CN109269962A - 一种超临界二氧化碳高温高压pvt测试及驱替甲烷一体化的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超临界二氧化碳高温高压PVT测试及驱替甲烷一体化的实验装置及方法，该装置包括液态二氧化碳储罐、液态甲烷储罐、容积泵、岩心夹持器、恒温油浴系统、PVT筒、环压发生装置、压差传感器、流量传感器、压力传感器、温度传感器、氢氧化钠吸收储罐、储气罐，液态二氧化碳储罐和液态甲烷储罐分别由第一管线、第二管线通过第三管线连接至PVT筒的入口，PVT筒的出口通过第四管线连接岩心夹持器的入口，管汇三通通过第五管线、第六管线、第七管线分别连接岩心夹持器的出口、氢氧化钠储罐的入口、第三管线，氢氧化钠储罐的出口通过第八管线连接储气罐。本实发明可以研究超临界二氧化碳在高温高压下的相态、粘度与驱替效率随温度、压力的变化规律。
Description
技术领域
本发明属于非常规油气增产技术领域，具体涉及一种超临界二氧化碳高温高压PVT测试及驱替甲烷一体化的实验装置及方法。
背景技术
在当前能源紧张的形式下，发展新技术，有效提高油气资源的勘察开发效率成为人们研发的热点。超临界二氧化碳既具有气体的低粘度和易扩散性，也具有液体的高密度和溶解性好的特点，基于非常规天然气储层微纳米孔隙介质，超临界二氧化碳是一种新型高效开采天然气的方法，利用超临界二氧化碳提高天然气采收率有利于缓解天然气供应压力，有利于实现绿色能源开采，实现低碳经济。
目前，一般PVT筒观察物质相态存在不便于观察、缺少摄像设备，无法准确记录超临界二氧化碳的相态特征、采用水浴加热，难以加热至100℃以上等问题。超临界二氧化碳粘度测试实验、超临界二氧化碳驱替甲烷实验、PVT筒观察超临界二氧化碳的实验都是单独进行，造成资源浪费，并且操作繁琐，未出现一种多功能实验装置可以将上述实验完成。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种超临界二氧化碳高温高压PVT测试及驱替甲烷一体化的实验装置及方法，其能够完成超临界二氧化碳粘度测试实验、超临界二氧化碳驱替甲烷实验、PVT筒观察超临界二氧化碳实验，其功能多样，节省成本。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种超临界二氧化碳高温高压PVT测试及驱替甲烷一体化的实验装置，包括液态二氧化碳储罐、容积泵、岩心夹持器、第一恒温油浴系统、第二恒温油浴系统、环压发生装置、压差传感器和计算机控制系统，岩心夹持器设有上入口和出口，还包括液态甲烷储罐、PVT筒、氢氧化钠吸收罐和储气罐，PVT筒上有入口和出口，氢氧化吸收钠储罐上设有入口和出口；液态二氧化碳储罐的出口上连接有第一管线，第一管线上安装有第一针阀，液态甲烷储罐的出口上连接有第二管线，第二管线上安装有第二针阀，第一管线的末端和第二管线的末端相接后连接有第三管线，第三管线的末端与PVT筒的入口连接，第三管线上从液态二氧化碳储罐至PVT筒方向依次安装有增压泵、加热系统、温度传感器、第一压力传感器和容积泵；PVT筒的出口上连接有第四管线，第四管线的末端与岩心夹持器的入口连接，第四管线上从PVT筒至岩心夹持器方向依次安装有第五针阀和第一流量传感器；岩心夹持器的出口上连接有第五管线，第五管线的末端连接有管汇三通，第五管线上从岩心夹持器至管汇三通方向依次安装有第二流量传感器和真空泵；管汇三通的一个出口通过第六管线与氢氧化吸收钠储罐的入口连接，第六管线上从管汇三通至氢氧化吸收钠储罐方向依次安装有第三针阀和背压阀，氢氧化钠吸收罐的出口通过第八管线与储气罐的入口连接，第八管线上安装有第三流量传感器；管汇三通的另一个出口通过第七管线与第三管线连接，第七管线与第三管线的连接点位于第一管线与第三管线的连接点和增压泵之间，第七管线上安装有第四针阀；PVT筒的外周罩有封闭的玻璃外壳，PVT筒的外壁与玻璃外壳的内壁之间留有间隙，玻璃外壳的内腔通过管道与第一恒温油浴系统连接，第一恒温油浴系统通过管道使恒温油进入玻璃外壳内进而将PVT筒置于恒温油浴中，玻璃外壳外周固定有玻璃罩，玻璃外壳的外壁与玻璃罩的内壁之间留有间隙并安装白炽灯和电子摄像头；岩心夹持器内安装有胶筒，岩心夹持器通过第九管线与环压发生装置相连，第九管线上安装有第四压力传感器，岩心夹持器置于第二恒温油浴系统中，岩心夹持器的入口处和出口处分别安装有第二压力传感器和第三压力传感器，岩心夹持器上安装有压差传感器，所述温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、背压阀、第四压力传感器、压差传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、电子摄像头均连接到计算机控制系统。
