CN111665164B - 测定co2在油水间传质系数的实验装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定CO₂在油水间传质系数的实验装置、系统及方法，该实验装置包括保温套及高压釜，其中，高压釜包括：高压容器壁，其上设有上部出口和下部出口；顶盖上设有顶部柱塞盖；顶部搅拌桨通过轴承设置在顶部柱塞的下部；底盖上设有底部柱塞；活塞设置于高压釜内；底部搅拌桨通过轴承设置在活塞的上部；顶部通道，入口位于顶部柱塞的柱状凸起上，通过柱状凸起穿过顶盖，分成两个出口进入上部腔体；底部通道贯穿底盖和底部柱塞，进入下部腔体。其优点在于：通过对实验装置和系统的改进，能够保证实验在地层条件下进行实验，测定给定的温度及压力下油水流体中CO₂浓度随时间的变化关系，并通过物质守恒方程和速率方程来计算传质系数。

Description

测定CO2在油水间传质系数的实验装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及石油开采实验装备技术领域，更具体地，涉及一种测定CO₂在油水间传质系数的实验装置、系统及方法。

背景技术

随着各国对空气污染的关注，碳排放问题也日益受到人们的关注，其中，CO₂驱替提高采收率。在高含水条件下，由于剩余油被水相阻隔，注入地层的CO₂常常要先溶于水相，再扩散到油相中，因此测定CO₂在油水间传质系数对研究高含水油藏CO₂驱油与埋存具有实际意义。但现有的研究主要是测定CO₂在油相或水相中的扩散系数及CO₂在油水中的分配系数，国内对CO₂油水间传质系数的研究较少。

测定CO₂在油水间传质系数本质上是测定液液传质系数，液液传质系数的测定实验为化学工程与工艺专业实验中的一个重要项目。由于萃取工艺在现代工业中得到了广泛的应用，学者们已对两相接触面的动力学状态，界面的传质机理，传质速率的影响因素和规律等问题进行了很多理论研究，传统的测定液液传质系数的理论比较完善。

现有的实验方法包括单液滴实验和恒定界面实验两类。单液滴实验难度很大，且误差较大，目前很少使用；恒定界面法实验装置主要是Lewis Cell装置，现有的液液传质实验几乎都是用Lewis Cell装置及其改进装置。

CO₂的传质系数及溶解度受压力的影响较大，测定CO₂传质系数的实验往往需要在地层压力下进行，传统Lewis Cell装置是在常压下使用的，装置能够承受的压力普遍较低，因此需要对传统装置进行改进。

因此，有必要开发一种测定CO₂在油水间传质系数的实验装置、系统及方法。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明提出了一种测定CO₂在油水间传质系数的实验装置、系统及方法，其能够在设置地层条件下，实现溶解在液相中的CO₂在油水间传质系数的测定，对研究高含水油藏CO₂驱油与埋存具有实际意义。

根据本发明的一方面，提出了一种测定CO₂在油水间传质系数的实验装置，所述实验装置包括加热保温套及设置于所述加热保温套内的高压釜，其中，所述高压釜包括：

高压容器壁，其侧壁上分别设有上部出口和下部出口；

顶盖，所述顶盖上设有顶部柱塞，所述顶部柱塞的柱状凸起穿过所述顶盖；

顶部搅拌桨，通过轴承设置在所述顶部柱塞的下部；

底盖，所述底盖上设有底部柱塞，所述底部柱塞的柱状凸起穿过所述底盖；

活塞，设置于所述高压釜内，位于所述下部出口下方，所述活塞将所述高压釜分为上部腔体和下部腔体；

底部搅拌桨，通过轴承设置在所述活塞的上部；

顶部通道，位于所述顶部柱塞的内部，通过所述顶部柱塞的柱状凸起穿过所述顶部柱塞，连通所述上部腔体和所述高压釜外部；

底部通道，位于所述底部柱塞的正中心，贯穿所述底部柱塞，连通所述下部腔体和所述高压釜外部。

优选地，所述高压釜还包括：

顶部磁屏蔽外壳，设置于所述顶盖上，所述顶部磁屏蔽外壳的内部设有顶部环形磁力线圈，所述顶部柱塞的柱状凸起穿过所述顶部磁屏蔽外壳和所述顶部环形磁力线圈；

底部磁屏蔽外壳，设置于所述底盖上，所述底部磁屏蔽外壳的内部设有底部环形磁力线圈，所述底部柱塞的柱状凸起穿过所述底部磁屏蔽外壳和所述底部环形磁力线圈。

优选地，所述顶部搅拌桨和所述底部搅拌桨为磁力搅拌桨。

优选地，所述顶盖为外套式顶盖或内嵌式顶盖，所述底盖为外套式底盖或内嵌式底盖。

优选地，所述高压容器壁的内壁下方具有凹陷内壁，所述凹陷内壁位于所述下部出口下方，用于限制所述活塞的行程。

根据本发明的一方面，提出了一种测定CO₂在油水间传质系数的实验系统，所述实验系统进一步包括：

油相调速阀，所述上部出口连接至所述油相调速阀，所述油相调速阀连接到油气分离单元的入口，所述油气分离单元的气相出口连接到第一气体流量计，所述油气分离单元的油相出口连接到产油量计量器；

水相调速阀，所述下部出口连接至所述水相调速阀，所述水相调速阀连接到气水分离单元的入口，所述气水分离单元的气相出口连接到第二气体流量计，所述气水分离单元的水相出口连接到产水量计量器；

