CN111238988A - 一种测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置及方法，属于油气田开发技术领域，装置包括恒温箱及装有原油和CO₂的中间容器、岩心夹持器、置换中间容器，利用驱替泵对岩心进行饱和原油操作、CO₂加压及注入操作，测量在不同压力及不同压降下CO₂置换出的原油量，计算CO₂利用率及CO₂置换原油效率。与现有技术相比，本发明实现了地层高温高压下的超临界CO2置换致密岩心内原油效率测量，减小了传统岩心称重法造成的气体膨胀误差，突破了传统方法只能测量地层压力到大气压的置换效率的局限性，实现了不同压降下原油置换量的测量和压降过程中的气油分离及精确计量。搭建成本低，适用范围广，精度高，实验可重复性强，易于推广。

Description

一种测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验 装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置及方法，属于油气田开发技术领域，用于测量注二氧化碳开发原油过程中二氧化碳对原油的置换效率。

背景技术

随着陆上沉积盆地勘探开发程度的不断深入，发现可供开发的石油优质储量越来越少。逐渐由常规油气资源向非常规油气资源如致密油气藏、页岩油气藏发展。致密油藏、页岩油藏由于储层物性差，水敏严重，因此常规的注水开发其增产效果并不理想。

CO₂具有易流动、降低原油粘度和降低界面张力等作用，与其他驱油技术相比，CO₂驱油技术具有适用范围大、驱油成本低、采收率提高显著等优点，适合非常规油藏的开发。在实际矿场的应用上，CO₂驱可在水驱基础上提高采收率7％以上。CO₂是一种温室气体，我国能源消费量和CO₂排放量逐年升高，将CO₂废气回收注入地层既能解决环境污染温室效应问题，又能提高非常规能源的开发效果，是具有广阔应用和发展前景的新技术。

CO₂与地层原油的相互作用是CO₂提高原油采收率的重要原因，分析在地层条件下和开采过程中CO₂对原油的置换量对探究CO₂提高采收率机理和推广CO₂开发在矿场应用具有重要的意义。目前针对CO₂置换效率研究的最常见的方法有数值模拟方法，该方法主要基于达西渗流特征，在获取地层的主要参数如渗透率、孔隙度、饱和度分布情况之后，利用模拟软件计算，得到CO₂在不同压力或者不同压差下的置换原油效率。但该模拟计算往往是基于理想化的条件，而实际油藏情况是非常复杂的，另外，由于岩心的非均质性，模拟无法完全表征岩心内部的复杂结构特征。

除数模之外，目前也可以通过物理实验进行测量。国内外针对CO₂置换原油实验大多都是进行岩心质量称重法，即将与CO₂反应后的岩心取出，进行质量称量，由地层压力降低到大气压，岩心中原油的质量减少量作为CO₂置换出原油的量。但这个方法存在的严重缺陷是在岩心压力降低到大气压的过程中，由于CO₂的压缩系数大，CO₂由超临界状态变化到大气压时的气态，CO₂体积膨胀作用会携带出大量的原油，因此所测得的原油不仅包括CO₂置换的原油量而且包括CO₂体积膨胀的弹性携带量，而且携带量会远远大于膨胀量，因此该方法测得的CO₂置换原油量远远大于实际值。另外，由于压力已经降低到大气压，岩心中已经没有CO₂气体，进入岩心中的CO₂的量无法计量。另一测CO₂置换量的方法是采用核磁共振实验法，将装有岩心的中间容器置于核磁共振仪器上，进行核磁图谱扫描，由图谱的变化率分析CO₂置换原油量。该方法对置换量的分析受到核磁图谱精度及外界干扰的制约，无法计量进入岩心的CO₂的量，且置换出的原油存在于岩心表面，影响实际结果。另外该方法装置复杂，实验成本高，测量精度低，没法进行实验室普及。

因此，为了明确CO₂提高采收率机理，我们需要设计一套完整的CO₂置换原油测试装置及测试流程，准确测量不同开采压力、不同压差下的CO₂置换原油量。同时还可以推广该测量方法到其他气体置换原油效率的测量中。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置。本发明的目的是根据现场要求及实际地层岩心的特征，设计实验测试装置及方法精确测量CO₂置换原油效率，实现在任何地层压力下的精确测量；实现进入致密岩心多孔介质内的CO₂量的准确计算；实现压降过程中的气油分离及精确计量。与传统的实验方法相比，该方法具有测量压力范围广、操作简单方便、测量精度高等特点。

