CN112525944A - 一种二氧化碳微观驱替多相表征装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二氧化碳微观驱替多相表征装置及方法，在岩心夹持器筒体外有核磁共振探头，在岩心夹持器筒体中设岩心，在岩心外部环形缠绕的有温度传感器，在岩心夹持器筒体设置左端堵头，岩心夹持器筒体的堵头和岩心之间的设左端垫块，在垫块上设有光纤定位销，在堵头和岩心之间设有右端垫块，在左端垫块和右端垫块之间设置垫片。表征的方法，步骤是：A、将岩心抽真空饱和油、气或者水，放入持器筒体内；B、把饱和的岩心放入岩心夹持器筒体内；C、利用该装置进行驱替过程中的测试；D、确定沿岩心轴向相变过程及流体分布的时空演化规律。解决了二氧化碳利用及封存中的微观孔隙结构、相变过程及流体分布的时空演化不能实时监测表征的问题。

Description

一种二氧化碳微观驱替多相表征装置及方法

技术领域

本发明涉及二氧化碳地质利用及封存领域，尤其涉及一种二氧化碳微观驱替多相表征装置，同时还涉及一种二氧化碳微观驱替多相表征的方法，适用于二氧化碳驱替(驱油、驱水、驱煤层气和页岩气等)及过程中相变、微观孔隙结构及流体分布时空演化实时监测表征。

背景技术

二氧化碳捕集、利用和封存是以减少人为二氧化碳排放为目的的技术体系，通过该技术有望实现化石能源的利用的零排放，受到国际社会特别是发达国家的高度重视。二氧化碳封存在地下储层中，其相态会随着温度和压力的变化而改变，从而引起储层内物质状态和应力状态的改变，容易沿着断层等地质构造发生渗漏。因此研究目标储层内二氧化碳与围岩的化学-渗流-力学多场耦合过程的动力学行为正日益成为备受关注的应用基础性课题。然而，由于地下流体的组分复杂性，以及受到温度压力影响可能会存在相态变化，因此准确的区分地下流体的分布和相态，了解各组分间相互作用成为目前全球研究的热点和难点。

目前，二氧化碳微观驱替表征仅限于利用搭载核磁共振的驱替系统进行微观孔隙结构及流体分布的时空演化实时监测表征，并不能监测二氧化碳驱替过程中的相态，不能有效反映多场多相耦合条件下岩心中各相态间的传质效应和动力学机理。因此，需要研制二氧化碳微观驱替多相表征装置并建立相应的方法，科学地分析和定量预测驱替过程中二氧化碳在岩石中运移规律是二氧化碳驱油及封存设计的前提条件，只有合理确定驱油及封存的工艺参数，才能有效地提高驱油和封存效率，指导二氧化碳驱油和封存工艺的实施。

发明内容

针对上述问题，克服现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的是在于提供了一种二氧化碳微观驱替多相表征装置。所述氧化碳微观驱替多相表征装置能够通过改变温度压力进而改变二氧化碳相态，利用协作运行的核磁设备和光纤设备，测定不同相态下二氧化碳在岩心内不同位置处的流体行为，监测驱替过程中岩心内部流体的分子动力学特征。

本发明的另一个目的是在于提供了一种二氧化碳微观驱替多相表征的方法，方法易行，操作简便，可以实施二氧化碳驱替(驱油、驱水、驱煤层气和页岩气等)及过程中相变、微观孔隙结构及流体分布时空演化实时监测表征。是解决二氧化碳驱油(煤层气、页岩气)和地质封存工程的关键，同时对于丰富和拓宽低渗透率多场多相耦合理论的发展及促进学科交叉、渗透和融合具有重要的理论意义和应用价值。

