CN103884628A - 一种应用ct测量多孔介质中二氧化碳扩散系数的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种应用CT测量多孔介质中气体扩散系数的装置与方法，属于石油开采工程技术领域。该装置包括CT扫描成像系统和CO₂扩散系统，CT成像系统包括通用型X射线CT扫描装置与数据处理计算机；CO₂扩散系统包括高压容器、注气泵、气瓶、注气泵控温装置、高压容器控温装置、真空泵、压力传感器和温度传感器，其中高压容器放置于CT扫描装置内部，高压容器的入口通过注气泵与气瓶相连。测定时，首先利用CT扫描装置获得高压容器内部的CT图像，通过CT图像的信号值分析出饱和油多孔介质中二氧化碳浓度的变化，计算出二氧化碳在饱和油多孔介质中的扩散系数。该方法增进对气与油的两相扩散规律的认识，为气液在多孔介质中扩散过程的研究提供基础物性数据。

Description

一种应用CT测量多孔介质中二氧化碳扩散系数的装置与方法

技术领域

本发明涉及一种应用CT测量多孔介质中二氧化碳扩散系数的装置与方法，属于石油开采工程技术领域。

背景技术

自上世纪80年代后，大量实验证明二氧化碳是一种有效的驱油剂。CO₂在我国石油开采中有着巨大的应用潜力。在CO₂-EOR（提高采收率）项目中，需要根据气体扩散系数确定注入气体在油中溶解速度；在CO₂地质封存过程中，扩散系数的测定对于工程设计、风险评估、经济评价和性能预测等方面都是必要的数据。因此对CO₂在多孔介质中的扩散过程进行研究是十分重要的。

测量扩散系数的方法主要包括直接法和间接法两大类。直接法可以在扩散过程中直接测量扩散相的浓度分布，但是这类方法相对经济性差，测量过程复杂，并且通常样品的内部环境会遭到破坏。作为可替代的方法，几种通过测量其它参数来计算扩散系数的间接方法已得到广泛认可。这些参数可以是溶液体积的变化速率、气液界面的运动速率或者扩散系统的压力变化等。但是这些间接方法需要准确建立测量参数与扩散相浓度的关系，并且需要对被测量参数进行精确测量。尽管间接测量法优于直接测量法，但是仍然存在较大的局限性。

发明内容

本发明旨在开发一种应用CT测量多孔介质中二氧化碳扩散系数的装置与方法。该方法利用CT扫描获得特定温度和压力下气体在饱和油的多孔介质中扩散过程的密度变化，结合片层孔隙度确定多孔介质每个片层的二氧化碳相对浓度，进而利用菲克第二定律计算任意位置的扩散系数。

本发明的技术方案是：

一种应用CT测量多孔介质中二氧化碳扩散系数的装置，包括CT扫描成像系统和CO₂扩散系统，CT扫描成像系统包括通用型X射线CT扫描装置与数据处理计算机；CO₂扩散系统包括一个高压容器、注气泵、气瓶、注气泵控温装置、高压容器控温装置、真空泵、压力传感器和温度传感器，其中高压容器放置于CT扫描装置内部，高压容器的入口通过注气泵与气瓶相连，注气泵和高压容器之间连接真空泵和排气针阀；利用注气泵控温装置对注气泵进行外部控温，利用高压容器控温装置对高压容器进行外部控温；扩散系统的压力和温度分别采用压力传感器和温度传感器进行测量。

所述的一种应用CT测量多孔介质中二氧化碳扩散系数的方法包括以下步骤：

（1）向高压容器内装入饱和油的多孔介质，再将高压容器放入CT扫描装置内部；

（2）连接好管路，打开第二针阀、第三针阀，开启真空泵，抽真空30分钟后停止，关闭第二针阀、第三针阀，开启高压容器控温装置对高压容器进行控温；

（3）打开气瓶和第一针阀，向注入泵中充入实验气体（二氧化碳）后，关闭第一针阀，开启注气泵控温装置，向高压容器中注入工作气体；

（4）打开第二针阀，利用注入泵向高压容器内充入工作气体至实验压力，并保持恒压；利用压力传感器和温度传感器记录压力和温度，利用CT扫描装置对高压容器内饱和油的多孔介质扫描得到CT图像，然后每隔半小时进行一次扫描拍摄直至结束；

