CN110823767B - 一种多孔介质中凝析气-干气扩散系数测定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多孔介质中凝析气‑干气扩散系数测定装置，由岩心夹持器1、恒温箱3、扩散腔室6、差压变送器4、液压双作用泵8、围压系统、气体供应系统、气体分离系统组成，岩心夹持器1位于恒温箱3中，夹持器内装有两块岩心2，岩心之间有试样阀门29，每块岩心均连接扩散腔室6，两个扩散腔室通过压力平衡阀7连通，每个扩散腔室内有活塞5，外连液压双作用泵8、差压变送器4；岩心夹持器连接围压系统；扩散腔室6的入口端连接气体供应系统，由气源瓶、配样器、进气阀组成；扩散腔室6的出口端连接气体分离系统，包括取样阀、标准体积室、低温闪蒸分离器等。本发明可减小扩散腔室内压力微小波动对测试结果的影响，具有广阔的市场应用前景。

Description

一种多孔介质中凝析气-干气扩散系数测定装置

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探领域中一种用于计算凝析气体扩散系数的测试装置。

背景技术

分子扩散是自然界和工程上普遍的扩散现象，其以浓度差为推动力，物质组分从高浓度区向低浓度区迁移。分子扩散系数是表征分子扩散能力的物理量。在石油与天然气工程及环保工程领域，油气运移、产能预测、CO₂封存和注气提高采收率等领域都普遍存在扩散现象。

目前文献中关于气体在液体中的扩散系数测定方法，整体上分为两类：直接法和间接法。现有的测量天然气扩散系数的测试标准装置，包括岩心夹持器、气体采样和供应系统、压力平衡系统、扩散室、差压传感器、色谱仪等，两个气体供应系统分别通过管线连接压力平衡系统，该压力平衡系统与岩心夹持器两端的扩散腔室连接。每个扩散腔室各连接一个取样阀。岩心夹持器外接围压泵。实验过程中，通过气体供应系统提供扩散气体，调整系统的温度和压力为实验所需值，达到压力平衡后，开始进行气气扩散实验。扩散进行一段时间后，通过取样阀取样测试气体的浓度变化及所需的时间，并对气体进行组成分析。上述方法在石油与天然气工程领域只适用于研究注气提高干气气藏采收率和二氧化碳埋存等方面的研究，因为在取样后导致压力下降，会导致凝析油的析出，不适用于凝析气藏-干气扩散测试研究。另一方面，该类装置中在取样进行流体分析时，存在以下问题：①扩散腔室压力平衡控制方式使得扩散腔室气体的扩散压力普遍会有扰动；②装置管线连接复杂冗长，管线中残留的上一次取样流体对下一次取样的结果分析会有很大的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多孔介质中凝析气-干气扩散系数测定装置，该装置原理可靠，操作简便，可减小测试过程中扩散腔室内压力微小波动对测试结果的影响，不仅可测试凝析气气体扩散系数，也可测试干气气体扩散系数，具有广阔的市场应用前景。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种多孔介质中凝析气-干气扩散系数测定装置，主要由岩心夹持器、扩散腔室、恒温箱、气源瓶、配样器、闪蒸分离器、色谱仪、围压泵和液体计量泵组成，两块岩心装在岩心夹持器内，岩心之间有试样阀门。岩心左右两端均连接扩散腔室，每个扩散腔室内均置有一活塞，两个扩散腔室通过压力平衡阀相连，扩散腔室内的压力由液压双作用泵控制。扩散腔室的压差由差压变送器监测。

所述扩散腔室的入口端连接气体供应系统，所述气体供应系统由气源瓶、进气阀、气源阀、配样器和液体计量泵组成；扩散腔室的出口端与取样阀、标准体积室、低温分离器、气体计量器和色谱仪相连。

所述岩心夹持器外连接围压系统，可产生实验所需的围压，主要由围压增压阀、围压卸压阀和围压泵组成。

所述岩心夹持器放置于恒温箱中。

所述活塞、液压双作用泵和差压变送器用于实现岩心两端扩散腔室内气体的压力平衡。

所述气体色谱仪与岩心两端扩散腔室连接，用于分析取样流体的组成。

所述扩散腔室与低温闪蒸分离器相连，用于研究凝析气流体的组成及气油比GOR等特征参数。

利用上述装置对多孔介质中凝析气-干气扩散系数进行测定的方法，依次包括以下步骤：

1)选取岩心样品并将其放入夹持器中，将岩心和扩散腔室彻底抽为真空状态，给岩心建立束缚水饱和度；

2)打开围压增压阀，用围压泵给夹持器加压至实验压力，压力稳定后关闭围压增压阀。设置恒温箱温度至实验温度，打开压力平衡阀，用液压双作用泵给活塞加压；

3)打开进气阀，通过控制差压变送器上的压力数值缓慢使用供气系统中的配样器向多孔介质和扩散腔室供气，使得夹持器两端扩散腔室内的压力达到平衡，扩散开始，该时刻记为t₀；