油相中间容器和水相中间容器，所述油相中间容器的出口连接至所述顶部通道的入口，所述水相中间容器的出口连接至所述顶部通道的入口或所述下部出口；

恒压计量泵，所述恒压计量泵的出口分别连接至所述油相中间容器的入口、所述水相中间容器的入口及所述底部通道的入口。

优选地，所述实验系统还包括：

温度控制器，与所述加热保温套连接；

温度传感器，设置于所述高压釜内，与所述温度控制器连接；

压力传感器，连接至所述恒压计量泵的出口。

根据本发明的另一方面，提出了一种测定CO₂在油水间传质系数的实验方法，所述实验方法包括：

步骤1，将高压釜、油相中间容器和水相中间容器的温度升高至地层温度；

步骤2，在地层温度和地层压力下配置饱和溶解CO₂的油相溶液，并将水相溶液转入所述水相中间容器内，将配置的油相溶液转入所述油相中间容器内；

步骤3，对上部腔体抽真空；

步骤4，将水相注入所述上部腔体内，待所述水相充满所述上部腔体后将压力提高至所述地层压力，获取注入水相的体积；

步骤5，将所述溶解CO₂的油相溶液注入所述上部腔体，同时将所述上部腔体的水相从下部出口排出，直至注入体积达到所述上部腔体最大体积一半时停止；

步骤6，将用于传递压力的液态流体注入下部腔体，并将压力提高至所述地层压力，同时使所述上部腔体保持在所述地层压力；

步骤7，开启顶部搅拌桨和底部搅拌桨，每隔特定时间t，分别从上部出口取样和从所述下部出口取样，待样品CO₂浓度不变后停止；

步骤8，基于物质守恒方程和速率方程获取传质系数。

根据本发明的另一方面，提出了一种测定CO₂在油水间传质系数的实验方法，所述实验方法包括：

步骤1，将高压釜、油相中间容器和水相中间容器的温度升高至地层温度；

步骤2，在地层温度和地层压力下配置饱和溶解CO₂的水相溶液，并将配置的水相溶液转入所述水相中间容器内，将油相溶液转入所述油相中间容器内；

步骤3，对上部腔体抽真空；

步骤4，将油相注入所述上部腔体内，待所述油相充满所述上部腔体后将压力提高至所述地层压力，获取注入油相的体积；

步骤5，将所述溶解CO₂的水相溶液注入所述上部腔体，同时将所述上部腔体的油相从上部出口排出，至注入体积达到所述上部腔体最大体积一半时停止；

步骤6，将用于传递压力的液态流体注入所述下部腔体，并将压力提高至所述地层压力，同时使所述上部腔体保持在所述地层压力；

步骤7，开启顶部搅拌桨和底部搅拌桨，每隔特定时间t，分别从所述上部出口取样和从下部出口取样，待样品CO₂浓度不变后停止；

步骤8，基于物质守恒方程和速率方程获取传质系数。

优选地，所述上部出口取样包括：保持所述上部腔体的压力为地层压力，打开并逐渐调高油相调速阀，记录第一气体流量计的产气量和产油量计量器的产油量；

所述下部出口取样包括：保持所述上部腔体的压力为地层压力，打开并逐渐调高水相调速阀，记录所述第二气体流量计的产气量和所述产水量计量器的产油量。

根据本发明的一种测定CO₂在油水间传质系数的实验装置、系统及方法，其优点在于：通过对实验装置和系统的改进，能够保证实验在地层条件下进行实验，该试验方法能够进行CO₂从油相向水相扩散或CO₂从水相向油相扩散的实验，来测定给定的温度及压力下油水流体中CO₂浓度随时间的变化关系，并通过物质守恒方程和速率方程来计算传质系数。

本发明的装置、系统及方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施例中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施例中进行详细陈述，这些附图和具体实施例共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的一种测定CO₂在油水间传质系数的实验系统的示意图。

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的一种高压釜的示意图。

图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的一种通过CO₂从油相向水相扩散的实验测定CO₂在油水间传质系数实验方法的步骤流程图。

图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的一种通过CO₂从水相向油相扩散的实验测定CO₂在油水间传质系数实验方法的步骤流程图。

附图标记说明：

1、顶部磁屏蔽外壳；2、顶部环形磁力线圈；3、顶盖；4、顶部柱塞；5、顶部磁力搅拌桨；6、高压容器壁；7、活塞；8、底部磁力搅拌桨；9、底盖、10、底部柱塞；11、底部磁屏蔽外壳；12、底部环形磁力线圈；13、恒压计量泵；14、油相中间容器；15、水相中间容器；16、压力传感器；17、加热保温套；18、温度控制器；19、油相调速阀；20、油气分离单元；21、第一气体流量计；22、产油量计量器；23、水相调速阀；24、气水分离单元；25、第二气体流量计；26、产水量计量器。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

本发明提供了一种测定CO₂在油水间传质系数的实验装置，实验装置包括加热保温套及设置于加热保温套内的高压釜，其中，高压釜包括：

高压容器壁，其侧壁上分别设有上部出口和下部出口；

顶盖，顶盖上设有顶部柱塞，顶部柱塞的柱状凸起穿过顶盖；

顶部搅拌桨，通过轴承设置在顶部柱塞的下部；

底盖，底盖上设有底部柱塞，底部柱塞的柱状凸起穿过底盖；

活塞，设置于高压釜内，位于下部出口下方，活塞将高压釜分为上部腔体和下部腔体；

底部搅拌桨，通过轴承设置在活塞的上部；

顶部通道，位于顶部柱塞的内部，通过顶部柱塞的柱状凸起穿过顶部柱塞，连通上部腔体和高压釜外部；

底部通道，位于底部柱塞的正中心，贯穿底部柱塞，连通下部腔体和高压釜外部。

作为优选方案，高压容器壁的材质为合金。

其中，高压釜为一个圆柱体式高压容器，高压容器壁的材质进一步优选为哈氏合金。

具体地，高压容器壁的高度为10-1000cm，高压容器壁的内部直径为3-50cm，高压容器壁的壁厚为1-10cm，高压容器壁的承压上限为40-100MPa。

实验装置的具体尺寸根据实验要求设定。

高压容器壁顶部有个带有顶部柱塞的顶盖，顶部柱塞中心的柱状凸起穿过顶盖中心的通孔，并通过卡环将顶部柱塞固定在顶盖上，顶部柱塞和高压容器壁之间通过O型圈密封，顶盖和高压容器壁之间还需通过丝扣连接。

