CN113063703A - 含束缚水多孔介质中天然气与co2扩散系数的测试方法及装置 - Google Patents

含束缚水多孔介质中天然气与co2扩散系数的测试方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了含束缚水多孔介质中天然气与CO2扩散系数的测试方法及装置，测试方法包括以下步骤：步骤一：对活塞筒及中间容器进行清洗并烘干；步骤二：将岩心放入加持器并抽真空，然后用地层水对岩心进行全饱和，之后再用天然气进行驱替，将岩心中的水驱替出来，建立束缚水；步骤三：将天然气和CO2输送入气室，通过围压增压阀以及加热装置建立实验温度压力；步骤四：关闭两端气室阀门等待气体扩散；步骤五：分别打开天然气端与CO2端取样阀进行取样，进行色谱分析并计算扩散系数。本发明方法原理可靠、简单适用，可简单测试多孔介质中存在束缚水时天然气‑CO2扩散系数，同时本发明实验条件为高温高压，贴近现场实际情况，具有广阔的市场应用前景。

Description

含束缚水多孔介质中天然气与CO2扩散系数的测试方法及装置
技术领域
本发明涉及油气田开发领域，尤其涉及含束缚水多孔介质中天然气与CO2扩散系数的测试方法及装置。
背景技术
注CO2不仅是开采致密气、页岩气、煤层气的一种有效方法，就是对于接近废弃的常规气藏而言也可以有效提高气藏采收率，与此同时，气藏具有完整的地质构造、完整的圈闭，可以阻止气体的外溢，是良好的封存CO2的地下存气库。CO2注入气藏储层开采天然气一种重要的机理就是天然气与CO2间的扩散，为此需要确定气藏储层中天然气与CO2间的扩散系数。
目前国内外对CO2与天然气在多孔介质中的扩散研究仍然很少，只有一部分研究了CO2在干岩心和湿岩心中的扩散，在含束缚水的多孔介质中研究天然气-CO2的扩散情况仍然未见。专利(申请号为CN201710082829.4)提供了一种测试多孔介质中CO2扩散浓度和扩散系数的装置及其测试方法，该装置能够直接测量获得多孔介质中某一时间点、空间点处的CO2浓度，进而通过有限大一维轴向扩散模型求得CO2扩散系数。但该装置CO2只能通过多孔介质轴向运动，对研究实际气藏注CO2扩散时的意义不大。张璐等人(张璐，国建英，谢增业，刘爱国，杨春龙.岩石中烃类气体扩散系数测定技术细节浅析[J].石油和化工设备，2019，22(05):29-31+28)开展扩散系数测定实验研究了取气时间、取气方式、取值个数和取气位置四个方面的不同操作对烃类气体扩散系数的影响，通过不同方式的对比分析减小了实验误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供含束缚水多孔介质中天然气与CO2扩散系数的测试方法及装置，提供利用气体扩散仪测试在含束缚水的多孔介质中CO2与天然气扩散系数的方法，通过该方法可以测量在高温高压条件下二氧化碳浓度在天然气室的浓度变化情况以及二氧化碳气室中天然气的浓度变化情况，为计算二氧化碳的扩散系数提供数据基础。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
含束缚水多孔介质中天然气与CO2扩散系数的测试方法，包括以下步骤：
步骤一：对活塞筒及中间容器进行清洗并烘干；
步骤二：将岩心放入加持器并抽真空，然后用地层水对岩心进行全饱和，之后再用天然气进行驱替，将岩心中的水驱替出来，建立束缚水；
步骤三：将天然气和CO2输送入气室，通过围压增压阀以及加热装置建立实验温度压力；
步骤四：关闭两端气室阀门等待气体扩散；
步骤五：分别打开天然气端与CO2端取样阀进行取样，进行色谱分析并计算扩散系数。
所述步骤二具体包括：将岩心放入活塞筒中，连接真空泵抽真空半小时，将适量的地层水装入中间容器中，通过驱替泵设置一定的驱替速度使岩心饱和地层水，然后向中间容器中装入适量天然气，利用天然气驱的方式进行气驱水，在岩心内建立束缚水。
