一种多孔介质中气体扩散系数的测试装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及分子传质分析领域多孔介质中气体扩散系数的测试装置及方法，尤其 适用于气一气双组分在多孔介质中扩散系数的测定装置及方法。
【背景技术】
[0002] 分子扩散（简称扩散）是自然界普遍存在的一个现象，其具体是指系统中由物质 浓度差异引起的分子在宏观上呈现出定向传递的现象。分子扩散系数（简称扩散系数）是 反映物质扩散能力的物理量，用于定量刻画一定条件下分子扩散程度的强弱。扩散系数在 石油及环保工程领域中的油气运移研究、地下油气保存量分析、产能预测、注气提高采收率 及核废料和二氧化碳埋存等诸多方面都有广泛应用。因此，扩散系数的确定于上述各范畴 的研究工作和实际生产都有重要意义。
[0003] 现今，测试多孔介质中气体扩散系数的方法可分为直接法和间接法。其中，直接法 通过直接测量不同扩散时间或距离下扩散体系中的物质浓度后，基于扩散数学模型进行扩 散系数的计算；间接法通过测量扩散体系压力、密度等与浓度相关的间接量，并将其折算为 浓度后基于扩散数学模型来实现扩散系数的确定。两类方法均需实验采集直接或间接的基 础数据，故相关数据采集装置和流程方法的好坏将会直接影响扩散系数的测试结果。
[0004] 现有技术虽然在减小气体多孔介质中的扩散系数测量误差方面作了一定工作，但 仍存在以下不足：
[0005] (1)未克服气体在多孔介质中的渗透作用对测试结果的影响
[0006] 在油气运移研究、注气提高气藏采收率和二氧化碳埋存等方面，一般需较高压力 模拟地下实际情况进行扩散系数的测定。实验初始阶段打开阀门对原先抽空的多孔介质通 气过程中，多孔介质两端阀门的开启难以做到真正同步，此不同步性将使气体受压差驱动 在多孔介质样品中产生不等渗流量，该现象在高压测试或某些多孔介质不需要饱和液体的 情况下将更加明显。由于渗流速率通常远高于扩散速率，因此，这个渗流量将与扩散量混杂 在一起，对测试结果造成明显影响（行业标准SY/T 6129-1995法；曲秀英.扩散系数实验 技术研究[J].大庆石油地质与开发，2012, 31 (4) :46-49)。
[0007] (2)间接法测试过程中，现有取样方法给测试结果带来误差
[0008] 间接法测试时需多次对多孔介质两端的气室内气体取样进行色谱分析组分浓度 变化，但目前所公布的该类装置在进行取样时普遍会引起多孔介质两端气室压力扰动，从 而给扩散系数测量带来误差。此外，在多次取样分析时，与气体组分分析系统连接的管 线中所残留的上一次取样气体也会对下一次分析结果造成影响（中国专利CN1773246A， CN102980837B) 〇
[0009] 为克服现有扩散系数测试装置和方法之不足，本发明提出了一套新的多孔介质中 气体扩散系数的测试装置及方法，属于直接法类，可用于更精确地测量气一气双组分在多 孔介质中的扩散系数。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的之一在于提供一种多孔介质中气体扩散系数的测试装置，可排除测 试过程中气体在多孔介质中的渗透流和气体取样时的压力波动对测试结果的影响，并能有 效降低取样管线中气体残留对测试结果的干扰，具有广阔的市场前景。
[0011] 本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对多孔介质中气体扩散系数进行测 试的方法，该方法原理可靠，操作简便，可有效提高所测扩散系数的准确度，克服了现有技 术的缺陷和不足。
[0012] 为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
[0013] -种多孔介质中气体扩散系数的测试装置，主要由夹持器、气体采样系统、恒温 箱、围压栗、压力平衡系统、气体供应系统、气体色谱分析仪和真空栗组成。
[0014] 所述夹持器两端均连接气体采样系统的进口端，每个气体采样系统由压力表、多 通接头和至少三个气体取样单元组成，气体采样系统的出口端连接气体色谱分析仪和真空 栗；夹持器两端分别连接气体供应系统，所述气体供应系统包括气源和增压机；夹持器还 连接围压栗和压力平衡系统。
