CN104483449A - 一种测量二氧化碳驱油过程滞留率的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种测量二氧化碳驱油过程滞留率的装置，包括地层条件模拟系统、岩心饱和流体系统、二氧化碳注入系统和二氧化碳计量系统。本发明还提供的测量二氧化碳驱油过程中二氧化碳滞留率方法，能够独立完成二氧化碳驱油过程中二氧化碳阶段滞留率及最终滞留率的测量。该方法采用三维岩心作为岩心样品，大小可调，可以根据相似原理设计模拟出二氧化碳在油藏中的实际滞留过程。二氧化碳的注入速度、模拟地层温度、模拟地层压力和岩心样品饱和的流体特征可调，具有普适性。测量过程方便、易操作。

Description

一种测量二氧化碳驱油过程滞留率的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量二氧化碳驱油过程滞留率的装置及方法，属于油气田开发的技术领域。

背景技术

由于人类在工业生产以及其他活动中对化石能源的大量使用，温室气体排放量(尤其是二氧化碳)日益增加，由此引发的全球气候变暖问题日益严峻。氧化碳捕集与埋存(CO₂Captureand Storage)技术作为一种行之有效的二氧化碳减排方案，受到各国专家的重视。二氧化碳地质埋存的主要方式包括油气藏埋存、深部盐水层埋存、煤层埋存以及深海埋存等。相对于其它埋存方式，油层的勘探与开发程度更高，地质资料更加详实。同时，将二氧化碳作为驱油剂注入油气藏将能显著提高油气采收率，进而实现二氧化碳减排和利用的双赢。因此在二氧化碳驱油的同时，实现注入二氧化碳在油气藏中的埋存是目前最经济、最可行的埋存技术。二氧化碳地质埋存主要考虑以下因素：(1)位于地质构造稳定区域；(2)储层孔隙度和渗透率高，有一定的存储能力；(3)上覆不透气盖层。由于油气藏一般处于地质构造稳定地区，圈闭较为发育，若要实施该技术，应该对二氧化碳驱油过程中，注入二氧化碳在油气藏中的滞留潜力进行评价，对二氧化碳在油藏中的存储容量进行初步了解。

目前对二氧化碳在油气藏中的埋存潜力的评价主要采用油藏工程方法和数值模拟方法进行理论分析。缺乏针对某一油气藏具体地质条件的室内模拟实验评价，尤其是二氧化碳驱与二氧化碳地质油气藏埋存同时进行的物理模拟实验及评价方法。

中国专利CN202102631U涉及一种地质埋存条件下二氧化碳迁移物理模拟平台，它包括模型系统，模型系统上端通过阀门连接有注入驱替系统和真空控制系统，注入驱替系统下端通过阀门连接有回压控制系统，回压控制系统下端设有出口计量系统。本实用新型结构简单，实现了对二氧化碳地质埋存过程的模拟，精确的计算出岩石样品的残余水饱和度参数和岩石样品在地下水逆流后被圈闭的二氧化碳饱和度参数。该对比专利可以模拟二氧化碳在水层及二氧化碳在废弃油气藏中的地质埋存过程。但缺乏对二氧化碳驱油过程的模拟，难以评价在二氧化碳驱油过程中，注入二氧化碳在油气藏中埋存潜力。该对比专利采用实验流体驱替出被圈闭的二氧化碳，进而计算被圈闭的二氧化碳饱和度参数，忽略了埋存过程中二氧化碳在实验流体中的溶解，而在地质条件下，二氧化碳在实验流体中的溶解量极大。

发明内容

发明概述

针对以上的技术不足，本发明提供了一种测量二氧化碳驱油过程滞留率的装置。

本发明还提供了一种利用上述装置测量二氧化碳驱油过程中二氧化碳滞留率的方法。本发明能够模拟油气藏具体地质条件下二氧化碳驱油过程的前提下，同时测量相应条件下二氧化碳的滞留率。本发明通过计量二氧化碳驱油过程中注入岩心样品二氧化碳体积与排出二氧化碳体积之差计算二氧化碳的滞留率，可得到二氧化碳驱油过程中，二氧化碳的实时滞留率，即二氧化碳的阶段滞留率，以及驱油过程结束后二氧化碳最终滞留率的精确值。