进一步地，顶部柱塞的中心有一个入口，该入口通过管线连接至入口阀门，该顶部通道的入口从顶部柱塞中心的柱状凸起进入，穿过顶盖，并分成两个出口进入高压釜的上部腔体内，使高压釜的上部腔体与外部连通。

其中，顶部通道的内径为0.1-0.6cm(英制单位：1/16-1/4英寸)。

进一步地，上部出口和下部出口使高压釜的上部腔体与外部能够连通。

作为优选方案，高压容器壁的内壁下方具有凹陷内壁，凹陷内壁位于下部出口下方，用于限制活塞的行程。

其中，活塞的活动区域，高压容器壁的内径增加，以限制活塞位置，防止活塞超过高压容器壁的下部出口，凹陷内壁的变径增量值在0.1-0.5cm。

进一步地，活塞和高压容器壁之间通过O型圈密封，使上部腔体和下部腔体之间不连通。

作为优选方案，圆柱体式高压容器壁的底部有一个带底部柱塞的底盖，底部柱塞中心的柱状凸起穿过底盖中心的通孔，并通过卡环将底部柱塞固定在底盖上，底部柱塞和高压容器壁之间通过O型圈密封，底盖和高压容器壁之间通过丝扣连接。

其中，底部柱塞中心有一个底部通道穿过底盖，使高压釜的下部腔体与外部连通，底部通道的出口设置在柱状凸起中心位置，通过管线连接至阀门，底部通道的内径为0.1-0.6cm(英制单位：1/16-1/4英寸)。

作为优选方案，高压釜还包括：

顶部磁屏蔽外壳，设置于顶盖上，顶部磁屏蔽外壳的内部设有顶部环形磁力线圈，顶部柱塞的柱状凸起穿过顶部磁屏蔽外壳和顶部环形磁力线圈；

底部磁屏蔽外壳，设置于底盖上，底部磁屏蔽外壳的内部设有底部环形磁力线圈，底部柱塞的柱状凸起穿过底部磁屏蔽外壳和底部环形磁力线圈。

作为优选方案，顶部搅拌桨和底部搅拌桨为磁力搅拌桨。

进一步地，顶盖上壁装有顶部磁屏蔽外壳，顶部磁屏蔽外壳通过螺丝固定在顶盖上，顶部磁屏蔽外壳的材质为绝缘材料，顶部磁屏蔽外壳内安装有顶部环形磁力线圈，并通过螺丝将顶部环形磁力线圈固定在顶部磁屏蔽外壳上，顶部磁屏蔽外壳和顶部环形磁力线圈中心有孔，使顶部柱塞中心的柱状凸起能够穿过，并通过丝扣将顶部磁屏蔽外壳固定在顶部柱塞上，顶部柱塞的下部有一个底部磁力搅拌桨，顶部磁力搅拌桨通过耐腐蚀轴承固定在顶部柱塞的下部。

进一步地，底盖下部装有底部磁力屏蔽外壳，底部磁力屏蔽外壳内壁通过螺丝固定在底盖上，底部磁力屏蔽外壳的材质为绝缘材料，底部磁力屏蔽外壳内部安装有底部环形磁力线圈，通过螺丝将底部环形磁力线圈固定在底部磁力屏蔽外壳上，底部磁力屏蔽外壳和底部环形磁力线圈中心有孔，使底部柱塞中心的柱状凸起能够穿过，并通过丝扣将底部磁力屏蔽外壳固定在底部柱塞上，活塞的上部有一个底部磁力搅拌桨，底部磁力搅拌桨通过耐腐蚀轴承固定在活塞的上部。

作为优选方案，顶部环形磁力线圈和底部环形磁力线圈能够形成变化的磁场，分别驱动顶部磁力搅拌桨和底部磁力搅拌桨旋转，对高压釜的上部腔体内的流体进行搅拌。

作为优选方案，顶盖为外套式顶盖或内嵌式顶盖，底盖为外套式底盖或内嵌式底盖。

其中，外套式顶盖和外套式底盖外设于高压容器壁，外套式顶盖和外套式底盖的内径与高压容器壁的外径相匹配，内嵌式顶盖和内嵌式底盖内设与高压容器壁，内嵌式顶盖和内嵌式底盖的外径分别与高压容器壁的内径相匹配。

本发明还提供了一种测定CO₂在油水间传质系数的实验系统，实验系统包括加热保温套及设置于加热保温套内的高压釜，进一步包括：

油相调速阀，上部出口连接至油相调速阀，油相调速阀连接到油气分离单元的入口，油气分离单元的气相出口连接到第一气体流量计，油气分离单元的油相出口连接到产油量计量器；

水相调速阀，下部出口连接至水相调速阀，水相调速阀连接到气水分离单元的入口，气水分离单元的气相出口连接到第二气体流量计，气水分离单元的水相出口连接到产水量计量器；

油相中间容器和水相中间容器，油相中间容器的出口连接至顶部通道的入口，水相中间容器的出口连接至顶部通道的入口或下部出口；

恒压计量泵，恒压计量泵的出口分别连接至油相中间容器的入口、水相中间容器的入口及底部通道的入口。

其中，实验装置的动力由恒压计量泵提供，恒压计量泵的出口通过流通阀和管线分别连接到高压釜底部底部通道的出口、油相中间容器的入口、水相中间容器的入口。

作为优选方案，实验系统还包括：

温度控制器，与加热保温套连接；

温度传感器，设置于高压釜内，与温度控制器连接；

压力传感器，连接至恒压计量泵的出口。

其中，加热保温套通过电线与温度控制器连接，温度控制器通过与温度传感器连接，能够检测并控制高压釜内的温度变化。

本发明的装置及系统，结构简单，安装拆卸方便，通过对实验装置和系统的改进，能够保证实验在地层条件下进行实验，该试验方法能够进行CO₂从油相向水相扩散或CO₂从水相向油相扩散的实验。

