CN112198093B - 测试气体在饱和活油岩心中扩散系数的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于油气田开发工程的技术领域，具体涉及测试气体在饱和活油岩心中扩散系数的装置与方法，该装置用于进行气体在饱和活油岩心中的轴向扩散实验，引入速度项对原油体积膨胀引发的流动进行考虑；在考虑溶解气组分的基础上，引入原油拟组分概念及相应的算法对模型进行优化；通过遗传算法对实测压力曲线和计算的理论压力曲线进行拟合，得出气体在饱和活油岩心中的扩散系数。该发明能够进行气体在饱和活油岩心的轴向扩散实验，计算气体在饱和活油岩心中的扩散系数，与实际油藏含溶解气情况相符合；该发明所需岩心较小，油田现场提供岩心，计算出的气体扩散系数为开采方案做更准确的参考，预测出的采收率更准确，减少开采成本和风险。

Description

测试气体在饱和活油岩心中扩散系数的装置与方法

技术领域

本发明涉及测试气体在饱和活油岩心中扩散系数的装置与方法，属于油气田开发工程的技术领域。

背景技术

近年来世界油气需求持续上升，低渗透、致密油、页岩油等成为油气供给的重要部分。在三次采油技术中，由于气体成本较低、不易破坏地层和与原油的相互作用使得气驱是除热力采油外应用最广的一种技术，特别适用于低渗、致密油藏的开发。最常使用的气体主要为：CO₂、N₂、烃类气体等。

低渗、致密油藏中流体流动性差，扩散过程显得更加重要，而气体的扩散浓度及运移距离是决定气驱提高石油采收率效果的核心因素。气驱中气体对地层能量的补充和气体与原油的相互作用及其改善原油物性是关键点。致密油藏中，气体运移的主要方式是浓度差作用下的分子扩散，受储层环境多因素影响。扩散系数是致密油藏数值模拟中的关键参数之一，决定了不同时间不同位置气体在储层中分布，对其改善原油物性的程度及提高采收率具有重要意义。油气行业具有高投资高风险的特点，制定合理的开采方案至关重要。根据准确的扩散系数，结合描述扩散过程的数学模型，能够对气体在储层原油中的扩散效果进行精确预测，计算出不同时间下气体的扩散量以及波及面积，从而对气驱提高采收率进行合理的方案制定，对油藏开发中的经济性进行合理评估。

中国专利CN106840973B和CN106872594B公开了测量气体在饱和油岩心中的轴向扩散系数的方法，但无法进行气体在饱和活油岩心中的扩散实验及扩散系数的计算，与实际油藏含溶解气的情况不符合。在杂志《Journal of CO₂Utilization》2018年第24期的《Determination of diffusion coefficients of supercritical CO₂ under tight oilreservoir conditions with pressure-decay method》中，当测量气体在饱和油岩心中径向扩散系数时，需要岩心直径大于3.8cm，高度大于5cm。因油田现场从地层取心成本较高，且取出的岩心往往不完整，取心直径大多小于2.54cm，长度2-8cm，所以难以提供径向扩散所需要的尺寸较大的岩心，使用的岩心为人工压制岩心或露头取心，这与实际油藏条件不符合，计算出的气体扩散系数也不准确，因此需求更符合油藏实际情况的扩散系数为开采方案做更准确的参考，以降低开发风险和开采成本。

发明内容

针对现有技术的局限性，发明提供一种高温高压扩散夹持器。

基于上述高温高压扩散夹持器，本发明提供了一种测试气体在饱和活油岩心中扩散系数的装置。

本发明还提供一种利用上述装置实现测试气体在饱和活油岩心中扩散系数的方法。

本发明的目的是提供能够进行气体在饱和活油岩心的轴向扩散实验的设备，计算气体在饱和活油岩心中扩散系数，达到与实际油藏含溶解气情况相符合的效果，为开发方案提供依据。

本发明的技术方案是：

一种高温高压扩散夹持器，包括气室、岩心室和螺杆；

所述气室与岩心室之间设有气体通道，所述螺杆在所述气室一侧，以控制所述气体通道的闭合，所述螺杆横向贯穿设置于气室内，从外部可以控制螺杆转动；

所述气室设有一个孔道与外界相连，为第一通道；所述岩心室设有三个通道与外界相连，分别为第二通道、第三通道和第四通道；

所述岩心室内设置有胶套，用于包裹岩心，所述胶套外部的岩心室其余部分为岩心环空，用于加围压，所述胶套为横向贯穿设置，胶套两端与所述岩心室两端面密封固定，所述胶套位于气室与岩心室相邻端面一侧为岩心进口一侧，另一侧为岩心出口一侧；

