一种用于测定气藏中气-气扩散系数的系统和方法与流程

1.本发明属于扩散系数测定技术领域，更具体地，涉及一种用于测定气藏中气-气扩散系数的系统和方法。


背景技术：

2.边底水气藏衰竭生产过程中，受储层非均质性影响，边底水会选择性侵入，形成多种形式的水封气，造成储量损失，严重影响气藏开发效果。当气藏发生水侵后，水侵区域地层中出现气水两相流，两相流增加了气相渗流阻力，造成气藏废弃压力增大。对于水体较为活跃的边水气藏，气井生产时出水现象是早晚要出现的。在水侵入产气层段后，气相相对渗透率降低，气井产能大幅下降。气井出水后，井筒内流体密度加大，井筒举升压力损失增大，严重时造成气井停喷。
3.注气控水是指向油气藏特定的位置注入co2、n2、烟道气等气体，抑制水侵。在油藏高温高压条件下，注入气体的相态会发生改变，形成超临界状态。超临界状态介于气体和液体之间，可兼有气体和液体的双重特性，即密度接近液体，粘度又与气体相似，扩散系数为液体的10-100倍，具有良好的传质特性，并具有很强的溶解能力和良好的流动、输运性能。超临界流体具有高度可压缩性，但压缩时并不能产生液相，只能增加其密度，另外，超临界流体表面张力接近零并具有优良的传质性能，使其向多孔介质中的渗透扩散更为容易。
4.注气控水的关键是co2在水侵气藏储层中的扩散能力。co2在不同含水饱和度和天然气含量的多孔岩石介质中的扩散速度对注co2抑制水侵具有决定性作用。此外，注气控水同时可实现二氧化碳地质封存，而在此过程中，co2时刻处于动态的扩散状态，直至达到平衡。为了评估注气控水的可行性、有效性、安全性，需要测定二氧化碳在含地层水气藏中向天然气中的扩散系数。
5.目前文献中关于超临界co2在含天然气多孔介质中扩散系数的测定方法，整体上分为两类：直接法和间接法。直接测定法基于监测岩心中扩散组分随时间的变化来测定扩散系数，大多数需要进行组分分析。间接测定法主要通过监测系统中因气体的溶解扩散过程导致某些参数的相应变化来求取扩散系数，不需要对组分进行分析。这些参数包括气液界面的移动速度、气体的注入速率和压力的降落速率等。
6.现有技术中，因为气-液间的扩散较为缓慢，在低压条件下通常用间接法测定气-液间的扩散系数。气-气间扩散系数特别是超临界条件下利用间接法精确压力监测非常困难，而若不能准确测量扩散时压力降落数据则无法准确计算出气-气扩散系数。
7.专利cn104897525a中公开了一种用于页岩气的扩散系数及等温/解吸曲线的测试系统及方法。专利cn105092419a中公开了一种高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置和方法。以上两专利均是通过检测不同时间岩心两端的气体浓度，并通过菲克第二定律来测定扩散系数。但是，上述两种方法所设计的气体扩散室均为体相条件，本质上为体相条件气体向多孔介质中扩散的过程，不符合实际气藏中多孔介质内气体向多孔介质扩散的过程。因此，上述方法对于多孔介质中气-气扩散系数测定有一定局限性。
8.因此，目前为测定气藏中含水多孔介质的气-气扩散系数，亟待提出一种用于测定气藏中气-气扩散系数的系统及方法。


技术实现要素：

9.本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种用于测定气藏中气-气扩散系数的系统和方法。利用本发明的系统和方法可以测定不同设定流体压力值和不同含水饱和度条件下的气藏中含水多孔介质的气-气扩散系数。
10.为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种用于测定气藏中气-气扩散系数的系统，该系统包括第一岩心夹持器、第二岩心夹持器、恒温箱、抽真空装置、第一气体供应子系统、第二气体供应子系统、围压子系统、气体取样组分分析子系统和饱和地层水注入子系统；
11.所述第一岩心夹持器和所述第二岩心夹持器均设置于所述恒温箱内，且通过第一旋钮阀互相连接；
12.所述抽真空装置、所述第一气体供应子系统、所述第二气体供应子系统、所述围压子系统、所述气体取样组分分析子系统和所述饱和地层水注入子系统均分别与所述第一岩心夹持器和所述第二岩心夹持器连接；