本发明还提供了一种测定CO₂在油水间传质系数的实验方法，该试验方法包括：

步骤1，将高压釜、油相中间容器和水相中间容器的温度升高至地层温度；

步骤2，在地层温度和地层压力下配置饱和溶解CO₂的油相溶液，并将水相溶液转入水相中间容器内，将配置的油相溶液转入油相中间容器内；

步骤3，对上部腔体抽真空；

步骤4，将水相注入上部腔体内，待水相充满上部腔体后将压力提高至地层压力，获取注入水相的体积；

步骤5，将溶解CO₂的油相溶液注入上部腔体，同时将上部腔体的水相从下部出口排出，直至注入体积达到上部腔体最大体积一半时停止；

步骤6，将用于传递压力的液态流体注入下部腔体，并将压力提高至地层压力，同时使上部腔体保持在地层压力；

步骤7，开启顶部搅拌桨和底部搅拌桨，每隔特定时间t，分别从上部出口取样和从下部出口取样，待样品CO₂浓度不变后停止；

步骤8，基于物质守恒方程和速率方程获取传质系数。

具体地，基于物质守恒方程和速率方程，可得：

式中，V_w、V_o为t时刻水相和油相的体积；

A为界面面积；

K_w、K_o为以水相浓度和油相浓度表示的总传质系数；

为与油相浓度成平衡的水相浓度；

为与水相浓度成平衡的油相浓度。

若平衡分配系数能近似取常数，则：

其中，dC/dt的值，可将实验数据进行拟合，然后求导获取。

将系统达到平衡时，则对式(1)积分可推出：

以对t作图从斜率即可获得传质系数。

具体地，步骤1之前还需要连接实验系统，接通高压釜的电源，并打开温度控制器。

步骤3还包括：使活塞处于所述高压釜的底部，采用真空泵通过顶部通道将空气从上部腔体内抽出，达到实验要求的真空度，优选地，真空度应不高于1mPa。

其中，当配置的为饱和溶解CO₂的油相溶液时，均通过顶部通道的入口将油相和水相注入高压釜的上部腔体内。

其中，步骤4中水相通过下部出口注入上部腔体，步骤5中溶解CO₂的油相溶液通过顶部通道的入口注入上部腔体，步骤6中用于传递压力的液态流体为压缩性较弱的流体，例如去离子水、煤油等，将压力提高至地层压力后，保持恒压。

其中，当配置的为饱和溶解CO₂的水相溶液时，实验方法包括：

步骤1，将高压釜、油相中间容器和水相中间容器的温度升高至地层温度；

步骤2，在地层温度和地层压力下配置饱和溶解CO₂的水相溶液，并将配置的水相溶液转入水相中间容器内，将油相溶液转入油相中间容器内；

步骤3，对上部腔体抽真空；

步骤4，将油相注入上部腔体内，待油相充满上部腔体后将压力提高至地层压力，获取注入油相的体积；

步骤5，将溶解CO₂的水相溶液注入上部腔体，同时将上部腔体的地层水从上部出口排出，至注入体积达到上部腔体最大体积一半时停止；

步骤6，将用于传递压力的液态流体注入下部腔体，并将压力提高至地层压力，并使上部腔体保持在地层压力；

步骤7，开启顶部搅拌桨和底部搅拌桨，每隔特定时间t，分别从上部出口取样和从下部出口取样，待样品CO₂浓度不变后停止；

步骤8，基于物质守恒方程和速率方程获取传质系数。

其中，步骤8中基于物质守恒方程和速率方程，可得：

式中，V_w、V_o为t时刻水相和油相的体积；

A为界面面积；

K_w、K_o为以水相浓度和油相浓度表示的总传质系数；

为与油相浓度成平衡的水相浓度；

为与水相浓度成平衡的油相浓度。

若平衡分配系数能近似取常数，则：

其中，dC/dt的值，可将实验数据进行拟合，然后求导获取。

将系统达到平衡时，则对式(1)积分可推出：

以对t作图从斜率即可获得传质系数。

根据记录的CO₂浓度随时间的变化关系，再以通过对t作图从斜率即可获得传质系数。

具体地，步骤1之前还需要连接实验系统，接通高压釜的电源，并打开温度控制器。

步骤3还包括：使活塞处于所述高压釜的底部，采用真空泵通过顶部通道将空气从上部腔体内抽出，达到实验要求的真空度，优选地，真空度应不高于1mPa。

其中，步骤4中油相通过下部出口注入上部腔体，步骤5中溶解CO₂的水相溶液通过下部出口注入上部腔体，步骤6中用于传递压力的液态流体为压缩性较弱的流体，例如去离子水、煤油等，将压力提高至地层压力后，保持恒压。

其中，向高压釜的上部腔体和下部腔体内注入流体时，均采用恒压计量泵提供注入动力，并通过恒压计量泵调节高压釜的下部腔体的压力，使高压釜的上部腔体的压力保持在地层压力。

进一步地，实验还包括系统的清洗：关闭顶部搅拌桨和底部搅拌桨，关闭温度控制器，切断高压釜的电源，用恒压计量泵将高压釜的下部腔体的压力卸掉，从高压容器壁的上部出口和下部出口将高压釜上部腔体的压力卸掉，将高压釜的顶盖打开，将高压釜内的流体倒出，清理实验装置。

进一步的，每隔特定时间t，分别从上部出口和下部出口取样，其中t的优选范围是1-100min，但并不仅限于这个时间范围，可以根据实验的需要适当延长或缩减。

作为优选方案，上部出口取样包括：保持上部腔体的压力为地层压力，打开并逐渐调高油相调速阀，记录第一气体流量计的产气量和产油量计量器的产油量；

下部出口取样包括：保持上部腔体的压力为地层压力，打开并逐渐调高水相调速阀，记录第二气体流量计的产气量和产水量计量器的产油量。

其中，在用恒压计量泵保持高压釜的上部腔体的压力为地层压力的同时，打开上部出口的阀门，打开并逐渐调高油相调速阀取样，通过控制流速保持取样时高压釜的上部腔体的压力为地层压力，记录第一气体流量计的产气量和产油量计量器的产油量，计算油相中的CO₂浓度，每次取样1-5mL。

