[发明专利]一种应用CT测量多孔介质中二氧化碳扩散系数的装置与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用CT测量多孔介质中二氧化碳扩散系数的装置与方法，属于石油开采工程技术领域。

背景技术

自上世纪80年代后，大量实验证明二氧化碳是一种有效的驱油剂。CO₂在我国石油开采中有着巨大的应用潜力。在CO₂-EOR（提高采收率）项目中，需要根据气体扩散系数确定注入气体在油中溶解速度；在CO₂地质封存过程中，扩散系数的测定对于工程设计、风险评估、经济评价和性能预测等方面都是必要的数据。因此对CO₂在多孔介质中的扩散过程进行研究是十分重要的。

测量扩散系数的方法主要包括直接法和间接法两大类。直接法可以在扩散过程中直接测量扩散相的浓度分布，但是这类方法相对经济性差，测量过程复杂，并且通常样品的内部环境会遭到破坏。作为可替代的方法，几种通过测量其它参数来计算扩散系数的间接方法已得到广泛认可。这些参数可以是溶液体积的变化速率、气液界面的运动速率或者扩散系统的压力变化等。但是这些间接方法需要准确建立测量参数与扩散相浓度的关系，并且需要对被测量参数进行精确测量。尽管间接测量法优于直接测量法，但是仍然存在较大的局限性。

发明内容

本发明旨在开发一种应用CT测量多孔介质中二氧化碳扩散系数的装置与方法。该方法利用CT扫描获得特定温度和压力下气体在饱和油的多孔介质中扩散过程的密度变化，结合片层孔隙度确定多孔介质每个片层的二氧化碳相对浓度，进而利用菲克第二定律计算任意位置的扩散系数。

本发明的技术方案是：

一种应用CT测量多孔介质中二氧化碳扩散系数的装置，包括CT扫描成像系统和CO₂扩散系统，CT扫描成像系统包括通用型X射线CT扫描装置与数据处理计算机；CO₂扩散系统包括一个高压容器、注气泵、气瓶、注气泵控温装置、高压容器控温装置、真空泵、压力传感器和温度传感器，其中高压容器放置于CT扫描装置内部，高压容器的入口通过注气泵与气瓶相连，注气泵和高压容器之间连接真空泵和排气针阀；利用注气泵控温装置对注气泵进行外部控温，利用高压容器控温装置对高压容器进行外部控温；扩散系统的压力和温度分别采用压力传感器和温度传感器进行测量。

所述的一种应用CT测量多孔介质中二氧化碳扩散系数的方法包括以下步骤：

（1）向高压容器内装入饱和油的多孔介质，再将高压容器放入CT扫描装置内部；

（2）连接好管路，打开第二针阀、第三针阀，开启真空泵，抽真空30分钟后停止，关闭第二针阀、第三针阀，开启高压容器控温装置对高压容器进行控温；

（3）打开气瓶和第一针阀，向注入泵中充入实验气体（二氧化碳）后，关闭第一针阀，开启注气泵控温装置，向高压容器中注入工作气体；

（4）打开第二针阀，利用注入泵向高压容器内充入工作气体至实验压力，并保持恒压；利用压力传感器和温度传感器记录压力和温度，利用CT扫描装置对高压容器内饱和油的多孔介质扫描得到CT图像，然后每隔半小时进行一次扫描拍摄直至结束；

（5）对所得到的CT图像的信号值进行分析处理，结合片层孔隙度确定多孔介质每个片层的二氧化碳相对浓度，进而利用菲克第二定律计算任意位置的扩散系数；

（6）此步骤是为了进一步详细说明步骤（5）处理方法。由于模拟岩心与油的密度不同，根据CT扫描成像原理可以得到只有模拟岩心和油存在的两个波峰的信号值分布图，在CT图像中的信号值分布中设定一个阈值，利用MATLAB可以计算出每一片层的孔隙度，再利用式①

CT_sand+oil=(1-φ)CT_sand+φCT_oil  ①a

CT_sand+CO2+oil=(1-φ)CT_sand+φCT_CO2+oil  ①b

计算出每一片层的油的信号值，去除模拟岩心的信号干扰。由于二氧化碳扩散后油的密度变化与二氧化碳在油中的浓度成线性关系，假设二氧化碳与油接触面为充分扩散的状态，则以界面处的二氧化碳浓度为标准，将每一片层处理后油的信号值与界面处油信号值相比得到二氧化碳相对浓度，见式②