[发明专利]一种测量CO2从水相向油相扩散过程中扩散系数的装置及其工作方法

权利要求书

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)、O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℃，耐压为32MPa；所述中间压垫(32)、O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CO₂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(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℃-90℃，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P1的取值范围为0.1MPa-25MPa；

(6)调整所述回压气罐(18)内的压力至P2，所述P2为(P1-0.1)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CO₂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1KPa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CO₂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z₀；

(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1KPa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_eq；

(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：

P(t)=m1e(-tk1)+m2e(-tk2)+Peq'---(I)]]>

式(Ⅰ)中，P(t)为测得t时刻的压力值，单位为Pa；P_eq'为非线性回归获得的理论平衡压力值，单位为Pa；m₁,m₂,k₁,k₂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P(t)和时间t已知，通过非线性拟合得出m₁,m₂,k₁,k₂和P_eq'的理论值；

(13)根据下式：

Dab=4zo2k1π2---(II)]]>

式(Ⅱ)中，D_ab为CO₂从水相向油相的扩散系数，单位为m²/s；z_o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k₁代入式Ⅱ中，即得CO₂从水相向油相运移扩散系数D_ab。