为了现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种二氧化碳微观驱替多相表征装置，包括中空的岩心夹持器筒体、放置在夹持器筒体外的核磁共振探头、放置在夹持器中部的岩心、设置在岩心外部环形缠绕的温度光纤传感器、设置在夹持器筒体左端的左堵头、设置在左堵头和岩心之间的左端垫块、所述的左端垫块设置有光纤定位销、设置在所述夹持器筒体右端的右端堵头、所述的右端堵头上开有光纤出口、所述的右端堵头和岩心之间设置有右端垫块、所述的左端垫块和右端垫块之间设置有防扭定位垫片,其特征在于，在岩心夹持器筒体外的一侧设有核磁共振探头，在岩心夹持器筒体的中部设置岩心，设置在岩心外部环形缠绕的有温度光纤传感器，在岩心夹持器筒体左端设置左端堵头，在岩心夹持器筒体的左端堵头和岩心之间的设置左端垫块，在左端垫块上设置有光纤定位销，在岩心夹持器筒体的右端设置右端堵头，在右端堵头上开有光纤出口，在右端堵头和岩心之间设置有右端垫块，在左端垫块和右端垫块之间设置有防扭定位垫片，所述的防扭定位装置(图2)由防扭定位销、光纤定位销和孔压入口组成，防扭定位装置(图2)左端开有圆形小孔，小孔直径和左端垫块上圆形小孔开口直径一致，防扭定位销与防扭定位垫片和左端垫块螺纹紧密连接，所述的防扭定位装置右端开有圆形孔，孔直径和右端垫块上圆形孔开口直径一致，防扭定位销与防扭定位垫片和右端垫块螺纹连接。

进一步的，所述的左端堵头和左端垫块之间螺纹紧密连接，所述的右端堵头和右端垫块之间螺纹紧密连接。

进一步的，所述的左端堵头和左端垫块之间设置环形密封圈，所述的右端堵头8和右端垫块之间设置环形密封。

进一步的，所述的左端垫块和岩心之间设置有左端米字环形导流片，所述右端垫块和岩心之间设置有右端米字环形导流片。

进一步的，所述的光纤一端缠绕在光纤定位销上，环绕在岩样上后，用胶水将光纤和岩样贴紧，再用热缩管将光纤和岩心包紧。

进一步的，所述的光纤环绕在岩心上经光纤出口后，接入光纤解调仪。

进一步的，所述的光纤入口用高粘度高强度的胶封闭，可以防围压液泄露。

进一步的，所述的岩心夹持器筒体、左端垫块、右端垫块、光纤定位销，防扭定位销、防扭定位垫片的材质为聚醚醚酮材料。

所述核磁共振探头和所述光纤传感器可以有机结合、协同运行，共同监测岩心内部流体运移特征和相态变化。

所述的左端垫块和右端垫块之间设置有防扭定位垫片，可以防止装样过程中所述的光纤传感器发生变形。

所述的核磁共振系统能表征岩心内流体分布，而光纤能监测温度变化，两者结合可以表征驱替过程中相态的变化，确定相态变化的位置及对应的岩心内流体分布状态。

所述的岩心夹持器直径和长度等尺寸的变化及对应的光纤和核磁共振探头型号的变化都在此专利保护范围之内。

通过上述技术措施，其关键部件为岩心夹持器筒体、核磁共振探头、光纤传感器、左端米字型环形导流垫片、光纤解调仪、孔压入口。这些部件和相互之间的相连，填补了二氧化碳驱油及封存过程中的微观驱替多相表征装置，解决了目前二氧化碳驱油及封存过程中的微观孔隙结构、相变过程及流体分布的时空演化不能实时监测表征的问题，对二氧化碳驱油(煤层气、页岩气)和地质封存工程具有重要的指导意义。同时对于丰富和拓宽多场多相耦合理论的发展及促进学科交叉、渗透和融合具有重要的理论意义和应用价值。