本发明还提供上述实验装置的实验方法。

本发明的技术方案如下：

一种测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置，包括恒温箱，恒温箱内设有第一中间容器、第二中间容器、岩心夹持器、置换中间容器，第一中间容器内装有原油，第二中间容器内装有CO₂，第一中间容器、第二中间容器均通过管线与驱替泵连接，第一中间容器通过管线与岩心夹持器连接，岩心夹持器用于岩心饱和原油；

第一中间容器、第二中间容器均通过管线与置换中间容器连接，置换中间容器用于盛放实验用岩心并进行二氧化碳置换原油，置换中间容器与干燥管连接，干燥管与湿式流量计连接。干燥管和湿式流量计分别用于测量CO₂置换出原油质量和降压释放出的CO₂体积，而且此收集装置可以进行气液分离，精确计量置换出的原油，大大降低了实验误差。

优选的，第二中间容器通过管线与CO₂气瓶连接。

进一步优选的，CO₂气瓶出气口设有气体减压阀。

优选的，第一中间容器、第二中间容器的入口端与驱替泵的出口端连接，第一中间容器、第二中间容器的入口端均设有二通阀，驱替泵的出口端设有二通阀；

第一中间容器、第二中间容器的出口端与置换中间容器的入口端管线连接，第一中间容器、第二中间容器的出口端均设有二通阀，第一中间容器、第二中间容器的出口端均设有压力表，该压力表用于测量第一中间容器、第二中间容器内的压力值，置换中间容器的入口端管线上设有二通阀。

优选的，岩心夹持器与围压泵相连，岩心夹持器末端连接有收集瓶，岩心夹持器首端设有二通阀和压力表，该压力表用于测量岩心夹持器内的压力值。

优选的，置换中间容器与干燥管之间设有回压阀。回压阀可以控制不同测试压力，测量不同压力下的超临界CO₂置换出原油质量，该装置设计压力为0-50MPa，设计温度为0-150℃，测试过程避免了传统的降到大气压称重的方法，保证了实验条件在地层条件下进行。

优选的，置换中间容器端口设有压力表，该压力表用于测量置换中间容器的压力值。

围压泵自带压力表可以测压力，驱替泵可自显压力，CO₂气瓶也自带测压装置。

优选的，置换中间容器中设有支架，支架用于固定岩心。

进一步优选的，置换中间容器外侧设有翻转电机，翻转电机用于将置换中间容器进行180°旋转。在测量CO₂置换量的时候要将中间容器旋转180°，由于重力的影响和放置的支架尽可能使CO₂置换出的全部原油进入干燥管被脱脂棉收集，这样有利于油往中间容器的出口端汇集，极大地提高了实验的精度。置换中间容器只有一个出入口，可以在放入岩心后立即翻转使出入口向下、进行注入CO₂、测量置换的原油量，也可以在放入岩心后出入口向上时注入CO₂、测量置换的原油量时再将置换中间容器进行180°翻转。

一种利用上述测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置获取不同地层压力下CO₂置换原油效率的方法，该方法包括以下步骤：

①测量岩心参数及原油参数，岩心参数包括岩心质量、岩心长度、岩心直径、渗透率、孔隙度，计算岩心的孔隙体积；原油参数包括原油的密度；

②岩心饱和地层水：将实验用的岩心饱和地层水后，测量饱和地层水后的岩心质量；

③岩心饱和原油，建立束缚水饱和度：将饱和地层水后的岩心放入岩心夹持器，利用围压泵给岩心加持器加围压，通过围压泵自带压力表观察围压压力值，通过压力表观察岩心夹持器内压力示数，使用驱替泵将第一中间容器中的原油驱替至岩心夹持器中的岩心中，直到驱替到岩心末端不出水，驱替出的水通过收集瓶收集，当驱替出油量达到1倍孔隙体积，认为岩心已经达到束缚水饱和度，计算束缚水饱和度S_wi；岩心饱和完原油时关闭所有打开的阀门；