术语解释：

1.二氧化碳的最终滞留率：二氧化碳注入过程中，留存于地层岩心中二氧化碳的总质量与注入二氧化碳总质量的比率，表征地层岩石的二氧化碳埋存潜力。

2.二氧化碳的阶段滞留率：二氧化碳注入过程中，某一时刻留存于地层岩心中二氧化碳的质量与注入二氧化碳质量的比值。

3.PV：注入孔隙体积倍数，即注入岩心样品的流体体积与岩心样品孔隙体积的比值，1PV即表示注入岩注入岩心样品的流体体积与岩心样品孔隙体积的比值为1。

4.气体突破时间：二氧化碳驱油过程中，岩心夹持器出口段开始产出二氧化碳气体时的时间。

发明详述

本发明的技术方案如下：

一种测量二氧化碳驱油过程滞留率的装置，包括地层条件模拟系统、岩心饱和流体系统、二氧化碳注入系统和二氧化碳计量系统；

所述地层条件模拟系统包括：岩心样品10，岩心夹持器11，恒温箱12，手摇泵14，回压阀15，回压气罐21，第一测压点8、第二测压点9、第三测压点13、第四测压点20；

所述岩心饱和流体系统包括：地层水罐2、地层油罐3、六通阀5和六通阀6；

所述二氧化碳注入系统包括：二氧化碳气瓶1、二氧化碳气罐4和平流泵7；

所述二氧化碳计量系统包括：分离瓶16、精密天平17、干燥管18和气体流量计19；

所述二氧化碳气瓶1与二氧化碳气罐4顶部出口通过六通阀5连接：用以为二氧化碳气罐注入二氧化碳；所述平流泵7与地层水罐2、地层油罐3和二氧化碳气罐4底部出口通过六通阀6连接；所述地层水罐2、地层油罐3和二氧化碳气罐4内均设置有活塞；所述平流泵7通过向地层水罐2底部泵入蒸馏水推动其中活塞将地层水罐2内活塞以上的地层水驱出；所述岩心样品10置于岩心夹持器11中；所述岩心夹持器11入口端与地层水罐2、地层油罐3和二氧化碳气罐4顶部通过六通阀5连接，并接入第一测压点8监测入口压力；所述岩心夹持器11环压端与手摇泵14连接，手摇泵14通过泵入蒸馏水挤压岩心夹持器11中的橡胶套为岩心样品10加环压，并连入第三测压点13监测环压；所述岩心夹持器11出口端与回压阀15入口端连接，并连入第二测压点9监测出口压力；所述回压阀15回压端与回压气罐21连接，并连入第四测压点20监测回压；所述回压阀15出口端通过软管连入顶部通过双孔活塞密封的分离瓶16，分离瓶16置于精密天平17上，并通过软管连入干燥管18；所述干燥管18与气体流量计19相连；所述回压气罐21内充有固定压力的氮气；所述地层水罐2、地层油罐3、二氧化碳气罐4、岩心夹持器11和回压阀15均置于恒温箱12内；所述第一测压点8、第二测压点9、第三测压点13、第四测压点20均接入电脑用于实时自动采集和记录压力。

一种利用上述装置测量二氧化碳驱油过程中二氧化碳滞留率的方法，包括步骤如下：

(1)对岩心夹持器11烘干；

(2)将目标油气藏钻井取心得到的岩样或对应地层层位的露头岩石切割成长方体作为装填岩心样品10，将岩心样品10烘干称重记做m₁，测量所述岩心样品10长a，宽b，高c，并置于岩心夹持器11中；

(3)将岩心夹持器11抽真空6-7h；

(4)使用平流泵7将地层水罐2中的地层水泵入岩心夹持器11，并加压至9-11MPa，维持5-7h；取出岩心样品10称重记做m₂，并重新置于岩心夹持器11中；

其孔隙度表达式：

式(i)中,ρ_w为地层水密度；

(5)使用平流泵7分别以v₁和2v₁的泵入速度将地层水罐2的地层水泵入岩心夹持器11中，并使用第一测压点8分别记录岩心夹持器11入口端压力曲线，取两种泵入速度下压力曲线稳定段的压力值p₁和p₂，其中，所述压力曲线稳定段是指压力曲线上压力值的波动在±0.5％，持续30min及以上的区段；

其水测渗透率k表达式(ii)：

$k=\frac{v_1\mathrm{\μa}(2p_1+p_2)}{2\mathrm{bc}{p}_1{p}_2}---\left(\mathrm{ii}\right)$