一种二氧化碳微观驱替多相表征的方法，其步骤是：

步骤1：将岩心抽真空饱和水(油或者气)至岩心完全饱和。

步骤2：把饱和好的岩心放入1岩心夹持器筒体内。

步骤3：利用二氧化碳微观驱替多相表征装置(图1)中低场核磁共振进行扫描，记录此时的流体分布以及沿岩心轴向分布的温度。

步骤4：保持岩心夹持器系统中的温度恒定(温度范围0-120℃)，以恒定的速度向饱和水的岩心中注入给定温度(温度范围0-120℃)的液态或者超临界态二氧化碳，分别记录不同驱替倍数(1倍、2倍、3倍、5倍，驱替倍数可以根据不同类型的岩心类型确定)下岩心内部的流体分布以及沿岩心轴向的温度分布。

步骤5：利用测得岩心轴向温度分布(温度范围0-120℃)结合驱替实验，可以判断驱替过程中沿轴向分布的二氧化碳及水的相态，并且分析二氧化碳驱替过程中的微观孔隙结构、相变过程及流体分布的时空演化规律，并且确定沿岩心轴向的相变位置点。

通过上述技术措施：所述的上述步骤中，关键的步骤5，综合核磁共振监测和光纤监测温度的结果，分析驱替过程中的微观孔隙结构、相变过程及流体分布的时空演化规律，并且确定沿岩心轴向的相变位置点。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

本发明的装置和方法填补了二氧化碳驱油及封存过程中的微观驱替多相表征装置，解决了目前二氧化碳驱油及封存过程中的微观孔隙结构、相变过程及流体分布的时空演化不能实时监测表征的问题，对二氧化碳驱油(煤层气、页岩气)和地质封存工程具有重要的指导意义。同时对于丰富和拓宽多场多相耦合理论的发展及促进学科交叉、渗透和融合具有重要的理论意义和应用价值。

附图说明

图1为一种二氧化碳微观驱替多相表征装置结构示意图；

图2为一种二氧化碳微观驱替多相表征装置的左端垫块的结构示意图；

图3为一种二氧化碳微观驱替多相表征装置的防扭定位装置的结构示意图。

其中：

1-岩心夹持器筒体、2-核磁共振探头(MacroMR12-25mm)、3-岩心、4-温度光纤传感器(DTS)、5-左端堵头、6-左端垫块、7-光纤定位销、8-右端堵头、9光纤出口、10-右端垫块、11-防扭定位垫片、12-右端米字型环形导流垫片、13-左端米字型环形导流垫片、14-光纤解调仪(OPM-TXX30)、15-热缩管、16-防扭定位销、17-围压入口、18-孔压入口。

图4为一种沿轴向分布的温度剖面示意图。

其中，横轴为距离岩心注入端的距离，纵轴为光纤监测到的温度，通过沿岩心轴向的距离可以得到岩心轴向上各个位置的温度，可以判断二氧化碳和岩心内流体的相态。

图5为一种二氧化碳驱替后剩余油分布示意图。

从图中可以看出，距离注入端6.3cm处为二氧化碳的相变点，相变点左端为超临界状态二氧化碳，右端为非超临界二氧化碳，左端的超临界二氧化碳条件下的驱替效果好于右端的非超临界二氧化碳的驱油效果。

具体实施方式

实施例1：

下面将结合附图对本发明的技术方案进行描述，

需要说明的是，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要指出的是，除非另有说明，本申请使用的所有专业术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中轴”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-3所示，一种二氧化碳微观驱替多相表征装置。它由岩心夹持器筒体1、核磁共振探头2、岩心3、温度光纤传感器4、左端堵头5、左端垫块6、光纤定位销7、右端堵头8、光纤出口9、右端垫块10、防扭定位垫片11、右端米字型环形导流垫片12、左端米字型环形导流垫片13、光纤解调仪14、热缩管15、防扭定位销16、围压入口17、孔压入口18组成。该装置包括中空的岩心夹持器筒体1，其特征在于，在岩心夹持器筒体1外的一侧设有核磁共振探头2，在岩心夹持器筒体1的中部设置岩心3，设置在岩心3外部环形缠绕的有温度光纤传感器4，在岩心夹持器筒体1左端设置左堵头5，在岩心夹持器筒体1的左堵头5和岩心3之间的设置左端垫块6，在左端垫块上6设置有光纤定位销7，在岩心夹持器筒体1的右端设置右端堵头8，在右端堵头8上开有光纤出口9，在右端堵头8和岩心3之间设置有右端垫块10，在左端垫块6和右端垫块10之间设置有防扭定位垫片11。