优选的，所述第一管线、第二管线、第三管线、第四管线、第五管线、第六管线、第七管线、第八管线和第九管线均为内径小于2mm的钢管，钢管外壁上敷设有保温层。
一种超临界二氧化碳高温高压PVT测试实验方法，利用上述实验装置，包括以下步骤：
通过观察超临界二氧化碳在PVT筒中的光学效应得到其在不同压力、温度下的相态特征，并计算超临界二氧化碳的密度、粘度；通过测量超临界二氧化碳流过岩心产生的压降，计算其在多孔介质中的粘度
(A)、调整第一针阀、第二针阀处于关闭状态，第三针阀、第四针阀、第五针阀处于打开状态，容积泵处于未启动状态，利用真空泵排除实验管路中的气体；
(B)、关闭第二针阀、第三针阀、第四针阀、第五针阀，打开第一针阀，启动容积泵，使液态二氧化碳由液态二氧化碳储罐流出，调节增压泵、加热系统、第一恒温油浴系统、第二恒温油浴系统，将实验系统中的温度、压力调节为使二氧化碳变为气态所需的温度、压力；
(C)、打开环压发生装置，调节环压发生装置的压力，使其比第一压力传感器显示的压力高2～5Mpa；
(D)、关闭第一针阀、第二针阀、第三针阀，打开第四针阀、第五针阀，通过调节容积泵使二氧化碳以一定速率沿管线流过岩心后在实验管路中循环，待第二压力传感器、第三压力传感器的读数稳定后，记录其数值；气态二氧化碳在确定温度、压力下的粘度已知，因此可以根据达西定律计算岩心的绝对渗透率：
式中，K-岩心绝对渗透率；Q0-大气压下的二氧化碳体积流量；P0-大气压力；μ0-实验温度压力条件下的气态二氧化碳的粘度，L0-岩心长度，A-岩心端面积；P1、P2-分别为岩心夹持器入口处和出口处的压力；
(E)、打开第三针阀、第五针阀，关闭第一针阀、第二针阀、第四针阀，启动容积泵，使系统中的二氧化碳沿管线流向氢氧化钠吸收罐；
(F)、关闭第二针阀、第三针阀、第四针阀、第五针阀，打开第一针阀，启动容积泵，使液态二氧化碳由液态二氧化碳储罐流出，调节增压泵、加热系统、第一恒温油浴系统、第二恒温油浴系统，将实验系统的压力、温度调节为超过二氧化碳临界点的实验设定值，保证二氧化碳达到超临界状态；
(G)、待温度传感器、第一压力传感器显示的温度、压力达到实验设定值后，关闭第一针阀；打开环压发生装置，调节环压发生装置的压力，使其比第一压力传感器显示的压力高2～5Mpa；
(H)、关闭第一针阀、第二针阀、第三针阀、第四针阀、第五针阀，通过调节容积泵使超临界二氧化碳以一定速率经第三管线流入PVT筒，待PVT筒内金属塞数值稳定后，电子摄像头将拍摄的照片传送到计算机控制系统，观察超临界二氧化碳的相态特征，并计算超临界二氧化碳的密度、粘度，计算超临界二氧化碳密度，公式如下：
y0＝1.0151-0.2873Tr -3.33-0.0855Tr -6.66-0.2077Tr -9.99
y1＝1.0387-1.3784Tr -4.66+0.5800Tr -9.32+0.0900Tr -13.98
y2＝1.0677-1.6632Tr -4.66+1.8662Tr -8.92-0.7218Tr -13.98
y3＝1.1541-0.8172Tr -4.04+1.1726Tr -8.08-0.5099Tr -12.12
式中：Tr―对比温度；P—压力，单位Mpa；R—通用气体常数，ρ—密度，单位kg/m3；Mg—二氧化碳的分子量，44kg/kmol；Z—压缩因子，T—超临界二氧化碳的温度，单位℃；
计算超临界二氧化碳粘度，公式如下：
μ0ξ＝34.0×10-5Tr0.94Tr≤1.5
式中：ρr—对比密度；Tpc—临界温度，K；ppc—临界压力，单位Mpa；μ—粘度，单位mpa/s；ρpc—临界密度，467.6kg/m3；
(I)关闭第一针阀、第二针阀、第三针阀，打开第四针阀、第五针阀，通过调节容积泵使超临界二氧化碳以一定速率沿管线流过岩心后在实验管路中循环，待压差传感器、第一流量传感器的读数稳定后，记录其数值；由于岩心的绝对渗透率已经计算得到，因此可以根据达西定律计算超临界二氧化碳在地层多孔介质中的粘度：
式中，μ-超临界二氧化碳在高温高压下的粘度；ΔP-测压点之间的压差；K-岩心的绝对渗透率；V-超临界二氧化碳的流速；L-测压点之间的距离；
(J)通过调节增压泵、加热系统、容积泵，记录压差传感器的读数，研究超临界二氧化碳的相态和超临界二氧化碳的粘度随温度、压力、流速的变化规律；记录第一流量传感器、第二流量传感器的数值经过计算机控制系统绘制超临界二氧化碳的等温吸附曲线。
