发明概述
针对以上的技术不足,本发明公开一种测量二氧化碳在岩石中扩散系数的方法。本发明不再通过测量二氧化碳的浓度来测量二氧化碳在岩石中扩散系数,而是通过测定二氧化碳气体压力的变化获取二氧化碳在岩石中扩散系数:通过校正的二氧化碳气体状态方程换算出其浓度的变化,进而测定出二氧化碳气体在岩石中的扩散系数。本发明从根本上取消了气室,消除了取样对气体压力造成的影响,并且将抽真空、饱和地层流体及气体扩散系数的测定一体化,从而彻底消除了抽真空过程中对岩石中饱和流体的影响。
术语解释:
饱和流体处理:是指通过抽真空将扩散筒中装填样品岩石内部细小孔隙中的空气全部吸出,然后利用平流泵将实验流体驱替入扩散筒中,继续注入实验流体会产生一个憋压,通当压力憋到10MPa时,使得扩散筒中的实验流体在高压下被压入装填样品岩石的孔隙中,实现了装填样品岩石的孔隙中全部饱和上实验流体。
发明详述
本发明的技术方案如下:
一种测量二氧化碳在岩石中扩散系数的方法,包括步骤如下:
(1)对扩散筒进行烘干;
(2)将取样圆柱岩心或人造圆柱岩心作为装填样品岩石,将所述的装填样品岩石烘干,用密封胶将装填样品岩石上下两端面密封后装入扩散筒中;
(3)将扩散筒抽真空;
(4)利用加热器对扩散筒进行加热,恒温至要模拟地层压力,待用;
(5)向扩散筒中泵入实验流体,并加压至10MPa,对填装岩石样品进行饱和流体处理;所述的实验流体为地层孔隙流体或模拟地层流体,所述模拟地层流体是与地层孔隙流体性质相同的模拟流体;
(6)继续对扩散筒内部实验流体进行加压操作,加压至要模拟地层压力;
(7)在所述扩散筒的底部设置有回压阀,调整回压阀的设定压力,所述的设定压力较扩散筒内部压力小0.1MPa;
(8)向扩散筒泵入二氧化碳,所述二氧化碳的压力与要模拟地层压力相同,由于回压阀的作用,排空扩散筒中的实验流体;
(9)封闭扩散筒,利用压力传感器采集扩散筒内的初始压力P0、采集n个时间点t1~tn的压力P1~Pn,(n大于等于2);
(10)ΔP为n个时间点的压力P1-Pn分别与初始压力P0的压力差,如,ΔP1=P1-P0、ΔP2=P2-P0、ΔPn=Pn-P0;将计算得到的压降ΔP1~ΔPn与分别与时间点t1~tn对应作图,得到
的曲线图,计算所述曲线图中直线段部分的斜率k;
(11)将步骤(10)中的k带入式①,
①
在式①中,ΔP为n个时间点的压力P1-Pn分别与初始压力P0的压力差,如,ΔP1=P1-P0、ΔP2=P2-P0、ΔPn=Pn-P0;M∞—时间趋近于无穷时二氧化碳扩散进入装填样品岩石中的量,mol;Z-压缩因子由实验的压力和温度确定;R-通用气体常数,8.314Pa·m3·K-1·mol-1;T-实验温度,K;Deff-二氧化碳扩散系数;r0-装填样品岩石的横截面半径,m;V-岩样与扩散筒之间的环空体积,m3;t-时间点,包括t1~tn;k-ΔP与t1/2所形成直线段部分的斜率;
由式①得,
即能求出二氧化碳在装填样品岩石中的扩散系数D
eff。
本发明是通过校正的二氧化碳气体状态方程换算出其浓度的变化,进而测定出二氧化碳气体在岩石中的扩散系数,所述式①的推导过程如下:
由Fick第一扩散定律可知,扩散系数为常数时,直角坐标系中无源、汇项的扩散微分方程为:
其中C为气体浓度,D为气体的扩散系数,t为时间,x、y、z为直角坐标系坐标;
通过将(ⅰ)式通过数学上的坐标变换得到柱坐标系下的表达形式为:
由于实验所用岩心为圆柱型岩心,上下两个端面密封,气体只能在径向扩散进入岩心,因此将(ⅱ)式简化为柱坐标系下的一维径向扩散微分方程为:
根据边界条件结合方程(ⅲ)进行以下联立
求解得到方程(ⅲ)的解为:
其中J
0(rα
n)为零阶第一类贝塞尔函数,J
1(r
0α
n)为一阶第一类贝塞尔函数,α
n为J
0(r
0α
n)=0的正根;
用Mt表示在时间t内气体扩散进入岩心中的物质的量;用M∞表示时间趋近于无穷时气体扩散进入岩心中的物质的量。将式(ⅳ)对半径r积分,得到Mt与时间t之间的关系式:
将真实气体状态方程ΔPV=ZΔnRT以及Mt=Δn代入(ⅵ)中得到 该式即为①式。
本发明的优点在于:
本发明不再通过测量二氧化碳的浓度来测量二氧化碳在岩石中扩散系数,而是通过测定二氧化碳气体压力的变化获取二氧化碳在岩石中扩散系数:通过校正的二氧化碳气体状态方程换算出其浓度的变化,进而测定出二氧化碳气体在岩石中的扩散系数。本发明从根本上取消了气室,消除了取样对气体压力造成的影响,并且将抽真空、饱和地层流体及气体扩散系数的测定一体化,从而彻底消除了抽真空过程中对岩石中饱和流体的影响。
具体实施方式
下面根据实施例和说明书附图对本发明做详细的说明,但不限于此。
实施例、
(1)对扩散筒进行烘干;
(2)将取样圆柱岩心或人造圆柱岩心作为装填样品岩石,将所述的装填样品岩石烘干,用密封胶将装填样品岩石上下两端面密封后装入扩散筒中;
(3)将扩散筒抽真空;
(4)利用加热器对扩散筒进行加热,恒温至要模拟地层压力,待用;
(5)向扩散筒中泵入实验流体,并加压至10MPa,对填装岩石样品进行饱和流体处理;所述的实验流体为地层孔隙流体或模拟地层流体,所述模拟地层流体是与地层孔隙流体性质相同的模拟流体;
(6)继续对扩散筒内部实验流体进行加压操作,加压至要模拟地层压力;
(7)在所述扩散筒的底部设置有回压阀,调整回压阀的设定压力,所述的设定压力较扩散筒内部压力小0.1MPa;
(8)向扩散筒泵入二氧化碳,所述二氧化碳的压力与要模拟地层压力相同,由于回压阀的作用,排空扩散筒中的实验流体;
(9)封闭扩散筒,利用压力传感器采集扩散筒内的初始压力P0、采集n个时间点t1~tn的压力P1~Pn,(n大于等于2),填写成表1;
表1:利用压力传感器采集各时间点的压力P1-Pn和计算得到的压差
通过对表1中的压力对时间作图,得到压力随时间变化图,见图1所示;
(10)ΔP为n个时间点的压力P1-Pn分别与初始压力P0的压力差,如,ΔP1=P1-P0、ΔP2=P2-P0、ΔPn=Pn-P0;将计算得到的压降ΔP1~ΔPn与分别与时间点t1~tn对应作图,得到
的曲线图,计算所述曲线图中直线段部分的斜率k,如图2所示;
(11)将步骤(10)中的k带入式①,
①
在式①中,ΔP为n个时间点的压力P1-Pn分别与初始压力P0的压力差,如,ΔP1=P1-P0、ΔP2=P2-P0、ΔPn=Pn-P0;M∞—时间趋近于无穷时二氧化碳扩散进入装填样品岩石中的量,mol;Z—压缩因子由实验的压力和温度确定;R—通用气体常数,8.314Pa·m3·K-1·mol-1;T-实验温度,K;Deff-二氧化碳扩散系数;r0-装填样品岩石的横截面半径,m;V-岩样与扩散筒之间的环空体积,m3;t-时间点,包括t1~tn;k-ΔP与t1/2所形成直线段部分的斜率;
由式①得,即能求出二氧化碳在装填样品岩石中的扩散系数Deff=1.65×10-10m2/s,填写成表2。
表2