一种测量CO2在油水两相间扩散过程及扩散系数的方法与流程

本发明涉及一种测量co2在油水两相间扩散过程及扩散系数的方法，属于油气田开发工程的技术领域。

背景技术：

近年来，全球石油需求迅速增长，油气勘探开发对象日趋复杂，储量品味越来越差。稠油油藏、低渗透致密油藏等非常规油藏将成为今后油气开发的重要对象。在非常规油藏的众多开发方式中，注co2开采技术由于其经济高效且符合当下减少温室气体排放的要求而被广泛应用。

注co2开采技术主要包括co2驱、co2吞吐以及co2水气交替驱等。在这些技术应用的过程中，注入的co2能够与地层水、注入水以及原油形成三相体系，co2能够在单液相以及油水两相之间进行扩散传质。co2的扩散作用能够降低油水界面张力、原油粘度并且能够使得原油膨胀，从而有利于油层中原油的采出。对于co2在三相体系中的扩散作用进行研究，有助于预测co2在油层中的波及体积、提高非常规油藏最终采收率并最终实现高效开采。因此，测量co2在油水两相间的扩散过程以及扩散系数对于应用co2技术高效开发油藏意义重大。

目前，测定co2在油相或水相中的扩散系数的方法多为改进的压力降落法，以《journalofpetroleumscienceandengineering》期刊中2005年25期的《measurementofgasdiffusivityinheavyoils》一文中提到的方法较为成熟。此方法由于只需要测定扩散过程中的压力变化，不需要直接测定扩散过程中的浓度，测量快捷方便，从而被广泛应用。然而，此种方法只能用作测定co2向单液相扩散时的扩散系数，不适用于测定co2向两相间扩散时的扩散系数，如果将此种方法用于测定co2在油水两相间的扩散过程时，co2在单位时间内扩散进入另一液相的物质的量较小，导致压力降较小，常规压力计难以准确捕捉，测定过程持续时间较长并且平衡压力难以确定。此外，高温高压下的co2呈超临界态且极不稳定，导致实验过程中测得的压力出现剧烈波动，使得压力曲线难以准确获得。

中国专利文献cn104237079a公开了一种测量co2在水中扩散系数的实验方法和装置。实验装置采用固定扩散距离，主要包括数据采集系统、恒温加热系统、ph计探头、扩散釜、压力传感器、温度探头等，ph计探头安装在扩散釜的下端盖，压力传感器安装在上端盖，温度探头一端连接扩散釜外的加热线圈，另一端与恒温加热系统连接。在扩散釜中进行实验时，扩散釜安装在轴承上，旋转扩散釜模拟倾斜地层，根据理想气体状态方程利用压力来计算co2的初始浓度，根据数据采集系统采集的ph值计算co2的水解量，绘制co2的水解量与时间平方根的拟合曲线，得到斜率k，根据计算模型求得扩散系数d，该装置及方法只是测定co2在水中扩散系数，无法测定在油水两相间扩散系数。

中国专利文献cn104502236a公开了一种测量co2从水相向油相扩散过程中扩散系数和平衡浓度的方法。该方法将u型管底部水相饱和co2，形成饱和碳酸水，u型管上端注入co2，下端注入原油，根据改进的pvt压降法，通过测定co2向饱和碳酸水扩散造成的压力变化，结合压降公式即可求出co2从水相向油相扩散时的扩散系数以及平衡后co2在原油中的平衡浓度。该方法仅能够通过实验测定co2从水相向油相扩散过程中的压力变化，但实验获得的压降曲线波动较大，给后续实验结果的处理带来了极大的误差，且测量过程复杂。

因此，如何利用简单快捷的方法测试co2在油水两相间扩散过程及扩散系数成为目前有待解决的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术不足，本发明提供一种测量co2在油水两相间扩散过程及扩散系数的方法。

发明概述：

本发明的测量方法将广泛应用的单液相压力降落法与本发明的双液相扩展浓度分布模型相结合，根据压力降落法分别测定的co2向单液相中的扩散系数，通过扩展浓度分布模型可以直接得到co2在两个液相中的浓度分布，进而求得co2在油水两相间的扩散系数。该方法避免了直接测量co2向双液相扩散时的压力，提高了后续实验数据处理时的计算精度；同时，该方法更加符合高温高压下的扩散特征，避免了在双液相扩散压力降较小的条件下存在压力大幅波动的问题，使得计算结果更加符合高温高压下扩散的实际情况。