④注入CO₂并使其与原油作用：将饱和完原油的岩心从岩心夹持器中取出，将岩心放入置换中间容器底部的支架上，保证岩心各个面可以充分与CO₂作用，使得置换出的油在通入CO₂后可以完全被CO₂携带出来；向第二中间容器、置换中间容器中通入CO₂，用驱替泵将第二中间容器、置换中间容器压力加到地层压力P₁，控制恒温箱的实验温度即实际区块地层温度为T₁；

测量出置换中间容器容积为V₁、岩心外观体积为V₂，由式(3)计算出此时置换中间容器中CO₂摩尔数为n₁，

式中：Z₁——P₁处压缩因子；

R——气体常数，8.314J/(mol·K)；

⑤测量在不同压降或不同压力下CO₂置换出原油量及置换效率：

不同压降下的测量步骤如下：

(5-11)、测量干燥管的初始质量为m₃，然后利用干燥管收集CO₂置换出的原油，然后通过压力表监测置换中间容器的出口端压力，分别将系统压力降低不同压力，记为P₂，在每个压降下用装有脱脂棉的干燥管收集并称量干燥管总质量m₄，用湿式流量计收集每个过程中所释放的CO₂、记为V₃，由式(4)、(5)计算出置换中间容器中和排出的CO₂摩尔数分别为n₂、n₃：

式中：Z₂——P₂处压缩因子；

T₂——恒温箱温度。

式中：P₃——大气压；

Z₂——P₃处压缩因子；

(5-12)、计算CO₂进入到岩心中的量及CO₂的利用率：

利用式(6)计算CO₂在不同压降下进入岩心的CO₂摩尔数n₄，用式(7)计算在不同压降下进入岩心的CO₂的体积V₄，通过式(8)计算出CO₂利用率；

n₄＝n₁-n₂+n₃ (6)

式中：n₁——注入置换中间容器的CO₂摩尔数；

n₂——压力从系统压力如25MPa降到某压力如20MPa置换中间容器内CO₂摩尔数；

n₃——压力降到某压力如20MPa排出CO₂的摩尔数；

n₄——CO₂与原油相作用的摩尔数。

式中：ζ——CO₂的利用率；

(5-13)、测量CO₂置换出原油的量：

保持恒压通入的CO₂将岩心中置换出的原油驱替出来，记录装有脱脂棉的干燥管的总质量为m₄，如步骤(5-11)所记录，则通过式(9)计算出置换出的原油的总重量为Δm。

Δm＝m₄-m₃ (9)

式中：m₃——干燥管的原始质量；

m₄——收集了置换出原油的干燥管的总质量；

(5-14)、计算CO₂置换原油效率

通过式(10)计算出CO₂置换出的原油的置换效率η。

式中：η——置换效率；

Δm——置换出的原油的总重量；

V₂——岩心外观体积；

Φ——孔隙度；

S_wi——束缚水饱和度；

重复(5-11)至(5-14)，测量不同压降下的CO₂利用率及CO₂原油的置换效率，每一次不同压降下的测量均需更换新的干燥管；

不同压力下的测量步骤如下：

(5-21)、测量不同时间内地层温度压力P₁下CO₂置换出原油量：测量干燥管的初始质量为m₅，保持置换中间容器压力为地层压力不变，等待CO₂与岩心内原油置换一段时间，控制回压阀保持压力为目前地层压力P₁，继续恒压通入CO₂将岩心中置换出的原油全部驱替出来，然后利用干燥管收集CO₂置换出的原油，记录装有脱脂棉的干燥管的总质量为m₆，此部分继续通入的CO₂的目的是为了将置换的原油携带至干燥管，不需要用湿式流量计记录CO₂量，通过式(11)计算出置换出的原油的总重量为Δm₁。

Δm₁＝m₆-m₅ (11)

式中：m₅——干燥管的原始质量；

m₆——收集了置换出原油的干燥管的总质量；

(5-22)、计算CO₂置换原油的置换效率

通过式(12)计算出CO₂置换出的原油的置换效率η。

式中：η——置换效率；

Δm₁——置换出的原油的总重量；

V₂——岩心外观体积；

Φ——孔隙度；

S_wi——束缚水饱和度；

重复所有步骤①至⑤，测量不同地层温度压力下的CO₂原油的置换效率，每一次不同压力下的测量均需重新饱和原油及更换新的干燥管。

优选的，步骤①中，测量岩心质量m₁、岩心长度L、岩心直径D、渗透率K和孔隙度Φ，利用式(1)计算岩心的孔隙体积PV，

优选的，步骤②中，将岩心烘干24小时，自然冷却到室温，放入饱和中间容器进行抽真空，然后将饱和中间容器加压到地层压力，保持加压状态饱和地层水24小时，测量饱和地层水后的岩心质量为m₂。

