视扩散 装置（15)封闭，利用所述压力采集系统（20)观察所述测压点测定的压力变化，直至30min 内压力下降幅度不超过IKPa为止，所述U型高温高压可视扩散装置（15)中的流体处于动 态平衡状态，水中的〇)2达到饱和，形成饱和碳酸水，测得此时所述高温高压可视扩散装置 (15)中的压力即为实验初始压力P3; (9) 调整所述回压气罐（18)内的压力至P4,所述P4为（P3-0. 1)MP; (10) 打开所述针阀（16)、所述针阀（19)及所述针阀（22)，接通回压，在恒压条件下，利 用第二平流泵（24)将所述原油罐（21)中的原油送至所述U型高温高压可视扩散装置（15) 的所述右侧空间（40)中，并且原油没有到达所述左侧空间（35)，关闭第二平流泵（24)，通 过所述承压可视玻璃（36)观察并记录所述右侧空间（40)中的原油高度zQ; (11) 关闭所述针阀（16)、所述针阀（19)及所述针阀（22)，所述U型高温高压可视扩散 装置（15)封闭，利用所述压力采集系统（20)观察不同时刻t所述测压点测定的压力P(t) 变化，记录压力P(t)-时间t关系数据，直至30min内压力下降幅度不超过IKPa为止，测得 此时所述U型高温高压可视扩散装置（15)中的压力即为实验最终平衡压力Prai; (12) 把步骤（11)所述压力采集系统（20)记录的压力P(t)_时间t关系数据按照下式 进行非线性拟合：
式（I)中，P(t)为测得t时刻的压力值，单位为Pa;P:为非线性回归获得的理论 平衡压力值，单位为Pa;mi，m2,kp1^2为基于对实验数据非线性回归获得的参数；t为扩散时 间，单位为s; 式（I)中的压力P⑴和时间t已知，通过非线性拟合得出Hl1,H^k1,M5PPeq'的理论 值； (13)根据下式：
式（II)中，Dab为CO2从水相向油相的扩散系数，单位为m2/s;z。为步骤（10)测得的 所述U型高温高压可视扩散装置（15)内原油高度，单位为m; 将步骤（12)求得的参数Ic1代入式II中，即得CO2从水相向油相运移扩散系数Dab。
【文档编号】G01N13/00GK104502237SQ201410778874
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月15日 优先权日:2014年12月15日
【发明者】李宾飞, 叶金桥, 李兆敏, 张继国, 李松岩, 丁立苹 申请人:中国石油大学(华东)