优选的，通过改变实验系统的温度、压力，研究不同的温度、压力对超临界二氧化碳光学效应的影响。
优选的，通过改变实验系统的温度、压力，利用PVT筒研究不同温度、压力下超临界二氧化碳的密度、粘度。
优选的，通过将PVT筒测得粘度与经过岩心测得粘度两种方法的对比，研究不同岩心的渗流规律偏离达西定律的程度。
一种超临界二氧化碳驱替甲烷的实验方法，利用上述实验装置，包括以下步骤：
测量超临界二氧化碳流过岩心的流量体积，计算其在多空介质中的驱气效率
(a)、调整第一针阀、第二针阀处于关闭状态，第三针阀、第四针阀、第五针阀处于打开状态，容积泵处于未开启状态，利用真空泵排除管路中的气体，更换岩心夹持器中的岩心；
(b)、打开第二针阀，关闭第一针阀、第三针阀、第四针阀、第五针阀，启动容积泵，使甲烷由液态甲烷储罐中流出，调节增压泵、加热系统和第一恒温油浴系统、第二恒温油浴系统，将实验系统的压力、温度调节为实验设定值即二氧化碳达到超临界状态时的压力、温度；
(c)、待温度传感器、第一压力传感器显示的温度、压力达到实验设定值后，打开环压发生装置，调节环压发生装置的压力，使其比第一压力传感器显示的压力高2～5Mpa；
(d)、关闭第一针阀、第三针阀、第四针阀，打开第二针阀、第五针阀，调整容积泵使甲烷以一定速率沿管路流过岩心，饱和岩心24h；待第一流量传感器、第二流量传感器数值稳定后，计算机控制系统记录第一流量传感器、第二流量传感器随时间变化的m3/s-t曲线图，计算经过第一流量传感器的流量体积V1、第二流量传感器的流量体积V2；
(e)、开启第一针阀、第三针阀、第五针阀，关闭第二针阀、第四针阀，启动容积泵，使二氧化碳由液态二氧化碳储罐中流出，调节增压泵、加热系统、第一恒温油浴系统和第二恒温油浴系统，将实验系统的压力、温度调节为超过二氧化碳临界点的实验设定值，保证二氧化碳达到超临界状态；
(f)、调节容积泵使超临界二氧化碳以一定速率沿管线流过岩心，开始驱替实验，计算机控制系统记录第三流量传感器随时间变化的m3/s-t曲线图，计算经过第三流量传感器的流量体积V3，可根据以下公式计算驱气效率：
V岩＝V1-V2；
V驱＝V3-V2；
式中，V岩-岩心饱和甲烷的流量体积；V1-经过第一流量传感器的甲烷流量体积；V2-经过第二流量传感器的甲烷流量体积，即管路中甲烷流量体积；V3-经过第三流量传感器的甲烷流量体积；V驱-驱替出的甲烷流量体积；γ-驱替效率。
优选的，通过改变实验系统的温度、压力，研究不同的温度、压力对超临界二氧化碳在高温高压下驱气效率的影响。
优选的，通过改变超临界二氧化碳的流速，研究超临界二氧化碳的流速对超临界二氧化碳在高温高压下驱气效率的影响。
优选的，通过记录第一流量传感器、第二流量传感器的数值，经过计算机控制系统绘制超临界二氧化碳、甲烷、超临界二氧化碳与甲烷混合气体的等温吸附曲线。
本发明在PVT筒外装有白炽灯和摄像头，可以更方便地观察超临界二氧化碳的相态特征，获得清晰的乳光现象图像，也可录制视频，从而更好的观察超临界二氧化碳在不同压力、温度下的相态变化，测得的数据可利用公式测得该状态下超临界二氧化碳的密度、粘度；采用恒温油浴系统，加温更加迅速，可将温度升至100℃以上，可观测范围更广，更好模拟二氧化碳在地下的状态；可通过将PVT筒测得粘度与经过岩心测得粘度两种方法的对比，研究不同岩心的渗流规律偏离达西定律的程度；也可利用计算机控制系统绘制超临界二氧化碳、甲烷、超临界二氧化碳与甲烷混合气体的等温吸附曲线，数据测量准确，而且本发明功能多样，一体化设计，节省成本。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的玻璃罩装配结构示意图；
图中，1-液态二氧化碳储罐，2-液态甲烷储罐，3a-第一针阀，3b-第二针阀，3c-第三针阀，3d-第四针阀，3e-第五针阀，4-增压泵，5-加热系统，6-温度传感器，7-第一压力传感器，8-容积泵，9-PVT筒，10-第一流量传感器，11-第二压力传感器，12-第三压力传感器，13-压差传感器，14-岩心，15-第二流量传感器，16-真空泵，17-管汇三通，18-背压阀，19-第三流量传感器，20-环压发生装置，21-氢氧化钠吸收罐，22-储气罐，23-第一恒温油浴系统，24-第二恒温油浴系统，25-岩心夹持器，26-胶桶，27-计算机控制系统，28-第四压力传感器，29-玻璃外壳，30-玻璃罩，31-白炽灯，32-电子摄像头，33-输油管，34-回油管，35-循环泵，G1-第一管线，G2-第二管线，G3-第三管线，G4-第四管线，G5-第五管线，G6-第六管线，G7-第七管线，G8-第八管线，G9-第九管线