式(ii)中,μ为地层水粘度；

(6)使用平流泵7以0.01～0.1ml/min速度将地层油罐3中的地层油泵入岩心夹持器11，直至注入地层油的体积达到2PV后停止；计量驱出地层水的体积V₁；

其含油饱和度S_o表达式(iii)：

$S_o=\frac{V_1{\mathrm{\ρ}}_w}{m_2-m_1}\×100\%---\left(\mathrm{iii}\right)$

(7)打开二氧化碳气瓶1向二氧化碳气罐4中注入二氧化碳，至第一测压点8示数不再发生变化后停止注入；

(8)利用恒温箱12对岩心夹持器11及二氧化碳气罐4进行加热，恒温至要模拟地层温度T₁，待用；

(9)观察第一测压点8示数，通过平流泵7和二氧化碳气罐顶部阀门调节二氧化碳气罐4压力至要模拟地层压力p₀，并记录此时二氧化碳气罐中二氧化碳的体积V₀，同时调节回压阀15的压力至模拟地层压力，待用；

(10)通过平流泵7以速度v将二氧化碳气罐4中二氧化碳泵入岩心夹持器11中，并记录泵入的初始时间t₀，使用电脑记录t_i时刻第一测压点8的压力示数p_i，并监测第二测压点9、第三测压点13、第四测压点20的压力示数；同时，通过手摇泵14控制岩心夹持器11的环压，使其始终比二氧化碳的注入压力大2～3MPa；

(11)使用气体流量计19记录t_i时刻，排出二氧化碳的体积V_i，并记录气体突破时间t_b；

(12)待分离瓶16中不再有原油产出，且精密天平17的示数不再发生变化后，关闭平流泵7，并记录时间t；记录此时二氧化碳气罐4中二氧化碳的压力p_t，排出二氧化碳的总体积V_t及室温T₂；

(13)计算二氧化碳滞留率；

气体状态方程：

pV＝ZnRT    (iv)

式中

p—气体压力，Pa；

V—气体体积，m³；

Z—压缩因子；

n—气体物质的量，mol；

R—气体常数，8.314m³·Pa·K^-1·mol^-1；

T—温度，K；

式(iv)变形为式(v):

$Z=\frac{\mathrm{pV}}{\mathrm{nRT}}=\frac{p\frac{m}{\mathrm{\ρ}}}{\frac{m}{M}\mathrm{RT}}=\frac{\mathrm{pM}}{\mathrm{\ρRT}}---\left(v\right)$

式中

ρ—气体密度，kg/m³；

M—CO₂的摩尔质量，44×10^-3kg/mol；

参考美国国家标准与技术研究院(NIST)提供的相应温度压力下CO₂的密度，即可得到相应温度压力下CO₂的压缩因子，进而得到相应条件下CO₂的物质的量；

注入开始前，二氧化碳气罐4中二氧化碳的物质的量n₀：

$n_0=\frac{p_0{V}_0}{Z_0{\mathrm{RT}}_1}---\left(\mathrm{vi}\right)$

t_i时刻，气罐中剩余二氧化碳的物质的量n'_i：

$n_i^{\′}=\frac{p_i[V_0-v(t_0-t_i)]}{Z_i{\mathrm{RT}}_1}---\left(\mathrm{vii}\right)$

则注入岩心夹持器的二氧化碳的物质的量为n_i：

$n_i=n_0-n_i^{\′}=\frac{p_0{V}_0}{Z_0{\mathrm{RT}}_1}-\frac{p_i[V_0-v(t_0-t_i)]}{Z_i{\mathrm{RT}}_1}---\left(\mathrm{viii}\right)$

气体流量计测得的二氧化碳的排出物质的量为

$n_i^o=\frac{p_o{V}_i}{Z_o{\mathrm{RT}}_2}---\left(\mathrm{ix}\right)$

则二氧化碳的阶段滞留率为λ_i：

${\mathrm{\λ}}_i=(1-\frac{n_i^o}{n_i})\×100\%=\{1-\frac{p_o{V}_i{T}_1{Z}_0{Z}_i}{p_0{V}_0{T}_2{Z}_o-p_i[V_0-v(t_1-t_i)]T_2{Z}_o}\}\×100\%---\left(x\right)$

注入结束后，二氧化碳气罐中剩余二氧化碳的物质的量n’：

$n^{,}=\frac{p_t[V_0-v(t_0-t)]}{Z_t{\mathrm{RT}}_1}---\left(\mathrm{xi}\right)$

则注入岩心夹持器的二氧化碳的总物质的量为n_t：

$n_t=n_0-n^{,}=\frac{p_0{V}_0}{Z_0{\mathrm{RT}}_1}-\frac{p_t[V_0-v(t_0-t)]}{Z_t{\mathrm{RT}}_1}---\left(\mathrm{xii}\right)$

