一种研究二氧化碳扩散前缘的装置及其方法
【专利摘要】本发明提供了一种研究二氧化碳扩散前缘的装置及其方法。该研究二氧化碳扩散前缘的装置包括二氧化碳注入系统、检测系统及液体注入系统；所述二氧化碳注入系统包括二氧化碳气瓶；所述检测系统包括透明检测管以及用于与外部管线连通的接口，所述接口包括第一接口和第二接口；所述液体注入系统包括液体储存容器；其中，所述气瓶和第一接口连通，所述第一接口与透明检测管的一端连通，所述透明检测管的另一端与第二接口连通，所述第二接口与液体储存容器连通。该实验装置可以实现在线测量，具有速度快、灵敏度高的特点，为室内研究二氧化碳扩散行为提供了新的途径。
【专利说明】
一种研究二氧化碳扩散前缘的装置及其方法
技术领域
[0001] 本发明属于油田采油气工程技术领域，尤其涉及一种研究二氧化碳扩散前缘的装 置及其方法。
【背景技术】
[0002] 二氧化碳的扩散行为在现场注二氧化碳提高采收率及其安全地质埋存中起着重 要的作用，前人在此方面已经做了大量的工作。早在1988年Renner就测定了温度为38 °C，压 力在1544-5833KPa时二氧化碳在浓度为0.25N的NaCl溶液中的扩散系数，L.-S.Wang等在 1996年通过实验得到了在不同温度和压力下二氧化碳在NaCl溶液和辛烷中的扩散系数， 2008年M. Bahar和K. Liu通过扩散过程中的压力降落得到了二氧化碳在地层水中的扩散系 数，Min Hao等结合了核磁共振技术，得到了二氧化碳在多孔介质中的扩散系数。
[0003] 在扩散过程中扩散系数固然起着重要的作用，但是二氧化碳的沿程浓度分布以及 对前缘的监测也是不可忽视的。监测二氧化碳运移和驱替前缘一方面可以加深对二氧化碳 驱提高采收率的认识，更加准确地预测二氧化碳长期埋存的效果；另一方面也可以为油田 的方案制定提供依据，达到提高驱替效率和波及系数、获得最大的采收率和二氧化碳埋存 量、预测二氧化碳突破时间的目的。遗憾的是目前还没有相关文献涉及到此方面，这对研究 二氧化碳扩散行为是一个很大的空缺。
【发明内容】
[0004] 为解决上述问题，本发明的目的是提供一种研究二氧化碳扩散前缘的装置及其方 法。
[0005] 为达到上述目的，本发明提供了一种研究二氧化碳扩散前缘的装置，该装置包括 二氧化碳注入系统、检测系统及液体注入系统;所述二氧化碳注入系统包括二氧化碳气瓶； 所述检测系统包括透明检测管以及用于与外部管线连通的接口，所述接口包括第一接口和 第二接口；所述液体注入系统包括液体储存容器;其中，所述气瓶和第一接口连通，所述第 一接口与透明检测管的一端连通，所述透明检测管的另一端与第二接口连通，所述第二接 口与液体储存容器连通。
[0006] 在上述研究二氧化碳扩散前缘的装置中，注气前，可先将含有石蕊的检测溶液注 入液体储存容器中，然后再将液体储存容器中的检测液打到透明检测管中；注气时打开二 氧化碳钢瓶向透明检测管中注二氧化碳(一般不通到液面下，但是必要时也可以做通入液 面下的测试），随着二氧化碳在检测溶液中的扩散，产生变色反应(二氧化碳遇石蕊溶液变 色），可以指示二氧化碳扩散前缘的位置。
[0007] 经测试，本发明提供的研究二氧化碳扩散前缘的装置能够准确地反映低浓度二氧 化碳的存在，因此具有很高的灵敏度，为二氧化碳扩散前缘方面的研究提供了良好的设备 条件。用本发明提供的研究二氧化碳扩散前缘的装置，能够测定不同条件下，不同扩散系数 所对应的扩散前缘移动速度。这样，通过指示剂(石蕊)的显色反应，可以达到对二氧化碳在 盐水相、油相及孔隙中的扩散前缘进行监测及预测的目的。
[0008] 在本发明提供的研究二氧化碳扩散前缘的装置中，本领域技术人员可以根据实际 情况在管路上设置相应的阀门，在描述本发明的装置时不再赘述。