在用恒压计量泵保持高压釜的上部腔体的压力为地层压力的同时，打开下部出口的阀门，打开并逐渐调高水相调速阀取样，通过控制流速保持取样时高压釜的上部腔体的压力为地层压力，记录第二气体流量计的产气量和产水量计量器的产油量，计算油相中的CO₂浓度，每次取样1-5mL。

本发明的方法能够测定给定的温度及压力下油水流体中CO₂浓度随时间的变化关系，并通过物质守恒方程和速率方程来计算传质系数，计算更准确。

实施例1

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的一种高压釜的示意图。

如图2所示，本实施例提出了一种测定CO₂在油水间传质系数的实验装置，实验装置包括加热保温套17及设置于加热保温套17内的高压釜，其中，高压釜包括：

高压容器壁6，其侧壁上分别设有上部出口和下部出口；

顶盖3，顶盖3上设有顶部柱塞4，顶部柱塞4的柱状凸起穿过顶盖3；

顶部搅拌桨，通过轴承设置在顶部柱塞4的下部；

底盖9，底盖9上设有底部柱塞10，底部柱塞10的柱状凸起穿过底盖9；

活塞7，设置于高压釜内，位于下部出口下方，活塞7将高压釜分为上部腔体和下部腔体；

底部搅拌桨，通过轴承设置在活塞7的上部；

顶部通道，位于顶部柱塞4的内部，通过顶部柱塞4的柱状凸起穿过顶部柱塞，连通上部腔体和高压釜外部；

底部通道，位于底部柱塞10的正中心，贯穿底部柱塞10，连通下部腔体和高压釜外部。

本实施例中，高压容器壁6的材质为哈氏合金，高压容器壁6的高度为100cm，高压容器壁6的内部直径为20cm，高压容器壁6的壁厚为2cm，高压容器壁6的承压上限为80MPa。

高压容器壁6顶部有个带有顶部柱塞4的顶盖3，顶部柱塞4中心的柱状凸起穿过顶盖3中心的通孔，并通过卡环将顶部柱塞4固定在顶盖3上，顶部柱塞4和高压容器壁6之间通过O型圈密封，顶盖3和高压容器壁6之间还需通过丝扣连接。

顶部柱塞4的中心有一个入口，该入口通过管线连接至入口阀门，该顶部通道的入口从顶部柱塞4中心的柱状凸起进入，穿过顶盖3，并分成两个出口进入高压釜的上部腔体内，使高压釜的上部腔体与外部连通。

本实施例中，顶部通道的内径为0.4cm(英制单位：1/16-1/4英寸)。

进一步地，上部出口和下部出口使高压釜的上部腔体与外部能够连通。

优选地，上部出口和下部出口处均设有出口阀门，控制上部出口和下部出口的打开及关闭。

本实施例中，高压容器壁6的内壁下方具有凹陷内壁，凹陷内壁位于下部出口下方，用于限制活塞7的行程。

其中，活塞7的活动区域，高压容器壁6的内径增加，以限制活塞7位置，防止活塞7超过高压容器壁6的下部出口，凹陷内壁的变径增量值为0.3cm。

进一步地，活塞7和高压容器壁6之间通过O型圈密封，使上部腔体和下部腔体之间不连通。

进一步地，圆柱体式高压容器壁6的底部有一个带底部柱塞10的底盖9，底部柱塞10中心的柱状凸起穿过底盖9中心的通孔，并通过卡环将底部柱塞10固定在底盖9上，底部柱塞10和高压容器壁6之间通过O型圈密封，底盖9和高压容器壁10之间通过丝扣连接。

其中，底部柱塞10中心有一个底部通道穿过底盖9，使高压釜的下部腔体与外部连通，底部通道的出口设置在柱状凸起中心位置，通过管线连接至阀门，底部通道的内径为0.4cm(英制单位：1/16-1/4英寸)。

如图2所示，本实施例中高压釜还包括：

顶部磁屏蔽外壳1，设置于顶盖3上，顶部磁屏蔽外壳1的内部设有顶部环形磁力线圈2，顶部柱塞4的柱状凸起穿过顶部磁屏蔽外壳1和顶部环形磁力线圈2；

底部磁屏蔽外壳11，设置于底盖9上，底部磁屏蔽外壳11的内部设有底部环形磁力线圈12，底部柱塞10的柱状凸起穿过底部磁屏蔽外壳11和底部环形磁力线圈12。

本实施例中，顶部搅拌桨和底部搅拌桨分别为顶部磁力搅拌桨5和底部磁力搅拌桨8。

其中，顶盖3上壁装有顶部磁屏蔽外壳7，顶部磁屏蔽外壳7通过螺丝固定在顶盖3上，顶部磁屏蔽外壳的7材质为绝缘材料，顶部磁屏蔽外壳7内安装有顶部环形磁力线圈2，并通过螺丝将顶部环形磁力线圈2固定在顶部磁屏蔽外壳1上，顶部磁屏蔽外壳1和顶部环形磁力线圈2中心有孔，使顶部柱塞4中心的柱状凸起能够穿过，并通过丝扣将顶部磁屏蔽外壳1固定在顶部柱塞4上，顶部柱塞4的下部有一个顶部磁力搅拌桨5，顶部磁力搅拌桨5通过耐腐蚀轴承固定在顶部柱塞4的下部。

底盖9下部装有底部磁力屏蔽外壳11，底部磁力屏蔽外壳11内壁通过螺丝固定在底盖9上，底部磁力屏蔽外壳11的材质为绝缘材料，底部磁力屏蔽外壳11内部安装有底部环形磁力线圈12，通过螺丝将底部环形磁力线圈12固定在底部磁力屏蔽外壳11上，底部磁力屏蔽外壳11和底部环形磁力线圈12中心有孔，使底部柱塞10中心的柱状凸起能够穿过，并通过丝扣将底部磁力屏蔽外壳11固定在底部柱塞10上，活塞7的上部有一个底部磁力搅拌桨8，底部磁力搅拌桨8通过耐腐蚀轴承固定在活塞7的上部。