13.所述第一气体供应子系统和所述第二气体供应子系统用于分别向所述第一岩心夹持器和所述第二岩心夹持器内注入气体；
14.所述围压子系统用于对所述第一岩心夹持器和所述第二岩心夹持器内的岩心样品加载围压；
15.所述气体取样组分分析子系统用于测定所述第一岩心夹持器和所述第二岩心夹持器的非连接端的气体组分浓度；
16.所述饱和地层水注入子系统用于向所述第一岩心夹持器和所述第二岩心夹持器内注入地层水。
17.本发明另一方面提供了一种用于测定气藏中气-气扩散系数的方法，该方法采用所述的用于测定气藏中气-气扩散系数的系统，包括如下步骤：
18.s1：将两个相同规格的柱状岩心样品分别放入所述第一岩心夹持器和所述第二岩心夹持器中；对所述两个相同规格的柱状岩心样品加载围压；调节所述恒温箱的温度至设定值；
19.s2：对步骤s1的两个岩心夹持器进行抽真空，同时向步骤s1的两个岩心夹持器中分别注入地层水至达到所述两个相同规格的柱状岩心样品的含水饱和度；
20.s3：开启所述第一气体供应子系统和所述第二气体供应子系统，将不同的两种气体分别注入到步骤s2的两个岩心夹持器中至步骤s2的两个岩心夹持器内的流体压力值均达到设定流体压力值时，关闭所述第一气体供应子系统和所述第二气体供应子系统；调整所述两个相同规格的柱状岩心样品的围压达到设定围压值，以保持两个岩心夹持器内的流体压力值恒定为所述设定流体压力值；
21.s4：打开所述第一旋钮阀，进行气-气扩散系数测定实验，获得不同时间点的步骤s3的两个岩心夹持器的非连接端的气体组分浓度差数据，并结合菲克第二定律，计算所述气藏中气-气扩散系数。
22.本发明的技术方案具有如下有益效果：
23.(1)本发明的测定气藏中气-气扩散系数的系统可以简单易行地测定气藏中含水多孔介质的气-气扩散系数。
24.(2)本发明不同于现有技术的体相扩散室内的气体向多孔介质(岩心)中的扩散实验，本发明为多孔介质中气体向多孔介质中气体的扩散，即实现了全多孔介质条件下的气-气扩散，更加符合地层实际情况。
25.(3)本发明通过选取不同含水饱和度的两个相同规格的岩心样品，以及通过设定不同的流体压力值，可测定不同设定流体压力值和不同含水饱和度条件下的多孔介质的气-气扩散系数。
26.本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
27.通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
28.图1示出了本发明实施例1提供的一种用于测定气藏中气-气扩散系数的系统的示意图。
29.附图标记说明如下：
30.1.第一气瓶，2.第四旋钮阀，3.第一中间容器，4.第一isco泵，5.第二旋钮阀，6.第一岩心夹持器，7.精密压差传感器，8.第二岩心夹持器，9.第一旋钮阀，10.三向分流阀，11.气相色谱仪，12.数据分析仪，13.第三旋钮阀，14.第二中间容器，15.第二isco泵，16.第五旋钮阀，17.第二气瓶，18.围压泵，19.恒温箱，20.第一入口端，21.第二入口端，22.出口端。
具体实施方式
31.下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
32.本发明一方面提供了一种用于测定气藏中气-气扩散系数的系统，该系统包括第一岩心夹持器、第二岩心夹持器、恒温箱、抽真空装置、第一气体供应子系统、第二气体供应子系统、围压子系统、气体取样组分分析子系统和饱和地层水注入子系统；
33.所述第一岩心夹持器和所述第二岩心夹持器均设置于所述恒温箱内，且通过第一旋钮阀互相连接；
34.所述抽真空装置、所述第一气体供应子系统、所述第二气体供应子系统、所述围压子系统、所述气体取样组分分析子系统和所述饱和地层水注入子系统均分别与所述第一岩心夹持器和所述第二岩心夹持器连接；
35.所述第一气体供应子系统和所述第二气体供应子系统用于分别向所述第一岩心夹持器和所述第二岩心夹持器内注入气体；
36.所述围压子系统用于对所述第一岩心夹持器和所述第二岩心夹持器内的岩心样
品加载围压；
37.所述气体取样组分分析子系统用于测定所述第一岩心夹持器和所述第二岩心夹持器的非连接端的气体组分浓度；