优选的，步骤③中，使用驱替泵将第一中间容器中的原油驱替至岩心夹持器中的岩心中，驱替速度控制在0.1mL/min，直到驱替到岩心末端不出水，驱替出的水通过收集瓶收集，当驱替出油量达到1倍的孔隙体积(PV)，认为岩心已经达到束缚水饱和度；

通过油水分离后记录此时收集瓶中地层水的体积为V_w，通过式(2)计算束缚水饱和度S_wi，

ρ_w为地层水的密度。

优选的，步骤④中，注入CO2并使其与原油作用24h。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种研究CO₂置换原油效率的测试装置及方法，针对真实油藏条件，设计了一种可以准确测量不同开采压力下CO₂置换原油的实验装置，并设计了简单、精确计量CO₂置换原油效率的实验方法，实现了不同压力及不同压降下的CO₂置换原油量的测量及精确分析。相比于目前存在的测量方法，该实验装置搭建成本低，测试方法简单，适用范围广，精度高。而且可以推广到其他气体置换原油效率的测量。

本发明提供的实验装置集建立岩心束缚水、驱替、加压CO₂、测量CO₂在不同压力下置换出原油质量等功能，推广性强、易实现，且实验可重复性强。

附图说明

图1是本发明测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置结构图。

图1中：1为CO₂气瓶；2为气体减压阀；3为压力表；4为压力表；5为第一中间容器；6为二通阀；7为二通阀；8为驱替泵；9为二通阀；10为二通阀；11为第二中间容器；12为二通阀；13为二通阀；14为压力表；15为岩心夹持器；16为围压泵；17为收集瓶；18为二通阀；19为置换中间容器；20为支架；21为实际区块的岩心；22为支架；23为压力表；24为回压阀；25为装有脱脂棉的干燥管；26为湿式流量计；27为实验所用的管线；28为恒温箱。

图2为实验例1条件下的压降与置换效率关系图；

图3为实验例2条件下的压降与置换效率关系图；

图4为实验例3条件下的压力与置换效率关系图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置，包括恒温箱28，恒温箱内设有第一中间容器5、第二中间容器11、岩心夹持器15、置换中间容器19，第一中间容器内装有原油，第二中间容器内装有CO₂，第一中间容器、第二中间容器均通过管线与驱替泵8连接，第一中间容器通过管线与岩心夹持器连接，岩心夹持器用于岩心饱和原油；

第一中间容器、第二中间容器均通过管线与置换中间容器连接，置换中间容器用于盛放实验用岩心并进行二氧化碳置换原油，置换中间容器19与回压阀24连接，回压阀24与干燥管25连接，干燥管25与湿式流量计26连接。干燥管和湿式流量计分别用于测量CO₂置换出原油质量和降压释放出的CO₂体积，而且此收集装置可以进行气液分离，精确计量置换出的原油，大大降低了实验误差。

第二中间容器通过管线与CO₂气瓶连接。CO₂气瓶出气口设有气体减压阀2。

第一中间容器、第二中间容器的入口端与驱替泵的出口端连接，第一中间容器、第二中间容器的入口端均设有二通阀，如图1中的二通阀6、二通阀12，驱替泵的出口端设有二通阀7。

第一中间容器、第二中间容器的出口端与置换中间容器的入口端管线连接，第一中间容器、第二中间容器的出口端均设有二通阀，如图1中的二通阀9、二通阀10，第一中间容器、第二中间容器的出口端均设有压力表，如图1中的压力表3、压力表4，该压力表用于测量第一中间容器、第二中间容器内的压力值，置换中间容器的入口端管线上设有二通阀18。

岩心夹持器与围压泵16相连，岩心夹持器末端连接有收集瓶17，岩心夹持器首端设有二通阀13和压力表14，该压力表用于测量岩心夹持器内的压力值。

置换中间容器与干燥管之间设有回压阀24。回压阀可以控制不同测试压力，测量不同压力下的超临界CO₂置换出原油质量，该装置设计压力为0-50MPa，设计温度为0-150℃，测试过程避免了传统的降到大气压称重的方法，保证了实验条件在地层条件下进行。