在本实施的案例中，所述的右端堵头8垂直放于地面或工作台上，所述右端垫块10竖直插入右端堵头8的凹台中，所述右端垫块8从下到上依次放置右端米字环形导流垫块12、岩心3、左端米字环形导流块13、左端垫块6，所述温度光纤传感器4一端缠绕在光纤定位销7上并沿岩心3环绕特定(根据岩心的长度不同设定不同的环绕圈数)圈数(以直径25mm长度50mm岩心为例，光纤一般绕70圈)，并从光纤出口9接出，接入光纤解调仪14。所述温度光纤传感器4紧贴岩心3缠绕，同时用胶水固定。热缩管15从左端垫块6套入，所述热缩管15覆盖住左端垫块6一部分、左端米字型环形导流垫片13、岩心3、右端米字型环形导流垫片12、右端垫块8一部分，热风枪将热缩管吹热并紧缩，所述防扭定位垫片11贴在岩心表面，并用防扭定位销16固定，再将上述集合部分从中空的岩心夹持器筒体1右端水平旋转进入，所述左端垫块从岩心夹持器筒体1左端旋转进入。

在本实施的案例中，围压液从环压腔围压入口17进入，给所述岩心3施加指定的环压并加热到指定的温度，流体从流体通道(孔压入口)18进入岩心。左端垫块10和左端堵头5之间设置有环形密封圈，右端垫块10和右端堵头8之间设置有环形密封圈。

在本实施的案例中，所述核磁共振探头2和温度光纤传感器4可以在流体进入岩心3后协同监测岩心内部流体分布。

在本实施的案例中，所述温度光纤传感器4的缠绕方式不仅包括环绕，还可以竖直等方式粘贴到岩心3表面。

在本实施的案例中，所述岩心3的长度可以改变，可以通过改变左端垫块6和右端垫块10的长度匹配不同长度的岩心。

通过上述的具体技术措施，实现了一种二氧化碳微观驱替多相表征的装置，具有实时监测表征动态驱替过程中微观孔隙结构、流体分布以及分析各流体相态的功能。

所述的核磁共振探头2和所述温度光纤传感器4可以有机结合、协同运行，共同监测岩心内部流体运移特征和相态变化。

所述的左端垫块6和右端垫块8之间设置有防扭定位垫片11，可以防止装样过程中所述的温度光纤传感器4发生变形。

所述的光纤入口9用高粘度高强度的胶封闭，可以防围压液泄露。

所述的核磁共振系统能表征岩心内流体分布，而光纤能监测温度变化，两者结合可以表征驱替过程中相态的变化，确定相态变化的位置及对应的岩心内流体分布状态。

所述的岩心夹持器直径和长度等尺寸的变化及对应的光纤和核磁共振探头型号的变化都在此专利保护范围之内。

实施例2：

一种二氧化碳微观驱替多相表征的方法，其步骤是：

步骤1：将岩心抽真空饱和水(油或者气)至岩心完全饱和。

步骤2：把饱和好的岩心放入岩心夹持器筒体内。

步骤3：利用二氧化碳微观驱替多相表征装置(图1)中低场核磁共振进行扫描同时利用光纤监测沿轴向分布的温度剖面，记录此时的流体分布以及沿岩心轴向分布的温度。

步骤4：保持岩心夹持器系统中的温度恒定(20℃-150℃之间任一温度)，以恒定的速度向饱和水的岩心中注入给定温度的液态或者超临界态二氧化碳，分别记录不同驱替倍数(1倍、2倍、3倍、5倍，驱替倍数可以根据不同类型的岩心类型确定)下岩心内部的流体分布以及沿岩心轴向的温度分布。

