CN107703029B - 一种结合ct与pvt计算co2盐水扩散系数的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于多相流体流动测量技术领域，涉及一种结合CT与PVT计算CO2盐水扩散系数的方法，该方法用于动态测量CO2‑盐水间传质过程中的界面变化，并对不同温度压力条件下的CO2‑盐传质变化规律定量描述。其应用CT获得连续变化的CO2‑盐水界面图像，实时观察两相体积，及压力的动态变化过程，基于CT灰度值计算得到浓度曲线，结合菲克定律计算扩散系数。打破了原有PVT方法无法直接测量盐水体积动态变化的局限。避免了扩散系数计算过程中忽略体积变化所带来的误差。弥补了单独依靠PVT或CT方法在计算扩散系数准确性上的不足。完善了传质理论体系。
Description
技术领域
本发明属于多相流体流动测量技术领域，涉及一种结合CT与PVT定量测量 CO2-盐水两相扩散规律的方法。
背景技术
以CO2为主的温室气体排放量逐年增加，CO2减排已成为世界各国最为关注的焦点。咸水层封存具有储存容量大、封存安全性高等优点，从而成为减排CO2的一项重要技术。注入的CO2以游离态或固化形式封存在咸水层。CO2在储层中运移将导致大量CO2气泡被多孔岩石结构所束缚，并随着盐水的吸渗过程缓慢溶解。饱和CO2水溶液在重力作用下向下迁移，未被溶解饱和的水溶液向上迁移，这种迁移提高了溶解速度，促进了二氧化碳的溶解封存及提高了封存的安全性。
CO2与盐水间的溶解过程主要发生于两相界面处，随着溶解过程进行形成浓度梯度层。CO2溶解到盐水中的速率依赖于活跃的传质机制，如对流和扩散机制。当主导机制为分子扩散时，较小的浓度梯度将缩减溶解现象所发生的空间分布范围，导致溶解速度衰减。气体扩散系数是确定注入气体在水中溶解速度的重要参数，测定多孔介质内CO2在盐水中的扩散系数将增加对于CO2地质封存的安全性评估的准确性。
CO2在盐水中的扩散系数受到多方面因素影响。由于扩散源于分子的热运动，在大多数情况下扩散系数随环境温度的升高而增加，除此之外，对于CO2-盐水体系，扩散系数还随着CO2注入压力的升高而增加；随着扩散时间的延长扩散系数逐渐降低，直至达到扩散平衡状态。
一般而言，扩散系数测量技术分为直接法和间接法。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。而间接法是对与扩散系数相关的物理参数进行测量。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。常用的扩散系数测量方法包括压力衰减法、恒压法等。压力衰减法是在一个恒温的密闭容器中进行的，随着注入的气体扩散至容器中，系统压力会逐渐下降最终达到平衡状态。系统压力达到平衡所需的时间取决于气体的扩散系数。基于压力衰减曲线确定溶解的气体量，并计算得到扩散系数。但是该方法假设扩散过程中气-液界面始终处于平衡状态，实际界面的压力和位置的变化率与扩散过程中各阶段的扩散率有关，此方法缺少气-液界面的实时标定。恒压法是在压降法的基础上进行改进得到的，与压降法不同的是实验是在恒温恒压条件下进行的。连续注入气体来维持气液界面压力，气体注入的量通过气体计量器计量，根据注入气体的体积可计算出气体扩散系数。但是该方法不适合高压下气体扩散系数测量。在实际地层中，咸水层温度压力环境会极大地影响盐水的流态发展与CO2-盐水间的非稳态传质，上述技术手段对于CO2-盐水传质过程中的扩散系数的测定均有一定的不足。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术中存在的问题，开发一种结合CT与PVT测量 CO2盐水扩散系数的方法，用于动态测量CO2-盐水间传质过程中的界面变化，并对不同温度压力条件下的CO2-盐传质变化规律定量描述。其应用CT获得连续变化的CO2-盐水界面图像，实时观察两相体积，及压力的动态变化过程，基于CT 灰度值计算得到浓度曲线，结合菲克定律计算扩散系数。打破了原有PVT方法无法直接测量盐水体积动态变化的局限。避免了扩散系数计算过程中忽略体积变化所带来的误差。弥补了单独依靠PVT或CT方法在计算扩散系数准确性上的不足。完善了传质理论体系。
本发明的技术方案是：
一种结合CT与PVT计算CO2盐水扩散系数的方法，该方法用X射线CT成像仪连续扫描获得不同温度，压力条件下CO2向盐水中的扩散动态图像。通过提取CO2和盐水两相界面，获得液相体积随时间的变化规律；将压力衰减与体积膨胀过程相结合，准确计算气体向盐水扩散的宏观扩散系数。