所述气体通道与第四通道相对、且位于岩心的两端；所述第二通道与气体通道位于岩心进口一侧；所述第三通道与岩心环空相通；所述第四通道位于岩心出口一侧。

所述第一通道连接注气管线，将实验气体注入气室，可以从外部控制螺杆的前进和后退来实现气体通道的闭合，当螺杆后退时，气体通道打开，气体将通过气体通道与岩心端面接触，实现向岩心中的扩散；所述第二通道连接原油注入管线，用来给岩心饱和油；所述第三通道连接岩心围压管线；所述第四通道连接岩心回压管线。

所述岩心为油田现场从油藏部位钻井取出的岩心。

本发明的优点：所述高温高压扩散夹持器能够进行气体在饱和活油岩心的轴向扩散实验，计算气体在饱和活油岩心中扩散系数，与实际油藏含溶解气情况相符合；并且所需岩心较小，直径大于1.27cm，长度大于2cm，油田现场能提供从油藏部位钻井取出的岩心，与油藏情况相符合，计算出的气体扩散系数为开采方案做更准确的参考。

根据本发明优选的，所述活油配样器选用PY-I型活塞式高压配样器。

一种测试气体在饱和活油岩心中扩散系数的装置，包括所述高温高压扩散夹持器，还包括供油装置、供气装置、围压控制装置、回压控制装置、压力采集系统、真空泵和恒温控制箱；

所述供气装置包括储气罐、增压泵、气瓶和调压阀，所述气瓶通过增压泵与储气罐相连，储气罐通过调压阀与所述扩散夹持器气室的第一通道相连；

所述供油装置包括活塞容器、活油配样器、高精度柱塞泵；活塞容器通过第二通道与所述岩心室相通，所述活油配样器、高精度柱塞泵分别与活塞容器相连；所述活油培养器提供活油，所述活塞容器用于存储油样并将油样泵入岩心，所述高精度柱塞泵为活塞容器内的油样进入岩心提供动力；

所述围压控制装置包括第一手摇泵和第一压力表，第一手摇泵与所述高温高压扩散夹持器的第三通道相连，所述第一手摇泵与高温高压扩散夹持器之间设置有第一压力表；

所述回压控制装置包括回压阀、缓冲容器、第二压力表和第二手摇泵；第二手摇泵与缓冲容器相连，缓冲容器通过回压阀与岩心室一端的第四通道相连，所述缓冲容器与回压阀之间设置有第二压力表；

所述采集系统包括压力采集箱、计算机、压力传感器，所述采集箱分别与所述高温高压扩散夹持器第一通道、第二通道、第四通道相连，分别设置有压力传感器，所述压力传感器用于分别采集岩心进口处气体、油液通道和岩心出口处的压力值；

所述计算机与压力采集箱连接，用于记录所监测压力；

所述高温高压扩散夹持器岩心室第四通道同时与真空泵相连；

所述活塞容器、高温高压扩散夹持器、储气罐设置在恒温控制箱内。

所述调压阀用于调节气室压力至实验压力；

所述高精度柱塞泵用来给岩心饱和流体；所述增压泵用来给气体增压；所述气瓶提供实验待测气体。

一种利用上述装置实现测试气体在饱和活油岩心中扩散系数的方法，方法包括：扩散实验方法和测试扩散系数的方法；

其中，所述扩散实验方法包括：

(1)活油配置：根据设定的溶解气油比向活油配样器中加入脱气脱水原油和溶解气，配置完毕后，将其装入活塞容器中；取样并采用退泵法测取实验扩散气体在所配油样中的泡点压力；