[0009] 在上述研究二氧化碳扩散前缘的装置中，优选地，所述二氧化碳注入系统还包括 压力缓冲部，所述压力缓冲部设于气瓶与第一接口连通的管路上，用于平稳管路中气体的 波动。进一步优选地，所述压力缓冲部包括至少一个缓冲罐;缓冲罐可以为现有技术中能起 到气体压力缓冲作用的常规设备，另外，对于缓冲罐连接入研究二氧化碳扩散前缘的装置 中的方式也没有特殊要求。具体地，本发明中使用的缓冲罐可以为一端开有通孔的罐体，所 述通孔处设有与外界连通的管线，所述罐体通过通孔处的管线连接于气瓶和第一接口连通 的管路上。此时，可将气瓶、第一接口以及罐体相互连通时形成的节点记为第一节点。本发 明中使用的缓冲罐也可以为两端开有通孔的罐体，所述罐体以串联方式或并联方式连接于 所述气瓶和第一接口连通的管路上。
[0010] 在上述研究二氧化碳扩散前缘的装置中，优选地，所述二氧化碳注入系统还包括 压力传感器，所述压力传感器用于检测进入所述检测组件的气体压力。在本发明提供的一 种优选实施方式中，将压力传感器设置于第一节点处。
[0011]在上述研究二氧化碳扩散前缘的装置中，优选地，该装置还包括抽真空系统，所述 抽真空系统用于抽出装置内的管线、透明检测管以及液体储存容器内的气体。具体实验时， 可先通过抽真空系统抽出装置内的管线和透明检测管中的空气，然后再单独对装有检测溶 液的液体储存容器进行抽真空(能更好的控制检测溶液中的溶解气量）。为获得不同溶解气 含量的检测溶液，可以根据需要设置对液体储存容器进行抽真空的条件。对于抽真空系统 连入装置的方式，无特殊要求，可根据实际情况确定。
[0012] 在本发明提供的一种优选实施方式中，所述抽真空系统包括真空栗;所述真空栗 设于第二接口与液体储存容器连通的管路上。此时，可将第二接口、液体储存容器以及真空 栗相互连通时形成的节点记为第二节点；在本发明提供的一种优选实施方式中，抽真空系 统中的真空压力表也设置在第二节点处。
[0013] 在上述研究二氧化碳扩散前缘的装置中，优选地，所述液体储存容器为顶部设有 通孔，底部为活塞式推注部件的罐体;所述罐体侧壁的底部设有可将活塞式推注部件进行 固定的固定件;所述液体储存容器通过顶部通孔与注液管线连通。另外，检测液体可以通过 罐体顶部的通孔注入，也可以在罐体顶部增设液体注入孔。为了满足对装有检测液体的液 体储存容器抽真空的需要，可以在罐体侧壁的底部设置用于固定活塞式推注部件的固定 件，例如螺纹固定、锁扣固定或插销固定等。
[0014] 在上述研究二氧化碳扩散前缘的装置中，透明检测管可根据实验压力的要求可以 选择不同的材质，对于低压力环境下的实验普通石英管就能满足，高压情况下可选择宝石 级石英玻璃管。为了使用安全，可以在透明检测管的外部增设不锈钢套筒，并在所述不锈钢 套筒上开有沿透明检测管长度方向的视窗。在本发明提供的一种优选实施方式中，一种带 有不锈钢套筒的透明检测管（如图la和图lb所示）的参数为：石英管长lm，外径3cm，壁厚 1.2cm，能够承受的最大压力为8MPa;套筒材质为316L不锈钢，长lm，内径3. lcm，壁厚0.5cm， 承压lOMPa，为了便于观测，对称地从距离套筒顶部5cm处向下开两条长90cm弧长lcm的视 窗。
[0015] 在上述研究二氧化碳扩散前缘的装置中，为了便于计算二氧化碳扩散前缘的推进 情况，可以在透明检测管或不锈钢套筒的视窗处设置刻度线。
[0016] 在上述研究二氧化碳扩散前缘的装置中，为了满足加压注二氧化碳的需要，各管 线最好选用耐压的不锈钢管线。
[0017] 在上述研究二氧化碳扩散前缘的装置中，检测系统中的第一接口和第二接口可以 选用本领域中常规接口。在本发明提供的一种优选实施方式中，所述接口为不锈钢材质的 内塞式接口法兰，在用于塞入透明检测管的一端设有至少一个密封橡胶圈。