具体步骤如下：
第一步：用CT连续扫描获得不同温压条件下稳态和非稳态的图像；
对填充多孔介质的反应釜抽真空，从反应釜下端注入占反应釜1/4～1/3体积的盐水；利用CT扫描获得CO2注入前的图像；再将预先准备的气体CO2注入反应釜内，待目标压力稳定，关闭阀门形成封闭系统；利用CT连续扫描CO2通过气液两相界面扩散进入盐水的动态图像片层；同时采集反应釜压力数据；
第二步：图像处理及数据处理；
将CT扫描拍摄的图像片层作去除噪声处理；然后进行三维重建，结合CT成像灰度与密度的关系原理，获得不同灰度分布的CT图像，基于气液两相密度上的差异，提取气液相界面；
ρmix是CO2-盐水混合相的密度；ρbrine是盐水的原始密度；ρ0是两相界面的密度；CTmix是CO2-盐水混合相的灰度；CTbrine是盐水的原始灰度；CT0是两相界面的灰度；
Snl＝A-Sng(n＝1,2…x) (2)
Snl是每个图像片层中液相占据的面积，A是反应釜的横截面积，Sng是每个图像片层中气相占据的面积；
对不同时刻得到的CO2-盐水混合相的体积作积分，计算得出不同时刻的体积；
Snl，x＝f(t，P0) (4)
Vmix是在时间t时刻混合相的体积，hvox表示每一片层的厚度，x表示含有液相的片层数量；对于动态扩散过程，x与Snl均是与扩散时间t和初始注入压力P0相关的变量；hvox则与CT拍摄分辨率有关；FOVZ表示在垂直方向上的拍摄间距，N表示片层总数量；
第三步：计算CO2盐水扩散系数；
将计算得出的混合相体积与扩散过程中采集的压力-时间数据带入PVT方程，求得气液两相二氧化碳物质的量的动态分布；用传质的物质量对时间的平方根作图，经过线性拟合得出曲线的斜率；根据传质的物质量与时间的经验公式，计算得出CO2的扩散系数。
进一步地，上述第三步中计算CO2盐水扩散系数的具体步骤为：
将计算得出的混合相体积结合扩散过程中采集的压力-时间数据带入PVT方程，求得气液两相二氧化碳物质的量的动态分布；
nt是在时间t时刻溶解CO2分子量，P0和Pt分别是初始时刻和t时刻气体的压力，V0和Vt分别是初始时刻和t时刻气体的体积，Z0和Zt分别是初始时刻和t时刻气体的压缩系数，R是常数，T是温度；
cint是气液两相的界面浓度，Pe、Ve、Ze分别是平衡态的压力、体积和膨胀系数；
根据传质的物质量与时间的经验公式，计算得出CO2向盐水的宏观扩散系数；
结合上面公式进一步得到CO2扩散系数的计算公式；
为了简化计算过程，定义溶解的物质的量nt与时间关系图的斜率是k，k与扩散系数D的计算关系如下：
本发明的有益效果是：
上述技术方案利用CT对CO2-盐水体系扩散系数的测量，真实可信地获得地质封存场景中的扩散系数。
应用CT获得连续变化的CO2-盐水界面图像，消除了原有PVT方法无法直接测量动态盐水体积局限，通过对CO2-盐水传质过程中界面随着CO2扩散而逐渐变化这一过程进行动态测量，通过对图像进行阈值分割和像素积分的方式准确计算出液相体积，有效表征了CO2-盐水扩散过程中盐水体积变化。避免了扩散系数计算过程中忽略体积变化所带来的误差，计算结果表明，在40℃、2MPa的扩散过程中液相体积由扩散开始时的1.50mL变为扩散平衡时的1.51mL；在40℃、8MPa的扩散过程中液相体积由扩散开始时的1.50mL变为扩散平衡时的1.56mL。相应的，扩散系数计算的准确度分别提高了1.91％和6.89％，且扩散初始压力越高，体积增长越明显，扩散系数计算的准确度提高越明显。
附图说明
图1是结合CT与PVT测量CO2盐水扩散系数的方法流程图。
图2(a)是40℃、2MPa初始压力扩散开始时气液两相体积CT扫描示意图。 (白色虚线表示液相体积计算范围)
图2(b)是40℃、2MPa初始压力扩散进行4h后气液两相体积CT扫描示意图。 (白色虚线表示液相体积计算范围)
图3(a)是40℃、2Mpa初始压力下CO2溶解的物质的量与时间的关系图。
图3(b)是40℃、8Mpa初始压力下CO2溶解的物质的量与时间的关系图。
图4是扩散不同阶段CO2扩散系数柱状图。
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。
对比例
为了量化结合CT与PVT测量CO2盐水扩散系数的方法的准确性，可以采取与单一使用PVT计算扩散系数的结果进行比较。对比例是在40℃、8Mpa实验工况下对计算结果进行比较。