38.所述饱和地层水注入子系统用于向所述第一岩心夹持器和所述第二岩心夹持器内注入地层水。
39.在本发明中，所述饱和地层水注入子系统为本领域技术人员所熟知的向所述第一岩心夹持器和第二岩心夹持器内注入地层水的系统装置。
40.根据本发明，优选地，所述围压子系统包括精密压差传感器和围压泵；所述围压泵两端分别与所述第一岩心夹持器的箱体侧壁和所述第二岩心夹持器的箱体侧壁连接。
41.根据本发明，优选地，所述气体取样组分分析子系统包括三向分流阀、气相色谱仪和数据记录仪；所述三向分流阀包括第一入口端、第二入口端和出口端；所述出口端与气相色谱仪和数据记录仪依次连接。
42.根据本发明，优选地，所述第一岩心夹持器的出口端通过所述第一旋钮阀与所述第二岩心夹持器的出口端连接。
43.根据本发明，优选地，所述系统还包括第二旋钮阀和第三旋钮阀。
44.根据本发明，优选地，所述第二旋钮阀的一端、所述第一入口端和所述精密压差传感器的一端均连接至所述第一岩心夹持器的入口端。
45.根据本发明，优选地，所述第三旋钮阀的一端、所述第二入口端和所述精密压差传感器的另一端均连接至所述第二岩心夹持器的入口端。
46.在本发明中，所述精密压差传感器用于监测所述第一岩心夹持器和所述第二岩心夹持器的非连接的两端的压差。
47.根据本发明，优选地，所述第一气体供应子系统包括第四旋钮阀、第一气瓶、第一中间容器和第一isco泵；所述第一气瓶、第四旋钮阀、第一中间容器和第二旋钮阀的另一端依次连接；所述第一中间容器还与所述第一isco泵连接。
48.根据本发明，优选地，所述第二气体供应子系统包括第五旋钮阀、第二气瓶、第二中间容器和第二isco泵；所述第二气瓶、第五旋钮阀、第二中间容器和第三旋钮阀的另一端依次连接；所述第二中间容器还与所述第二isco泵连接。
49.本发明另一方面提供了一种用于测定气藏中气-气扩散系数的方法，该方法采用所述的用于测定气藏中气-气扩散系数的系统，包括如下步骤：
50.s1：将两个相同规格的柱状岩心样品分别放入所述第一岩心夹持器和所述第二岩心夹持器中；对所述两个相同规格的柱状岩心样品加载围压；调节所述恒温箱的温度至设定值；
51.s2：对步骤s1的两个岩心夹持器进行抽真空，同时向步骤s1的两个岩心夹持器中分别注入地层水至达到所述两个相同规格的柱状岩心样品的含水饱和度；
52.s3：开启所述第一气体供应子系统和所述第二气体供应子系统，将不同的两种气体分别注入到步骤s2的两个岩心夹持器中至步骤s2的两个岩心夹持器内的流体压力值均达到设定流体压力值时，关闭所述第一气体供应子系统和所述第二气体供应子系统；调整所述两个相同规格的柱状岩心样品的围压达到设定围压值，以保持两个岩心夹持器内的流体压力值恒定为所述设定流体压力值；
53.s4：打开所述第一旋钮阀，进行气-气扩散系数测定实验，获得不同时间点的步骤s3的两个岩心夹持器的非连接端的气体组分浓度差数据，并结合菲克第二定律，计算所述气藏中气-气扩散系数。
54.在本发明中，所述两个相同规格的柱状岩心样品是指两个柱状岩心样品的含水饱和度相同。
55.在本发明中，在步骤s1中，对所述两个相同规格的柱状岩心样品加载围压的目的在于使得岩心夹持器内的橡胶筒包裹住岩心样品。
56.根据本发明，优选地，所述恒温箱的温度的设定值根据气藏温度情况确定，所述恒温箱的恒温时间为2-2.5h。
57.根据本发明，优选地，在将不同的两种气体分别注入到步骤s2的两个岩心夹持器的过程中，保持步骤s2的两个岩心夹持器内的流体压力值差小于0.1kpa。
58.在本发明中，在步骤s3中，本发明通过设定不同的流体压力值，可测定不同设定流体压力值条件下的多孔介质的气-气扩散系数。具体为：
59.若两个岩心夹持器设定的流体压力值小于等于0.2mpa，则将所述两个相同规格的柱状岩心样品的围压调整至3mpa，以保持两个岩心夹持器内的流体压力值恒定为所述设定流体压力值。
60.若两个岩心夹持器设定的流体压力值大于0.2mpa小于等于15mpa，则利用围压子系统将所述两个相同规格的柱状岩心样品的有效应力设置为3mpa，以保持两个岩心夹持器内的流体压力值恒定为所述设定流体压力值。