置换中间容器端口设有压力表23，该压力表用于测量置换中间容器的压力值。围压泵16自带压力表可以测压力，驱替泵8可自显压力，CO₂气瓶1也自带测压装置。

实施例2：

一种测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置，其结构如实施例1所述，所不同是，置换中间容器中设有支架22、支架20，上下两个支架用于在置换中间容器内固定岩心，使得置换中间容器翻转的时候岩心依旧被固定。

实施例3：

一种测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置，其结构如实施例2所述，所不同是，置换中间容器外侧设有翻转电机，翻转电机用于将置换中间容器进行180°旋转。在测量CO₂置换量的时候要将中间容器旋转180°，由于重力的影响和放置的支架尽可能使CO₂置换出的全部原油进入干燥管被脱脂棉收集，这样有利于油往中间容器的出口端汇集，极大地提高了实验的精度。置换中间容器只有一个出入口，可以在放入岩心后立即翻转使出入口向下、在出入口向下的状态下进行注入CO₂步骤、测量不同压降下置换的原油量步骤，如图1所示的置换中间容器的出入口即为向下的状态；也可以在放入岩心后出入口向上时注入CO₂、测量置换的原油量时再将置换中间容器进行180°翻转使其出入口向下。

实施例4：

一种利用实施例3所述测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置获取不同地层压降下CO₂置换原油效率的方法，该方法包括以下步骤：

①测量岩心参数及原油参数，岩心参数包括岩心质量、岩心长度、岩心直径、渗透率、孔隙度，计算岩心的孔隙体积；原油参数包括原油的密度ρ_o；

测量岩心质量m₁、岩心长度L、岩心直径D、渗透率K和孔隙度Φ，利用式(1)计算岩心的孔隙体积PV，

②岩心饱和地层水：将岩心烘干24小时，自然冷却到室温，放入饱和中间容器(另外的常用容器、图1中未标出)进行抽真空，然后将饱和中间容器加压到地层压力，保持加压状态饱和地层水24小时，测量饱和地层水后的岩心质量为m₂。

③岩心饱和原油，建立束缚水饱和度：将饱和地层水后的岩心放入岩心夹持器15，利用围压泵16给岩心加持器加围压(相比于入口端压力高3—5MPa)，通过围压泵自带压力表观察围压压力值，通过压力表14观察岩心夹持器内压力示数，然后打开二通阀6、7、9和13，使用驱替泵8将第一中间容器5中的原油驱替至岩心夹持器15中的岩心中，驱替速度控制在0.1mL/min，直到驱替到岩心末端不出水，驱替出的水通过收集瓶17收集，当驱替出油量达到1倍孔隙体积(PV)，认为岩心已经达到束缚水饱和度，计算束缚水饱和度S_wi；岩心饱和完原油时关闭所有打开的阀门；

通过油水分离后记录此时收集瓶17中地层水的体积为V_w，通过式(2)计算束缚水饱和度S_wi，

ρ_w为地层水的密度。

④注入CO₂并使其与原油作用24h：将饱和完原油的岩心从岩心夹持器15中取出，将岩心放入置换中间容器19底部的支架上，保证岩心各个面可以充分与CO₂作用，也有利于置换出的油在通入CO₂后可以完全被CO₂携带出来；打开二通阀2、10和18，向第二中间容器11、置换中间容器19中通入CO₂，关闭二通阀2，然后打开二通阀7、12，用驱替泵8将第二中间容器11、置换中间容器19压力加到地层压力P₁(本区块为25MPa)，当压力表23达到25MPa并稳定后停止加压，关闭二通阀7、10、12和18，控制恒温箱的实验温度即实际区块地层温度为T₁；在此温度下，维持压力24h使CO₂与原油有足够时间进行置换；

测量出置换中间容器19容积为V₁、岩心21外观体积为V₂，由式(3)计算出此时置换中间容器19中CO₂摩尔数为n₁，

式中：Z₁——P₁处压缩因子；

R——气体常数，8.314J/(mol·K)；

⑤测量在不同压降下CO₂置换出原油量：测量干燥管25的初始质量为m₃，然后利用干燥管收集CO₂置换出的原油，然后通过压力表监测置换中间容器的出口端压力，分别将系统压力降低不同压力、记为P₂，分别将系统压力降到20MPa、15MPa、10MPa、5MPa和常压，在每个压降下用装有脱脂棉的干燥管收集携带出的原油，用湿式流量计26收集每个过程中所释放的CO₂、记为V₃，由式(4)、(5)计算出置换中间容器19中和排出的CO₂摩尔数分别为n₂、n₃：

