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一種應用ct測量多孔介質中二氧化碳擴散系數(shù)的裝置與方法
【專利摘要】一種應用CT測量多孔介質中氣體擴散系數(shù)的裝置與方法，屬于石油開采工程【技術領域】。該裝置包括CT掃描成像系統(tǒng)和CO2擴散系統(tǒng)，CT成像系統(tǒng)包括通用型X射線CT掃描裝置與數(shù)據(jù)處理計算機；CO2擴散系統(tǒng)包括高壓容器、注氣泵、氣瓶、注氣泵控溫裝置、高壓容器控溫裝置、真空泵、壓力傳感器和溫度傳感器，其中高壓容器放置于CT掃描裝置內部，高壓容器的入口通過注氣泵與氣瓶相連。測定時，首先利用CT掃描裝置獲得高壓容器內部的CT圖像，通過CT圖像的信號值分析出飽和油多孔介質中二氧化碳濃度的變化，計算出二氧化碳在飽和油多孔介質中的擴散系數(shù)。該方法增進對氣與油的兩相擴散規(guī)律的認識，為氣液在多孔介質中擴散過程的研究提供基礎物性數(shù)據(jù)。
【專利說明】一種應用CT測量多孔介質中二氧化碳擴散系數(shù)的裝置與方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應用CT測量多孔介質中二氧化碳擴散系數(shù)的裝置與方法，屬于石油開米工程【技術領域】。
【背景技術】
[0002]自上世紀80年代后，大量實驗證明二氧化碳是一種有效的驅油劑。CO2在我國石油開采中有著巨大的應用潛力。在CO2-EOR (提高采收率)項目中，需要根據(jù)氣體擴散系數(shù)確定注入氣體在油中溶解速度；在CO2地質封存過程中，擴散系數(shù)的測定對于工程設計、風險評估、經濟評價和性能預測等方面都是必要的數(shù)據(jù)。因此對CO2在多孔介質中的擴散過程進行研究是十分重要的。
[0003]測量擴散系數(shù)的方法主要包括直接法和間接法兩大類。直接法可以在擴散過程中直接測量擴散相的濃度分布，但是這類方法相對經濟性差，測量過程復雜，并且通常樣品的內部環(huán)境會遭到破壞。作為可替代的方法，幾種通過測量其它參數(shù)來計算擴散系數(shù)的間接方法已得到廣泛認可。這些參數(shù)可以是溶液體積的變化速率、氣液界面的運動速率或者擴散系統(tǒng)的壓力變化等。但是這些間接方法需要準確建立測量參數(shù)與擴散相濃度的關系，并且需要對被測量參數(shù)進行精確測量。盡管間接測量法優(yōu)于直接測量法，但是仍然存在較大的局限性。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明旨在開發(fā)一種應用CT測量多孔介質中二氧化碳擴散系數(shù)的裝置與方法。該方法利用CT掃描獲得特定溫度和壓力下氣體在飽和油的多孔介質中擴散過程的密度變化，結合片層孔隙度確定多孔介質每個片層的二氧化碳相對濃度，進而利用菲克第二定律計算任意位置的擴散系數(shù)。
[0005]本發(fā)明的技術方案是:
[0006]一種應用CT測量多孔介質中二氧化碳擴散系數(shù)的裝置，包括CT掃描成像系統(tǒng)和CO2擴散系統(tǒng)，CT掃描成像系統(tǒng)包括通用型X射線CT掃描裝置與數(shù)據(jù)處理計算機；co2擴散系統(tǒng)包括一個高壓容器、注氣泵、氣瓶、注氣泵控溫裝置、高壓容器控溫裝置、真空泵、壓力傳感器和溫度傳感器，其中高壓容器放置于CT掃描裝置內部，高壓容器的入口通過注氣泵與氣瓶相連，注氣泵和高壓容器之間連接真空泵和排氣針閥；利用注氣泵控溫裝置對注氣泵進行外部控溫，利用高壓容器控溫裝置對高壓容器進行外部控溫；擴散系統(tǒng)的壓力和溫度分別采用壓力傳感器和溫度傳感器進行測量。
[0007]所述的一種應用CT測量多孔介質中二氧化碳擴散系數(shù)的方法包括以下步驟:
[0008](I)向高壓容器內裝入飽和油的多孔介質，再將高壓容器放入CT掃描裝置內部；