（5）对所得到的CT图像的信号值进行分析处理，结合片层孔隙度确定多孔介质每个片层的二氧化碳相对浓度，进而利用菲克第二定律计算任意位置的扩散系数；

（6）此步骤是为了进一步详细说明步骤（5）处理方法。由于模拟岩心与油的密度不同，根据CT扫描成像原理可以得到只有模拟岩心和油存在的两个波峰的信号值分布图，在CT图像中的信号值分布中设定一个阈值，利用MATLAB可以计算出每一片层的孔隙度，再利用式①

CT_sand+oil=(1-φ)CT_sand+φCT_oil  ①a

CT_sand+CO2+oil=(1-φ)CT_sand+φCT_CO2+oil  ①b

计算出每一片层的油的信号值，去除模拟岩心的信号干扰。由于二氧化碳扩散后油的密度变化与二氧化碳在油中的浓度成线性关系，假设二氧化碳与油接触面为充分扩散的状态，则以界面处的二氧化碳浓度为标准，将每一片层处理后油的信号值与界面处油信号值相比得到二氧化碳相对浓度，见式②

$\frac{C}{C_0}=\frac{\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{oil}}}{{\mathrm{\ρ}}_0-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{oil}}}=\frac{{\mathrm{CT}}_{\mathrm{CO}2+\mathrm{oil}}-{\mathrm{CT}}_{\mathrm{oil}}}{{\mathrm{CT}}_0-{\mathrm{CT}}_{\mathrm{oil}}}$   ②

其中CT_oil为未扩散时油的信号值，CT_CO2+oil为扩散过程中任意位置二氧化碳扩散进入油中后混合物信号值，CT₀为扩散过程中界面处二氧化碳扩散进入油中后混合物信号值。根据上述方法，可以确定系统内每一片层的二氧化碳相对浓度，再带入由菲克第二定律③利用网格法（图2）转化的式④中得到关于扩散系数的方程组，解方程组即可得出扩散系数。

$\frac{\∂C(x,t)}{\∂t}=\frac{\∂}{\∂x}\left(D\frac{\∂C(x,t)}{\∂x}\right)$   ③

$-(C_i^n-C_{i-1}^n)D_{i-1/2}^n+(C_{i+1}^n-C_i^n)D_{i+1/2}^n=\frac{{\mathrm{\Δx}}^2}{\mathrm{\Δt}}(C_i^{n+1}-C_i^n)$   ④a

$-2(C_0^n-C_A^n)D_A^n+(C_1^n-C_0^n)D_{1/2}^n=\frac{{\mathrm{\Δx}}^2}{\mathrm{\Δt}}(C_0^{n+1}-C_0^n)$   ④b

$-(C_N^n-C_{N-1}^n)D_{N-1/2}^n+2(C_B^n-C_N^n)D_B^n=\frac{{\mathrm{\Δx}}^2}{\mathrm{\Δt}}(C_N^{n+1}-C_N^n)$   ④c

④b④c为边界条件AB点下转化得到的，其中A点处为界面，并假定二氧化碳浓度保持恒定；B点处为底部，并假定无扩散通量。根据上述方法可以计算得出扩散界面处至底部纵向的任意位置的扩散系数。

（7）改变注入泵压力，重复（1）-（5），得到不同压力下二氧化碳在饱和油多孔介质中的扩散系数。

本发明利用CT扫描成像技术测定二氧化碳在饱和油多孔介质中的扩散系数，并实现测出气-油体系扩散过程的纵向任意时间点任意位置的扩散系数，便于对气在饱和油多孔介质中扩散系数的研究。CT扫描成像技术作为一种强力的非侵入测试技术，通过X射线扫描方法可以获得随着二氧化碳扩散进入饱和油多孔介质中油的密度变化，进而计算出在扩散方向上二氧化碳在油中的相对浓度，利用菲克第二定律转化而得到的非迭代有限体积式，可以计算出扩散方向上的扩散系数。上述技术方案通过CT扫描成像技术可直观、无损伤的测定多孔介质中二氧化碳的扩散系数，具有可操作性可重复性测定等优点，方便研究者研究二氧化碳在多孔介质中的扩散情况。