[0018] 在本发明提供的一种优选实施方式中，在第一节点处设置六通阀A，使所述注气管 线、压力传感器、第一接口和压力缓冲罐通过六通阀A进行连通;并在所述第二节点处设置 六通阀B，使所述第二接口、液体储存容器和真空栗通过六通阀B进行连通。
[0019]为达到上述目的，本发明还提供了一种利用上述装置研究二氧化碳扩散前缘的方 法，该方法包括以下步骤:利用上述研究二氧化碳扩散前缘的装置进行实验，使二氧化碳在 含有石蕊的测试溶液中进行扩散，通过观察测试溶液沿二氧化碳注入方向的颜色变化情 况，获得扩散前缘的推进距离、二氧化碳注入时间的数据;根据获得的数据对二氧化碳扩散 前缘进行研究。
[0020]利用本发明提供研究二氧化碳扩散前缘的装置，可通过监测注二氧化碳过程中不 同位置处指示剂的颜色变化，进而定性判断二氧化碳的存在，得到扩散前缘的推进情况。 [0021 ]在上述研究二氧化碳扩散前缘的方法中，一般石蕊在测试溶液的质量百分比浓度 大于0.01%即可灵敏的显示推进前缘;在本发明提供的一种优选实施方式中，检测溶液的 基础液体为0.8mol/L的NaCl溶液，石蕊在检测溶液中的质量百分比浓度为0.02%。
[0022]在上述研究二氧化碳扩散前缘的方法中，优选地，根据获得的数据对二氧化碳扩 散前缘进行研究的具体步骤包括：
[0023] (1)根据获得扩散前缘的推进距离、二氧化碳注入时间的数据建立扩散前缘的推 进距离和二氧化碳注入时间的关系曲线；
[0024] (2)根据一维非稳态方程、扩散模型的初始条件和边界条件建立二氧化碳扩散模 型，通过对二氧化碳扩散模型求解，获得扩散过程中二氧化碳浓度随时间和液相深度的变 化关系式；
[0025] (3)通过压力衰竭实验获得二氧化碳浓度随时间和液相深度的变化关系式中不同 时刻的变扩散系数。
[0026]在上述研究二氧化碳扩散前缘的方法中，优选地，步骤(2)中的所述一维非稳态方 程见式I:
[0028] 扩散模型的初始条件和边界条件如下：
[0029] h = 0,t〇<t<teq C(t,h)=Ceq 式（Π _1)，
[0030] 〇<h<H,t = 〇 C(t,h) = 0 式（n-2)，
[0032] 扩散过程中二氧化碳浓度随时间和液相深度的变化关系式见式m:[0033]
[0034] 在上述式I、式（Π-1)、式（Π-2)、式（Π-3)和式m中，
[0035] t-扩散时间，s;
[0036] to-初始时刻，s;
[0037] h-某一位置与液面之间的距离，m;
[0038] Η-液相高度，m;
[0039] teq 一平衡所用时间，s;
[0040] C(t,h)-二氧化碳在t时刻，h距离处的浓度，mol/L;
[00411 Ceq-平衡时液相中二氧化碳的浓度，mol/L;
[0042] 〇-扩散系数，m2/s。
[0043] 与现有技术相比，本发明提供的研究二氧化碳扩散前缘的装置及其方法具有以下 优点：
[0044] (1)实现在线测量，克服取样过程对实验进程造成的扰动，避免了取样、监测过程 中二氧化碳气体逃逸造成的结果失真。
[0045] (2)由于变色反应十分迅速，进而能够快速获取实验结果。
[0046] (3)本发明中使用的指示剂十分灵敏，石蕊达到变色下限时水中二氧化碳的浓度 为2.326 X l(T4m〇l/L。相对于拉曼光谱的测量精度，指示剂的精度高出了 一个数量级。
【附图说明】
[0047] 图la为一种带有不锈钢套筒的透明检测管的结构示意图；
[0048] 图lb为图la不锈钢套筒的俯视图；
[0049] 图2为实施例1中研究二氧化碳扩散前缘的装置的结构示意图；
[0050] 图3为实施例2中扩散前缘推进距离、时间关系图；
[00511图4为实施例2中398s时二氧化碳浓度分布图；
[0052]图5为实施例2中4122s时二氧化碳浓度分布图；
[0053]图6为实施例2中压力衰竭法压力随时间变化图；