(2)油样组分分析：取样并使用气相色谱法进行原油组分分析；

(3)气密性检查：对所述装置的管路进行清洗并干燥后检测装置气密性；

(4)岩心处理：对岩心洗油烘干；

(5)设置恒温控制箱温度至实验所需温度，将实验气体充入高温高压扩散夹持器内的气室中，通过调压阀调节压力采集箱中气体进口压力至实验压力，静置并确保气室压力和油样压力达到平衡状态；

(6)岩心加围压：使用第一手摇泵给岩心环空加围压，围压数值高于气室压力2MPa以上；

(7)岩心抽真空饱和油：通过真空泵将岩心抽真空达到真空度小于100Pa；使用第二手摇泵调节岩心回压大于油样泡点压力2MPa以上；向高温高压扩散夹持器内岩心注入油样；岩心饱和原油2PV(2倍的孔隙体积)以上，静置并确保岩心孔隙完全饱和油；

(8)气体扩散过程：岩心回压设置为气室压力2MPa以上，后退高温高压扩散夹持器螺杆，高温高压扩散夹持器的气室中气体与岩心端面接触，并在浓度梯度下开始向饱和油岩心中扩散；通过压力采集箱记录高温高压扩散夹持器内气室压力变化；每隔单位时间记录1次，其中，记录压力单位为千帕(kPa)，保留到小数点后1位，优选的，每10秒记录1次；

根据本发明优选的，所述测试扩散系数的方法包括：

1)耦合气体扩散浓度场与原油膨胀流动场，得到岩心微元体中的控制方程，将Fick扩散公式(2)带入控制方程并忽略高阶小量，即整理得到描述气体在饱和油岩心中轴向扩散的微分方程(1)：

式(1)中c为扩散物质的物质浓度，mol/m³；t为扩散时间，s；u为原油体积膨胀而产生的流动速度，m/s；D为扩散物质的扩散系数，m²/s；x为岩心中一点到岩心左侧面的距离，m；其中，Fick扩散定律是描述分子扩散的基本定律，基于浓度差驱动的扩散传质过程都能通过该定律进行描述；Fick扩散定律的基本形式如式(2)所示：

边界条件与初始条件如式(3)所示：

式(3)中，c₀为气室气体初始浓度，mol/m³；x₀为岩心长度，m；

赋值扩散系数初值，计算出每个时间步下的气体浓度场和原油的流动速度场，通过累加得出扩散到岩心中气体的量和膨胀到气室原油的量；

2)膨胀到气室的溶解气的量依据活油配样器中需求的溶解气油比计算；

式(4)中n_g为膨胀出的原油中的溶解气物质的量，mol；n₀为配置溶解气物质的量，mol；V₁为膨胀出的原油体积，m³；V₂为孔隙体积，m³；

3)依据Li等人在杂志《Journal of CO₂ Utilization》2018年第24期的《Determination of diffusion coefficients of supercritical CO₂ under tight oilreservoir conditions with pressure-decay method》中第434-435页的方法划分原油拟组分；

4)理论压力用PR状态方程计算，PR状态方程为：

式(5a)、(5b)中p为体系压力，Pa；R为通用气体常数，J/mol/K；T为体系温度，K；V为摩尔体积，m³/mol；T_c为临界温度，K；p_c为临界压力，Pa；a，b为PR状态方程中定义的变量；α(T_r,ω)为alpha方程，是关于相对温度T_r和偏心因子ω的函数，如式(6)所示：

利用范德华混合规则，对气体-原油体系的相关参数进行整合，如式(7)所示：

式(7)中δ_ij为i，j两种组分间的二元作用系数；x_i，x_j为物质体系中组分i，j的摩尔分数，百分数；a_i，b_i为PR状态方程中定义的组分i，j对应的参数；nc为物质体系组分数，整数；