[0009](2 )連接好管路，打開第二針閥、第三針閥，開啟真空泵，抽真空30分鐘后停止，關閉第二針閥、第三針閥，開啟高壓容器控溫裝置對高壓容器進行控溫；[0010](3)打開氣瓶和第一針閥，向注入泵中充入實驗氣體(二氧化碳)后，關閉第一針閥，開啟注氣泵控溫裝置，向高壓容器中注入工作氣體；
[0011](4)打開第二針閥，利用注入泵向高壓容器內充入工作氣體至實驗壓力，并保持恒壓；利用壓力傳感器和溫度傳感器記錄壓力和溫度，利用CT掃描裝置對高壓容器內飽和油的多孔介質掃描得到CT圖像，然后每隔半小時進行一次掃描拍攝直至結束；
[0012](5)對所得到的CT圖像的信號值進行分析處理，結合片層孔隙度確定多孔介質每個片層的二氧化碳相對濃度，進而利用菲克第二定律計算任意位置的擴散系數(shù)；
[0013](6)此步驟是為了進一步詳細說明步驟(5)處理方法。由于模擬巖心與油的密度不同，根據(jù)CT掃描成像原理可以得到只有模擬巖心和油存在的兩個波峰的信號值分布圖，在CT圖像中的信號值分布中設定一個閾值，利用MATLAB可以計算出每一片層的孔隙度，再利用式①
[0014]CTsand+oil- (1~ Φ) CTsand+ Φ CToil ① a
[0015]CTsand+c02+oil- (1- Φ) CTsand+ Φ CTc
02+oil ①b
[0016]計算出每一片層的油的信號值，去除模擬巖心的信號干擾。由于二氧化碳擴散后油的密度變化與二氧化碳在油中的濃度成線性關系，假設二氧化碳與油接觸面為充分擴散的狀態(tài)，則以界面處的二氧化碳濃度為標準，將每一片層處理后油的信號值與界面處油信號值相比得到二氧化碳相對濃度，見式②
【權利要求】
1.一種應用CT測量多孔介質中二氧化碳擴散系數(shù)的裝置，包括CT掃描成像系統(tǒng)和CO2擴散系統(tǒng)，CT掃描成像系統(tǒng)包括通用型X射線CT掃描裝置(I)與數(shù)據(jù)處理計算機(6);其特征在于:C02擴散系統(tǒng)包括高壓容器(2)、注氣泵(3)、氣瓶(4)、注氣泵控溫裝置(5a)、高壓容器控溫裝置(5b)、真空泵(7)、壓力傳感器(9)和溫度傳感器(10)，其中高壓容器(2)放置于CT掃描裝置(I)內部，高壓容器(2)的入口通過注氣泵(3)與氣瓶(4)相連，注氣泵(3)和高壓容器(2)之間連接真空泵(7)和排氣針閥(8d);利用注氣泵控溫裝置(5a)對注氣泵(3)進行外部控溫，利用高壓容器控溫裝置(5b)對高壓容器(2)進行外部控溫；擴散系統(tǒng)的壓力和溫度分別采用壓力傳感器(9)和溫度傳感器(10)進行測量。
2.應用權利要求1所述的裝置測量多孔介質中二氧化碳擴散系數(shù)的方法，其特征在于包括以下步驟: O向高壓容器(2)內裝入飽和油的多孔介質，再將高壓容器(2)放入CT掃描裝置(I)內部； 2)連接好管路，打開第二針閥(Sb )、第三針閥(Sc )，開啟真空泵(7 )，抽真空30分鐘后停止，關閉第二針閥(Sb)、第三針閥(Sc)，開啟高壓容器控溫裝置(5b)對高壓容器(2)進行外部控溫； 3)打開氣瓶(4)和第一針閥(8a)，向注入泵(3)中充入實驗氣體(二氧化碳)后，關閉第一針閥(8a)，開啟注氣泵控溫裝置(5a)，向高壓容器(2)中注入工作氣體； 4)打開第二針閥(8b)，利用注入泵(3)向高壓容器(2)內充入工作氣體至實驗壓力，并保持恒壓；利用壓力傳感器(9)和溫度傳感器(10)記錄壓力和溫度，利用CT掃描裝置(I)對高壓容器(2)內飽和油的多孔介質掃描得到CT圖像，然后每隔半小時進行一次掃描拍攝直至結束； 5)對所得到的CT圖像的信號值進行分析處理，結合片層孔隙度確定多孔介質每個片層的二氧化碳相對濃度，進而利用菲克第二定律計算任意位置的擴散系數(shù)； 6)改變注入泵壓力，重復步驟(I)- (5)，得到不同壓力下二氧化碳在飽和油多孔介質中的擴散系數(shù)。
【文檔編號】G01N13/00GK103884628SQ201410096587
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月14日 優(yōu)先權日:2014年3月14日
【發(fā)明者】劉瑜, 湯凌越, 宋永臣, 蔣蘭蘭, 趙越超, 趙佳飛, 呂鵬飛, 劉樹陽 申請人:大連理工大學