[0054]图7为实施例2中压力衰竭法不同时刻注入量；
[0055]附图标号说明：1电脑、2真空压力表、3真空栗、4六通阀A、5六通阀B、6液体储存容 器、7石英管、8二氧化碳气瓶、9压力表、10压力传感器、11六通阀C、12压力缓冲罐、13宝石级 石英玻璃管、14不锈钢套筒、15视窗。
【具体实施方式】
[0056]为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技 术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
[0057] 实施例1
[0058] 本实施例提供了一种研究二氧化碳扩散前缘的装置，该装置由二氧化碳注入系 统、压力缓冲部、检测系统、液体注入系统以及抽真空系统组成；
[0059] 所述二氧化碳注入系统由二氧化碳气瓶8和压力传感器10组成；
[0060] 所述压力缓冲部为压力缓冲罐12,该压力缓冲罐为一端开有通孔的罐体，通孔处 设有与外界连通的管线；
[0061 ]所述检测系统包括石英管7 (长lm，内径2.2cm，壁厚0.4cm)、第一接口和第二接口； 第一接口安装于石英管的上端口、第二接口安装于石英管的下端口；第一接口和第二接口 为不锈钢材质的内塞式接口法兰，在用于塞入透明检测管的一端设有两个密封橡胶圈； [0062]所述液体注入系统包括液体储存容器6,该液体储存容器为顶部设有通孔，底部为 活塞式推注部件的罐体;在罐体侧壁的底部设有可将活塞式推注部件进行固定的螺纹固定 件；
[0063] 所述抽真空系统由真空栗3和真空压力表2组成；
[0064]另外，该装置还包括不锈钢管线、电脑1、二氧化碳气瓶的减压阀9、六通阀等;六通 阀为三个，包括(六通阀A)4、（六通阀B)5以及(六通阀C)ll;
[0065]其中，二氧化碳气瓶8、第一接口、压力缓冲罐12以及压力传感器10分别连接于六 通阀C上(选择六通阀6个端口中的4个）；压力传感器10的另一端与电脑1相连;第二接口和 液体储存容器6分别连接于六通阀B上(选择六通阀6个端口中的2个），六通阀B还与六通阀C 连接，六通阀C上连接有真空栗3和真空压力表2。
[0066] 本实施例中的研究二氧化碳扩散前缘的装置的结构如图2所示。
[0067] 实施例2
[0068] 本实施例提供了一种研究二氧化碳扩散前缘的方法，该方法使用了实施例1中的 装置，具体步骤为：
[0069] (1)使用实施例1中的研究二氧化碳扩散前缘的装置进行二氧化碳的扩散实验，以 获得扩散前缘的推进距离、二氧化碳注入时间的数据;步骤包括：
[0070] ①将配制好的检测溶液(0.8mol/L的NaCl溶液，其中含0.02 %石蕊)注入液体储存 容器中；
[0071 ]②开闭相应阀门后，打开真空栗对装置对液体储存容器进行抽真空4小时；
[0072]③将液体储存容器中的检测溶液注入石英管中；
[0073]④将二氧化碳气瓶的输出压力设定为200KPa，开始进行注气(注气开始后，30秒左 右颜色开始变化，说明该装置反应灵敏、可行）；
[0074] ⑤注气4500秒后，结束实验。
[0075]记录实验中注入时间和扩散前缘推进距离的数据，并将数据制作成曲线，具体见 图3。
[0076] (2)根据一维非稳态方程、扩散模型的初始条件和边界条件建立二氧化碳扩散模 型，通过对二氧化碳扩散模型求解，获得扩散过程中二氧化碳浓度随时间和液相深度的变 化关系式;具体为：
[0078] 扩散模型的初始条件和边界条件如下：
[0079] h = 0,t〇<t<teq C(t,h)=Ceq 式（Π_1)，
[0080] 〇<h<H,t = 〇 C(t,h) = 0 式（n-2)，
[0082] 通过对扩散模型求解，可得到扩散过程中浓度随时间和液相深度的变化：