式中：Z₂——P₂处压缩因子；

T₂——恒温箱温度。

式中：P₃——大气压；

Z₂——P₃处压缩因子；

⑥计算CO₂进入到岩心中的量及CO₂的利用率：

利用式(6)计算CO₂在不同压降下进入岩心的CO₂摩尔数n₄，用式(7)计算在不同压降下进入岩心的CO₂的体积V₄，通过式(8)计算出CO₂利用率；

n₄＝n₁-n₂+n₃ (6)

式中：n₁——注入置换中间容器的CO₂摩尔数；

n₂——压力从25MPa降到某压力如20MPa置换中间容器内CO₂摩尔数；

n₃——压力降到某压力如20MPa排出CO₂的摩尔数；

n₄——CO₂与原油相作用的摩尔数。

式中：ζ——CO₂的利用率；

⑦测量CO₂置换出原油的量：

保持目前压力如20MPa，继续恒压通入CO₂将岩心中置换出的原油全部驱替出来，记录装有脱脂棉的干燥管25的总质量为m₄，此部分继续通入的CO₂的目的是为了将置换的原油携带至干燥管，不需要用湿式流量计记录CO₂量，如步骤⑤所记录的m₃，则通过式(9)计算出置换出的原油的总重量为Δm。

Δm＝m₄-m₃ (9)

式中：m₃——干燥管的原始质量；

m₄——收集了置换出原油的干燥管的总质量；

⑧计算CO₂置换原油效率

通过式(10)计算出CO₂置换出的原油的置换效率η。

式中：η——置换效率；

Δm——置换出的原油的总重量；

V₂——岩心外观体积；

Φ——孔隙度；

S_wi——束缚水饱和度；

重复⑤至⑧，测量不同压降下的CO₂利用率及CO₂原油的置换效率，每一次不同压降下的测量均需更换新的干燥管。

实施例5：

一种利用实施例3所述测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置获取不同地层压力下CO₂置换原油效率的方法，该方法①-④步与实施例4相同，剩余步骤不同，主要为：

⑤测量不同时间内地层温度压力下P₁(本区块为25MPa)CO₂置换出原油量：测量干燥管25的初始质量为m₅，保持置换中间容器压力为地层压力不变，等待CO₂与岩心内原油置换一段时间(如24小时)。控制回压阀保持置换中间容器内压力为目前地层压力P₁，继续恒压通入CO₂将岩心中置换出的原油全部驱替出来，然后利用干燥管收集CO₂置换出的原油，记录装有脱脂棉的干燥管25的总质量为m₆，此部分继续通入的CO₂的目的是为了将置换的原油携带至干燥管，不需要用湿式流量计记录CO₂量，则通过式(11)计算出置换出的原油的总重量为Δm₁。

Δm₁＝m₆-m₅ (11)

式中：m₅——干燥管的原始质量；

m₆——收集了置换出原油的干燥管的总质量；

⑥计算CO₂置换原油效率

通过式(12)计算出CO₂置换出的原油的置换效率η。

式中：η——置换效率；

Δm₁——置换出的原油的总重量；

V₂——岩心外观体积；

Φ——孔隙度；

S_wi——束缚水饱和度；

重复①至⑥，测量不同地层温度压力下的CO₂原油的置换效率，每一次不同压力下的测量均需重新饱和原油及更换新的干燥管，所以需要重复所有步骤、而非只重复单个步骤。本发明通过公式推导建立不同地层温度高压下、不同压降下的CO₂置换出原油质量的计算方法，为分析不同地层原位环境下及开发过程中CO₂置换原油作用效果，研究CO₂增产机理提供了新思路，并且可以用于对实验结果的验证，如下所述实验例。

实验例1：

本实验例中，利用实施例3所述的测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置以及实施例4所述的步骤方法，分别将系统压力从原始地层压力25MPa降到20MPa、15MPa、10MPa、5MPa和常压下进行测量与计算，结果如表1和图2所示。