所述步骤三具体包括：通过泵先给夹持器加3MPa围压，利用泵将气瓶中的二氧化碳与天然气通过中间容器注入两端气室，建立实验压力，升温至地层温度，用自动泵恒定两端气室压力始终与地层压力保持一致，稳定8至10h，此过程中始终保持围压比内压高3至5MPa。
所述步骤四具体包括：关闭气室阀门，调节进气阀时差压变送器的值小于50KPa，等待气体进行扩散一般在10h以上。
所述步骤五中扩散系数的计算方法具体为：
Figure BDA0002997659330000021
而ΔCi＝ΔC1i-ΔC2i，E＝A(1/V1+1/V2)/L，
将式子变形可得到ln(ΔC0/ΔCi)＝DE(ti-to)，ln(ΔC0/ΔCi)与ti呈线性关系应用最小二乘法拟合，得到斜率S，根据S可以求得岩样中二氧化碳气体的扩散系数：
D＝S/E，
上述式子中，D为二氧化碳气体在岩样中的扩散系数，单位为cm2/s；ΔC0为初始时刻二氧化碳气体在两扩散室中的浓度差，以百分比表示；ΔCi为i时刻二氧化碳气体在两扩散室中的浓度差，以百分比表示；ti为i时刻，单位是s；t0为初始时刻，单位是s；C1i为i时刻二氧化碳气体在甲烷扩散室中的浓度，以百分比表示；C2i为i时刻二氧化碳气体在甲烷扩散室中的浓度，以百分比表示；A为岩样的截面积，单位为cm2；L为岩样的长度，单位为cm；V1V2分别为甲烷扩散室和二氧化碳扩散室容积，单位为cm3；E为中间变量，单位是cm-2；S为斜率，单位为s-1。
含束缚水多孔介质中天然气与CO2扩散系数的测试装置，包括扩散系统A、扩散系统B、扩散系统C、扩散系统D、采集系统A和采集系统B；所述扩散系统B、扩散系统C、扩散系统D分别通过气管与扩散系统A连接；所述采集系统A和采集系统B分别通过气管连接至扩散系统C、扩散系统D与扩散系统A连接气管上；
所述扩散装置A包括设置在温控仪器中的活塞筒和压力平衡阀、差压变送器、恒压泵；所述活塞筒包括岩心、活塞、气室，所述岩心安置于活塞筒中端，气室分布于岩心两侧，所述气室分别纵向放置有活塞；所述恒压泵输出端通过气管分别与活塞筒两端连接；所述压力平衡阀分别安装在恒压泵与活塞筒之间的连接气管上；所述差压变送器两端通过气管与岩心两端连接；
所述扩散系统B包括围压升压阀、围压降压阀和手动加压棒；所述手动加压棒通过两条气管与活塞筒相连接；所述围压升压阀、围压降压阀分别设置在手动加压棒与活塞筒之间的两条连接气管上；
所述扩散系统C与扩散系统D装置结构相同，包括气瓶、进气阀、气瓶开关、中间容器、中间容器活塞和自动泵，所述中间容器通过气管分别与气瓶、自动泵和岩心连接；所述气瓶开关安装在气瓶出口处；所述进气阀安装在中间容器与岩心之间的连接气管上；所述中间容器活塞横向安装在中间容器内；
所述采集系统A和采集系统B装置结构相同，包括取气阀A、取气阀B、标准体积室、锥形瓶、气量计、色谱仪；所述锥形瓶输入端连接至中间容器与岩心间的气管上，锥形瓶输出端通过气管依次与气量计、色谱仪连接；所述取气阀A、标准体积室、取气阀B依次安装在锥形瓶的输入端气管上。
本发明的有益效果：本发明方法原理可靠、简单适用，可简单测试多孔介质中存在束缚水时天然气-CO2扩散系数，同时本发明实验条件为高温高压，贴近现场实际情况，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
图1是本发明的方法流程框图；
图2是本发明的装置连接框图；
图3是本发明的扩散系统A结构框图；
图4是本发明的扩散系统B结构框图；
图5是本发明的扩散系统C结构框图；
图6是本发明的采集系统A结构框图；