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1、图2所示，一种超临界二氧化碳高温高压PVT测试及驱替甲烷一体化的实验装置，包括液态二氧化碳储罐1、容积泵8、岩心夹持器25、第一恒温油浴系统23、第二恒温油浴系统24、环压发生装置20、压差传感器13和计算机控制系统27，计算机控制系统27为现有技术，岩心夹持器25设有上入口和出口，还包括液态甲烷储罐2、PVT筒9、氢氧化钠吸收罐21和储气罐22，PVT筒采用现有技术中的BDR无汞PVT筒，PVT筒9上有入口和出口，氢氧化吸收钠储罐21上设有入口和出口，液态二氧化碳储罐1的出口上连接有第一管线G1，第一管线G1上安装有第一针阀3a，液态甲烷储罐2的出口上连接有第二管线G2，第二管线G2上安装有第二针阀3b，第一管线G1和第二管线G2的末端相接后连接有第三管线G3，第三管线G3的末端与PVT筒9的入口连接，第三管线G3上从液态二氧化碳储罐1至PVT筒9方向依次安装有增压泵4、加热系统5、温度传感器6、第一压力传感器7和容积泵8，液态二氧化碳储罐1用于储存二氧化碳，第一针阀3a用于控制液态二氧化碳储罐1内二氧化碳的流出，液态甲烷储罐2用于储存甲烷，第二针阀3b用于控制液态甲烷储罐2内甲烷的流出，增压泵4用于增加二氧化碳的压力至实验所需值，加热系统5用于加热二氧化碳使其温度达到实验所需值，容积泵8用于调节向PVT筒9或岩心夹持器25注入二氧化碳或甲烷的速度，温度传感器6和第一压力传感器7用于测量第三管线G3内温度和压力。PVT筒8的出口上连接有第四管线G4，第四管线G4的末端与岩心夹持器25的入口连接，第四管线G4上从PVT筒8至岩心夹持器25方向依次安装有第五针阀3e和第一流量传感器10，第五针阀3e用于控制流体流出，第一流量传感器10用于测量二氧化碳、超临界二氧化碳或甲烷流过岩心的流量。岩心夹持器25的出口上连接有第五管线G5，第五管线G5的末端连接有管汇三通17，第五管线G5上从岩心夹持器至管汇三通方向依次安装有第二流量传感器15和真空泵16，第二流量传感器15测量流过第五管线G5的流体流量，真空泵16用于排除实验管路中的气体。管汇三通17的一个出口通过第六管线G6与氢氧化吸收钠储罐21的入口连接，第六管线G6上从管汇三通至氢氧化吸收钠储罐方向依次安装有第三针阀3c和背压阀18，第三针阀3c用于控制管路中流体的流向，背压阀18用于调节第六管线G6内压力。管汇三通17的另一个出口通过第七管线G7与第三管线G3连接，第七管线G7与第三管线G3的连接点位于第一管线G1与第三管线G3的连接点和增压泵4之间，第七管线G7上安装有第四针阀3d，第四针阀位于第七管线与第三管线连接点方向的末端。氢氧化钠吸收罐21的出口通过第八管线G8与储气罐22的入口连接，第八管线G8上安装有第三流量传感器19，氢氧化钠吸收罐21用于吸收二氧化碳，储气罐用于储存系统内的流体，第三流量传感器19用于测量流过第八管线G8的流体流量。PVT筒9外周罩有封闭的玻璃外壳29，PVT筒9的外壁与玻璃外壳29的内壁之间留有间隙，玻璃外壳靠近PVT筒的出口一端通过输油管33与第一恒温油浴系统23连接，输油管33上安装有循环泵35，玻璃外壳靠近PVT筒的入口一端通过回油管34与第一恒温油浴系统23连接，第一恒温油浴系统23通过输油管33和回油管34及循环泵35使恒温油进入玻璃外壳内进行循环流动进而将PVT筒置于恒温油浴中，玻璃外壳外周固定有玻璃罩30，玻璃外壳的外壁与玻璃罩的内壁之间留有间隙并安装白炽灯31和电子摄像头32，电子摄像头用于拍摄超临界二氧化碳图片并传输给计算机控制系统，用以观察超临界二氧化碳的相态特征。岩心夹持器25内安装有胶筒26，岩心14置于胶筒内，岩心夹持器25通过第九管线G9与环压发生装置20相连，第九管线G9上安装有第四压力传感器28，环压发生装置20用于为岩心夹持器25提供环压，使胶筒26紧贴岩心以密封岩心14与胶筒26的接触面避免流动介质在实验中从进口端直接窜至出口端，保证流动介质沿岩心14的轴向流动。岩心夹持器25置于第二恒温油浴系统24中，岩心夹持器的入口处和出口处分别安装有第二压力传感器11和第三压力传感器12，岩心夹持器上安装有压差传感器13，第二压力传感器11和第三压力传感器12分别用于测量岩心夹持器25的入口和出口处压力，压差传感器13用于测量流动介质流过岩心14产生的流动压降，可以测量岩心14上不同测压点之间的压差。温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、背压阀、第四压力传感器、压差传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、电子摄像头均连接到计算机控制系统。