因原油中含有溶解气，所以物质体系组分包括扩散气体、溶解气和原油拟组分；

利用Chueh-Prausnitz方法对二元作用系数进行计算，该模型如式(8)所示：

式(8)中V_ci为组分i的临界摩尔体积,V_cj为组分j的临界摩尔体积，m³/mol；m₁，m₂为常数；需计算实验气体、溶解气和原油拟组分之间的二元作用系数；

至此，确定了式(5a)、(5b)中PR状态方程中的系数a、b；每个时间步上摩尔体积V由岩心中原油膨胀到气室的量、膨胀到气室中原油所含溶解气的量和未扩散到岩心中的气体量相加确定；R为通用气体常数；T为实验温度；确定了每个时间步上的理论压力；

5)拟合扩散系数；使用遗传算法计算不同扩散系数下的每个时间步下的气体浓度场和原油的流动速度场；进而计算出理论压降曲线；拟合实验压力曲线与计算理论压力曲线；直到计算理论曲线与实测曲线间误差最小，此时的扩散系数值即为实验条件下实验气体在饱和活油岩心中的扩散系数；

式中，PN为参与拟合的实验数据个数；p_Ei为实验压力数据，kPa；p_Ci为计算理论压力数据，kPa；Error为实验压力和计算理论压力数据之间的差值。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种测试气体在饱和活油岩心中扩散系数的装置，所述高温高压扩散夹持器为气室和岩心一体化，使岩心饱和含溶解气原油，与实际油藏含溶解气情况相符合。所需岩心较小，油田现场能提供从油藏部位钻井取出的岩心，与油藏情况相符合，计算出的气体扩散系数为油藏开采方案做更准确的参考，预测出的采收率更准确，减少开采成本和风险。

本发明还提供了一种测试气体在饱和活油岩心中扩散系数的方法。在考虑溶解气组分的基础上，数学模型计算多组分二元作用系数时比气体在饱和死油岩心中扩散数学模型多了溶解气组分，使测得的扩散系数更加接近实际情况，为开发方案提供依据。

附图说明

图1为本发明所述高温高压扩散夹持器结构示意图；

图2为本发明所述测试气体在饱和活油岩心中扩散系数的装置结构示意图；

图3为给出的一例测试CO₂在饱和活油岩心中轴向扩散系数的压降拟合曲线图；

图4为给出的一例测试CO₂在饱和死油岩心中轴向扩散系数的压降拟合曲线图；

图中：1气室、2岩心室、3螺杆、4气体通道、5第一通道、6第二通道、7第三通道、8第四通道、9岩心环空、10胶套、11岩心、12高温高压扩散夹持器、13储气罐、14增压泵、15气瓶、16调压阀、17活塞容器、18活油配样器、19高精度柱塞泵、20第一手摇泵、21第一压力表、22回压阀、23第二压力表、24缓冲容器、25第二手摇泵、26真空泵、27压力采集箱、28计算机、29恒温控制箱。

具体实施方式

下面根据实施例和说明书附图对本发明做详细说明，但不限于此。

实施例1

参见图1，一种高温高压扩散夹持器，包括气室1、岩心室2和螺杆3；

所述气室1与岩心室2之间有气体通道4，所述螺杆3在所述气室1一侧，以控制所述气体通道4的闭合，所述螺杆3横向贯穿设置于气室1内，从外部可以控制螺杆3转动；；

所述气室1有一个孔道与外界相连，为第一通道5；所述岩心室2有三个通道与外界相连，分别为第二通道6、第三通道7和第四通道8；

所述岩心室2内设置有胶套10，用于包裹岩心11，胶套10外部的岩心室2其余部分为岩心环空9，用于加围压，所述胶套10为横向贯穿设置，胶套10两端与所述岩心室2两端面密封固定，所述胶套10位于气室1与岩心室2相邻端面一侧为岩心进口一侧，另一侧为岩心出口一侧；；

所述气体通道4与第四通道8相对、且位于岩心11的两端；所述第二通道6与气体通道4位于岩心进口一侧；第三通道7与所述岩心环空9相通；所述第四通道8位于岩心出口一侧。

所述岩心11为油田现场从油藏部位钻井取出的岩心。

实施例2

参见图2，一种测试气体在饱和活油岩心中扩散系数的装置，其特征在于，包括所述高温高压扩散夹持器12，还包括供油装置、供气装置、围压控制装置、回压控制装置、压力采集系统、真空泵26和恒温控制箱29；