顶部环形磁力线圈2和底部环形磁力线圈12能够形成变化的磁场，分别驱动顶部磁力搅拌桨5和底部磁力搅拌桨8旋转，对高压釜的上部腔体内的流体进行搅拌。

本实施例中，顶盖3为外套式顶盖，底盖9为外套式底盖。

其中，外套式顶盖和外套式底盖外设于高压容器壁6，外套式顶盖和外套式底盖的内径与高压容器壁6的外径相匹配。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的一种测定CO2在油水间传质系数的实验系统的示意图。

如图1所示，本发明还提供了一种测定CO₂在油水间传质系数的实验系统，实验系统包括加热保温套及设置于加热保温套内的高压釜，进一步包括：

油相调速阀19，上部出口连接至油相调速阀19，油相调速阀19连接到油气分离单元20的入口，油气分离单元20的气相出口连接到第一气体流量计21，油气分离单元20的油相出口连接到产油量计量器22；

水相调速阀23，下部出口连接至水相调速阀23，水相调速阀23连接到气水分离单元24的入口，气水分离单元24的气相出口连接到第二气体流量计25，气水分离单元的水相出口连接到产水量计量器26；

油相中间容器14和水相中间容器15，油相中间容器14的出口连接至顶部通道的入口，水相中间容器15的出口连接至顶部通道的入口或下部出口；

恒压计量泵13，恒压计量泵13的出口分别连接至油相中间容器14的入口、水相中间容器15的入口及底部通道的入口。

其中，实验装置的动力由恒压计13量泵提供，恒压计量泵13的出口通过流通阀和管线分别连接到高压釜底部底部通道的出口、油相中间容器14的入口、水相中间容器15的入口。

进一步地，实验系统还包括：

温度控制器18，与加热保温套17连接；

温度传感器，设置于高压釜内，与温度控制器18连接；

压力传感器16，连接至恒压计量泵13的出口。

其中，加热保温套17通过电线与温度控制器18连接，温度控制器18通过与温度传感器连接，能够检测并控制高压釜内的温度变化。

实施例2

本实施例中，以某油藏为研究对象，以油田地层水为水相，以含气原油为油相，在该油藏温度和地层压力条件下进行CO₂从原油向地层水扩散的实验，测定CO₂在油水间传质系数，向高压釜的上部腔体和下部腔体内注入流体时，均采用恒压计量泵13提供注入动力，并通过恒压计量泵13调节高压釜的下部腔体的压力，使高压釜的上部腔体的压力保持在20.2MPa，其中地层温度为85℃。利用实施例1中的实验系统，进行如下实验：

图3示出了根据本发明的一个示例性实施例的一种通过CO₂从原油向地层水扩散的实验测定CO₂在油水间传质系数实验方法的步骤流程图。

如图3所示，本实施例的一种通过CO₂从原油向地层水扩散的实验测定CO₂在油水间传质系数实验方法，包括：

步骤1，将高压釜、油相中间容器14和水相中间容器15的温度升高至地层温度；

步骤2，在地层温度和地层压力下配置饱和溶解CO₂的原油溶液，并将地层水转入水相中间容器15内，将配置的原油溶液转入油相中间容器14内；

步骤3，对上部腔体抽真空；

步骤4，将地层水注入上部腔体内，待地层水充满上部腔体后将压力提高至地层压力，获取注入地层水的体积；

步骤5，将溶解CO₂的原油溶液注入上部腔体，同时将上部腔体的地层水从下部出口排出，直至注入体积达到上部腔体最大体积一半时停止；

步骤6，将用于传递压力的液态流体注入下部腔体，并将压力提高至地层压力，并使上部腔体保持在地层压力；

步骤7，开启顶部搅拌桨和底部搅拌桨，每隔特定时间t，分别从上部出口取样和从下部出口取样，待样品CO₂浓度不变后停止；

步骤8，基于物质守恒方程和速率方程获取传质系数。

其中，基于物质守恒方程和速率方程，可得：

式中，V_w、V_o为t时刻水相和油相的体积；

A为界面面积；

K_w、K_o为以水相浓度和油相浓度表示的总传质系数；

为与油相浓度成平衡的水相浓度；

为与水相浓度成平衡的油相浓度。

若平衡分配系数能近似取常数，则：

其中，dC/dt的值，可将实验数据进行拟合，然后求导获取。

将系统达到平衡时，则对式(1)积分可推出：

以对t作图从斜率即可获得传质系数。

本实施例的实验方法还包括：实验还包括系统的清洗：关闭顶部搅拌桨和底部搅拌桨，关闭温度控制器18，切断高压釜的电源，用恒压计量泵13将高压釜的下部腔体的压力卸掉，从高压容器壁6的上部出口和下部出口将高压釜上部腔体的压力卸掉，将高压釜的顶盖3打开，将高压釜内的流体倒出，清理实验装置。

其中，在步骤1之前还需要连接实验系统，接通高压釜的电源，并打开温度控制器18。

进一步地，步骤3还包括：使活塞7处于所述高压釜的底部，采用真空泵通过顶部通道将空气从上部腔体内抽出，达到实验要求的真空度。

本实施例中，真空度为0.8mPa，用于传递压力的液态流体选择去离子水。

其中，配置的为饱和溶解CO₂的原油时，均通过顶部通道的入口将原油和地层水注入高压釜的上部腔体内。

进一步地，步骤4中油相通过下部出口注入上部腔体，步骤5中溶解CO₂的水相溶液通过下部出口注入上部腔体，步骤6中将压力提高至地层压力后，保持恒压。

本实施例中，每隔1分钟分别从上部出口和下部出口取样，在用恒压计量泵13保持高压釜的上部腔体的压力为地层压力的同时，打开上部出口的阀门，打开并逐渐调高油相调速阀19取样，通过控制流速保持取样时高压釜的上部腔体的压力为地层压力，记录第一气体流量计21的产气量和产油量计量器22的产油量，计算原油中的CO₂浓度，每次取样1mL；在用恒压计量泵13保持高压釜的上部腔体的压力为地层压力的同时，打开下部出口的阀门，打开并逐渐调高水相调速阀23取样，通过控制流速保持取样时高压釜的上部腔体的压力为地层压力，记录第二气体流量计25的产气量和产水量计量器26的产水量，计算地层水中的CO₂浓度，每次取样1mL。