第一管线、第二管线、第三管线、第四管线、第五管线、第六管线、第七管线、第八管线和第九管线均为内径小于2mm的钢管，钢管外壁上敷设有保温层。
实施例2
一种超临界二氧化碳高温高压PVT测试实验方法，利用上述实验装置，包括以下步骤：
通过观察超临界二氧化碳在PVT筒中的光学效应得到其在不同压力、温度下的相态特征，并计算超临界二氧化碳的密度、粘度；通过测量超临界二氧化碳流过岩心产生的压降，计算其在多孔介质中的粘度
(A)、调整第一针阀3a、第二针阀3b处于关闭状态，第三针阀3c、第四针阀3d、第五针阀3e处于打开状态，容积泵8处于未启动状态，此时容积泵8与试验管路是联通的，利用真空泵16排除实验管路中的气体；
(B)、关闭第二针阀3b、第三针阀3c、第四针阀3d、第五针阀3e，打开第一针阀3a，启动容积泵8，使液态二氧化碳由液态二氧化碳储罐1流出，调节增压泵4、加热系统5、第一恒温油浴系统23、第二恒温油浴系统24，将实验系统中的温度、压力调节为使二氧化碳变为气态所需的温度、压力；
(C)、打开环压发生装置20，调节环压发生装置的压力，使其比第一压力传感器显示的压力高2～5Mpa；
(D)、关闭第一针阀3a、第二针阀3b、第三针阀3c，打开第四针阀3d、第五针阀3e，通过调节容积泵8使二氧化碳以一定速率沿管线流过岩心后在实验管路中循环，待第二压力传感器11、第三压力传感器12的读数稳定后，记录其数值；气态二氧化碳在确定温度、压力下的粘度已知，因此可以根据达西定律计算岩心的绝对渗透率：
式中，K-岩心绝对渗透率；Q0-大气压下的二氧化碳体积流量；P0-大气压力；μ0-实验温度压力条件下的气态二氧化碳的粘度，L0-岩心长度，A-岩心端面积；P1、P2-分别为岩心夹持器入口处和出口处的压力；
(E)、打开第三针阀3c、第五针阀3e，关闭第一针阀3a、第二针阀3b、第四针阀3d，启动容积泵8，使系统中的二氧化碳沿管线流向氢氧化钠吸收罐21；
(F)、关闭第二针阀3b、第三针阀3c、第四针阀3d、第五针阀3e，打开第一针阀3a，启动容积泵8，使液态二氧化碳由液态二氧化碳储罐流出，调节增压泵4、加热系统5、第一恒温油浴系统23、第二恒温油浴系统24，将实验系统的压力、温度调节为超过二氧化碳临界点的实验设定值(7.38Mpa，31.1℃)，保证二氧化碳达到超临界状态；
(G)、待温度传感器6、第一压力传感器7显示的温度、压力达到实验设定值后，关闭第一针阀3a；打开环压发生装置20，调节环压发生装置的压力，使其比第一压力传感器7显示的压力高2～5Mpa；
(H)、关闭第一针阀3a、第二针阀3b、第三针阀3c、第四针阀3d、第五针阀3e，通过调节容积泵8使超临界二氧化碳以一定速率经第三管线G3流入PVT筒9，待PVT筒8内金属塞数值稳定后，电子摄像头32将拍摄的照片传送到计算机控制系统27，观察超临界二氧化碳的相态特征，并计算超临界二氧化碳的密度、粘度，计算超临界二氧化碳密度，公式如下：
y0＝1.0151-0.2873Tr -3.33-0.0855Tr -6.66-0.2077Tr -9.99
y1＝1.0387-1.3784Tr -4.66+0.5800Tr -9.32+0.0900Tr -13.98
y2＝1.0677-1.6632Tr -4.66+1.8662Tr -8.92-0.7218Tr -13.98
y3＝1.1541-0.8172Tr -4.04+1.1726Tr -8.08-0.5099Tr -12.12
式中：Tr―对比温度；P—压力，单位Mpa；R—通用气体常数，ρ—密度，单位kg/m3；Mg—二氧化碳的分子量，44kg/kmol；Z—压缩因子，T—超临界二氧化碳的温度，单位℃；
计算超临界二氧化碳粘度，公式如下：
μ0ξ＝34.0×10-5Tr0.94Tr≤1.5
式中：ρr—对比密度；Tpc—临界温度，K；ppc—临界压力，单位Mpa；μ—粘度，单位mpa/s；ρpc—临界密度，467.6kg/m3；
(I)关闭第一针阀3a、第二针阀3b、第三针阀3c，打开第四针阀3d、第五针阀3e，通过调节容积泵8使超临界二氧化碳以一定速率沿管线流过岩心后在实验管路中循环，待压差传感器13、第一流量传感器10的读数稳定后，记录其数值；由于岩心的绝对渗透率已经计算得到，因此可以根据达西定律计算超临界二氧化碳在地层多孔介质中的粘度：
式中，μ-超临界二氧化碳在高温高压下的粘度；ΔP-测压点之间的压差；K-岩心的绝对渗透率；V-超临界二氧化碳的流速；L-测压点之间的距离；