附图中：1-活塞筒，2-岩心，3-温控仪器，4-差压变送器，5-活塞，6-气室，7-压力平衡阀，8-恒压泵，9-气瓶，10-进气阀，11-气瓶开关，12-中间容器，13-中间容器活塞，14-取气阀A，15-取气阀B，16-标准体积室，17-锥形瓶，18-气量计，19-色谱仪，20-围压升压阀，21-围压降压阀，22-手动加压棒，23-自动泵。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，含束缚水多孔介质中天然气与CO2扩散系数的测试方法，包括以下步骤：
步骤一：对活塞筒及中间容器进行清洗并烘干；
步骤二：将岩心放入加持器并抽真空，然后用地层水对岩心进行全饱和，之后再用天然气进行驱替，将岩心中的水驱替出来，建立束缚水；
步骤三：将天然气和CO2输送入气室，通过围压增压阀以及加热装置建立实验温度压力；
步骤四：关闭两端气室阀门等待气体扩散；
步骤五：分别打开天然气端与CO2端取样阀进行取样，进行色谱分析并计算扩散系数。
所述步骤二具体包括：将岩心放入活塞筒中，连接真空泵抽真空半小时，将适量的地层水装入中间容器中，通过驱替泵设置一定的驱替速度使岩心饱和地层水，然后向中间容器中装入适量天然气，利用天然气驱的方式进行气驱水，在岩心内建立束缚水。
所述步骤三具体包括：通过泵先给夹持器加3MPa围压，利用泵将气瓶中的二氧化碳与天然气通过中间容器注入两端气室，建立实验压力，升温至地层温度，用自动泵恒定两端气室压力始终与地层压力保持一致，稳定8至10h，此过程中始终保持围压比内压高3至5MPa。
所述步骤四具体包括：关闭气室阀门，调节进气阀时差压变送器的值小于50KPa，等待气体进行扩散一般在10h以上。
所述步骤五中根据Fick第二定律计算岩样中二氧化碳气体的扩散系数，具体为：
Figure BDA0002997659330000041
而ΔCi＝ΔC1i-ΔC2i，E＝A(1/V1+1/V2)/L，
将式子变形可得到ln(ΔC0/ΔCi)＝DE(ti-t0)，ln(ΔC0/ΔCi)与ti呈线性关系应用最小二乘法拟合，得到斜率S，根据S可以求得岩样中二氧化碳气体的扩散系数：
D＝S/E，
上述式子中，D为二氧化碳气体在岩样中的扩散系数，单位为cm2/s；ΔC0为初始时刻二氧化碳气体在两扩散室中的浓度差，以百分比表示；ΔCi为i时刻二氧化碳气体在两扩散室中的浓度差，以百分比表示；ti为i时刻，单位是s；t0为初始时刻，单位是s；C1i为i时刻二氧化碳气体在甲烷扩散室中的浓度，以百分比表示；C2i为i时刻二氧化碳气体在甲烷扩散室中的浓度，以百分比表示；A为岩样的截面积，单位为cm2；L为岩样的长度，单位为cm；V1V2分别为甲烷扩散室和二氧化碳扩散室容积，单位为cm3；E为中间变量，单位是cm-2；S为斜率，单位为s-1。
如图2、3、4、5、6所示，含束缚水多孔介质中天然气与CO2扩散系数的测试装置，包括扩散系统A、扩散系统B、扩散系统C、扩散系统D、采集系统A和采集系统B；所述扩散系统B、扩散系统C、扩散系统D分别通过气管与扩散系统A连接；所述采集系统A和采集系统B分别通过气管连接至扩散系统C、扩散系统D与扩散系统A连接气管上；
所述扩散装置A包括设置在温控仪器3中的活塞筒1和压力平衡阀7、差压变送器4、恒压泵8；所述活塞筒1包括岩心2、活塞5、气室6，所述岩心2安置于活塞筒1中端，气室6分布于岩心2两侧，所述气室6分别纵向放置有活塞5；所述恒压泵8输出端通过气管分别与活塞筒1两端连接；所述压力平衡阀7分别安装在恒压泵8与活塞筒1之间的连接气管上；所述差压变送器4两端通过气管与岩心2两端连接；
所述扩散系统B包括围压升压阀20、围压降压阀21和手动加压棒22；所述手动加压棒22通过两条气管与活塞筒1相连接；所述围压升压阀20、围压降压阀21分别设置在手动加压棒22与活塞筒1之间的两条连接气管上；