[0015] 所述夹持器由壳体、试样桥、试样腔室、堵头组成。壳体内有围压腔，该围压腔连接 围压栗，可产生围压，试样桥位于夹持器的中心位置，其两侧是试样腔室，试样桥上的中空 通道有阀门，可实现试样腔室间的通断；试样腔室用于存放多孔介质试样，试样腔室连接堵 头，由堵头实现封堵，堵头内有扩散室及中空通道，中空通道将扩散室与堵头两端连通。
[0016] 所述夹持器和气体采样系统放置于恒温箱中。
[0017] 所述恒温箱用于提供实验所要模拟的温度环境，可根据温度需要恒定其内部空间 温度。
[0018] 所述围压栗用于产生夹持试样所需的恒定围压。
[0019] 所述压力平衡系统用于实现气体压力的平衡，可使其两端压力平衡在所设定的压 力值。
[0020] 所述气体供应系统用于提供测试所需的单组分气体，其内部有增压机可保证供出 气体具较高的摩尔浓度（即较高压力）。
[0021] 所述气体色谱分析仪与气体取样单元出口端相连，用于分析气体取样单元所传递 气样的组分。
[0022] 所述真空栗用于对管线及与之连通空间进行抽真空，具体实现两个功能：其一是 保证测试开始前，多孔介质试样内部孔隙和装置中气体扩散空间（包括扩散室、气体采样 系统和它们之间管线）为真空状态；其二是降低每次进行气体组分分析时，上一次气样分 析后，管线中的气体残留对分析结果的影响。
[0023] 利用上述装置对多孔介质中气体扩散系数进行测试的方法，依次包括以下步骤：
[0024] (1)选取两块尺寸相同的待测多孔介质试样，其长度和横截面积分别为1和s，向 夹持器试样腔室中各装入一块多孔介质试样；
[0025] (2)使用围压栗给夹持器施加围压，使用真空栗对多孔介质试样和装置中的气体 扩散空间彻底抽空；
[0026] (3)设置恒温箱温度为实验所需温度，并预热各部件至温度恒定；
[0027] (4)使用夹持器两端连接的气源和增压机分别向多孔介质试样中供气至实验所需 压力，两端气体分别记为X和Y，用压力平衡系统使夹持器两端试样腔室的压力达到平衡；
[0028] (5)打开试样桥阀门开始扩散过程，并以该时刻为扩散初始时刻t。；
[0029] (6)每隔一段时间对夹持器两端气体同时取样，每次取样两端各使用一个气体取 样单元，记第i次取样时刻为t 1;
[0030] (7)使用气体色谱分析仪分析夹持器两端取样单元中的气样组分，每次每一端分 析组分前均需用真空栗对气体取样单元与气体色谱分析仪间的管线彻底抽空，记气样中X 和γ组分摩尔百分比一端为CuJP c m，另一端为CRXjp c RYi，多次重复以上步骤达到取样分 析次数要求；
[0031] (8)根据Fick第二定律一维扩散情况，结合行业标准SY/T 6129-1995,利用下式 计算气体X和Y在多孔介质中的扩散系数：
[0035] 式中：Dx、Dy-分别为气体X和Y在多孔介质中的扩散系数，m 2/s，
[0036] ACxi、Acy厂分别为第i次取样时，两端取样单元中X气体摩尔百分比差值的绝 对值和Y气体摩尔百分比差值的绝对值，％，
[0037] tl-第i次取样的时刻，s，
[0038] cUl、-分别为第i次取样时，一端取样单元中气体X和Y的摩尔百分比，％，
[0039] cRXl、cRYl-分别为第i次取样时，另一端取样单元中气体X和Y的摩尔百分比，％，
[0040] s一多孔介质试样横截面积，m2，
[0041] 1一多孔介质试样长度，m，
[0042] η-取样次数，无量纲，
[0043] V。一单个扩散室容积，m3，
[0044] Vu-单个气体取样单元容积，m3;
[0045] (9) WM1U1-U为横坐标，以-In (Acxi)为纵坐标，在直角坐标系描点并用线性拟 合，所得直线的斜率即为Dx，以M 1U1-U为横坐标，以-In (Acyi)为纵坐标，在直角坐标系 描点并用线性拟合，所得直线的斜率即为DY。
[0046] 与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明有效避免了现有装置及方法测 量气体于多孔介质中的扩散系数时，多孔介质渗透作用给测量结果带来的影响，由于扩散 量一般很小，因此对渗透作用影响的排除可大幅提高所测扩散系数的准确度；此外，本发明 还可有效克服现有大多装置取样时普遍具有的压力波动问题，能进一步提高测量结果的准 确性；同时，相对于同类技术，本发明的某些操作（如实验开始时两端的通气和每次气体色 谱分析等）不需要同步进行，在减轻实验者人为干扰的同时，还降低了实验者的操作难度。
[0047] 本发明可用于油