[发明专利]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

摘要

本发明涉及一种CO₂从水相向油相扩散过程中扩散系数及平衡浓度的测量方法，将U型管底部水相饱和CO₂，形成饱和碳酸水，U型管a端注入CO₂，b端注入原油，由于，水相中的CO₂向油相扩散，碳酸水中的CO₂不再饱和，从而使气相CO₂溶解在碳酸水中。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。本发明首次提出了利用改进的PVT压降法测定CO₂从水相向油相扩散过程中的扩散系数，该方法操作简单，原理清晰，不用通过直接测定CO₂从水相向油相扩散过程中的浓度变化即可求出扩散系数，本发明对于研究CO₂在油水相间的运移分布和指导油气田开发具有重要意义。

主权项

一种CO₂从水相向油相扩散过程中扩散系数和平衡浓度的测量方法，其特征在于，其中,该方法的实施应用到测量装置，所述测量装置包括垂直固定设置的U型管，所述U型管包括a端和b端，所述a端和所述b端均开口朝上；具体步骤包括：(1)测定所述U型管容积V₁及所述U型管内径横截面面积A₁，检验整个所述测量装置的气密性；(2)将温度为T的蒸馏水注入所述U型管，使所述U型管内充满蒸馏水，所述T的取值范围为25℃‑90℃,；(3)将连接回压泵的回压阀连接在所述U型管b端，连通回压，所述回压泵设定到预定压力P₀，所述P₀的取值范围为0.1MPa‑25MPa；(4)将CO₂从所述a端注入所述U型管，注入体积为V₂，所述V₂取值范围为1/4V₁‑1/3V₁，注入过程保持压力P₀不变；(5)密闭所述U型管，通过压力传感器记录所述U型管内的初始平衡压力P₁，所述初始平衡压力P₁是指所述U型管内的压力下降幅度不超过1KPa时所述U型管内的压力；(6)将连接回压泵的回压阀连接在所述U型管a端，连通回压，所述回压泵设定成所述压力P₁；(7)将原油从所述b端注入所述U型管，注入体积为V₃，V₃取值范围为1/3V₂‑2/3V₂，注入过程保持压力P₁不变；(8)密闭所述U型管，利用压力传感器记录所述U型管内压力P(t)随时间t变化数据，测量最终平衡压力P_eq，所述最终平衡压力是指所述U型管内的压力下降幅度不超过1KPa时所述U型管内的压力；计算出不同时间t下压力P(t)与最终平衡压力P_eq之间的压差△P以及△P的对数Ln(△P)，得到所述U型管内压力P(t)、最终平衡压力P_eq、△P的对数Ln(△P)与时间t的关系表；绘制成压力‑时间关系图及压差对数‑时间关系图；所述U型管内处于最终平衡状态，计算出所述U型管内原油高度为：所述U型管内CO₂高度为：(9)结合Riazi和Zhang建立的扩散系数数学模型：$\mathrm{In}[P\left(t\right)-P_{\mathrm{eq}}]=\mathrm{In}\frac{8z_g\mathrm{RTA}{C}_{\mathrm{eq}}L}{V_g{\mathrm{\π}}^2}-D{\left(\frac{\mathrm{\π}}{2L}\right)}^{2}t---\left(I\right)$式(I)中,P(t)为t时刻的压力值,单位为Pa；P_eq为步骤(8)中得到的最终平衡压力，单位为Pa；z_g为CO₂压缩因子；R为气体常数，R＝8.314m³·Pa·K^‑1·mol^‑1；T为步骤(2)所述温度T，单位为℃；A为所述U型内径横截面面积A₁，单位为m²；C_eq为CO₂从水相向油相扩散的平衡浓度，单位为mol/L；L为步骤(8)中注入所述U型管的原油高度，单位为m；V_g为注入所述U型管内的CO₂体积，单位为m³；D为扩散系数，单位为m²/s；t为扩散时间，单位为s；由式(I)可知压差对数Ln[P(t)‑P_eq]与时间t线性相关，因此，对压差对数‑时间关系图进行线性拟合，求出拟合式中的斜率k和截距a，根据式(I)可得：斜率$k=D{\left(\frac{\mathrm{\π}}{2L}\right)}^2---\left(\mathrm{II}\right)$即：$D=\frac{4L^{2}k}{{\mathrm{\π}}^2}---\left(\mathrm{III}\right)$根据式(Ⅲ)，即可求得CO₂从水相向油相扩散过程的扩散系数D；截距$a=\mathrm{In}\frac{8z_g\mathrm{RTA}{C}_{\mathrm{eq}}L}{V_g{\mathrm{\π}}^2}---\left(\mathrm{IV}\right)$即：$C_{\mathrm{eq}}=\frac{e^a{\mathrm{\π}}^2{V}_g}{8z_g\mathrm{RTAL}}=\frac{e^a{\mathrm{\π}}^2{h}_g}{8z_g\mathrm{RTL}}=\frac{e^a{\mathrm{\π}}^2{h}_g{\mathrm{\ρ}}_g}{8\mathrm{PML}}---\left(V\right)$式(Ⅴ)中，h_g为步骤(8)中注入所述U型管的CO₂高度，单位为m；P为测试过程中的平均压力，单位为Pa；ρ_g为平均压力和对应温度下CO₂的密度，单位为kg/m³，其值参考美国国家标准与技术研究院NIST提供的不同温压条件下CO₂的密度值；M为CO₂的摩尔质量，M＝44×10^‑3kg/mol；根据式(Ⅴ)，求得CO₂从水相向油相扩散的平衡浓度C_eq。