CN109883889B - 模拟co2在致密基质-裂缝扩散的实验装置及前缘预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了模拟CO₂在致密基质‑裂缝扩散的实验装置及前缘预测方法，本发明在现有技术的基础上，通过改进实验装置，由压裂支撑剂压实条带模拟裂缝，同时采用横向注入的方式(如果是竖向注入，注入过程的压力可能会冲击基质断面，导致基质断面附近原油被挤进基质深部，影响扩散实验精度)，可以减小由于注气时压力冲击影响而导致的潜伏期效应，使得扩散系数的实验测定更为精确。改进后的装置操作简单，更能模拟真实环境，同时，利用实验模型反演预测CO₂浓度场和扩散前缘，避免了扩散过程直接取样获取CO₂浓度时对系统平衡造成的干扰，提高了实验精度。

Description

模拟CO2在致密基质-裂缝扩散的实验装置及前缘预测方法

技术领域

本发明涉及油气田开发工程技术领域，具体的涉及模拟CO2在致密基质-裂缝扩散的实验装置及前缘预测方法。

背景技术

CO₂扩散溶解于原油能够降低原油粘度、界面张力，萃取原油中的轻质组分并使原油体积膨胀，从而提高原油流动性，改善油藏采收率。在CO₂-EOR过程中，分子扩散具有极其重要的作用，CO₂在原油中的扩散系数决定了其在原油中的溶解速率和最终的溶解量，进而影响着提高采收率效果。

致密油藏的开发对于缓解我国石油资源供需紧张局势至关重要，然而由于致密油藏低孔低渗和储层天然能量不足等特征，原油产量很低。同时，由于裂缝发育、存在强烈的应力敏感性和较高的启动压力梯度等原因，常规水驱技术对于致密油藏增产来说效果甚微。实践表明，当CO₂被注入致密油藏，CO₂分子由裂缝扩散进入致密基质，可以将致密基质中的原油排至裂缝，从而有效提高原油采收率。因此，研究油藏条件下CO₂在饱和油致密基质-裂缝系统中的扩散系数以及CO₂扩散行为对提高采收率效果的影响规律成为一个重要的研究方向。

在传统CO₂扩散系数实验测定过程中，由于注气时潜伏期效应的影响，使得潜伏期阶段CO₂扩散系数远远大于后面的阶段，增大了扩散系数实验测定误差。所谓潜伏期效应是指气体扩散前缘从扩散开始到抵达岩心底部这一过程中，在扩散的开始阶段，由于注气时油气两相所产生的波动会产生对流扩散效应，并且在扩散伊始，CO₂与岩心表面处饱和的原油刚接触时需要建立一个稳定的气液界面边界条件，存在一个CO₂溶解到岩心表面油样中的过程。目前，对于潜伏期的研究很少，《Measurement of Gas Diffusivity in HeavyOils》一文中采用数值拟合方法对潜伏期进行了修正，通过数值拟合得到了CO₂在稠油中的扩散系数。另一方面，对于CO₂扩散过程中的浓度场及扩散前缘的研究，目前主要通过沿程取样后色谱分析直接获得CO₂浓度值，但是取样会对系统平衡造成干扰，影响实验精度；而目前对于扩散前缘的研究甚少。

发明内容

针对上述问题，本发明提供模拟CO₂在致密基质-裂缝扩散的实验装置及前缘预测方法，其目的在于研究注入流体从裂缝向致密基质中渗吸、扩散现象。

本发明采用下述的技术方案：

模拟CO₂在致密基质-裂缝扩散的实验装置，包括高压气瓶、注入泵、中间容器、岩心夹持器、恒温箱、回压泵，所述中间容器的下端连接注入泵，上端连接高压气瓶，所述岩心夹持器内的底部设有致密岩心，致密岩心的上端设有压裂支撑剂压实带，所述压裂支撑剂压实带的左右端面处的岩心夹持器筒壁端面上分别设有左通孔、右通孔，所述左通孔与中间容器的上端相连，右通孔与回压泵相连，回压泵的另一端设有油气分离与计量器；所述岩心夹持器的上端设有压力传感器，右端设有围压泵。

优选的，所述注入泵为恒速恒压泵，所述压裂支撑剂压实带为高渗岩心或陶粒中的一种。

优选的，所述压力传感器通过数据采集卡与电脑相连。

优选的，所述高压气瓶与中间容器连接的管路上设有第一阀门；中间容器与左通孔连接的管路上设有第三阀门；右通孔与回压泵连接的管路上设有第五阀门；压力传感器与岩心夹持器连接的管路上设有第四阀门。

优选的，所述中间容器和岩心夹持器均设置在恒温箱内。

优选的，所述油气分离与计量器包括：气液分离器和气体计量器，气液分离器与气体计量器通过管路相连，所述气液分离器为带有刻度的量筒，顶端橡胶塞密封。

利用模拟CO₂在致密基质-裂缝扩散的实验装置的前缘预测方法，包括如下步骤：

A、对实验装置中的管路进行清洗并干燥，连接好实验装置并检查装置的气密性，使所有阀门处于关闭状态；调节恒温箱的温度至75℃；

B、将致密岩心抽真空后饱和原油并计量饱和的原油体积，然后将其放置于岩心夹持器内底部，将根据致密油藏实际压裂工艺设计中支撑剂尺度折算所需渗透率的压裂支撑剂压实带置于致密岩心顶部，其直径与致密岩心相同；