[0083]
[0084] 在上述式I、式（Π-1)、式（Π-2)、式（Π-3)和式ΙΠ中，
[0085] t-扩散时间，s;
[0086] to-初始时刻，s;
[0087] h-某一位置与液面之间的距离，m;
[0088] Η-液相高度，m;
[0089] teq 一平衡所用时间，s;
[0090] C(t,h)-二氧化碳在t时刻，h距离处的浓度，mol/L;
[0091] Ceq-平衡时液相中二氧化碳的浓度，mol/L;
[0092] 〇-扩散系数，m2/s。
[0093] 本实验中扩散前缘二氧化碳浓度为2.326 X 10_4mol/L，界面处二氧化碳浓度假设 在实验刚开始时便达到平衡，且不再变化，根据亨利定律求得其值为〇.〇668mol/L。
[0094] (3)通过压力衰竭实验获得二氧化碳浓度随时间和液相深度的变化关系式中不同 时刻的变扩散系数;具体为：
[0095] 随着扩散的进行，二氧化碳在溶液中的扩散行为是不断变化的，所以式m中的扩 散系数应该使用变扩散系数，此处采用压力衰竭实验计算出来的不同时刻所对应的变扩散 系数，具体数据表1。
[0096] 表1压力衰竭法求得的不同时刻的变扩散系数
[0098]依据实验数据，可以得到不同时刻的前缘移动距离，结合上式利用Matlab软件编 程，可得到不同时刻溶液中二氧化碳浓度随距离的分布图，部分结果见图4和图5。
[0099]利用Matlab软件对曲线进行拟合并积分到扩散前缘处，可以得到不同时刻二氧化 碳的注入量，结果见表2。
[0100]表2前缘监测法不同时刻二氧化碳注入量
[0102] 为了验证此装置研究二氧化碳扩散行为的合理性，将此结果与压力衰竭实验结果 进行对比。
[0103] 压力衰竭实验条件：在温度为25°C的恒温箱中，向100ml的中间容器中注入 50ml0.8mol/L NaCl溶液(液面高5.4〇1〇，将上部空气用真空栗抽出，再注入压力为200即& 的二氧化碳气体，此时切断气源，通过压力传感器记录二氧化碳扩散过程中中间容器内压 力的变化。
[0104] 将压力随时间变化的数据进行处理，取与扩散前缘可视化实验相同的时间区间， 将压力数据绘制成曲线如图6。
[0105] 对于整个封闭的PVT容器，由物质平衡原理可知，气相中减少的⑶2量与液相中增 加的C02量相等。通过气体的状态方程，可以计算得到真实气体从初始状态(Po，to)到某一时 刻(Pt，ti)气相中所减少的0) 2量Δ nt。
[0107] 式中n〇、nt为初始时刻和扩散到t时刻气相中C02量;R为气体常数，Zo、Zt为真实气体 压缩因子。在这个过程中，气体的压缩因子的计算是通过临界压缩因子方法得到，由于扩散 过程中，从初始时刻到平衡状态，压力的改变导致气体压缩因子变化不大，方程式中的压缩 因子之取初始状态和平衡状态的平均值。
[0108] 利用式(5)得到不同时刻扩散到液相中的二氧化碳的物质的量，如图7。
[0109] 考虑到压力衰竭实验和前缘监测实验液体高度的不同导致注入量的差异，将结果 进行归一化处理，得到不同时刻的相对注入量，对比结果见表3。
[0110] 表3压力衰竭法与前缘监测法相对注入量对比表
[0113]从表3中可以看出，压力衰竭与前缘监测的相对注入量非常接近，证明了该装置能 够准确的监测二氧化碳扩散的前缘推进情况。
【主权项】
