CN104897543A - 多相渗透仪及岩石渗透特性测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相渗透仪及岩石渗透特性测定方法，其中多相渗透仪包括注入系统、制冷系统、模型系统、计量系统、自动控制系统、回压系统、抽真空系统和数据采集处理系统，其中注入系统用于注入二氧化碳和液体，制冷系统、自动控制系统、回压系统、抽真空系统和模型系统用于模拟地层条件，计量系统与数据采集处理系统用于数据统计测量。该方法包括抽真空、饱和岩心、驱替实验，通过注入泵改变注入速率与注入压力，得到渗透实验所需参数，测量干化效应产生的盐沉淀量。本发明操作简单，实现了计算机自动化控制、采集、处理，克服了传统实验仪器与方法的局限和缺陷。

Description

多相渗透仪及岩石渗透特性测定方法

技术领域

本发明涉及一种测试岩石渗透性的装置及方法，具体涉及一种用于深部咸水层的二氧化碳地质储存项目中岩石渗透特性测定的多相渗透仪及方法。

背景技术

将二氧化碳封存到深部咸水层中被认为是缓解气候变暖的有效途径。当二氧化碳注入到深部咸水层，由于埋深大于800m，咸水层的压力和温度超过临界值（7.38MPa，31.1℃），因此，实验室模拟二氧化碳驱替咸水，必须模拟相应的地层环境。

经检索，中国专利文献CN 104132881A公开了一种储层渗透介质多相流体压裂-渗流气液分离式实验系统，包括机架；机架上设置有提升机构；提升机构与压力室连接；机架的中部固定有油缸；压力室包括可置于移动小车上的底盖；底盖上螺栓连接有上座；上座的上端固定有导向盖；导向盖的中心配合有压杆；压杆内沿轴向平行设置有第一水孔和第一气孔；第一水孔的下端螺纹配合有上压头；底盖的中心固定有压座；压座上固定有立柱；立柱的上端固定有下压头；压座、立柱和下压头上设置有贯通的出孔；底盖上设置有出水孔；机架固定在加热油箱上；加热油箱内设置有油温传感器、加热管和循环泵；出孔与水气分离测量系统连接。

这类现有的可用于二氧化碳驱替咸水的室内实验仪器，其气液分离器均设置在模拟系统外，这种实验装置的缺点在于：气液分离以后，由于温差导致气体冷凝，对收集到的气、液的量均会产生影响。国内的实验仪器一般人工计量天平读数，但是对于实验周期较长的实验，人工观察会导致人力的浪费。可见，设计一种能够根据驱替原理模拟地层压力、温度条件下二氧化碳驱替咸水过程中物理特性的变化等多相流驱替过程的测试仪器已成为亟待解决的技术问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种实验仪器，仪器可在模拟地层压力、地层温度条件下开展研究，在一定流速下使流体通过岩心，通过测定岩心进出口压差和流过岩心的流量，结合其他参数，根据达西定律计算岩心渗透率。通过对出口产物的研究，观察二氧化碳驱替咸水过程中物理特性的变化 。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的多相渗透仪，包括注入系统、制冷系统、模型系统、计量系统、自动控制系统、回压系统、抽真空系统和数据采集处理系统，所述注入系统用于注入二氧化碳和液体，所述制冷系统、自动控制系统、回压系统、抽真空系统和模型系统用于模拟地层条件，所述计量系统与数据采集处理系统用于测量。

具体地，所述注入系统包括注入泵、中间容器和管阀件，所述注入泵分为平流泵和二氧化碳注入泵，平流泵最大工作压力42MPa，流量范围0.01-20ml/min，可以恒压或者恒流注入液体，二氧化碳注入泵最大工作压力40MPa，流量范围0.01-35ml/min，可以恒速或者恒压注入二氧化碳；中间容器分为二氧化碳容器和液体容器，均起到储存与缓冲作用，液体容器容积2000ml，耐压40MPa，二氧化碳容器容积1000ml，耐压20MPa。

具体地，所述制冷系统利用冷水浴对气态二氧化碳进行制冷。

具体地，所述模拟系统包括岩心夹持器、恒温箱、回压和环压系统，所述岩心夹持器安装于恒温箱内，所述岩心夹持器包括硬质管体和封闭于管体两端的螺母，螺母分别与流体进入管道和流体流出管道连通，所述管体内具有弹性夹套，所述管体中部连通环压注水管和排气阀，所述回压系统包括依次连接的回压阀，回压缓冲罐和回压泵。所述岩心夹持器适用直径50mm，长度不超过200mm的岩心，对于较短的岩心可以加铁质岩心垫层（即假岩心，中间有半径为2mm的圆柱形细通道），工作压力20MPa，环压25MPa，夹持器采用胶套密封，环压泵的工作压力40MPa，用于给岩心夹持器施加环向压力，密封岩心，回压系统耐压25MPa，控制出口压力，在岩心模型出口加载一个高于大气压直至所模拟地层压力的值，使流出液平稳、防止蒸发，恒温箱的工作温度为150℃±0.5℃，工作室内尺寸为1400×900×700mm（长×宽×高）。