61.若两个岩心夹持器设定的流体压力值大于15mpa，则利用围压子系统将所述两个相同规格的柱状岩心样品的有效应力设置为设定的流体压力值的20％，以保持两个岩心夹持器内的流体压力值恒定为所述设定流体压力值。
62.其中，有效应力＝上覆地层压力-流体压力，本发明中，所述上覆地层压力根据围压子系统提供。
63.也就是说，当两个岩心夹持器设定的流体压力值小于等于0.2mpa时，所述设定围压值为所述两个相同规格的柱状岩心样品的围压；当两个岩心夹持器设定的流体压力值大于0.2mpa时，所述设定围压值根据所述两个相同规格的柱状岩心样品的有效应力确定。
64.根据本发明，优选地，所述气-气扩散系数测定实验的步骤包括：在不同的时间点，利用气相色谱法测定步骤s3的两个岩心夹持器的非连接端的气体组分浓度，待测得步骤s3的两个岩心夹持器的非连接端的气体组分浓度相同或等时间间隔获取至少10组气体组分浓度时，停止所述气-气扩散系数测定实验。
65.在本发明中，所述气相色谱法指的是gb/t 13610-2014天然气的组成分析气相色谱法。
66.根据本发明，优选地，所述不同的时间点的时间间隔为2-12h。
67.根据本发明，优选地，所述方法还包括选取不同含水饱和度的两个相同规格的柱状岩心样品重复步骤s1-s4，测定不同含水饱和度条件下的气藏中的气-气扩散系数。
68.以下通过实施例具体说明本发明。
69.实施例1
70.本实施例提供一种用于测定气藏中气-气扩散系数的系统，如图1所示，该系统包
括第一岩心夹持器6、第二岩心夹持器8、恒温箱19、抽真空装置(未示出)、第一气体供应子系统、第二气体供应子系统、围压子系统、气体取样组分分析子系统和饱和地层水注入子系统(未示出)；
71.所述第一岩心夹持器6和所述第二岩心夹持器8均设置于所述恒温箱19内，且所述第一岩心夹持器6的出口端通过所述第一旋钮阀9与所述第二岩心夹持器8的出口端连接；
72.所述抽真空装置(未示出)、所述第一气体供应子系统、所述第二气体供应子系统、所述围压子系统、所述气体取样组分分析子系统和所述饱和地层水注入子系统(未示出)均分别与所述第一岩心夹持器6和所述第二岩心夹持器8连接；
73.所述围压子系统用于对所述第一岩心夹持器6和所述第二岩心夹持器8内的岩心样品加载围压；所述围压子系统包括精密压差传感器7和围压泵18；所述围压泵18两端分别与所述第一岩心夹持器6的箱体侧壁和所述第二岩心夹持器8的箱体侧壁连接。
74.所述气体取样组分分析子系统用于测定所述第一岩心夹持器6和所述第二岩心夹持器8的非连接端的气体组分浓度；所述气体取样组分分析子系统包括三向分流阀10、气相色谱仪11和数据记录仪12；所述三向分流阀10包括第一入口端20、第二入口端21和出口端22；所述出口端22与气相色谱仪11和数据记录仪12依次连接。
75.所述系统还包括第二旋钮阀5和第三旋钮阀13，所述第二旋钮阀5的一端、所述第一入口端20和所述精密压差传感器7的一端均连接至所述第一岩心夹持器6的入口端；所述第三旋钮阀13的一端、所述第二入口端21和所述精密压差传感器7的另一端均连接至所述第二岩心夹持器8的入口端。
76.所述第一气体供应子系统和所述第二气体供应子系统用于分别向所述第一岩心夹持器6和所述第二岩心夹持器8内注入气体；所述第一气体供应子系统包括第四旋钮阀2、第一气瓶1、第一中间容器3和第一isco泵4；所述第一气瓶1、第四旋钮阀2、第一中间容器3和第二旋钮阀5的另一端依次连接；所述第一中间容器3还与所述第一isco泵4连接；所述第二气体供应子系统包括第五旋钮阀16、第二气瓶17、第二中间容器14和第二isco泵15；所述第二气瓶17、第五旋钮阀16、第二中间容器14和第三旋钮阀13的另一端依次连接；所述第二中间容器14还与所述第二isco泵15连接。本实施例中，所述第一气瓶1为co2气瓶，所述第二气瓶17为ch4气瓶。
77.所述饱和地层水注入子系统用于向所述第一岩心夹持器6和所述第二岩心夹持器8内注入地层水。
78.实施例2
79.本实施例提供一种用于测定气藏中气-气扩散系数的方法，该方法采用实施例1所述的用于测定气藏中气-气扩散系数的系统，包括如下步骤：