步骤5：利用测得岩心轴向温度结合驱替实验，可以判断驱替过程中沿轴向分布的二氧化碳及水的相态，并且分析二氧化碳驱替过程中的微观孔隙结构、相变过程及流体分布的时空演化规律，并且确定沿岩心轴向的相变位置点。

通过本实施例，可以得到二氧化碳在岩心中的相变过程，以及对应的微观孔隙结构及流体分布，一方面为二氧化碳驱油的效果评价、措施改进提供技术支持和依据，同时为二氧化碳封存过程中泄漏的评估、监测和预防提供了依据和指导。

实施例3：

本实施例主要模拟二氧化碳驱油过程中的相态变化。实施例以内径2.54cm，长度为10cm的岩心夹持器为例，实验中长度为10cm，直径2.52cm，气测渗透率为65mD，实验温度20℃，岩心中饱和原油，油的粘度为，在入口以10MPa的压力注入35℃的二氧化碳驱油，利用本实验装置监测驱替过程中的微观结构及温度的变化。通过实验可以得到以下的实验结果，沿轴向分布的温度剖面如图4所示，二氧化碳驱替1倍、3倍和5倍孔隙体积后剩余油分布如图5所示。通过温度剖面可以得到二氧化碳超临界到非超临界的点在沿入口处6.35cm处，并且可以看到超临界二氧化碳与非超临界二氧化碳驱替后的剩余油分布。

其它实施方式与实施例2相同。

实施例4:

下面以一种直径25.4mm的二氧化碳微观驱替多相表征装置的设计为例，具体实施过程如下：

准备内径为25.4mm的岩心夹持器筒体1(根据需要可以调整直径大小)，在岩心夹持器筒体1外的一侧设有12-25mm的核磁共振探头2，在岩心夹持器筒体1内装有内径为25.4mm的岩心3，岩心3的外侧设置环形缠绕温度传感器4，在岩心夹持器筒体1左端设置直径25.4mm左堵头5，在岩心夹持器筒体1的左堵头5和岩心3之间的设置直径25.4mm左端垫块6，在左端垫块上6设置有光纤定位销7，在岩心夹持器筒体1的右端设置直径25.4mm右端堵头8，在右端堵头8上设置光纤出口9，在右端堵头8和岩心3之间设置有直径25.4mm右端垫块10，在左端垫块6和右端垫块10之间设置有防扭定位垫片11。

所述的直径25.4mm右端堵头8垂直放于地面或工作台上，所述直径25.4mm右端垫块10竖直插入右端堵头8的凹台中，所述右端垫块8从下到上依次放置右端米字环形导流垫块12、岩心3、左端米字环形导流块13、左端垫块6。

所述的温度光纤传感器4一端缠绕在光纤定位销7上并沿岩心3环绕圈数，光纤绕70圈，并从光纤出口9接出，接入光纤解调仪14。

所述的温度光纤传感器4紧贴岩心3缠绕，同时用胶水固定。

所述的热缩管15从左端垫块6套入，热缩管15覆盖住左端垫块6一部分(超过热缩管1cm)、左端米字型环形导流垫片13、岩心3、右端米字型环形导流垫片12、右端垫块8一部分(超过热缩管1cm)，热风枪150℃将热缩管吹热并紧缩。

所述的防扭定位垫片11贴在岩心表面，并用防扭定位销16固定，再将上述集合部分从中空的岩心夹持器筒体1右端水平旋转进入，左端垫块从岩心夹持器筒体1左端旋转进入。

左端垫块10和左端堵头5之间设置有耐温耐腐蚀的环形密封圈，右端垫块10和右端堵头8之间也设置有耐温耐腐蚀的环形密封圈。

围压液从环压腔围压入口17进入，给所述岩心3施加围压并保持室温20℃，加热二氧化碳至特定温度，流体从流体通道(孔压入口)18进入岩心。

直径25.4mm的二氧化碳微观驱替多相表征装置的设计完成后可以利用装置进行实验，具体实验方案和得到的数据见实施例3。

Claims (7)