本发明的技术方案如下：

一种测量co2在油水两相间扩散过程及扩散系数的方法，包括步骤如下：

(1)采用压力降落法分别测定的co2向水相的扩散系数d1及co2向油相的扩散系数d2；

(2)根据菲克定律，采用式②测试出扩散系数d为常数的一维扩散的浓度分布规律：

式②中，c为co2在液相中的浓度，mol/m³；t为扩散时间，s；a为物质的量确定的常数；x为到液相表面的距离，m。

(3)将浓度c对x进行积分，并设定根据式③得到扩散进入液相的总物质的量为：

(4)将式③变换为常数a的公式代入式②，得到式④：

(5)将式④写成积分形式，得到式

(6)标准误差函数为式

采用标准误差函数将式表示，得到式

式中，c0为实验条件下co2在当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、水相中的浓度分布：

式⑤中，c1为水相中t时刻距液面x位置处co2浓度，mol/m³；x1为水相的下边界位置，m；式⑥中，c2为油相中t时刻距液面x位置处co2浓度，mol/m³；x2为油相2的下边界位置，m；

将t时刻的浓度分布对于x进行积分，根据式⑦得到t时刻扩散进入两种液相中co2总物质的量n：

(8)由状态方程得到式⑧：

式⑧中，p1为扩散初始压力，pa；p2为扩散进行至t时刻时的压力，pa；v为气体体积，m³；z1为初始状态气体压缩系数；z2为终止状态气体压缩系数；n1为扩散初始物质的量，mol；n为扩散进入两个液相的物质的量，mol；r为通用气体常数，pa*m³/(mol*k)；t为开氏温度，k；不考虑扩散过程中液相体积膨胀的影响；

进而得到式⑨：

(9)根据式⑨求出不同扩散时间t下的压力p2，获得压力p2随时间t的变化曲线后根据拟合式进行拟合，由式计算得到co2在油水两相间的扩散系数；式⑩中z1为液相高度，m；k1为压力p2-时间t拟合参数。

根据本发明优选的，co2向水相的扩散系数d1按如下步骤测定得到：

(a)测定扩散容器的横截面面积a及扩散容器的容积v1，对扩散容器进行清洗烘干并抽真空；

(b)将co2充满扩散容器并升压至实验压力p1，扩散容器外接回压，回压与实验压力p1相等；

(c)将温度为t的纯水以15～25ml/min的速度从扩散容器下部注入，记录注入的纯水体积v2，注入过程连通回压，以保持扩散容器体系压力恒定，其中水相高度所述v2取值范围为

(d)纯水注入后，封闭扩散容器，利用压力采集系统记录扩散容器内的压力变化，直至30min内压力的下降幅度不超过1kpa；

(e)把采集的压力pt-时间t关系数据与平衡压力peq进行处理，转换为压差对数ln(pt-peq)-时间t曲线进行线性拟合，计算得到co2向水相的扩散系数d1：

式①中，k为压差对数-时间线性拟合曲线的斜率；d1为co2向水相中扩散的扩散系数，m²/s。

根据本发明优选的，co2向油相的扩散系数d2的测定方法及步骤与co2向水相的扩散系数d1的测定方法相同。

根据本发明优选的，步骤(b)中，所述p1取值范围为1mpa-20mpa。

根据本发明优选的，步骤(c)中，所述t的取值范围为293.15k-353.15k，所述v2取值范围为50ml-150ml。

本发明的优点在于：

1、本发明的方法能够根据压力降落法测定的co2在单液相中的扩散系数，通过扩展浓度分布模型计算得到co2在油水两相间扩散的扩散系数，有效地解决了co2在油水两相间扩散系数计算方法缺失的问题。并且在co2向双液相扩散压力降较小的条件下，避免了压力测定结果存在大幅波动带来的误差，提高了后续实验数据处理时的计算精度。