4)每隔一段时间对岩心夹持器中扩散腔室内的气体进行取样，记第i次取样时刻为t_i。取一定量的气体到标准体积室内，使气体进入色谱仪进行浓度分析，记录两个扩散腔室气体组分的浓度为C_1ij和C_2ij。另外对凝析气扩散腔室内的流体进行闪蒸分离，测定气液流体组成及气油比GOR，从而计算扩散腔室内的凝析气组成；

5)多次重复上述步骤以达到取样点数要求，依据中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T6129-1995“岩石中烃类气体扩散系数的测定”来计算扩散系数，计算岩样中气体的扩散系数方程如下：

其中：ΔC_ij＝ΔC_1ij-ΔC_2ij E＝A(1/V₁+1/V₂)/L

式中：D_j—气体j组分在岩样中的扩散系数，cm²/s；

ΔC_0j—初始时刻气体j组分在两扩散室中的浓度差，％；

ΔC_ij—i时刻气体j组分在两扩散室中的浓度差，％；

t_i—i时刻，s；

t₀—初始时刻，s；

C_1ij—i时刻气体j组分在干气扩散室中的浓度，％；

C_2ij—i时刻气体j组分在凝析气扩散室中的浓度，％；

A—岩样的截面积，cm²；

L—岩样的长度，cm；

V₁,V₂—分别为两扩散腔室容积cm³；

E—中间变量，cm^-2；

将(1)进行变形，得到：ln(ΔC_0j/ΔC_ij)＝D_jE(t_i-t₀)

ln(ΔC_0j/ΔC_ij)与t_i呈线性关系，应用最小二乘法拟合，得到斜率S_j，根据S_j可以求得岩样中气体的扩散系数：

D_j＝S_j/E (2)

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)通过活塞和差压传感器恒定扩散腔室内的压力，减少了由取样引起扩散腔室内的压力波动；

(2)凝析气扩散腔室出口端连接闪蒸分离器，测量流体气液组成及气油比GOR，从而计算凝析气组成；

(3)克服了现有扩散实验装置的不足，适用于任何单组分和多组分烃类气体在多孔介质中扩散系数的测定。

附图说明

图1为一种多孔介质中凝析气-干气扩散系数的测试装置结构示意图。

图中：1-岩心夹持器；2-岩心；3-恒温箱；4-差压变送器；5-活塞；6-扩散腔室；7-压力平衡阀；8-液压双作用泵；9-干气气源瓶；10-凝析气气源瓶；11、12-进气阀；13-气源阀；14-干气配样器；15-凝析气配样器；16-加热器；17、18-取样阀I；19-标准体积室；20、21-取样阀II；22-低温闪蒸分离器；23-气体计量器；24-色谱仪；25-围压增压阀；26-围压卸压阀；27-围压泵；28-液体计量泵；29-试样阀门。

具体实施方式

下面根据附图进一步说明本发明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明。但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，均在保护之列。

参看图1。

一种多孔介质中凝析气-干气扩散系数测定装置，由岩心夹持器1、恒温箱3、扩散腔室6、差压变送器4、液压双作用泵8、围压系统、气体供应系统、气体分离系统组成。

所述岩心夹持器1位于恒温箱3中，夹持器内装有两块岩心2，岩心之间有试样阀门29，每块岩心均连接扩散腔室6，两个扩散腔室通过压力平衡阀7连通，每个扩散腔室内有活塞5，外连液压双作用泵8、差压变送器4，液压双作用泵8控制扩散腔室的压力，差压变送器4监测扩散腔室的压差。

所述岩心夹持器1连接围压系统，该围压系统由围压增压阀25、围压卸压阀26和围压泵27组成。

所述扩散腔室6的入口端连接气体供应系统，该气体供应系统包括干气供应系统、凝析气供应系统，每个气体供应系统由气源瓶(干气气源瓶9、凝析气气源瓶10)、气源阀13、配样器(干气配样器14、凝析气配样器15)、进气阀(11、12)组成，配样器内部有加热器16，外部连有液体计量泵28。

所述扩散腔室6的出口端连接气体分离系统，该气体分离系统包括取样阀I(17、18)、标准体积室19、取样阀II(20、21)、低温闪蒸分离器22、气体计量器23和色谱仪24。

所述扩散腔室6内置活塞，与压力平衡阀、差压变送器以及液压双作用泵控制扩散腔室内的压力稳定。

所述扩散腔室出口端连接的凝析气供应系统，通过低温闪蒸分离器和气体计量器测量扩散腔室内流体的气液组成及气油比GOR，计算实验中凝析气样品的组成。

利用上述装置对多孔介质中凝析气-干气扩散系数进行测定，具体操作步骤为：

1)准备气样和仪器

选取两块岩心并将岩心放入夹持器1中，关闭试样阀门29。按照图1所示连接管线和仪器。给岩心1和气体扩散室6抽真空约半个小时左右，使所处系统为真空状态。建立束缚水饱和度。打开气源阀13将干气气源瓶9和凝析气气源瓶10中的气样转入配样器14和15中。