气体流量计测得的二氧化碳的总排出物理的量为n^o：

$n^o=\frac{p_o{V}_t}{Z_o{\mathrm{RT}}_2}---\left(\mathrm{xiii}\right)$

则二氧化碳的最终滞留率为：

$\mathrm{\λ}=(1-\frac{n^o}{n_t})\×100\%=\{1-\frac{p_o{V}_t{T}_1{Z}_0{Z}_t}{p_0{V}_0{T}_2{Z}_o-p_t[V_0-v(t_1-t)]T_2{Z}_o}\}\×100\%---\left(\mathrm{xiv}\right).$

本发明的优点在于：

本发明所述的一种测量二氧化碳驱油过程滞留率的装置及方法，能够独立完成二氧化碳驱油过程中二氧化碳阶段滞留率及最终滞留率的测量。该装置及方法采用三维岩心作为岩心样品，大小可调，可以根据相似原理设计模拟出二氧化碳在油藏中的实际滞留过程。二氧化碳的注入速度、模拟地层温度、模拟地层压力和岩心样品饱和的流体特征可调，具有普适性。测量过程方便、易操作。

附图说明

图1为本发明所述测量二氧化碳驱油过程滞留率的装置的结构示意图；

在图1中，1、二氧化碳气瓶；2、地层水罐；3、地层油罐；4、二氧化碳气罐；5、六通阀；6、六通阀；7、平流泵；8、第一测压点(测岩心夹持器的入口压力)；9、第二测压点(测岩心夹持器的出口压力)；10、岩心样品；11、岩心夹持器；12、恒温箱；13、第三测压点(出口压力)；14、手摇泵；15、回压阀；16、分离瓶；17、精密天平；18、干燥管；19流量计；20、第四测压点(回压)；21、回压气罐。

图2是二氧化碳阶段滞留率随注入时间的变化情况。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但是不限于此。

实施例1、

一种测量二氧化碳驱油过程滞留率的装置，包括地层条件模拟系统、岩心饱和流体系统、二氧化碳注入系统和二氧化碳计量系统；

所述地层条件模拟系统包括：岩心样品10，岩心夹持器11，恒温箱12，手摇泵14，回压阀15，回压气罐21，第一测压点8、第二测压点9、第三测压点13、第四测压点20；

所述岩心饱和流体系统包括：地层水罐2、地层油罐3、六通阀5和六通阀6；

所述二氧化碳注入系统包括：二氧化碳气瓶1、二氧化碳气罐4和平流泵7；

所述二氧化碳计量系统包括：分离瓶16、精密天平17、干燥管18和气体流量计19；

所述二氧化碳气瓶1与二氧化碳气罐4顶部出口通过六通阀5连接：用以为二氧化碳气罐注入二氧化碳；所述平流泵7与地层水罐2、地层油罐3和二氧化碳气罐4底部出口通过六通阀6连接；所述地层水罐2、地层油罐3和二氧化碳气罐4内均设置有活塞；所述平流泵7通过向地层水罐2底部泵入蒸馏水推动其中活塞将地层水罐2内活塞以上的地层水驱出；所述岩心样品10置于岩心夹持器11中；所述岩心夹持器11入口端与地层水罐2、地层油罐3和二氧化碳气罐4顶部通过六通阀5连接，并接入第一测压点8监测入口压力；所述岩心夹持器11环压端与手摇泵14连接，手摇泵14通过泵入蒸馏水挤压岩心夹持器11中的橡胶套为岩心样品10加环压，并连入测压点13监测环压；所述岩心夹持器11出口端与回压阀15入口端连接，并连入第二测压点9监测出口压力；所述回压阀15回压端与回压气罐21连接，并连入第四测压点20监测回压；所述回压阀15出口端通过软管连入顶部通过双孔活塞密封的分离瓶16，分离瓶16置于精密天平17上，并通过软管连入干燥管18；所述干燥管18与气体流量计19相连；所述回压气罐21内充有固定压力的氮气；所述地层水罐2、地层油罐3、二氧化碳气罐4、岩心夹持器11和回压阀15均置于恒温箱12内；所述第一测压点8、第二测压点9、第三测压点13、第四测压点20均接入电脑用于实时自动采集和记录压力。