所述供气装置包括储气罐13、增压泵14、气瓶15和调压阀16，所述气瓶15通过增压泵14与储气罐13相连，储气罐13通过调压阀16与所述高温高压扩散夹持器12气室1的第一通道5相连，所述供气装置用于提供实验所需气体；

所述供油装置包括活塞容器17、活油配样器18和高精度柱塞泵19；所述活塞容器17通过第二通道6与所述岩心室2相通，所述活油配样器18、高精度柱塞泵19分别与活塞容器17相连，所述活油培养器18提供活油油样，所述活塞容器17用于存储油样并将油样泵入岩心11，所述高精度柱塞泵19为活塞容器17内的油样进入岩心提供动力；

所述围压控制装置包括第一手摇泵20和第一压力表21，第一手摇泵20与所述高温高压扩散夹持器12的第三通道7相连，所述第一手摇泵20与高温高压扩散夹持器12之间设置有第一压力表21；

所述回压控制装置包括回压阀22、缓冲容器24、第二压力表23和第二手摇泵25；第二手摇泵25与缓冲容器24相连，缓冲容器24通过回压阀22与岩心室2一端的第四通道8相连，所述缓冲容器24与回压阀22之间设置有第二压力表23；

所述压力采集系统包括压力采集箱27、计算机28和压力传感器，所述采集箱分别与所述扩散夹持器气室第一通道5、第二通道6、第四通道8相连，分别设置有压力传感器，所述压力传感器用于分别采集岩心进口处气体、油液管道和岩心出口处的压力值；

所述高温高压扩散夹持器12岩心室2的第四通道8同时与真空泵26相连；

所述活塞容器17、高温高压扩散夹持器12和储气罐13设置在恒温控制箱29内。

实施例3

一种测试气体在饱和活油岩心中扩散系数的方法，实验扩散气体选用CO₂，溶解气选用甲烷(CH₄)，方法包括：扩散试验方法和测试扩散系数的方法；

其中所述扩散试验方法包括：

1)活油配置：根据设定的10sm³/m³的溶解气油比向活油配样器18中加入脱气脱水原油和甲烷，配置完毕后，将其装入活塞容器17中；取样并采用退泵法测取CO₂在所配油样中的泡点压力为5.4MPa；

2)油样组分分析：取样并使用气相色谱法进行原油组分分析；

3)气密性检查：对所述装置的管路进行清洗并干燥后检测装置气密性；

4)岩心11处理：对岩心11洗油烘干，岩心11为胜利油田某低渗区块的油藏取心样品；

5)设置恒温控制箱29温度至80℃，将CO₂充入高温高压扩散夹持器12内的气室1中，通过调压阀16调节压力采集箱27中气体进口压力至8.2MPa，静置并确保气室CO₂压力和油样压力达到平衡状态；

6)岩心11加围压：使用第一手摇泵20给岩心环空9加围压至10.3MPa；

7)岩心11抽真空饱和油：通过真空泵26将岩心11抽真空达到真空度小于100Pa，向高温高压扩散夹持器12内岩心注入油样；使用第二手摇泵25调节岩心回压为7.5MPa；岩心11饱和原油2PV(2倍的孔隙体积)以上，静置并确保岩心11孔隙完全饱和油；

8)CO₂扩散过程：岩心11回压设置为10.3MPa，后退高温高压扩散夹持器12螺杆3，高温高压扩散夹持器12内气室1中CO₂与岩心11端面接触，并在浓度梯度下开始向饱和油岩心中扩散；通过压力采集箱27记录高温高压扩散夹持器12内气室1压力变化；记录压力单位为千帕(kPa)，保留到小数点后1位，每隔单位时间记录1次，优选的，每10秒记录1次；

9)在实验压力为8.2MPa，温度为80℃，溶解气油比为10sm³/m³时，记录高温高压扩散夹持器12气室1压降数据；测试结果如表1所示：

表1饱和活油岩心中扩散实验的压降数据

所述测试扩散系数的方法包括：

1)耦合气体扩散浓度场与原油膨胀流动场，得到岩心11微元体中的控制方程，将Fick扩散公式(2)带入控制方程并忽略高阶小量，即整理得到描述CO₂在饱和油岩心中轴向扩散的微分方程(1)：