具体地，所述计量系统包括压力测量、温度测量、水蒸气含量测量，气体体积测量和液体重量测量等，压力传感器用于测量进口压力、出口压力，量程0-40MPa，温度计量采用测温探头，利用干燥剂测量水蒸气含量，采用天平称重法计算液体流量，气体流量计测量气体瞬时流量以及累积流量，天平量程2200g，精度0.01g，计算机自动采集天平数据计算流量值，对于出口计量，由气液分离器（气液分离器不小于1000ml），液体计量天平（量程2200g，精度0.01g）组成，气液分离器主要用于模型出口的气体和液体的分离，液体留在分离器中，利用吊式法测量实时累计重量，气体进入干燥剂以后接入气体计量装置，当气体流量较大时利用气体流量计测量，当气体流量较小时切换线路，通过排水法对产出气体进行精确测量。

具体地，所述抽真空系统由真空容器、真空泵和真空压力表组成，真空度：1×10^-1P。

具体地，所述数据采集与处理系统用于对测量过程的自动控制和提示，以及压力、流量、温度、出口气体数据的自动采集和处理。

本发明同时提供一种使用上述多相渗透仪测定岩石渗透特性的方法，包括依次进行的抽真空、饱和岩心、驱替实验，通过注入泵改变注入速率与注入压力，得到渗透实验所需参数，测量干化效应产生的盐沉淀量。

具体地，所述驱替实验是液体驱替、气体驱替或气体液体混合驱替。

本发明同时提供一种使用上述多相渗透仪测定二氧化碳地质封存过程中干化效应盐沉淀量的方法，是将试样抽真空，使咸水达到完全饱和状态，在模拟地层条件下，注入干燥的二氧化碳驱替咸水，将气液分离后的气体导入灵敏干燥剂，将干燥剂放在气体天平上，最终根据水蒸气的量得到干化效应产生盐沉淀的量。

使用时，本发明的多相渗透仪，由注入系统、制冷系统、模型系统、计量系统、自动控制系统、回压系统、抽真空系统、数据采集与处理系统组成，其特征在于：（1）注入系统由注入泵、中间容器、管阀件组成，可将各种流体按一定流量注入到模型内，注入泵包括液体注入泵——平流泵和二氧化碳注入泵，平流泵最大工作压力42MPa，流量范围0.01-20ml/min，可以恒压或者恒流注入液体，二氧化碳注入泵最大工作压力40MPa，流量范围0.01-35ml/min，可以恒压或者恒流注入二氧化碳，中间容器分为二氧化碳容器和液体容器，均起到储存与缓冲作用，液体容器容积2000ml，耐压40MPa，二氧化碳容器容积1000ml，耐压20MPa；（2）制冷系统利用冷水浴对气态二氧化碳进行制冷；（3）模拟系统由岩心夹持器、恒温箱、回压和环压系统组成，岩心夹持器适用直径50mm，长度不超过200mm的岩心，对于较短的岩心可以加铁质岩心垫层（即假岩心，中间有半径为2mm的圆柱形细通道），工作压力20MPa，环压25MPa，夹持器采用胶套密封，环压泵的工作压力40MPa，用于给岩心夹持器施加环向压力，密封岩心，回压系统耐压25MPa，控制出口压力，在岩心模型出口加载一个高于大气压直至所模拟地层压力的值，使流出液平稳、防止蒸发，恒温箱的工作温度为150℃±0.5℃，工作室内尺寸为1400×900×700mm（长×宽×高）；（4）计量系统包括压力测量、温度测量、水蒸气含量测量，气体体积测量和液体重量测量等，压力传感器用于测量进口压力、出口压力，量程0-40MPa，温度计量采用测温探头，利用干燥剂测量水蒸气含量，采用天平称重法计算液体流量，气体流量计测量气体瞬时流量以及累积流量，天平量程2200g，精度0.01g，计算机自动采集天平数据计算流量值，对于出口计量，由气液分离器（气液分离器不小于1000ml），液体计量天平（量程2200g，精度0.01g）组成，气液分离器主要用于模型出口的气体和液体的分离，液体留在分离器中，利用吊式法测量实时累计重量，气体进入干燥剂以后接入气体计量装置，当气体流量较大时利用气体流量计测量，当气体流量较小时切换线路，通过排水法对产出气体进行精确测量；（5）抽真空系统由真空容器、真空泵和真空压力表组成，真空度：1×10^-1Pa；（6）数据采集与处理系统有两个功能，第一，实现测量过程的自动控制和提示，第二，实现压力、流量、温度、出口气体自动采集和处理。