2、本发明的方法根据压力降落法分别测定的co2向单液相中的扩散系数，通过扩展浓度分布模型可以直接得到co2在两个液相中的浓度分布，进而求得co2在油水两相间的扩散系数。该方法避免了直接测量co2向双液相扩散时的压力，提高了后续实验数据处理时的计算精度；同时，该方法更加符合高温高压下的扩散特征，避免了在双液相扩散压力降较小的条件下存在压力大幅波动的问题，使得计算结果更加符合高温高压下扩散的实际情况。

附图说明

图1是co2向水相扩散过程中压差对数-时间关系曲线及拟合曲线；

图2是co2向油相扩散过程中压差对数-时间关系曲线及拟合曲线；

图3是co2在双液相中扩展浓度分布物理模型的示意图；

图中，1、co2；2、水相；3、油相。

图4是co2通过油相向水相扩散过程中压力-时间关系曲线及拟合曲线。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做进一步的说明，但不限于此。

实施例1

一种预测co2通过油相向水相扩散过程及扩散系数的方法，实施步骤如下：

(1)测定扩散容器的横截面面积为20cm²及扩散容器的容积v1为250ml，对扩散容器进行清洗烘干并抽真空；

(2)将co2充满扩散容器并升高压力至实验压力14.60mpa，扩散容器外接回压，回压与实验压力相等；

(3)将92ml温度为323.15k的纯水以20ml/min的速度从扩散容器下部注入，注入过程连通回压，以保持扩散容器体系压力不变，其中水相高度z0为1.3cm；

(4)纯水注入后，封闭扩散容器，利用压力采集系统记录扩散容器内的压力变化直至30min内压力的下降幅度不超过1kpa，实验结束；

(5)把采集的压力pt-时间t关系数据与平衡压力peq进行处理，转换为压差对数ln(pt-peq)-时间t曲线进行线性拟合，如图1所示，计算得到co2向水相的扩散系数d1：

式①中，k为压差对数-时间曲线的斜率；d1为co2向水相中扩散的扩散系数，m²/s。

(6)重复步骤(1)-步骤(5)，测定压差对数-时间进行线性拟合，如图2所示，计算co2向油相的扩散系数

(7)对于扩散系数d为常数的一维扩散，根据菲克定律，可以写出其浓度分布规律：

式②中，c为co2在液相中的浓度，mol/m³；t为扩散时间，s；a为物质的量确定的常数；x为到液相表面的距离，m。

(8)将浓度c对x进行积分，并设定可以得到扩散进入液相的总物质的量为：

(9)将式③变换为常数a的公式代入式②，得到式④：

(10)将式④写成积分形式，得到式

(11)标准误差函数为式

采用标准误差函数将式表示，得到式

式中，c0为实验条件323.15k，14.60mpa下co2在油相中的最大溶解量，为6957.38mol/m³。

(12)如图3所示，根据式⑤、式⑥模型得到co2在油相、水相中的浓度分布：

式⑤中，c1为水相中t时刻距液面x位置处co2浓度，mol/m³；x1为水相的下边界位置，m；式⑥中，c2为油相中t时刻距液面x位置处co2浓度，mol/m³；x2为油相的下边界位置，m。

将t时刻的浓度分布对于x进行积分，可以得到t时刻在水相及油相中扩散的总物质的量：

(13)由状态方程可得：

可以得出：

其中，p1为扩散初始压力1.46*10⁷pa；p2为扩散进行至t时刻时的压力；v为气体体积，8.6*10^-5m³；z1为初始状态气体压缩系数，为0.3486；z2为终止状态气体压缩系数，为0.3431；n为扩散进入液相的物质的量，2.2081mol；r为通用气体常数，8.314pa*m³/(mol*k)；t为开氏温度，323.15k；不考虑扩散过程中液相体积膨胀的影响。

(14)根据式⑨可以求出不同扩散时间t下的压力p2，获得压力p2随时间t的变化曲线后根据拟合式拟合参数k1，如图4所示，根据拟合参数k1计算扩散系数

实施例2

一种测量co2在油水两相间扩散过程及扩散系数的方法，同实施例1所示，不同之处在于：

将扩散容器中的油相与水相位置互换，扩散过程为co2通过水相向油相的扩散，也可以采用该方法测量得到扩散系数。