式(1)中c为扩散物质的物质浓度，mol/m³；t为扩散时间，s；u为原油体积膨胀而产生的流动速度，m/s；D为扩散物质的扩散系数，m²/s；x为岩心11中一点到岩心11左侧面的距离，m；其中，Fick扩散定律是描述分子扩散的基本定律，基于浓度差驱动的扩散传质过程都能通过该定律进行描述；Fick扩散定律的基本形式如式(2)所示：

边界条件与初始条件如式(3)所示：

式(3)中，c₀为气室1气体初始浓度，mol/m³；x₀为岩心11长度，m；

赋值扩散系数初值，计算出每个时间步下的气体浓度场和原油的流动速度场，通过累加得出扩散到岩心11中气体的量和膨胀到气室1原油的量；

2)膨胀到气室1的溶解气的量依据活油配样器中需求的溶解气油比计算；

式(4)中n_g为膨胀出的原油中的溶解气物质的量，mol；n₀为配置溶解气物质的量，mol；V₁为膨胀出的原油体积，m³；V₂为孔隙体积，m³；

3)依据Li等人在杂志《Journal of CO₂ Utilization》2018年第24期的《Determination of diffusion coefficients of supercritical CO₂ under tight oilreservoir conditions with pressure-decay method》中第434-435页的方法划分原油拟组分；

拟组分参数计算结果如表2所示：

表2原油拟组分物性参数

4)理论压力用PR状态方程计算；PR状态方程为：

式(5a)、(5b)中p为体系压力，Pa；R为通用气体常数，J/mol/K；T为体系温度，K；V为摩尔体积，m³/mol；T_c为临界温度，K；p_c为临界压力，Pa；a，b为PR状态方程中定义的变量；α(T_r,ω)为alpha方程，是关于相对温度T_r和偏心因子ω的函数，如式(6)所示；

利用范德华混合规则，对气体-原油体系的相关参数进行整合，如式(7)所示：

式(7)中δ_ij为i，j两种组分间的二元作用系数；x_i，x_j为物质体系中组分i，j的摩尔分数，百分数；a_i，b_i为PR状态方程中定义的组分i，j对应的参数；nc为物质体系组分数，整数；

因原油中含有溶解气，所以物质体系组分包括CO₂、溶解气和原油拟组分；

利用Chueh-Prausnitz方法对二元作用系数进行计算，该模型如式(8)所示：

式(8)中V_ci为组分i的临界摩尔体积,V_cj为组分j的临界摩尔体积，m³/mol；m₁，m₂为常数；计算CO₂、溶解气和原油拟组分之间的二元作用系数；计算结果如表3：

表3含溶解气组分的二元作用系数表

5)在实验压力为8.2MPa，温度为80℃，溶解气油比为10sm³/m³时，拟合理论压降与实际压降曲线，得出CO₂在饱和活油岩心中的扩散系数为2.02×10^-8m²/s。

对比例

本对比例与实施例3相比，在其它条件不变的情况下，仅饱和的油样为死油，即为脱水脱气原油，取消了活油配置的步骤；

饱和油样为脱水脱气后的原油时，岩心11回压设置为2.0MPa；

在实验压力为8.2MPa，温度为80℃，记录高温高压扩散加持器气室1压降数据；测试结果如表4所示：

表4饱和死油岩心中扩散实验的压降数据

CO₂在饱和死油岩心中扩散实验时，物质体系组分间二元作用系数如表5所示：

表5不含溶解气组分的二元作用系数表

在实验压力为8.2MPa，温度为80℃，拟合理论压降与实际压降曲线，得出CO₂在饱和死油岩心中的扩散系数为2.28×10^-8m²/s。

实施例3与对比例实验结果表明，通过本发明的方法，针对CO₂在饱和活油岩心中的扩散过程，在考虑原油中溶解气组分后，对比CO₂在饱和活油岩心和死油岩心中的扩散系数发现两者之间差距不能忽略，需求的更准确的CO₂在油藏含溶解气时的扩散系数为油藏数值模拟和开发方案的制定等做更准确的参考，避免在油藏开发时出现经济损失。