表1：实验例1中的不同压降的测量计算结果

实验例2：

本实验例中，利用实施例3所述的测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置以及实施例4所述的步骤方法，所不同的是，步骤⑤中的不同的压降选择为从原始地层压力40MPa以每次递减5MPa减至常压。测量计算结果如表2和图3所示。

表2：实验例2中的不同压降的测量计算结果

实验例3：

本实验例中，利用实施例3所述的测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置以及实施例5所述的步骤方法，保持地层温度为60℃不变，分别测量地层压力为40MPa，30MPa，20MPa下的原油置换效率，计算结果如表3和图4所示。

表3：实验例3中的不同压力的测量计算结果

Claims (10)

1.一种测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置，其特征在于，包括恒温箱，恒温箱内设有第一中间容器、第二中间容器、岩心夹持器、置换中间容器，第一中间容器内装有原油，第二中间容器内装有CO₂，第一中间容器、第二中间容器均通过管线与驱替泵连接，第一中间容器通过管线与岩心夹持器连接，岩心夹持器用于岩心饱和原油；

第一中间容器、第二中间容器均通过管线与置换中间容器连接，置换中间容器用于盛放实验用岩心并进行二氧化碳置换原油，置换中间容器与回压阀连接，回压阀与干燥管连接，干燥管与湿式流量计连接。

2.根据权利要求1所述的测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置，其特征在于，第二中间容器通过管线与CO₂气瓶连接；

优选的，CO₂气瓶出气口设有气体减压阀。

3.根据权利要求1所述的测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置，其特征在于，第一中间容器、第二中间容器的入口端与驱替泵的出口端连接，第一中间容器、第二中间容器的入口端均设有二通阀，驱替泵的出口端设有二通阀；

第一中间容器、第二中间容器的出口端与置换中间容器的入口端管线连接，第一中间容器、第二中间容器的出口端均设有二通阀，第一中间容器、第二中间容器的出口端均设有压力表，置换中间容器的入口端管线上设有二通阀。

4.根据权利要求1所述的测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置，其特征在于，岩心夹持器与围压泵相连，岩心夹持器末端连接有收集瓶，岩心夹持器首端设有二通阀和压力表。

5.根据权利要求1所述的测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置，其特征在于，置换中间容器端口设有压力表。

6.根据权利要求1所述的测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置，其特征在于，置换中间容器中设有支架，支架用于固定岩心；

优选的，置换中间容器外侧设有翻转电机，翻转电机用于将置换中间容器进行180°旋转。

7.一种利用上述权利要求1-6任意一项权利要求所述测量致密油岩心中超临界二氧化碳置换原油效率的实验装置获取不同地层压力下CO₂置换原油效率的方法，包括以下步骤：

①测量岩心参数及原油参数，岩心参数包括岩心质量、岩心长度、岩心直径、渗透率、孔隙度，计算岩心的孔隙体积；原油参数包括原油的密度；

优选的，步骤①中，测量岩心质量m₁、岩心长度L、岩心直径D、渗透率K和孔隙度Φ，利用式(1)计算岩心的孔隙体积PV，

②岩心饱和地层水：将实验用的岩心饱和地层水后，测量饱和地层水后的岩心质量m₂；

③岩心饱和原油，建立束缚水饱和度：将饱和地层水后的岩心放入岩心夹持器，利用围压泵给岩心加持器加围压，通过围压泵自带压力表观察围压压力值，通过压力表观察岩心夹持器内压力示数，使用驱替泵将第一中间容器中的原油驱替至岩心夹持器中的岩心中，直到驱替到岩心末端不出水，驱替出的水通过收集瓶收集，当驱替出油量达到1倍孔隙体积，认为岩心已经达到束缚水饱和度，计算束缚水饱和度S_wi；岩心饱和完原油时关闭所有打开的阀门；

④注入CO₂并使其与原油作用：将饱和完原油的岩心从岩心夹持器中取出，将岩心放入置换中间容器底部的支架上；向第二中间容器、置换中间容器中通入CO₂，用驱替泵将第二中间容器、置换中间容器压力加到地层压力P₁，控制恒温箱的实验温度即实际区块地层温度为T₁；