从cint的计算结果可以看出，只采用PVT方法会造成3.66％的误差。
同样的，从D的计算结果可以看出，只采用PVT方法会造成6.89％的误差。
实施例1
是在40℃、2MPa条件下，结合CT与PVT测量CO2盐水扩散系数的方法。
具体步骤如下：
第一步，用CT连续扫描获得不同温压条件下稳态和非稳态的图像
对填充多孔介质的反应釜抽真空，从反应釜下端注入一定体积的盐水。利用 CT扫描获得气体注入前样品的图像；将特定压力的CO2快速注入反应釜内，待压力稳定，关闭阀门形成封闭系统。利用CT连续扫描CO2通过气水两相界面扩散进入盐水的动态图像片层；同时采集反应釜压力数据。
第二步：图像处理过程及数据处理
将CT扫描拍摄的图像片层作去除噪声处理；然后进行三维重建，结合CT成像灰度与密度的关系原理，获得不同灰度分布的CT图像，基于CO2和盐水密度上的差异，提取CO2和盐水的相界面。对不同时刻得到的混合相体积作积分，计算得出不同时刻的混合相体积。变化过程如图2(a)和图2(b)。
第三步：随着高压CO2气体的注入，计算过程及公式
将计算得出的混合相体积结合扩散过程中采集的压力-时间数据带入气体状态方程，求得气液两相二氧化碳物质的量的动态分布如图3(a)和图3(b)，为了简化过程，只选择扩散平衡态的CT及PVT数据带入计算公式。
根据传质的物质量与时间的经验公式。绘制nt-t曲线，经过拟合得到曲线斜率k。
将k的计算结果带入公式(10)可以进一步得到CO2扩散系数。
实施例2
是在40℃、8MPa条件下，结合CT与PVT测量CO2盐水扩散系数的方法。
具体步骤见实施例1，这里只给出计算结果。
扩散系数计算结果汇总见图4。
Claims (1)
1.一种结合CT与PVT计算CO2盐水扩散系数的方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：用CT连续扫描获得不同温压条件下稳态和非稳态的图像；
对填充多孔介质的反应釜抽真空，从反应釜下端注入占反应釜1/4～1/3体积的盐水；利用CT扫描获得CO2注入前的图像；再将预先准备的气体CO2注入反应釜内，待目标压力稳定，关闭阀门形成封闭系统；利用CT连续扫描CO2通过气液两相界面扩散进入盐水的动态图像片层；同时采集反应釜压力数据；
第二步：图像处理及数据处理；
将CT扫描拍摄的图像片层作去除噪声处理；然后进行三维重建，结合CT成像灰度与密度的关系原理，获得不同灰度分布的CT图像，基于气液两相密度上的差异，提取气液相界面；
ρmix是CO2-盐水混合相的密度；ρbrine是盐水的原始密度；ρ0是两相界面的密度；CTmix是CO2-盐水混合相的灰度；CTbrine是盐水的原始灰度；CT0是两相界面的灰度；
Snl＝A-Sng(n＝1，2...x) (2)
Snl是每个图像片层中液相占据的面积，A是反应釜的横截面积，Sng是每个图像片层中气相占据的面积；
对不同时刻得到的CO2-盐水混合相的体积作积分，计算得出不同时刻的体积；
Snl，x＝f(t，P0) (4)
Vmix是在t时刻混合相的体积，hvox表示每一片层的厚度，x表示含有液相的片层数量；对于动态扩散过程，x与Snl均是与扩散时间t和初始注入压力P0相关的变量；hvox则与CT拍摄分辨率有关；FOVZ表示在垂直方向上的拍摄间距，N表示片层总数量；
第三步：计算CO2盐水扩散系数；
将计算得出的混合相体积与扩散过程中采集的压力-时间数据带入PVT方程，求得气液两相二氧化碳物质的量的动态分布；用传质的物质量对时间的平方根作图，经过线性拟合得出曲线的斜率；根据传质的物质量与时间的经验公式，计算得出CO2的扩散系数；具体步骤为：
将计算得出的混合相体积结合扩散过程中采集的压力-时间数据带入PVT方程，求得气液两相二氧化碳物质的量的动态分布；
nt是在时间t时刻溶解CO2分子量，P0和Pt分别是初始时刻和t时刻气体的压力，V0和Vt分别是初始时刻和t时刻气体的体积，Z0和Zt分别是初始时刻和t时刻气体的压缩系数，R是常数，T是温度；
cint是气液两相的界面浓度，Pe、Ve、Ze分别是平衡态的压力、体积和膨胀系数；
根据传质的物质量与时间的经验公式，计算得出CO2向盐水的宏观扩散系数；
结合上面公式进一步得到CO2扩散系数的计算公式；
为了简化计算过程，定义溶解的物质的量nt与时间关系图的斜率是k，k与扩散系数D的计算关系如下：
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