80.s1：将两个相同规格的(长度均为100mm,直径均为38mm,孔隙度均为0.15，渗透率均为12md，含水饱和度均为58％)柱状岩心样品分别放入所述第一岩心夹持器6和所述第二岩心夹持器8中；对所述两个相同规格的柱状岩心样品加载围压3mpa；根据气藏温度情况，调节所述恒温箱19的温度至设定值80℃，并保持恒温2-2.5h；
81.s2：利用所述抽真空装置对步骤s1的两个岩心夹持器进行抽真空，同时利用所述饱和地层水注入子系统向步骤s1的两个岩心夹持器中分别注入地层水至达到所述两个相同规格的柱状岩心样品的含水饱和度58％；
82.s3：开启所述第一气体供应子系统和所述第二气体供应子系统，将co2和ch4分别注入到步骤s2的两个岩心夹持器中至步骤s2的两个岩心夹持器内的流体压力值均达到设定流体压力值10mpa时，关闭所述第一气体供应子系统和所述第二气体供应子系统；利用所述围压子系统调整所述两个相同规格的柱状岩心样品的围压达到设定围压值15mpa(有效应力设置为3mpa)，以保持两个岩心夹持器内的流体压力值恒定为所述设定流体压力值；在将co2和ch4分别注入到步骤s2的两个岩心夹持器的过程中，保持步骤s2的两个岩心夹持器内的流体压力值差小于0.1kpa。
83.s4：打开所述第一旋钮阀，进行气-气扩散系数测定实验，获得不同时间点的步骤s3的两个岩心夹持器的非连接端的气体组分浓度差数据，并结合菲克第二定律，计算所述气藏中气-气扩散系数为5.89
×
10-7m2 s-1
。
84.所述气-气扩散系数测定实验的步骤包括：在不同的时间点，利用气相色谱法测定步骤s3的两个岩心夹持器的非连接端的气体组分浓度，待等时间间隔获取10组气体组分浓度时，停止所述气-气扩散系数测定实验；所述不同的时间点的时间间隔为12h。
85.对照例
86.本对照例提供一种用于测定气藏中气-气扩散系数的方法，该方法采用实施例1所述的用于测定气藏中气-气扩散系数的系统。
87.本对照例的方法与实施例2的方法的不同之处在于：在步骤s2中，不向步骤s1的两个岩心夹持器中分别注入地层水；
88.包括如下步骤：
89.s1：将两个相同规格的(长度均为100mm,直径均为38mm,孔隙度均为0.15，渗透率均为12md，含水饱和度均为0)柱状岩心样品分别放入所述第一岩心夹持器6和所述第二岩心夹持器8中；对所述两个相同规格的柱状岩心样品加载围压3mpa；根据气藏温度情况，调节所述恒温箱19的温度至设定值80℃，并保持恒温2-2.5h；
90.s2：利用所述抽真空装置对步骤s1的两个岩心夹持器进行抽真空；
91.s3：开启所述第一气体供应子系统和所述第二气体供应子系统，将co2和ch4分别注入到步骤s2的两个岩心夹持器中至步骤s2的两个岩心夹持器内的流体压力值均达到设定流体压力值10mpa时，关闭所述第一气体供应子系统和所述第二气体供应子系统；利用所述围压子系统调整所述两个相同规格的柱状岩心样品的围压达到设定围压值15mpa(有效应力设置为3mpa)，以保持两个岩心夹持器内的流体压力值恒定为所述设定流体压力值；在将co2和ch4分别注入到步骤s2的两个岩心夹持器的过程中，保持步骤s2的两个岩心夹持器内的流体压力值差小于0.1kpa。
92.s4：打开所述第一旋钮阀，进行气-气扩散系数测定实验，获得不同时间点的步骤s3的两个岩心夹持器的非连接端的气体组分浓度差数据，并结合菲克第二定律，计算所述气藏中气-气扩散系数为6.28
×
10-8m2 s-1
。
93.所述气-气扩散系数测定实验的步骤包括：在不同的时间点，利用气相色谱法测定步骤s3的两个岩心夹持器的非连接端的气体组分浓度，待等时间间隔获取10组气体组分浓度时，停止所述气-气扩散系数测定实验；所述不同的时间点的时间间隔为12h。
94.本发明中，设置对照例的目的在于：
95.表明干岩心与含水岩心的co2气体扩散系数因为岩心中的残余水分布和co2的溶解
存在的差异，即在湿样条件下,扩散的介质条件发生了改变,co2气体的扩散不再单单是由于气体分子在运动中相互碰撞产生的,而是co2气体以间隙填充和水合作用的形式溶解于孔隙水后的扩散。根据测试计算，含水岩心的扩散系数一般比干岩心的扩散系数大1～2个数量级。
96.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。