实施例2、

一种利用如实施例1所述装置测量二氧化碳驱油过程中二氧化碳滞留率的方法，包括步骤如下：

(1)对岩心夹持器11烘干；将岩心夹持器11烘干12h，待用；

(2)将目标油气藏钻井取心得到的岩样或对应地层层位的露头岩石切割成长方体作为装填岩心样品10，将岩心样品10烘干称重记做m₁，测量所述岩心样品10长a，宽b，高c，并置于岩心夹持器11中；其中m₁＝1160.5g，a＝297.9mm，b＝44.0mm，c＝43.8mm；

(3)将岩心夹持器11抽真空6h；

(4)使用平流泵7将地层水罐2中的地层水泵入岩心夹持器11，并加压至10MPa，维持6h；取出岩心样品10称重记做m₂，并重新置于岩心夹持器11中；其中m₂＝1267.8g，地层水密度ρ_w＝1.044g/ml；

其孔隙度表达式：

式(i)中,ρ_w为地层水密度；

即得：

(5)使用平流泵7分别以v₁和2v₁的泵入速度将地层水罐2的地层水泵入岩心夹持器11中，并使用测压点8分别记录岩心夹持器11入口端压力曲线，取两种泵入速度下压力曲线稳定段，所述压力曲线平稳段是指压力曲线上压力值的波动在±0.5％，持续30min及以上的曲线段压力值：p₁和p₂；其中v₁＝1ml/min，地层水粘度μ＝1.611mPa·s，p₁＝0.724MPa，p₂＝1.321MPa；

其水测渗透率k表达式(ii)：

$k=\frac{v_1\mathrm{\μa}(2p_1+p_2)}{2\mathrm{bc}{p}_1{p}_2}---\left(\mathrm{ii}\right)$

即得：

$k=\frac{v_1\mathrm{\μa}(2p_1+p_2)}{2\mathrm{bc}{p}_1{p}_2}=\frac{1\×1.611\×297.9\×(2\×0.724+1.321)}{2\×44.0\×43.8\×0.724\×1.321}\×10=3.605\mathrm{mD}$

(6)使用平流泵7以0.01～0.1ml/min速度将地层油罐3中的地层油泵入岩心夹持器11，直至注入地层油的体积达到2PV后停止；计量驱出地层水的体积V₁；

其含油饱和度S_o表达式(iii)：

$S_o=\frac{V_1{\mathrm{\ρ}}_w}{m_2-m_1}\×100\%---\left(\mathrm{iii}\right)$

其中V₁＝58.0ml；

平流泵泵入速度为0.01ml/min；

其含油饱和度S_o表达式：

$S_o=\frac{V_1{\mathrm{\ρ}}_w}{m_2-m_1}\×100\%=\frac{58.0\×1.044}{1267.8-1160.5}\×100\%=56.4\%$

(7)打开二氧化碳气瓶1向二氧化碳气罐4中注入二氧化碳，至第一测压点8示数不再发生变化后停止注入；

(8)利用恒温箱12对岩心夹持器11及二氧化碳气罐4进行加热，恒温至要模拟地层温度T₁，待用；其中T₁＝130℃；

(9)观察第一测压点8示数，通过平流泵7和气罐顶部阀门调节二氧化碳气罐4压力至要模拟地层压力p₀，并记录此时气罐中二氧化碳的体积V₀，同时调节回压阀15的压力至模拟地层压力，待用；其中第一测压点8的示数为21.8MPa，打开气罐顶部阀门适当放气，p₀＝20MPa，V₀＝2L；

(10)通过平流泵7以速度v将气罐3中二氧化碳泵入岩心夹持器11中，并记录泵入的初始时间t₀，使用电脑记录t_i时刻第一测压点8的压力示数p_i，并监测第二测压点9、第三测压点13、第四测压点20的压力示数；同时，通过手摇泵14控制岩心夹持器11的环压，使其始终比二氧化碳的注入压力大2～3MPa；其中v＝5ml/min；t₀＝0；

(11)使用气体流量计19记录t_i时刻，排出二氧化碳的体积V_i，并记录气体突破时间t_b；其中t_b＝145min；

(12)待分离瓶16中不再有原油产出，且精密天平17的示数不再发生变化后，关闭平流泵7，并记录时间t；记录此时气罐4中二氧化碳的压力p_t，排出二氧化碳的总体积V_t及室温T₂；其中t＝383min，p_t＝21.13MPa，T₂＝25℃；

(13)计算二氧化碳滞留率；

气体状态方程：

pV＝ZnRT     (iv)

式中

p—气体压力，Pa；

V—气体体积，m³；

Z—压缩因子；

n—气体物质的量，mol；

R—气体常数，8.314m³·Pa·K^-1·mol^-1；

T—温度，K；

式(iv)可变形为式(v):