(J)通过调节增压泵4、加热系统5、容积泵8，记录压差传感器13的读数，研究超临界二氧化碳的相态和超临界二氧化碳的粘度随温度、压力、流速的变化规律；记录第一流量传感器、第二流量传感器的数值经过计算机控制系统绘制超临界二氧化碳的等温吸附曲线。
通过改变实验系统的温度、压力，研究不同的温度、压力对超临界二氧化碳光学效应的影响。
通过改变实验系统的温度、压力，利用PVT筒研究不同温度、压力下超临界二氧化碳的密度、粘度。
通过将PVT筒测得粘度与经过岩心测得粘度两种方法的对比，研究不同岩心的渗流规律偏离达西定律的程度。
实施例3
一种超临界二氧化碳驱替甲烷的实验方法，利用上述实验装置，包括以下步骤：
测量超临界二氧化碳流过岩心的流量体积，计算其在多空介质中的驱气效率
(a)、调整第一针阀3a、第二针阀3b处于关闭状态，第三针阀3c、第四针阀3d、第五针阀3e处于打开状态，容积泵8处于未开启状态，利用真空泵16排除管路中的气体，更换岩心夹持器中的岩心；
(b)、打开第二针阀3b，关闭第一针阀3a、第三针阀3c、第四针阀3d、第五针阀3e，启动容积泵8，使甲烷由液态甲烷储罐1中流出，调节增压泵4、加热系统5、第一恒温油浴系统23、第二恒温油浴系统24，将实验系统的压力、温度调节为实验设定值即二氧化碳达到超临界状态时的压力7.38Mpa、温度31.1℃；
(c)、待温度传感器6、第一压力传感器7显示的温度、压力达到实验设定值后，打开环压发生装置20，调节环压发生装置的压力，使其比第一压力传感器显示的压力高2～5Mpa；
(d)、关闭第一针阀3a、第三针阀3c、第四针阀3d，打开第二针阀3b、第五针阀3e，调整容积泵8使甲烷以一定速率沿管路流过岩心，饱和岩心24h；待第一流量传感器10、第二流量传感器15数值稳定后，计算机控制系统记录第一流量传感器10、第二流量传感器15随时间变化的m3/s-t曲线图，计算经过第一流量传感器的流量体积V1、第二流量传感器的流量体积V2；
(e)、开启第一针阀3a、第三针阀3c、第五针阀3e，关闭第二针阀3b、第四针阀3e，启动容积泵8，使二氧化碳由液态二氧化碳储罐1中流出，调节增压泵4、加热系统5、第一恒温油浴系统23和第二恒温油浴系统24，将实验系统的压力、温度调节为超过二氧化碳临界点的实验设定值7.38Mpa，31.1℃，保证二氧化碳达到超临界状态；
(f)、调节容积泵8使超临界二氧化碳以一定速率沿管线流过岩心，开始驱替实验，计算机控制系统记录第三流量传感器19随时间变化的m3/s-t曲线图，计算经过第三流量传感器19的流量体积V3，可根据以下公式计算驱气效率：
V岩＝V1-x2；
V驱＝V3-V2；
式中，V岩-岩心饱和甲烷的流量体积；V1-经过第一流量传感器的甲烷流量体积；V2-经过第二流量传感器的甲烷流量体积，即管路中甲烷流量体积；V3-经过第三流量传感器的甲烷流量体积；V驱-驱替出的甲烷流量体积；γ-驱替效率。
通过改变实验系统的温度、压力，研究不同的温度、压力对超临界二氧化碳在高温高压下驱气效率的影响。
通过改变超临界二氧化碳的流速，研究超临界二氧化碳的流速对超临界二氧化碳在高温高压下驱气效率的影响。
通过记录第一流量传感器、第二流量传感器的数值，经过计算机控制系统绘制超临界二氧化碳、甲烷、超临界二氧化碳与甲烷混合气体的等温吸附曲线。
Claims (10)
1.一种超临界二氧化碳高温高压PVT测试及驱替甲烷一体化的实验装置，包括液态二氧化碳储罐、容积泵、岩心夹持器、第一恒温油浴系统、第二恒温油浴系统、环压发生装置、压差传感器和计算机控制系统，岩心夹持器设有上入口和出口，其特征在于：还包括液态甲烷储罐、PVT筒、氢氧化钠吸收罐和储气罐，PVT筒上有入口和出口，氢氧化吸收钠储罐上设有入口和出口；液态二氧化碳储罐的出口上连接有第一管线，第一管线上安装有第一针阀，液态甲烷储罐的出口上连接有第二管线，第二管线上安装有第二针阀，第一管线的末端和第二管线的末端相接后连接有第三管线，第三管线的末端与PVT筒的入口连接，第三管线上从液态二氧化碳储罐至PVT筒方向依次安装有增压泵、加热系统、温度传感器、第一压力传感器和容积泵；PVT筒的出口上连接有第四管线，第四管线的末端与岩心夹持器的入口连接，第四管线上从PVT筒至岩心夹持器方向依次安装有第五针阀和第一流量传感器；岩心夹持器的出口上连接有第五管线，第五管线的末端连接有管汇三通，第五管线上从岩心夹持器至管汇三通方向依次安装有第二流量传感器和真空泵；管汇三通的一个出口通过第六管线与氢氧化吸收钠储罐的入口连接，第六管线上从管汇三通至氢氧化吸收钠储罐方向依次安装有第三针阀和背压阀，氢氧化钠吸收罐的出口通过