以上已经描述了本发明的各个实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且不限于所披露的各个实施例。在不偏离所说明的各个实施例的范围和原理的情况下，针对本技术领域的普通技术人员来说一些简单的修改或变更都在本发明的保护范围下。

Claims (4)

1.一种高温高压扩散夹持器，其特征在于，包括气室、岩心室和螺杆；

所述气室与岩心室之间设有气体通道，所述螺杆在所述气室一侧，以控制所述气体通道的闭合；

所述气室有一个孔道与外界相连，为第一通道；所述岩心室有三个通道与外界相连，分别为第二通道、第三通道和第四通道；

所述岩心室内设置有胶套，用于包裹岩心，胶套外部的岩心室其余部分为岩心环空，用于加围压；

所述气体通道与第四通道相对，所述气体通道与第四通道分别位于岩心的两端；所述第二通道与气体通道位于岩心进口一侧；所述第四通道位于岩心出口一侧。

2.一种测试气体在饱和活油岩心中轴向扩散系数的装置，其特征在于，包括如权利要求1所述的高温高压扩散夹持器，还包括供油装置、供气装置、围压控制装置、回压控制装置、压力采集系统、真空泵和恒温控制箱；

所述供气装置包括储气罐、增压泵、气瓶和调压阀，所述气瓶通过增压泵与储气罐相连，储气罐通过调压阀与所述扩散夹持器的气室第一通道相连；

所述供油装置包括活塞容器、活油配样器、高精度柱塞泵；活塞容器通过第二通道与所述岩心室相通，所述活油配样器、高精度柱塞泵分别与活塞容器相连；

所述围压控制装置包括第一手摇泵和第一压力表，第一手摇泵与所述扩散夹持器的第三通道相连，所述第一手摇泵与扩散夹持器之间设置有第一压力表；

所述回压控制装置包括回压阀、缓冲容器、第二压力表和第二手摇泵；第二手摇泵与缓冲容器相连，缓冲容器通过回压阀与岩心室一端的第四通道相连，所述缓冲容器与回压阀之间设置有第二压力表；

所述采集系统包括压力采集箱、计算机、压力传感器，所述采集箱分别与所述扩散夹持器气室、第一通道、第四通道相连，分别设置有压力传感器，所述压力传感器用于分别采集岩心进口处气体、油液通道和岩心出口处的压力值；

所述计算机与压力采集箱连接，用于记录所监测压力；

所述高温高压扩散夹持器岩心室第四通道同时与真空泵相连；

所述活塞容器、高温高压扩散夹持器、储气罐设置在恒温控制箱内。

3.根据权利要求2所述的一种测试气体在饱和活油岩心中轴向扩散系数的装置，其特征在于，所述活油配样器选用PY-I型活塞式高压配样器。

4.一种测试气体在饱和活油岩心中轴向扩散系数的方法，应用权利要求2或3任一所述的测试气体在饱和活油岩心中轴向扩散系数的装置，其特征在于，方法包括：扩散试验方法和测试扩散系数的方法；

其中所述扩散试验方法包括：

1)活油配置：根据设定的溶解气油比向活油配样器中加入脱气脱水原油和溶解气，配置完毕后，将其装入活塞容器中；取样并采用退泵法测取实验扩散气体在所配油样中的饱点压力；

2)油样组分分析：取样并使用气相色谱法进行原油组分分析；

3)气密性检查：对所述装置的管路进行清洗并干燥后检测装置气密性；

4)岩心处理：对岩心洗油烘干；

5)设置恒温控制箱温度至实验所需温度，将实验气体充入高温高压扩散夹持器内的气室中，通过调压阀调节压力采集箱中气体进口压力至实验压力，静置并确保气室压力和油样压力达到平衡状态；

6)岩心加围压：使用第一手摇泵给岩心环空加围压，围压数值高于气室压力2MPa以上；

7)岩心抽真空饱和油：通过真空泵将岩心抽真空达到真空度小于100Pa，使用第二手摇泵，调节岩心回压大于油样泡点压力2MPa以上；向高温高压扩散夹持器内岩心注入油样；岩心饱和原油2PV以上，静置并确保岩心孔隙完全饱和油；