1.一种二氧化碳微观驱替多相表征装置，包括岩心夹持器筒体(1)、核磁共振探头(2)、岩心(3)、温度光纤传感器(4)、左堵头(5)、左端垫块(6)、所述的左端垫块(6)设置有光纤定位销(7)，设置在夹持器筒体(1)右端的右端堵头(8)，右端堵头(8)上开有光纤出口(9)，右端堵头(8)和岩心(3)之间设置有右端垫块(10)、所述的左端垫块(6)和右端垫块(10)之间设置有防扭定位垫片(11),其特征在于：在岩心夹持器筒体(1)外的一侧设有核磁共振探头(2)，在岩心夹持器筒体(1)的中部设置岩心(3)，设置在岩心(3)外部环形缠绕的有温度光纤传感器(4)，在岩心夹持器筒体(1)左端设置左端堵头(5)，在岩心夹持器筒体(1)的左端堵头(5)和岩心(3)之间的设置左端垫块(6)，在左端垫块(6)上设置有光纤定位销(7)，在岩心夹持器筒体(1)的右端设置右端堵头(8)，在右端堵头(8)上开有光纤出口(9)，在右端堵头(8)和岩心(3)之间设置有右端垫块(10)，在左端垫块(6)和右端垫块(10)之间设置有防扭定位垫片(11)，防扭定位装置由防扭定位销(16)、光纤定位销(7)和孔压入口(18)组成，防扭定位装置左端开有圆形孔，孔直径和左端垫块(6)上圆形孔开口直径一致，防扭定位销(16)与防扭定位垫片(11)和左端垫块(6)螺纹连接，防扭定位装置右端开有圆形孔，孔直径和右端垫块(10)上圆形孔开口直径一致，防扭定位销(16)与防扭定位垫片(11)和右端垫块(10)螺纹连接。

2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳微观驱替多相表征装置，其特征在于：所述的左端堵头(5)和左端垫块(6)之间螺纹连接，所述的右端堵头(8)和右端垫块(10)之间螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的一种二氧化碳微观驱替多相表征装置，其特征在于：所述的左端堵(5)头和左端垫块(6)之间设置环形密封圈，所述的右端堵头(8)和右端垫块(10)之间设置环形密封。

4.根据权利要求1所述的一种二氧化碳微观驱替多相表征装置，其特征在于：所述的左端垫块(6)和岩心(3)之间设置有左端米字环形导流片(13)，所述右端垫块(10)和岩心之间设置有右端米字环形导流片(12)。

5.根据权利要求1所述的一种二氧化碳微观驱替多相表征装置，其特征在于：所述的光纤入口(9)用高粘度的胶封闭。

6.根据权利要求1所述的一种二氧化碳微观驱替多相表征装置，其特征在于：所述的岩心夹持器筒体(1)、左端垫块(6)、右端垫块(10)、光纤定位销(7)，防扭定位销(16)、防扭定位垫片(11)的材质为聚醚醚酮材料。

7.权利要求1所述的一种二氧化碳微观驱替多相表征的方法，其步骤是：

A、将岩心抽真空饱和水至岩心饱和；

B、把饱和的岩心放入岩心夹持器筒体内；

C、利用二氧化碳微观驱替多相表征装置中低场核磁共振进行扫描，记录此时的流体分布以及沿岩心轴向分布的温度；

D、保持岩心夹持器系统中的温度恒定：温度范围0-120℃，以恒定的速度向饱和水的岩心中注入给定温度0-120℃的液态或超临界态二氧化碳，分别记录不同驱替倍数下岩心内部的流体分布以及沿岩心轴向的温度分布；

E、利用测得岩心轴向温度0-120℃结合驱替实验，判断驱替过程中沿轴向分布的二氧化碳及水的相态，分析二氧化碳驱替过程中的微观孔隙结构、相变过程及流体分布的时空演化规律，确定沿岩心轴向的相变位置点。

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