附图说明

图1是一种应用CT测量多孔介质中二氧化碳扩散系数的装置结构示意图。

图中：1CT扫描装置；2高压容器；3注气泵；4气瓶；5a注气泵控温装置；

5b高压容器控温装置；6数据处理计算机；7真空泵；8a第一针阀；

8b第二针阀；8c第三针阀；8d排气针阀；9压力传感器；10温度传感器。

图2是一维扩散方向上的网格划分示意图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。所述实施例是为进一步描述本发明，而不是限制本发明。

第一步，准备工作。

（1）按照图示连接整个检测系统管路，试压；

（2）向高压容器2内装入饱和油的多孔介质，再将装有饱和油多孔介质的高压容器2放入CT扫描装置1中；

（3）再次连接好管路，打开第二针阀8b、第三针阀8c，开启真空泵7，抽真空30分钟后停止，关闭第二针阀8b、第三针阀8c，开启高压容器控温装置5b对高压容器进行控温；

（4）打开气瓶4和第一针阀8a，向注入泵3中充入一定量气体，然后关闭第一针阀，开启注气泵控温装置5a，确保注入工作气体的温度为实验温度。

第二步，开始扫描，利用CT扫描装置1对二氧化碳的扩散过程进行可视化扫描。打开第二针阀，利用注入泵3向高压容器2内充入工作气体，调节高压容器2内系统压力至实验压力，并保持恒压直至实验结束；利用温度传感器10记录温度，利用压力传感器9记录压力，利用CT扫描装置1对高压容器2内饱和油的多孔介质进行扫描得到CT图像，然后每隔半小时进行一次扫描直至实验结束；保存扫描图像数据，卸压，取出高压容器2。清洗后重复第一步中的（1）-（4），为下一组检测做准备。

第三步，结果处理。整理扫描得到的实验数据，对所得同一温度同一压力下不同时间点的CT图像的信号值进行分析处理，结合片层孔隙度确定多孔介质每个片层的二氧化碳相对浓度，进而利用由菲克第二定律计算任意位置的扩散系数。

Claims (2)

1.一种应用CT测量多孔介质中二氧化碳扩散系数的装置，包括CT扫描成像系统和CO₂扩散系统，CT扫描成像系统包括通用型X射线CT扫描装置（1）与数据处理计算机（6）；其特征在于：CO₂扩散系统包括高压容器（2）、注气泵（3）、气瓶（4）、注气泵控温装置（5a）、高压容器控温装置（5b）、真空泵（7）、压力传感器（9）和温度传感器（10），其中高压容器（2）放置于CT扫描装置（1）内部，高压容器（2）的入口通过注气泵（3）与气瓶（4）相连，注气泵（3）和高压容器（2）之间连接真空泵（7）和排气针阀（8d）；利用注气泵控温装置（5a）对注气泵（3）进行外部控温，利用高压容器控温装置（5b）对高压容器（2）进行外部控温；扩散系统的压力和温度分别采用压力传感器（9）和温度传感器（10）进行测量。

2.应用权利要求1所述的装置测量多孔介质中二氧化碳扩散系数的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）向高压容器（2）内装入饱和油的多孔介质，再将高压容器（2）放入CT扫描装置（1）内部；

2）连接好管路，打开第二针阀（8b）、第三针阀（8c），开启真空泵（7），抽真空30分钟后停止，关闭第二针阀（8b）、第三针阀（8c），开启高压容器控温装置（5b）对高压容器（2）进行外部控温；

3）打开气瓶（4）和第一针阀（8a），向注入泵（3）中充入实验气体（二氧化碳）后，关闭第一针阀（8a），开启注气泵控温装置（5a），向高压容器（2）中注入工作气体；

4）打开第二针阀（8b），利用注入泵（3）向高压容器（2）内充入工作气体至实验压力，并保持恒压；利用压力传感器（9）和温度传感器（10）记录压力和温度，利用CT扫描装置（1）对高压容器（2）内饱和油的多孔介质扫描得到CT图像，然后每隔半小时进行一次扫描拍摄直至结束；

5）对所得到的CT图像的信号值进行分析处理，结合片层孔隙度确定多孔介质每个片层的二氧化碳相对浓度，进而利用菲克第二定律计算任意位置的扩散系数；

6）改变注入泵压力，重复步骤（1）-（5），得到不同压力下二氧化碳在饱和油多孔介质中的扩散系数。

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