8)气体扩散过程：岩心回压设置为气室压力2MPa以上，后退高温高压扩散夹持器螺杆，高温高压扩散夹持器内气室中气体与岩心端面接触，并在浓度梯度下开始向饱和油岩心中扩散；通过压力采集箱记录高温高压扩散夹持器内气室压力变化；每隔单位时间记录1次；

所述测试扩散系数的方法包括：

1)耦合气体扩散浓度场与原油膨胀流动场，得到岩心微元体中的控制方程，将Fick扩散公式(2)带入控制方程并忽略高阶小量，即整理得到描述气体在饱和油岩心中轴向扩散的微分方程(1)：

式(1)中c为扩散物质的物质浓度，mol/m³；t为扩散时间，s；u为原油体积膨胀而产生的流动速度，m/s；D为扩散物质的扩散系数，m²/s；x为岩心中一点到岩心左侧面的距离，m；其中，Fick扩散定律是描述分子扩散的基本定律，基于浓度差驱动的扩散传质过程都通过该定律进行描述；Fick扩散定律的基本形式如式(2)所示：

边界条件与初始条件如式(3)所示：

式(3)中，c₀为气室气体初始浓度，mol/m³；x₀为岩心长度，m；

赋值扩散系数初值，计算出每个时间步下的气体浓度场和原油的流动速度场，通过累加得出扩散到岩心中气体的量和膨胀到气室原油的量；

2)膨胀到气室的溶解气的量依据活油配样器中需求的溶解气油比计算；

式(4)中n_g为膨胀出的原油中的溶解气物质的量，mol；n₀为配置溶解气物质的量，mol；V₁为膨胀出的原油体积，m³；V₂为孔隙体积，m³；

3)依据Li等人在杂志《Journal of CO₂ Utilization》2018年第24期的《Determinationof diffusion coefficients of supercritical CO₂ under tight oil reservoirconditions with pressure-decay method》中第434-435页的方法划分原油拟组分；

4)理论压力用PR状态方程计算，PR状态方程为：

式(5a)、(5b)中p为体系压力，Pa；R为通用气体常数，J/mol/K；T为体系温度，K；V为摩尔体积，m³/mol；T_c为临界温度，K；P_c为临界压力，Pa；a，b为PR状态方程中定义的变量；α(T_r,ω)为alpha方程，是关于相对温度T_r和偏心因子ω的函数，如式(6)所示；

利用范德华混合规则，对气体-原油体系的相关参数进行整合，如式(7)所示：

式(7)中δ_ij为i，j两种组分间的二元作用系数；x_i，x_j为物质体系中组分i，j的摩尔分数，百分数；a_i，b_i为PR状态方程中定义的组分i，j对应的参数；nc为物质体系组分数，整数；

因原油中含有溶解气，所以物质体系组分包括扩散气体、溶解气和原油拟组分；

利用Chueh-Prausnitz方法对二元作用系数进行计算，如式(8)所示：

式(8)中V_ci为组分i的临界摩尔体积,V_cj为组分j的临界摩尔体积，m³/mol；m₁，m₂为常数；需计算实验气体、溶解气和原油拟组分之间的二元作用系数；

至此，确定了式(5a)、(5b)中PR状态方程中的系数a、b；每个时间步上摩尔体积V由岩心中原油膨胀到气室的量、膨胀到气室中原油所含溶解气的量和未扩散到岩心中的气体量相加确定；R为通用气体常数，常数；T为实验温度；确定了每个时间步上的理论压力；

5)拟合扩散系数；使用遗传算法计算不同扩散系数下的每个时间步下的气体浓度场和原油的流动速度场；进而计算出理论压降曲线；拟合实验压力曲线与计算理论压力曲线；直到计算理论曲线与实测曲线间误差最小，此时的扩散系数值即为实验条件下实验气体在饱和活油岩心中的扩散系数；

式中，PN为参与拟合的实验数据个数；p_Ei为实验压力数据，kPa；p_Ci为计算理论压力数据，kPa；Error为实验压力和计算理论压力数据之间的差值。

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