第八管线与储气罐的入口连接，第八管线上安装有第三流量传感器；管汇三通的另一个出口通过第七管线与第三管线连接，第七管线与第三管线的连接点位于第一管线与第三管线的连接点和增压泵之间，第七管线上安装有第四针阀；PVT筒的外周罩有封闭的玻璃外壳，PVT筒的外壁与玻璃外壳的内壁之间留有间隙，玻璃外壳的内腔通过管道与第一恒温油浴系统连接，第一恒温油浴系统通过管道使恒温油进入玻璃外壳内进而将PVT筒置于恒温油浴中，玻璃外壳外周固定有玻璃罩，玻璃外壳的外壁与玻璃罩的内壁之间留有间隙并安装白炽灯和电子摄像头；岩心夹持器内安装有胶筒，岩心夹持器通过第九管线与环压发生装置相连，第九管线上安装有第四压力传感器，岩心夹持器置于第二恒温油浴系统中，岩心夹持器的入口处和出口处分别安装有第二压力传感器和第三压力传感器，岩心夹持器上安装有压差传感器，所述温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三压力传感器、背压阀、第四压力传感器、压差传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、第三流量传感器、电子摄像头均连接到计算机控制系统。
2.根据权利要求1所述的超临界二氧化碳高温高压PVT测试及驱替甲烷一体化的实验装置，其特征在于：所述第一管线、第二管线、第三管线、第四管线、第五管线、第六管线、第七管线、第八管线和第九管线均为内径小于2mm的钢管，钢管外壁上敷设有保温层。
3.一种超临界二氧化碳高温高压PVT测试实验方法，利用权利要求1或2所述的实验装置，其特征在于：包括以下步骤：
通过观察超临界二氧化碳在PVT筒中的光学效应得到其在不同压力、温度下的相态特征，并计算超临界二氧化碳的密度、粘度；通过测量超临界二氧化碳流过岩心产生的压降，计算其在多孔介质中的粘度
(A)、调整第一针阀、第二针阀处于关闭状态，第三针阀、第四针阀、第五针阀处于打开状态，容积泵处于未启动状态，利用真空泵排除实验管路中的气体；
(B)、关闭第二针阀、第三针阀、第四针阀、第五针阀，打开第一针阀，启动容积泵，使液态二氧化碳由液态二氧化碳储罐流出，调节增压泵、加热系统、第一恒温油浴系统、第二恒温油浴系统，将实验系统中的温度、压力调节为使二氧化碳变为气态所需的温度、压力；
(C)、打开环压发生装置，调节环压发生装置的压力，使其比第一压力传感器显示的压力高2～5Mpa；
(D)、关闭第一针阀、第二针阀、第三针阀，打开第四针阀、第五针阀，通过调节容积泵使二氧化碳以一定速率沿管线流过岩心后在实验管路中循环，待第二压力传感器、第三压力传感器的读数稳定后，记录其数值；气态二氧化碳在确定温度、压力下的粘度已知，因此可以根据达西定律计算岩心的绝对渗透率：
式中，K-岩心绝对渗透率；Q0-大气压下的二氧化碳体积流量；P0-大气压力；μ0-实验温度压力条件下的气态二氧化碳的粘度，L0-岩心长度，A-岩心端面积；P1、P2-分别为岩心夹持器入口处和出口处的压力；
(E)、打开第三针阀、第五针阀，关闭第一针阀、第二针阀、第四针阀，启动容积泵，使系统中的二氧化碳沿管线流向氢氧化钠吸收罐；
(F)、关闭第二针阀、第三针阀、第四针阀、第五针阀，打开第一针阀，启动容积泵，使液态二氧化碳由液态二氧化碳储罐流出，调节增压泵、加热系统、第一恒温油浴系统、第二恒温油浴系统，将实验系统的压力、温度调节为超过二氧化碳临界点的实验设定值，保证二氧化碳达到超临界状态；
(G)、待温度传感器、第一压力传感器显示的温度、压力达到实验设定值后，关闭第一针阀；打开环压发生装置，调节环压发生装置的压力，使其比第一压力传感器显示的压力高2～5Mpa；
(H)、关闭第一针阀、第二针阀、第三针阀、第四针阀、第五针阀，通过调节容积泵使超临界二氧化碳以一定速率经第三管线流入PVT筒，待PVT筒内金属塞数值稳定后，电子摄像头将拍摄的照片传送到计算机控制系统，观察超临界二氧化碳的相态特征，并计算超临界二氧化碳的密度、粘度，计算超临界二氧化碳密度，公式如下：
y0＝1.0151-0.2873Tr -3.33-0.0855Tr -6.66-0.2077Tr -9.99
y1＝1.0387-1.3784Tr -4.66+0.5800Tr -9.32+0.0900Tr -13.98
y2＝1.0677-1.6632Tr -4.66+1.8662Tr -8.92-0.7218Tr -13.98
y3＝1.1541-0.8172Tr -4.04+1.1726Tr -8.08-0.5099Tr -12.12
式中：Tr―对比温度；P—压力，单位Mpa；R—通用气体常数，ρ—密度，单位kg/m3；Mg—二氧化碳的分子量，44kg/kmol；Z—压缩因子，T—超临界二氧化碳的温度，单位℃；