所述扩散系统C与扩散系统D装置结构相同，包括气瓶9、进气阀10、气瓶开关11、中间容器12、中间容器活塞13和自动泵23，所述中间容器12通过气管分别与气瓶9、自动泵23和岩心2连接；所述气瓶开关11安装在气瓶9出口处；所述进气阀10安装在中间容器12与岩心2之间的连接气管上；所述中间容器活塞13横向安装在中间容器12内；
所述采集系统A和采集系统B装置结构相同，包括取气阀A14、取气阀B15、标准体积室16、锥形瓶17、气量计18、色谱仪19；所述锥形瓶17输入端连接至中间容器12与岩心2间的气管上，锥形瓶17输出端通过气管依次与气量计18、色谱仪19连接；所述取气阀A14、标准体积室16、取气阀B15依次安装在锥形瓶17的输入端气管上。
本发明的具体实施方法包括以下步骤：
(1)准备气样和仪器
将岩心2放入活塞筒1中，抽真空约半个小时左右。使岩心2、气室6所处系统为真空状态。用地层水对岩心2进行全饱和，之后再用天然气进行驱替，将岩心2中的水驱替出来，建立束缚水完成。
(2)建立实验条件
关闭面板上的所有阀门和压力平衡阀7。打开围压增压阀20，关闭围压降压阀21。用手动加压棒22给活塞筒1加压至实验压力，压力稳定后关闭围压增压阀20。在程序的“配置”菜单内设置实验温度，打开温控仪器3柜面板上的“加热”开关。等待温度，围压稳定，约2.5小时。打开压力平衡阀7，用恒压泵8给气室6加压到实验压力，使围压大于实验压力3兆帕以上，将二氧化碳和天然气分别注入2个中间容器12内。通过自动泵23对天然气及二氧化碳中间容器12增压至实验压力，等待压力稳定。
(3)进行实验
缓慢打开扩散系统C进气阀10，使差压变送器4的值在50KPa内；当差压变送器4的值大于50KPa时，迅速关闭扩散系统C进气阀10。缓慢打开扩散系统D进气阀10，当差压变送器4的值大于50KPa时，迅速关闭扩散系统D进气阀2，缓慢打开扩散系统C进气阀10。重复上述的操作，直到差压变送器的值小于50KPa时，关闭扩散系统C与扩散系统D进气阀10，等待气体进行扩散。
(4)取样
打开取气阀A14，放入定量的气体到标准体积室16内，关闭取气阀A14，缓慢打开取气阀B，使气体进入色谱仪19进行浓度分析。重复取样步骤，直到实验结束。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.含束缚水多孔介质中天然气与CO2扩散系数的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：对活塞筒及中间容器进行清洗并烘干；
步骤二：将岩心放入加持器并抽真空，然后用地层水对岩心进行全饱和，之后再用天然气进行驱替，将岩心中的水驱替出来，建立束缚水；
步骤三：将天然气和CO2输送入气室，通过围压增压阀以及加热装置建立实验温度压力；
步骤四：关闭两端气室阀门等待气体扩散；
步骤五：分别打开天然气端与CO2端取样阀进行取样，进行色谱分析并计算扩散系数。
2.根据权利要求1所述的含束缚水多孔介质中天然气与CO2扩散系数的测试方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：将岩心放入活塞筒中，连接真空泵抽真空半小时，将适量的地层水装入中间容器中，通过驱替泵设置一定的驱替速度使岩心饱和地层水，然后向中间容器中装入适量天然气，利用天然气驱的方式进行气驱水，在岩心内建立束缚水。
3.根据权利要求1所述的含束缚水多孔介质中天然气与CO2扩散系数的测试方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：通过泵先给夹持器加3MPa围压，利用泵将气瓶中的二氧化碳与天然气通过中间容器注入两端气室，建立实验压力，升温至地层温度，用自动泵恒定两端气室压力始终与地层压力保持一致，稳定8至10h，此过程中始终保持围压比内压高3至5MPa。