2)建立实验条件

关闭所有阀门和压力平衡阀7。打开围压增压阀25，用围压泵27给夹持器1加压至实验压力P_围，压力稳定后关闭围压增压阀25。通过恒温箱3设置实验温度，等待温度稳定，约2.5小时。打开压力平衡阀7，用液压双作用泵8给活塞5加压到P_控，使P_围-P_控≥3MPa。通过液体计量泵28对配样器14和15中的干气和凝析气增压至P_控，等待压力稳定。

3)进行实验

缓慢打开进气阀11，使差压变送器的值在50KPa内；当差压变送器的值大于50KPa时，迅速关闭进气阀11。缓慢打开进气阀12，当差压变送器的值大于50KPa时，迅速关闭进气阀12，缓慢打开进气阀11。重复上述的操作，直到岩心两端压力平衡等于P_控时，关闭进气阀11和进气阀12。打开试样阀门29，扩散实验开始，该时刻记为t₀。

4)取样

每隔一段时间打开取样阀17或取样阀18，放入定量的气体到标准体积室19内，关闭取样阀17和取样阀18，缓慢打开取样阀20或取样阀21。通过闪蒸分离器22对流体进行闪蒸分离，通过色谱24测定气液流体组成，记录两个扩散腔室气体组分的浓度为C_1ij和C_2ij。气量计量器23计量气体的体积计算气油比GOR，从而计算扩散腔室内的凝析气组成。重复取样步骤，直到实验结束。

5)实验数据整理

依据中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T6129-1995“岩石中烃类气体扩散系数的测定”来计算扩散系数。

Claims (3)

1.利用装置对多孔介质中凝析气-干气扩散系数进行测定的方法，该装置由岩心夹持器(1)、恒温箱(3)、扩散腔室(6)、差压变送器(4)、液压双作用泵(8)、围压系统、气体供应系统、气体分离系统组成，所述岩心夹持器(1)位于恒温箱(3)中，岩心夹持器(1)内装有两块岩心(2)，岩心(2)之间有试样阀门(29)，每块岩心(2)均连接扩散腔室(6)，两个扩散腔室(6)通过压力平衡阀(7)连通，每个扩散腔室(6)内有活塞(5)，外连液压双作用泵(8)、差压变送器(4)；所述岩心夹持器(1)连接围压系统，该围压系统由围压增压阀(25)、围压卸压阀(26)和围压泵(27)组成；所述扩散腔室(6)的入口端连接气体供应系统，该气体供应系统包括干气供应系统、凝析气供应系统，每个气体供应系统由气源瓶、配样器、进气阀组成，配样器内部有加热器，外部连有液体计量泵；所述扩散腔室(6)的出口端连接气体分离系统，该气体分离系统包括取样阀I、标准体积室(19)、取样阀II、低温闪蒸分离器(22)、气体计量器(23)和色谱仪(24)，该方法依次包括以下步骤：

1)选取岩心(2)并将其放入岩心夹持器(1)中，将岩心(2)和扩散腔室(6)抽为真空状态，给岩心(2)建立束缚水饱和度；

2)打开围压增压阀，用围压泵给岩心夹持器(1)加压至实验压力，压力稳定后关闭围压增压阀，设置恒温箱温度至实验温度，打开压力平衡阀，用液压双作用泵给活塞加压；

3)打开进气阀，通过控制差压变送器的压力数值缓慢使用气体供应系统中的配样器向多孔介质和扩散腔室(6)供气，使得岩心夹持器(1)两端扩散腔室(6)内的压力达到平衡，扩散开始，该时刻记为初始时刻t₀；

4)每隔一段时间对岩心夹持器(1)中扩散腔室(6)内的气体进行取样，记第i次取样时刻为第i取样时刻t_i，取一定量的气体到标准体积室内，使气体进入色谱仪进行浓度分析，记录两个扩散腔室(6)气体组分的浓度分别为C_1ij和C_2ij；对凝析气扩散腔室(6)内的流体进行闪蒸分离，测定气液流体组成及气油比GOR，从而计算扩散腔室(6)内的凝析气组成；

5)多次重复步骤4)以达到取样点数要求，利用下式计算岩心(2)中气体的扩散系数：

ΔC_ij＝C_1ij-C_2ij

E＝A(1/V₁+1/V₂)/L

式中：D_j—气体j组分在岩心中的扩散系数，cm²/s；

ΔC_0j—初始时刻气体j组分在两扩散腔室中的浓度差，％；

ΔC_ij—第i取样时刻气体j组分在两扩散腔室中的浓度差，％；

t_i—第i取样时刻，s；

t₀—初始时刻，s；

C_1ij—第i取样时刻气体j组分在干气扩散腔室中的浓度，％；

C_2ij—第i取样时刻气体j组分在凝析气扩散腔室中的浓度，％；

A—岩心的截面积，cm²；

L—岩心的长度，cm；

V₁,V₂—分别为两扩散腔室容积，cm³；

E—中间变量，cm^-2。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩散腔室内置活塞，与压力平衡阀、差压变送器以及液压双作用泵控制扩散腔室内的压力稳定。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述扩散腔室(6)出口端连接的凝析气供应系统，通过低温闪蒸分离器和气体计量器测量扩散腔室内流体的气液组成及气油比GOR，计算凝析气样品的组成。

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