计算超临界二氧化碳粘度，公式如下：
μ0ξ＝34.0×10-5Tr 0.94Tr≤1.5
式中：ρr—对比密度；Tpc—临界温度，K；ppc—临界压力，单位Mpa；μ—粘度，单位mpa/s；ρpc—临界密度，467.6kg/m3；
(I)关闭第一针阀、第二针阀、第三针阀，打开第四针阀、第五针阀，通过调节容积泵使超临界二氧化碳以一定速率沿管线流过岩心后在实验管路中循环，待压差传感器、第一流量传感器的读数稳定后，记录其数值；由于岩心的绝对渗透率已经计算得到，因此可以根据达西定律计算超临界二氧化碳在地层多孔介质中的粘度：
式中，μ-超临界二氧化碳在高温高压下的粘度；ΔP-测压点之间的压差；K-岩心的绝对渗透率；V-超临界二氧化碳的流速；L-测压点之间的距离；
(J)通过调节增压泵、加热系统、容积泵，记录压差传感器的读数，研究超临界二氧化碳的相态和超临界二氧化碳的粘度随温度、压力、流速的变化规律；记录第一流量传感器、第二流量传感器的数值经过计算机控制系统绘制超临界二氧化碳的等温吸附曲线。
4.根据权利要求3所述的超临界二氧化碳高温高压PVT测试实验方法，其特征在于：通过改变实验系统的温度、压力，研究不同的温度、压力对超临界二氧化碳光学效应的影响。
5.根据权利要求3或4所述的超临界二氧化碳高温高压PVT测试实验方法，其特征在于：通过改变实验系统的温度、压力，利用PVT筒研究不同温度、压力下超临界二氧化碳的密度、粘度。
6.根据权利要求5所述的超临界二氧化碳高温高压PVT测试实验方法，其特征在于：通过将PVT筒测得粘度与经过岩心测得粘度两种方法的对比，研究不同岩心的渗流规律偏离达西定律的程度。
7.一种超临界二氧化碳驱替甲烷的实验方法，利用权利要求1或2任一所述的实验装置，其特征在于：包括以下步骤：
测量超临界二氧化碳流过岩心的流量体积，计算其在多空介质中的驱气效率
(a)、调整第一针阀、第二针阀处于关闭状态，第三针阀、第四针阀、第五针阀处于打开状态，容积泵处于未开启状态，利用真空泵排除管路中的气体，更换岩心夹持器中的岩心；
(b)、打开第二针阀，关闭第一针阀、第三针阀、第四针阀、第五针阀，启动容积泵，使甲烷由液态甲烷储罐中流出，调节增压泵、加热系统、第一恒温油浴系统和第二恒温油浴系统，将实验系统的压力、温度调节为实验设定值即二氧化碳达到超临界状态时的压力、温度；
(c)、待温度传感器、第一压力传感器显示的温度、压力达到实验设定值后，打开环压发生装置，调节环压发生装置的压力，使其比第一压力传感器显示的压力高2～5Mpa；
(d)、关闭第一针阀、第三针阀、第四针阀，打开第二针阀、第五针阀，调整容积泵使甲烷以一定速率沿管路流过岩心，饱和岩心24h；待第一流量传感器、第二流量传感器数值稳定后，计算机控制系统记录第一流量传感器、第二流量传感器随时间变化的m3/s-t曲线图，计算经过第一流量传感器的流量体积V1、第二流量传感器的流量体积V2；
(e)、开启第一针阀、第三针阀、第五针阀，关闭第二针阀、第四针阀，启动容积泵，使二氧化碳由液态二氧化碳储罐中流出，调节增压泵、加热系统、第一恒温油浴系统和第二恒温油浴系统，将实验系统的压力、温度调节为超过二氧化碳临界点的实验设定值，保证二氧化碳达到超临界状态；
(f)、调节容积泵使超临界二氧化碳以一定速率沿管线流过岩心，开始驱替实验，计算机控制系统记录第三流量传感器随时间变化的m3/s-t曲线图，计算经过第三流量传感器的流量体积V3，可根据以下公式计算驱气效率：
V岩＝V1-V2；
V驱＝V3-V2；
式中，V岩-岩心饱和甲烷的流量体积；V1-经过第一流量传感器的甲烷流量体积；V2-经过第二流量传感器的甲烷流量体积，即管路中甲烷流量体积；V3-经过第三流量传感器的甲烷流量体积；V驱-驱替出的甲烷流量体积；γ-驱替效率。
8.根据权利要求7所述的超临界二氧化碳驱替甲烷的实验方法，其特征在于：通过改变实验系统的温度、压力，研究不同的温度、压力对超临界二氧化碳在高温高压下驱气效率的影响。
9.根据权利要求7或8所述的超临界二氧化碳驱替甲烷的实验方法，其特征在于：通过改变超临界二氧化碳的流速，研究超临界二氧化碳的流速对超临界二氧化碳在高温高压下驱气效率的影响。
10.根据权利要求9所述的超临界二氧化碳驱替甲烷的实验方法，其特征在于：通过记录第一流量传感器、第二流量传感器的数值，经过计算机控制系统绘制超临界二氧化碳、甲烷、超临界二氧化碳与甲烷混合气体的等温吸附曲线。
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