将试样抽真空，饱和咸水（咸水达到完全饱和状态），在模拟地层条件下，注入干燥的二氧化碳驱替咸水，将气液分离后的气体导入灵敏干燥剂，将干燥剂放在气体天平上，最终根据水蒸气的量得到干化效应产生盐沉淀的量。可以精确地测量干化效应过程中产生的水蒸气的量。

该实验仪器可在模拟地层压力、地层温度条件下开展下列研究：（1）测量液体渗透率；（2）CO₂驱替咸水过程中物理特性的变化。

有益效果：由于该新型仪器采用注入系统、冷却系统、模拟系统、计量系统、自动控制系统、回环压系统、抽真空系统、数据采集与处理系统的模块化设计，可根据不同实验要求进行组合；既可以进行常规的岩石渗透实验，又可以进行高温高压的二氧化碳驱替实验。而且能模拟地层条件，进行高温高压下的驱替实验。用计算机自动控制实验过程，自动采集、处理实验结果，克服了传统实验方法的局限和缺陷。而且实验产物收集也在模拟系统内进行，减小实验误差。其试验装置制作方法简单易行，实验方法操作方便，结果精确可靠。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的多相渗透仪及岩石渗透特性测定方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明实施例中岩心夹持器上午纵向剖面图；

图2是恒温箱纵向剖面图；

图3是气液分离器纵向剖面图；

图4是本发明实施例中多相渗透仪简图；

图中：1.环压注水管，2.排水排气阀，3.螺母，4.流体进入管道，5.夹持器钢管，6.防腐蚀胶套，7.流体流出管道，8.夹持器内室，9.风机，10.温度传感器管道，11.加热器，12.储物箱，13.气体循环室，14.恒温箱内室，15.气液分离器内室，16.螺母，17.气液进入管道，18.气体流出管道，19.挂钩，20.CO₂注入泵，21.液体注入泵，22.储液罐，23.冷却塔，24.气瓶，25.液体缓冲罐，26.气体缓冲罐，27.高低压传感器，28.岩心夹持器，29.真空缓冲罐，30.真空泵，31.回压阀，32.电子天平，33.气液分离器，34.回压缓冲罐，35.回压泵，36.干燥剂，37.电子天平，38.排水法流量计，39.电子天平，40.气体流量计 41.模型系统。

具体实施方式

实施例：

如图1所示，为岩心夹持器。结构骨架材料为钢材。通过注水管1对夹持器施加环压，通过排气阀2释放胶套6与夹持器钢管5之间的空气，在夹持器内室8中添加岩心，用螺母3封闭夹持器，利用流体进入管道4注入流体，流体流出管道7排出驱替后流体。夹持器内室直径50mm，可以添加直径为50mm，长度不大于200mm的岩心。

如图2所示，为恒温箱。结构骨架材料为复合材料。驱替实验的主体部分都在恒温箱内室14中进行，通过加热器11加热恒温箱内空气，利用风机9使加热的空气在气体循环室13内循环，通过温度传感器管道10布置温度传感器，监测恒温箱温度。储物箱12用于储存试验用具。恒温箱内室14的尺寸：1400×900×700mm（长×宽×高）。

如图3所示，为气液分离器。机构骨架材料为硬塑料。螺母16可封闭内室，在气液分离以后也可打开倾倒液体。驱替过后的气液混合流体通过气液进入管道17进入气液分离器内室15，液体留在内室中，气体通过气体流出管道18流出气液分离器。气液分离器内室高140mm，直径60mm。

如图4所示，本实施例的多相渗透仪主要由注入系统、制冷系统、模型系统41、计量系统、自动控制系统、回压系统、抽真空系统、数据采集与处理系统组成。其中注入系统包括CO₂注入泵20，液体注入泵21，储液罐22，液体缓冲罐25和气体缓冲罐26。制冷系统包括冷却塔23和气瓶24；计量系统包括高低压传感器27,电子天32,气液分离器33,干燥剂36,电子天平37,排水法流量计38,电子天平39和气体流量计40；回压系统包括回压阀31,回压缓冲罐34和回压泵35；抽真空系统包括真空缓冲罐29和真空泵30。

