[发明专利]一种多孔介质中气体扩散系数的测试装置及方法

说明书

技术领域

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—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

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。

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。

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：

(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

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/T6129—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)。

(2)间接法测试过程中，现有取样方法给测试结果带来误差

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)。

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—气双组分在多孔介质中的扩散系数。

发明内容

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。

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。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。

一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、围压泵、压力平衡系统、气体供应系统、气体色谱分析仪和真空泵组成。

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泵；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；夹持器还连接围压泵和压力平衡系统。

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，该围压腔连接围压泵，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。

所述夹持器和气体采样系统放置于恒温箱中。

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。

所述围压泵用于产生夹持试样所需的恒定围压。

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。