4.根据权利要求1所述的含束缚水多孔介质中天然气与CO2扩散系数的测试方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：关闭气室阀门，调节进气阀时差压变送器的值小于50KPa，等待气体进行扩散一般在10h以上。
5.根据权利要求1所述的含束缚水多孔介质中天然气与CO2扩散系数的测试方法，其特征在于，所述步骤五中扩散系数的计算方法具体为：
Figure FDA0002997659320000011
而ΔCi＝ΔC1i-ΔC2i，E＝A(1/V1+1/V2)/L，
将式子变形可得到ln(ΔC0/ΔCi)＝DE(ti-t0)，ln(ΔC0/ΔCi)与ti呈线性关系应用最小二乘法拟合，得到斜率S，根据S可以求得岩样中二氧化碳气体的扩散系数：
D＝S/E，
上述式子中，D为二氧化碳气体在岩样中的扩散系数，单位为cm2/s；ΔC0为初始时刻二氧化碳气体在两扩散室中的浓度差，以百分比表示；ΔCi为i时刻二氧化碳气体在两扩散室中的浓度差，以百分比表示；ti为i时刻，单位是s；t0为初始时刻，单位是s；C1i为i时刻二氧化碳气体在甲烷扩散室中的浓度，以百分比表示；C2i为i时刻二氧化碳气体在甲烷扩散室中的浓度，以百分比表示；A为岩样的截面积，单位为cm2；L为岩样的长度，单位为cm；V1V2分别为甲烷扩散室和二氧化碳扩散室容积，单位为cm3；E为中间变量，单位是cm-2；S为斜率，单位为s-1。
6.含束缚水多孔介质中天然气与CO2扩散系数的测试装置，用于权利要求1～5任意一项所述的含束缚水多孔介质中天然气与CO2扩散系数测试方法，其特征在于，包括扩散系统A、扩散系统B、扩散系统C、扩散系统D、采集系统A和采集系统B；所述扩散系统B、扩散系统C、扩散系统D分别通过气管与扩散系统A连接；所述采集系统A和采集系统B分别通过气管连接至扩散系统C、扩散系统D与扩散系统A连接气管上；
所述扩散装置A包括设置在温控仪器(3)中的活塞筒(1)和压力平衡阀(7)、差压变送器(4)、恒压泵(8)；所述活塞筒(1)包括岩心(2)、活塞(5)、气室(6)，所述岩心(2)安置于活塞筒(1)中端，气室(6)分布于岩心(2)两侧，所述气室(6)分别纵向放置有活塞(5)；所述恒压泵(8)输出端通过气管分别与活塞筒(1)两端连接；所述压力平衡阀(7)分别安装在恒压泵(8)与活塞筒(1)之间的连接气管上；所述差压变送器(4)两端通过气管与岩心(2)两端连接；
所述扩散系统B包括围压升压阀(20)、围压降压阀(21)和手动加压棒(22)；所述手动加压棒(22)通过两条气管与活塞筒(1)相连接；所述围压升压阀(20)、围压降压阀(21)分别设置在手动加压棒(22)与活塞筒(1)之间的两条连接气管上；
所述扩散系统C与扩散系统D装置结构相同，包括气瓶(9)、进气阀(10)、气瓶开关(11)、中间容器(12)、中间容器活塞(13)和自动泵(23)，所述中间容器(12)通过气管分别与气瓶(9)、自动泵(23)和岩心(2)连接；所述气瓶开关(11)安装在气瓶(9)出口处；所述进气阀(10)安装在中间容器(12)与岩心(2)之间的连接气管上；所述中间容器活塞(13)横向安装在中间容器(12)内；
所述采集系统A和采集系统B装置结构相同，包括取气阀A(14)、取气阀B(15)、标准体积室(16)、锥形瓶(17)、气量计(18)、色谱仪(19)；所述锥形瓶(17)输入端连接至中间容器(12)与岩心(2)间的气管上，锥形瓶(17)输出端通过气管依次与气量计(18)、色谱仪(19)连接；所述取气阀A(14)、标准体积室(16)、取气阀B(15)依次安装在锥形瓶(17)的输入端气管上。
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