$Z=\frac{\mathrm{pV}}{\mathrm{nRT}}=\frac{p\frac{m}{\mathrm{\ρ}}}{\frac{m}{M}\mathrm{RT}}=\frac{\mathrm{pM}}{\mathrm{\ρRT}}---\left(v\right)$

式中

ρ—气体密度，kg/m³；

M—CO₂的摩尔质量，44×10^-3kg/mol；

参考美国国家标准与技术研究院(NIST)提供的相应温度压力下CO₂的密度，即可得到相应温度压力下CO₂的压缩因子，进而得到相应条件下CO₂的物质的量；

注入开始前，二氧化碳气罐中二氧化碳的物质的量n₀：

$n_0=\frac{p_0{V}_0}{Z_0{\mathrm{RT}}_1}---\left(\mathrm{vi}\right)$

t_i时刻，气罐中剩余二氧化碳的物质的量n'_i：

$n_i^{\′}=\frac{p_i[V_0-v(t_0-t_i)]}{Z_i{\mathrm{RT}}_1}---\left(\mathrm{vii}\right)$

则注入岩心夹持器的二氧化碳的物质的量为n_i：

$n_i=n_0-n_i^{\′}=\frac{p_0{V}_0}{Z_0{\mathrm{RT}}_1}-\frac{p_i[V_0-v(t_0-t_i)]}{Z_i{\mathrm{RT}}_1}---\left(\mathrm{viii}\right)$

气体流量计测得的二氧化碳的排出物质的量为

$n_i^o=\frac{p_o{V}_i}{Z_o{\mathrm{RT}}_2}---\left(\mathrm{ix}\right)$

则二氧化碳的阶段滞留率为λ_i：

${\mathrm{\λ}}_i=(1-\frac{n_i^o}{n_i})\×100\%=\{1-\frac{p_o{V}_i{T}_1{Z}_0{Z}_i}{p_0{V}_0{T}_2{Z}_o-p_i[V_0-v(t_1-t_i)]T_2{Z}_o}\}\×100\%---\left(x\right)$

注入结束后，二氧化碳气罐中剩余二氧化碳的物质的量n’：

$n^{,}=\frac{p_t[V_0-v(t_0-t)]}{Z_t{\mathrm{RT}}_1}---\left(\mathrm{xi}\right)$

则注入岩心夹持器的二氧化碳的总物质的量为n_t：

$n_t=n_0-n^{,}=\frac{p_0{V}_0}{Z_0{\mathrm{RT}}_1}-\frac{p_t[V_0-v(t_0-t)]}{Z_o{\mathrm{RT}}_1}---\left(\mathrm{xii}\right)$

气体流量计测得的二氧化碳的总排出物理的量为n^o：

$n^o=\frac{p_o{V}_t}{Z_o{\mathrm{RT}}_2}---\left(\mathrm{xiii}\right)$

则二氧化碳的最终滞留率为：

$\mathrm{\λ}=(1-\frac{n^o}{n_t})\×100\%=\{1-\frac{p_o{V}_t{T}_1{Z}_0{Z}_t}{p_0{V}_0{T}_2{Z}_o-p_t[V_0-v(t_1-t)]T_2{Z}_o}\}\×100\%---\left(\mathrm{xiv}\right).$

记录实验数据，如表1所示：

表1：实施例1中数据记录处理表

二氧化碳阶段滞留率随注入时间的变化情况如图2所示。图2所示曲线即为二氧化碳阶段滞留率的实时变化曲线，通过该曲线可以得到二氧化碳驱油过程中任意时刻的二氧化碳滞留率。简单易用，相对精确。对监测二氧化碳驱油过程中地层中二氧化碳物质的量的变化及实现二氧化碳的地质埋存有一定的参考价值。

Claims (2)

1.一种测量二氧化碳驱油过程滞留率的装置，包括地层条件模拟系统、岩心饱和流体系统、二氧化碳注入系统和二氧化碳计量系统；

所述地层条件模拟系统包括：岩心样品(10)，岩心夹持器(11)，恒温箱(12)，手摇泵(14)，回压阀(15)，回压气罐(21)，第一测压点(8)、第二测压点(9)、第三测压点(13)、第四测压点(20)；