在油藏温度为85℃，油藏压力为20.2MPa条件下，实验得到CO₂在油水间的总传质系数为1.640×10-³mol·m-²s^-1，进一步地，根据菲克第一定律计算得到CO₂在地层水中的平均扩散系数为1.803×10^-7m²/s，CO₂在原油中的平均扩散系数为1.262×10^-8m2/s。

利用传统的压力降落法，分别开展CO₂在地层水中的扩散实验和CO₂在原油中的扩散实验，测定的结果与本方法计算得到的CO₂在地层水和原油中的平均扩散系数非常接近，也进一步验证了本方法测定的总传质系数结果较为可靠。

实施例3

本实施例中，以某油藏为研究对象，以该油田地层水为水相，以脱气原油为油相，在该油藏温度和地层压力条件下进行CO₂从地层水向原油扩散的实验，测定CO₂在油水间传质系数，向高压釜的上部腔体和下部腔体内注入流体或空气时，均采用恒压计量泵13提供注入动力，并通过恒压计量泵13调节高压釜的下部腔体的压力，使高压釜的上部腔体的压力保持在该油藏地层压力，其中地层温度为该油藏地层温度。利用实施例1中的实验系统，进行如下实验：

图4示出了根据本发明的一个示例性实施例的一种通过CO₂从地层水向原油扩散的实验测定CO₂在油水间传质系数实验方法的步骤流程图。

如图4所示，本实施例的一种通过CO₂从地层水向原油扩散的实验测定CO₂在油水间传质系数实验方法，包括：

步骤1，将高压釜、油相中间容器14和水相中间容器15的温度升高至地层温度；

步骤2，在地层温度和地层压力下配置饱和溶解CO₂的地层水溶液，并将配置的地层水溶液转入水相中间容器15内，将原油转入油相中间容器14内；

步骤3，对上部腔体抽真空；

步骤4，将原油注入上部腔体内，待原油充满上部腔体后将压力提高至地层压力，获取注入原油的体积；

步骤5，将溶解CO₂的地层水溶液注入上部腔体，同时将上部腔体的地层水从上部出口排出，至注入体积达到上部腔体最大体积一半时停止；

步骤6，将用于传递压力的液态流体注入下部腔体，并将压力提高至地层压力，并使上部腔体保持在地层压力；

步骤7，开启顶部搅拌桨和底部搅拌桨，每隔t分钟，分别从上部出口取样和从下部出口取样，待样品CO₂浓度不变后停止；

步骤8，基于物质守恒方程和速率方程获取传质系数。

进一步地，根据记录的CO₂浓度随时间的变化关系，再通过物质守恒方程和速率方程获取传质系数。

其中，基于物质守恒方程和速率方程，可得：

式中，V_w、V_o为t时刻水相和油相的体积；

A为界面面积；

K_w、K_o为以水相浓度和油相浓度表示的总传质系数；

为与油相浓度成平衡的水相浓度；

为与水相浓度成平衡的油相浓度。

若平衡分配系数能近似取常数，则：

其中，dC/dt的值，可将实验数据进行拟合，然后求导获取。

将系统达到平衡时，则对式(1)积分可推出：

以对t作图从斜率即可获得传质系数。

本实施例的实验方法还包括：实验还包括系统的清洗：关闭顶部搅拌桨和底部搅拌桨，关闭温度控制器18，切断高压釜的电源，用恒压计量泵13将高压釜的下部腔体的压力卸掉，从高压容器壁6的上部出口和下部出口将高压釜上部腔体的压力卸掉，将高压釜的顶盖3打开，将高压釜内的流体倒出，清理实验装置。

同样地，在步骤1之前还需要连接实验系统，接通高压釜的电源，并打开温度控制器18。

进一步地，步骤3还包括：使活塞7处于所述高压釜的底部，采用真空泵通过顶部通道将空气从所述上部腔体内抽出，达到实验要求的真空度。

本实施例中，真空度为0.8mPa，用于传递压力的液态流体选择去离子水。

本实施例中，步骤4还包括：当原油为含气原油时，需利用恒压计量泵13加压，直至原油脱出的气体重新溶解后，继续用恒压计量泵13将油相中间容器14中的油藏原油从下部出口注入高压釜中，直至计量注入液相的体积等于高压釜的上部腔体最大体积。

步骤5具体包括：用恒压计量泵13将水相中间容器15的地层水从下部出口注入上部腔体，同时上部腔体的地层水从上部出口排出。

步骤6中用于传递压力的液态流体为压缩性较弱的流体，本实施例中采用去离子水，将压力提高至地层压力后，保持恒压。

本实施例中，每隔1分钟分别从上部出口和下部出口取样，在用恒压计量泵13保持高压釜的上部腔体的压力为地层压力的同时，打开上部出口的阀门，打开并逐渐调高油相调速阀19取样，通过控制流速保持取样时高压釜的上部腔体的压力为地层压力，记录第一气体流量计21的产气量和产油量计量器22的产油量，计算油相中的CO₂浓度，每次取样1mL；在用恒压计量泵13保持高压釜的上部腔体的压力为地层压力的同时，打开下部出口的阀门，打开并逐渐调高水相调速阀23取样，通过控制流速保持取样时高压釜的上部腔体的压力为地层压力，记录第二气体流量计25的产气量和产水量计量器26的产油量，计算油相中的CO₂浓度，每次取样1mL。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (10)