1. 一种研究二氧化碳扩散前缘的装置，该装置包括二氧化碳注入系统、检测系统及液 体注入系统； 所述二氧化碳注入系统包括二氧化碳气瓶； 所述检测系统包括透明检测管W及用于与外部管线连通的接口，所述接口包括第一接 口和第二接口. 所述液体注入系统包括液体储存容器； 其中，所述气瓶和第一接口连通，所述第一接口与透明检测管的一端连通，所述透明检 测管的另一端与第二接口连通，所述第二接口与液体储存容器连通。2. 根据权利要求1所述的研究二氧化碳扩散前缘的装置，其中，所述二氧化碳注入系统 还包括压力缓冲部，所述压力缓冲部设于气瓶与第一接口连通的管路上，用于平稳管路中 气体的波动。3. 根据权利要求1所述的研究二氧化碳扩散前缘的装置，其中，所述压力缓冲部包括至 少一个缓冲罐； 所述缓冲罐为一端开有通孔的罐体，所述通孔处设有与外界连通的管线，所述罐体通 过通孔处的管线连接于气瓶和第一接口连通的管路上;或， 所述缓冲罐为两端开有通孔的罐体，所述罐体W串联方式或并联方式连接于所述气瓶 和第一接口连通的管路上。4. 根据权利要求1所述的研究二氧化碳扩散前缘的装置，其中，该装置还包括抽真空系 统，所述抽真空系统用于抽出装置内的管线、透明检测管W及液体储存容器内的气体。5. 根据权利要求4所述的研究二氧化碳扩散前缘的装置，其中，所述抽真空系统包括真 空累;所述真空累设于第二接口与液体储存容器连通的管路上。6. 根据权利要求1所述的研究二氧化碳扩散前缘的装置，其中，所述液体储存容器为顶 部设有通孔，底部为活塞式推注部件的罐体;所述罐体侧壁的底部设有可将活塞式推注部 件进行固定的固定件； 所述液体储存容器通过顶部通孔与注液管线连通。7. 根据权利要求1所述的研究二氧化碳扩散前缘的装置，其中，所述透明检测管的外部 设有不诱钢套筒，在所述不诱钢套筒上开有沿透明检测管长度方向的视窗。8. -种利用权利要求1-7任一项所述的装置研究二氧化碳扩散前缘的方法，该方法包 括W下步骤： 利用所述研究二氧化碳扩散前缘的装置进行实验，使二氧化碳在含有石蕊的测试溶液 中进行扩散，通过观察测试溶液沿二氧化碳注入方向的颜色变化情况，获得扩散前缘的推 进距离、二氧化碳注入时间的数据;根据获得的数据对二氧化碳扩散前缘进行研究。9. 根据权利要求8所述的研究二氧化碳扩散前缘的方法，其中，根据获得的数据对二氧 化碳扩散前缘进行研究的具体步骤包括： (1) 根据获得扩散前缘的推进距离、二氧化碳注入时间的数据建立扩散前缘的推进距 离和二氧化碳注入时间的关系曲线； (2) 根据一维非稳态方程、扩散模型的初始条件和边界条件建立二氧化碳扩散模型，通 过对二氧化碳扩散模型求解，获得扩散过程中二氧化碳浓度随时间和液相深度的变化关系 式； (3)通过压力衰竭实验获得二氧化碳浓度随时间和液相深度的变化关系式中不同时刻 的变扩散系数。10.根据权利要求9所述的研究二氧化碳扩散前缘的方法，其中，步骤(2)中的所述一维 非稳态方程见式I:扩散模型的初始条件和边界条件如下： h二0 , t〇〈t〈teq C(t,h)二Ceq 式（Π -1), 0<h<H,t = 〇 C(t,h)=0 式（Π -2)，式（II-3); 扩散过程中二氧化碳浓度随时间和液相深度的变化关系式见式虹：細I; 在上述式I、式（Π -1)、式（Π -2)、式（Π -3)和式虹中， t-扩散时间，S; to-初始时刻，S; h-某一位置与液面之间的距离，m; Η一液相局度，m; teq-平衡所用时间，S; C(t,h)-二氧化碳在t时刻，h距离处的浓度，mol/l; Ceq-平衡时液相中二氧化碳的浓度，mo 1/L; D-扩散系数，m2/s。
【文档编号】G01N13/00GK106092830SQ201610647251
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月9日 公开号201610647251.8, CN 106092830 A, CN 106092830A, CN 201610647251, CN-A-106092830, CN106092830 A, CN106092830A, CN201610647251, CN201610647251.8
【发明人】赵仁保, 杨娇龙, 许梦凡, 衡明浩, 岳湘安
【申请人】中国石油大学(北京)