所述岩心饱和流体系统包括：地层水罐(2)、地层油罐(3)、六通阀(5)和六通阀(6)；

所述二氧化碳注入系统包括：二氧化碳气瓶(1)、二氧化碳气罐(4)和平流泵(7)；

所述二氧化碳计量系统包括：分离瓶(16)、精密天平(17)、干燥管(18)和气体流量计(19)；

所述二氧化碳气瓶(1)与二氧化碳气罐(4)顶部出口通过六通阀(5)连接：用以为二氧化碳气罐注入二氧化碳；所述平流泵(7)与地层水罐(2)、地层油罐(3)和二氧化碳气罐(4)底部出口通过六通阀(6)连接；所述地层水罐(2)、地层油罐(3)和二氧化碳气罐(4)内均设置有活塞；所述平流泵(7)通过向地层水罐(2)底部泵入蒸馏水推动其中活塞将地层水罐(2)内活塞以上的地层水驱出；所述岩心样品(10)置于岩心夹持器(11)中；所述岩心夹持器(11)入口端与地层水罐(2)、地层油罐(3)和二氧化碳气罐(4)顶部通过六通阀(5)连接，并接入第一测压点(8)监测入口压力；所述岩心夹持器(11)环压端与手摇泵(14)连接，手摇泵(14)通过泵入蒸馏水挤压岩心夹持器(11)中的橡胶套为岩心样品(10)加环压，并连入第三测压点(13)监测环压；所述岩心夹持器(11)出口端与回压阀(15)入口端连接，并连入第二测压点(9)监测出口压力；所述回压阀(15)回压端与回压气罐(21)连接，并连入第四测压点(20)监测回压；所述回压阀(15)出口端通过软管连入顶部通过双孔活塞密封的分离瓶(16)，分离瓶(16)置于精密天平(17)上，并通过软管连入干燥管(18)；所述干燥管(18)与气体流量计(19)相连；所述回压气罐(21)内充有固定压力的氮气；所述地层水罐(2)、地层油罐(3)、二氧化碳气罐(4)、岩心夹持器(11)和回压阀(15)均置于恒温箱(12)内；所述第一测压点(8)、第二测压点(9)、第三测压点(13)、第四测压点(20)均接入电脑用于实时自动采集和记录压力。

2.一种利用如权利要求1所述装置测量二氧化碳驱油过程中二氧化碳滞留率的方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)对岩心夹持器(11)烘干；

(2)将目标油气藏钻井取心得到的岩样或对应地层层位的露头岩石切割成长方体作为装填岩心样品(10)，将岩心样品(10)烘干称重记做m₁，测量所述岩心样品(10)长a，宽b，高c，并置于岩心夹持器(11)中；

(3)将岩心夹持器(11)抽真空6-7h；

(4)使用平流泵(7)将地层水罐(2)中的地层水泵入岩心夹持器(11)，并加压至9-11MPa，维持5-7h；取出岩心样品(10)称重记做m₂，并重新置于岩心夹持器(11)中；

其孔隙度表达式：

式(i)中,ρ_w为地层水密度；

(5)使用平流泵(7)分别以v₁和2v₁的泵入速度将地层水罐(2)的地层水泵入岩心夹持器(11)中，并使用第一测压点(8)分别记录岩心夹持器(11)入口端压力曲线，取两种泵入速度下压力曲线稳定段的压力值p₁和p₂，其中，所述压力曲线稳定段是指压力曲线上压力值的波动在±0.5％，持续30min及以上的区段；

其水测渗透率k表达式(ii)：

$k=\frac{v_1\mathrm{\μa}({2p}_1+p_2)}{2\mathrm{bc}{p}_1{p}_2}---\left(\mathrm{ii}\right)$

式(ii)中,μ为地层水粘度；

(6)使用平流泵(7)以0.01～0.1ml/min速度将地层油罐(3)中的地层油泵入岩心夹持器(11)，直至注入地层油的体积达到2PV后停止；计量驱出地层水的体积V₁；

其含油饱和度S_o表达式(iii)：

$S_o=\frac{V_1{\mathrm{\ρ}}_w}{m_2-m_1}100\%---\left(\mathrm{iii}\right)$

(7)打开二氧化碳气瓶(1)向二氧化碳气罐(4)中注入二氧化碳，至第一测压点(8)示数不再发生变化后停止注入；

(8)利用恒温箱(12)对岩心夹持器(11)及二氧化碳气罐(4)进行加热，恒温至要模拟地层温度T₁，待用；

(9)观察第一测压点(8)示数，通过平流泵(7)和二氧化碳气罐顶部阀门调节二氧化碳气罐(4)压力至要模拟地层压力p₀，并记录此时二氧化碳气罐中二氧化碳的体积V₀，同时调节回压阀(15)的压力至模拟地层压力，待用；