使用上述实验装置测量岩石渗透率的方法步骤包括：

（1）切割天然岩心，规格为直径50mm，长度不大于200mm，干燥岩心；

（2）将岩心置于岩心夹持器28中，利用抽真空系统29,30将岩心抽成真空；

（3）利用液体注入泵21向真空的岩心中注入储液罐22中的液体，设置注入泵21的流速，待压力传感器27显示出入口压力稳定关闭注入泵，饱和岩心；

（4）打开液体注入泵21，设置平流泵流速，待出口压力、入口压力稳定，电子天平32测得的出口液体流速稳定，利用达西定律计算岩心的液体渗透率。

使用上述实验装置进行CO₂驱替实验并测量盐沉淀量的方法步骤包括：

（1）利用去离子水，精细食盐配制饱和咸水溶液，置于储液罐22中；

（2）将实验岩心置于岩心夹持器28中，利用抽真空系统29,30对岩心抽真空；

（3）用液体注入泵21将饱和咸水注满液体缓冲罐25，接着注入到岩心中，待压力传感器27显示出入口压力稳定关闭注入泵，饱和岩心；

（4）打开CO₂气瓶24，用冷却塔23冷却CO₂至-5℃，再利用CO₂注入泵20将CO₂注入到气体缓冲罐26中；

（5）设置恒温箱41的温度，让气体缓冲罐26中的CO₂和岩心夹持器28中的饱和咸水达到超临界状态；

（6）利用回压系统31,34,35设置出口回压，模拟地层压力；

（7）打开气体缓冲罐26，利用CO₂注入泵20驱替岩心中饱和咸水；

（8）利用计量系统27,32,33,36,37,38,39,40在电脑中计量的数据进行计算，根据电子天平37测量干燥剂36的质量变化，由此计算水蒸气的含量，再由咸水的饱和度计算产生的盐沉淀量，利用电子天平32的质量变化计算气液分离器33中的液体流速，利用压力传感器27监测出入口的实时压强，利用气体流量计40测量流量较大时的气体流量，利用电子天平39的质量变化计算排水计量器38测得的较小气体流量。

该实验仪器可在模拟地层压力、地层温度条件下开展上述研究，具有以下特点：

（1）注入泵、中间容器可将各种流体按一定流量注入到模型内；

（2）可以提供恒温恒压的地层环境，进行实验模拟；

（3）计算机自动控制流量，恒温箱加热，出口自动计量；

（4）气液分离在恒温箱内进行；

（5）试样安装拆除简便，实验方法操作简单，适用于在岩土工程、石油工程、环境工程、水利水电工程及农业工程等。

（6）在现有的仪器装置下，可以组合多套实验装置，进行干化效应实验或二氧化碳地质封存过程中二氧化碳残余饱和度实验。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多相渗透仪，其特征在于：包括注入系统、制冷系统、模型系统、计量系统、自动控制系统、回压系统、抽真空系统和数据采集处理系统，所述注入系统用于注入二氧化碳和液体，所述制冷系统、自动控制系统、回压系统、抽真空系统和模型系统用于模拟地层条件，所述计量系统与数据采集处理系统用于测量。

2.根据权利要求1所述的多相渗透仪，其特征在于：所述注入系统包括注入泵、中间容器和管阀件，所述注入泵分为平流泵和二氧化碳注入泵，所述平流泵用于恒压或者恒流注入液体，所述二氧化碳注入泵用于恒速或者恒压注入二氧化碳；所述中间容器分为二氧化碳容器和液体容器。

3.根据权利要求1所述的多相渗透仪，其特征在于：所述制冷系统利用冷水浴对气态二氧化碳进行制冷。

4.根据权利要求1所述的多相渗透仪，其特征在于：所述模拟系统包括岩心夹持器、恒温箱、回压和环压系统，所述岩心夹持器安装于恒温箱内，所述岩心夹持器包括硬质管体和封闭管体两端的螺母，两端螺母分别与流体进入管道和流体流出管道连通，所述管体内具有弹性夹套，所述管体中部连通环压注水管和排气阀，所述回压系统包括依次连接的回压阀，回压缓冲罐和回压泵。

5.根据权利要求1所述的多相渗透仪，其特征在于：所述计量系统包括压力传感器、测温探头、气体流量计和天平，所述数据采集与处理系统用于对测量过程的自动控制和提示，以及压力、流量、温度、出口气体数据的自动采集和处理。

6.一种使用多相渗透仪测定岩石渗透特性的方法，其特征在于：包括依次进行的抽真空、饱和岩心、驱替实验，通过注入泵改变注入速率与注入压力，得到渗透实验所需参数，测量干化效应产生的盐沉淀量。

7.根据权利要求6所述测定方法，其特征在于：所述驱替实验是液体驱替、气体驱替或气体液体混合驱替。

8.一种使用多相渗透仪测定二氧化碳地质封存过程中二氧化碳干化效应盐沉淀的方法，其特征在于：将试样抽真空，使咸水达到完全饱和状态，在模拟地层条件下，注入干燥的二氧化碳驱替咸水，将气液分离后的气体导入干燥剂，将干燥剂放在气体天平上，最终根据水蒸气的量得到干化效应产生盐沉淀的量。