测量出置换中间容器容积为V₁、岩心外观体积为V₂，由式(3)计算出此时置换中间容器中CO₂摩尔数为n₁，

式中：Z₁——P₁处压缩因子；

R——气体常数，8.314J/(mol·K)；

⑤测量在不同压降或不同压力下CO₂置换出原油量及置换效率：

不同压降下的测量步骤如下：

(5-11)、测量干燥管的初始质量为m₃，然后利用干燥管收集CO₂置换出的原油，然后通过压力表监测置换中间容器的出口端压力，分别将系统压力降低不同压力、记为P₂，在每个压降下用装有脱脂棉的干燥管收集携带出的原油，用湿式流量计收集每个过程中所释放的CO₂、记为V₃，由式(4)、(5)计算出置换中间容器中和排出的CO₂摩尔数分别为n₂、n₃：

式中：Z₂——P₂处压缩因子；

T₂——恒温箱温度；

式中：P₃——大气压；

Z₂——P₃处压缩因子；

(5-12)、计算CO₂进入到岩心中的量及CO₂的利用率：

利用式(6)计算CO₂在不同压降下进入岩心的CO₂摩尔数n₄，用式(7)计算在不同压降下进入岩心的CO₂的体积V₄，通过式(8)计算出CO₂利用率；

n₄＝n₁-n₂+n₃ (6)

式中：n₁——注入置换中间容器的CO₂摩尔数；

n₂——压力从系统压力降到某压力置换中间容器内CO₂摩尔数；

n₃——压力降到某压力排出CO₂的摩尔数；

n₄——CO₂与原油相作用的摩尔数；

式中：ζ——CO₂的利用率；

(5-13)、测量CO₂置换出原油的量：

保持目前压力，继续恒压通入的CO₂将岩心中置换出的原油全部驱替出来，记录装有脱脂棉的干燥管的总质量为m₄，则通过式(9)计算出置换出的原油的总重量为Δm；

Δm＝m₄-m₃ (9)

式中：m₃——干燥管的原始质量；

m₄——收集了置换出原油的干燥管的总质量；

(5-14)、计算CO₂置换原油效率

通过式(10)计算出CO₂置换出的原油的置换效率η；

式中：η——置换效率；

Δm——置换出的原油的总重量；

V₂——岩心外观体积；

Φ——孔隙度；

S_wi——束缚水饱和度；

重复(5-11)至(5-14)，测量不同压降下的CO₂利用率及CO₂原油的置换效率，每一次不同压降下的测量均需更换新的干燥管；

不同压力下的测量步骤如下：

(5-21)、测量不同时间内地层温度压力P₁下CO₂置换出原油量：测量干燥管的初始质量为m₅，保持置换中间容器压力为地层压力不变，等待CO₂与岩心内原油置换一段时间，控制回压阀保持置换中间容器内压力为目前地层压力P₁，继续恒压通入CO₂将岩心中置换出的原油全部驱替出来，然后利用干燥管收集CO₂置换出的原油，记录装有脱脂棉的干燥管的总质量为m₆，则通过式(11)计算出置换出的原油的总重量为Δm₁；

Δm₁＝m₆-m₅ (11)

式中：m₅——干燥管的原始质量；

m₆——收集了置换出原油的干燥管的总质量；

(5-22)、计算CO₂置换原油的置换效率

通过式(12)计算出CO₂置换出的原油的置换效率η；

式中：η——置换效率；

Δm₁——置换出的原油的总重量；

V₂——岩心外观体积；

Φ——孔隙度；

S_wi——束缚水饱和度；

重复所有步骤①至⑤，测量不同地层温度压力下的CO₂原油的置换效率，每一次不同压力下的测量均需重新饱和原油及更换新的干燥管。

8.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，步骤②中，将岩心烘干24小时，自然冷却到室温，放入饱和中间容器进行抽真空，然后将饱和中间容器加压到地层压力，保持加压状态饱和地层水24小时，测量饱和地层水后的岩心质量为m₂。

9.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，步骤③中，使用驱替泵将第一中间容器中的原油驱替至岩心夹持器中的岩心中，驱替速度控制在0.1mL/min，直到驱替到岩心末端不出水，驱替出的水通过收集瓶收集，当驱替出油量达到1倍的孔隙体积(PV)，认为岩心已经达到束缚水饱和度；

通过油水分离后记录此时收集瓶中地层水的体积为V_w，通过式(2)计算束缚水饱和度S_wi，

ρ_w为地层水的密度。

10.根据权利要求7所述的实验方法，其特征在于，步骤④中，注入CO₂并使其与原油作用24h。

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