(10)通过平流泵(7)以速度v将二氧化碳气罐(4)中二氧化碳泵入岩心夹持器(11)中，并记录泵入的初始时间t₀，使用电脑记录t_i时刻第一测压点(8)的压力示数p_i，并监测第二测压点(9)、第三测压点(13)、第四测压点(20)的压力示数；同时，通过手摇泵(14)控制岩心夹持器(11)的环压，使其始终比二氧化碳的注入压力大2～3MPa；

(11)使用气体流量计(19)记录t_i时刻，排出二氧化碳的体积V_i，并记录气体突破时间t_b；

(12)待分离瓶(16)中不再有原油产出，且精密天平(17)的示数不再发生变化后，关闭平流泵(7)，并记录时间t；记录此时二氧化碳气罐(4)中二氧化碳的压力p_t，排出二氧化碳的总体积V_t及室温T₂；

(13)计算二氧化碳滞留率；

气体状态方程：

pV＝ZnRT    (iv)

式中

p—气体压力，Pa；

V—气体体积，m³；

Z—压缩因子；

n—气体物质的量，mol；

R—气体常数，8.314m³·Pa·K^-1·mol^-1；

T—温度，K；

式(iv)变形为式(v):

$Z=\frac{\mathrm{pV}}{\mathrm{nRT}}=\frac{p\frac{m}{\mathrm{\ρ}}}{\frac{m}{M}\mathrm{RT}}=\frac{\mathrm{pM}}{\mathrm{\ρRT}}---\left(v\right)$

式中

ρ—气体密度，kg/m³；

M—CO₂的摩尔质量，44×10^-3kg/mol；

参考美国国家标准与技术研究院(NIST)提供的相应温度压力下CO₂的密度，即可得到相应温度压力下CO₂的压缩因子，进而得到相应条件下CO₂的物质的量；

注入开始前，二氧化碳气罐(4)中二氧化碳的物质的量n₀：

$n_0=\frac{p_0{V}_0}{Z_0{\mathrm{RT}}_1}---\left(\mathrm{vi}\right)$

t_i时刻，气罐中剩余二氧化碳的物质的量n_i'：

$n_i^{\′}=\frac{p_i[V_0-v(t_0-t_i)]}{Z_i{\mathrm{RT}}_1}---\left(\mathrm{vii}\right)$

则注入岩心夹持器的二氧化碳的物质的量为n_i：

$n_i=n_0-n_i^{\′}=\frac{p_0{V}_0}{Z_0{\mathrm{RT}}_1}-\frac{p_i[V_0-v(t_0-t_i)]}{Z_i{\mathrm{RT}}_1}---\left(\mathrm{viii}\right)$

气体流量计测得的二氧化碳的排出物质的量为

$n_i^o=\frac{p_o{V}_i}{Z_o{\mathrm{RT}}_2}---\left(\mathrm{ix}\right)$

则二氧化碳的阶段滞留率为λ_i：

${\mathrm{\λ}}_i=(1-\frac{n_i^o}{n_i})\×100\%=\{1-\frac{p_o{V}_i{T}_1{Z}_0{Z}_i}{p_0{V}_0{T}_2{Z}_o-p_i[V_0-v(t_1-t_i)]T_2{Z}_o}\}\×100\%---\left(x\right)$

注入结束后，二氧化碳气罐中剩余二氧化碳的物质的量n’：

$n^{\′}=\frac{p_t[V_0-v(t_0-t)]}{Z_t{\mathrm{RT}}_1}---\left(\mathrm{xi}\right)$

则注入岩心夹持器的二氧化碳的总物质的量为n_t：

$n_t=n_0-n^{\′}=\frac{p_0{V}_0}{Z_0{\mathrm{RT}}_1}-\frac{p_t[V_0-v(t_0-t)]}{Z_t{\mathrm{RT}}_1}---\left(\mathrm{xii}\right)$

气体流量计测得的二氧化碳的总排出物理的量为n^o：

$n^o=\frac{p_o{V}_t}{Z_o{\mathrm{RT}}_2}---\left(\mathrm{xiii}\right)$

则二氧化碳的最终滞留率为：

$\mathrm{\λ}=(1-\frac{n^o}{n_t})\×100\%=\{1-\frac{p_o{V}_t{T}_1{Z}_0{Z}_t}{p_0{V}_0{T}_2{Z}_o-p_t[V_0-v(t_1-t)]T_2{Z}_o}\}\×100\%---\left(\mathrm{xiv}\right).$