1.一种测定CO₂在油水间传质系数的实验装置，其特征在于，所述实验装置包括加热保温套及设置于所述加热保温套内的高压釜，其中，所述高压釜包括：

高压容器壁，其侧壁上分别设有上部出口和下部出口；

顶盖，所述顶盖上设有顶部柱塞，所述顶部柱塞的柱状凸起穿过所述顶盖；

顶部搅拌桨，通过轴承设置在所述顶部柱塞的下部；

底盖，所述底盖上设有底部柱塞，所述底部柱塞的柱状凸起穿过所述底盖；

活塞，设置于所述高压釜内，位于所述下部出口下方，所述活塞将所述高压釜分为上部腔体和下部腔体；

底部搅拌桨，通过轴承设置在所述活塞的上部；

顶部通道，位于所述顶部柱塞的内部，通过所述顶部柱塞的柱状凸起穿过所述顶部柱塞，连通所述上部腔体和所述高压釜外部；

底部通道，位于所述底部柱塞的正中心，贯穿所述底部柱塞，连通所述下部腔体和所述高压釜外部。

2.根据权利要求1所述的测定CO₂在油水间传质系数的实验装置，其特征在于，所述高压釜还包括：

顶部磁屏蔽外壳，设置于所述顶盖上，所述顶部磁屏蔽外壳的内部设有顶部环形磁力线圈，所述顶部柱塞的柱状凸起穿过所述顶部磁屏蔽外壳和所述顶部环形磁力线圈；

底部磁屏蔽外壳，设置于所述底盖上，所述底部磁屏蔽外壳的内部设有底部环形磁力线圈，所述底部柱塞的柱状凸起穿过所述底部磁屏蔽外壳和所述底部环形磁力线圈。

3.根据权利要求2所述的测定CO₂在油水间传质系数的实验装置，其特征在于，所述顶部搅拌桨和所述底部搅拌桨为磁力搅拌桨。

4.根据权利要求1所述的测定CO₂在油水间传质系数的实验装置，其特征在于，所述顶盖为外套式顶盖或内嵌式顶盖，所述底盖为外套式底盖或内嵌式底盖。

5.根据权利要求1所述的测定CO₂在油水间传质系数的实验装置，其特征在于，所述高压容器壁的内壁下方具有凹陷内壁，所述凹陷内壁位于所述下部出口下方，用于限制所述活塞的行程。

6.一种测定CO₂在油水间传质系数的实验系统，包括权利要求1-5中任意一项所述的测定CO₂在油水间传质系数的实验装置，其特征在于，所述实验系统进一步包括：

油相调速阀，所述上部出口连接至所述油相调速阀，所述油相调速阀连接到油气分离单元的入口，所述油气分离单元的气相出口连接到第一气体流量计，所述油气分离单元的油相出口连接到产油量计量器；

水相调速阀，所述下部出口连接至所述水相调速阀，所述水相调速阀连接到气水分离单元的入口，所述气水分离单元的气相出口连接到第二气体流量计，所述气水分离单元的水相出口连接到产水量计量器；

油相中间容器和水相中间容器，所述油相中间容器的出口连接至所述顶部通道的入口，所述水相中间容器的出口连接至所述顶部通道的入口或所述下部出口；

恒压计量泵，所述恒压计量泵的出口分别连接至所述油相中间容器的入口、所述水相中间容器的入口及所述底部通道的入口。

7.根据权利要求6所述的测定CO₂在油水间传质系数的实验系统，其特征在于，所述实验系统还包括：

温度控制器，与所述加热保温套连接；

温度传感器，设置于所述高压釜内，与所述温度控制器连接；

压力传感器，连接至所述恒压计量泵的出口。

8.一种测定CO₂在油水间传质系数的实验方法，利用权利要求6或7所述的测定CO₂在油水间传质系数的实验系统，其特征在于，所述实验方法包括：

步骤1，将高压釜、油相中间容器和水相中间容器的温度升高至地层温度；

步骤2，在地层温度和地层压力下配置饱和溶解CO₂的油相溶液，并将水相溶液转入所述水相中间容器内，将配置的油相溶液转入所述油相中间容器内；

步骤3，对上部腔体抽真空；

步骤4，将水相注入所述上部腔体内，待所述水相充满所述上部腔体后将压力提高至所述地层压力，获取注入水相的体积；

步骤5，将所述溶解CO₂的油相溶液注入所述上部腔体，同时将所述上部腔体的水相从下部出口排出，直至注入体积达到所述上部腔体最大体积一半时停止；

步骤6，将用于传递压力的液态流体注入下部腔体，将压力提高至所述地层压力，同时使所述上部腔体保持在所述地层压力；

步骤7，开启顶部搅拌桨和底部搅拌桨，每隔特定时间t，分别从上部出口取样和从所述下部出口取样，待样品CO₂浓度不变后停止；

步骤8，基于物质守恒方程和速率方程获取传质系数。

9.一种测定CO₂在油水间传质系数的实验方法，利用权利要求6或7所述的测定CO₂在油水间传质系数的实验系统，其特征在于，所述实验方法包括：

步骤1，将高压釜、油相中间容器和水相中间容器的温度升高至地层温度；

步骤2，在地层温度和地层压力下配置饱和溶解CO₂的水相溶液，并将配置的水相溶液转入所述水相中间容器内，将油相溶液转入所述油相中间容器内；

步骤3，对上部腔体抽真空；

步骤4，将油相从所述下部出口注入所述上部腔体内，待所述油相充满所述上部腔体后将压力提高至所述地层压力，获取注入油相的体积；

步骤5，将所述溶解CO₂的水相溶液通过所述下部出口注入所述上部腔体，同时将所述上部腔体的油相从上部出口排出，至注入体积达到所述上部腔体最大体积一半时停止；

步骤6，将用于传递压力的液态流体注入所述下部腔体，并将压力提高至所述地层压力，同时使所述上部腔体保持在所述地层压力；

步骤7，开启顶部搅拌桨和底部搅拌桨，每隔特定时间t，分别从所述上部出口取样和从下部出口取样，待样品CO₂浓度不变后停止；

步骤8，基于物质守恒方程和速率方程获取传质系数。

10.根据权利要求8或9所述的测定CO₂在油水间传质系数的实验方法，其特征在于，所述上部出口取样包括：保持所述上部腔体的压力为地层压力，打开并逐渐调高油相调速阀，记录第一气体流量计的产气量和产油量计量器的产油量；

所述下部出口取样包括：保持所述上部腔体的压力为地层压力，打开并逐渐调高水相调速阀，记录所述第二气体流量计的产气量和所述产水量计量器的产油量。