C、将CO₂导入中间容器中，使中间容器的压力达到16.44MPa并保持稳定，回压泵(15)压力与中间容器压力设置相同，岩心夹持器的围压较中间容器压力高2MPa，防止泄露；

D、打开第三阀门，通过注入泵恒速向岩心夹持器注入CO₂，使岩心夹持器的压力达到16.44MPa后，关闭第三阀门，开始扩散实验，记录岩心夹持器的压力变化，当岩心夹持器的压力逐步降低并保持稳定后扩散实验结束,清理装置；

E、根据压力传感器记录的岩心夹持器的压力-时间数据，绘制实验压降曲线；

F、根据扩散实验物理模型建立扩散数学模型式，结合真实气体状态方程和质量守恒定律，将系统压力与扩散过程作联系，计算得到扩散系数；

G、通过无因次格式将扩散数学模型式无因次化后求无因次解，利用Matlab 编程计算得到CO₂扩散到不同空间点和时间点的无量纲浓度值；通过无因次格式、扩散模型反演求得CO₂实际扩散距离和时间，并预测CO₂扩散的空间浓度场及扩散前缘。

优选的，所述压裂支撑剂压实带左右端面的中心分别与左通孔、右通孔对齐。

优选的，所述CO₂扩散前缘为扩散后的浓度为初始浓度5％时所对应的位置。

本发明的有益效果是：

本发明提供模拟CO₂在致密基质-裂缝扩散的实验装置及前缘预测方法，该装置结构简单，操作方便，由压裂支撑剂压实条带模拟裂缝，同时采用横向注入方式(竖向注入：注入过程的压力可能会冲击基质断面，导致基质断面附近原油被挤进基质深部，影响扩散实验精度)，可以减小由于注气时压力冲击影响而导致的潜伏期效应，使得扩散系数的实验测定更为精确。同时，利用模型反演预测CO₂浓度场和扩散前缘，避免了扩散过程直接取样获取CO₂浓度时对系统平衡造成的干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明岩心夹持器压力-时间数据实验压降曲线示意图；

图3为本发明岩心夹持器压力-时间数据压降曲线拟合示意图；

图4为本发明不同时间CO₂扩散前缘(无量纲浓度等于0.05所对应的位置) 示意图；

图5为本发明30天时CO₂空间浓度场示意图；

图6为本发明60天时CO₂空间浓度场示意图；

图7为本发明90天时CO₂空间浓度场示意图；

图8为本发明120天时CO₂空间浓度场示意图；

图9为本发明致密基质-裂缝CO2扩散物理模型结构示意图。

图中所示：

其中，1-高压气瓶，2-注入泵，3-中间容器，4-第一阀门，6-第三阀门，7-第四阀门，8-第五阀门，9-压力传感器，10-压裂支撑剂压实带，11-致密岩心，12-岩心夹持器，13-恒温箱，14-围压泵，15-回压泵，16-油气分离与计量器，17—左通孔，18—右通孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，模拟CO₂在致密基质-裂缝扩散的实验装置，包括高压气瓶1、注入泵2、中间容器3、岩心夹持器12、恒温箱13、回压泵15，所述中间容器3的下端通过管路连接注入泵2，注入泵2为恒速恒压泵，上端通过管路连接高压气瓶1，所述岩心夹持器12内的底部设有致密岩心11，致密岩心11的上端设有压裂支撑剂压实带10(陶粒)，所述陶粒的左右端面处的岩心夹持器12筒壁端面上分别设有左通孔17、右通孔18，所述左通孔17通过管路与中间容器3 的上端相连，右通孔18通过管路与回压泵15相连，回压泵15的另一端通过管路与油气分离与计量器16相连，所述油气分离与计量器16包括：气液分离器和气体计量器，气液分离器与气体计量器通过管路相连，所述气液分离器为带有刻度的量筒，顶端橡胶塞密封。所述岩心夹持器12的上端设有压力传感器9，所述压力传感器9通过数据采集卡与电脑相连，岩心夹持器12的右端设有围压泵14。

所述高压气瓶1与中间容器3连接的管路上设有第一阀门4；中间容器3与左通孔17连接的管路上设有第三阀门6；右通孔18与回压泵15连接的管路上设有第五阀门8；压力传感器9与岩心夹持器12连接的管路上设有第四阀门7，所述中间容器3和岩心夹持器12均设置在恒温箱13内。

利用模拟CO₂在致密基质-裂缝扩散的实验装置的前缘预测方法，包括如下步骤：

A、对实验装置中的管路进行清洗并干燥，连接好实验装置并检查装置的气密性，使所有阀门处于关闭状态；调节恒温箱13的温度至75℃；

B、将致密岩心11抽真空后饱和原油并计量饱和的原油体积，然后将其放置于岩心夹持器12内底部，将根据致密油藏实际压裂工艺设计中支撑剂尺度折算所需渗透率的压裂支撑剂压实带10(陶粒)置于致密岩心11顶部，其直径与致密岩心11相同；陶粒左右端面的中心分别与左通孔17、右通孔18对齐。

C、将CO₂导入中间容器3中，使中间容器3的压力达到16.44MPa并保持稳定，回压泵15压力与中间容器3压力设置相同，围压泵14的压力较岩心夹持器12的压力高2MPa，防止泄露；

D、打开第三阀门6，通过注入泵2恒速向岩心夹持器12注入CO₂，使岩心夹持器12的压力达到16.44MPa后，关闭阀门6，开始扩散实验，记录岩心夹持器12的压力变化，当岩心夹持器12的压力逐步降低并保持稳定后扩散实验结束,清理装置；

E、通过与压力传感器9相连的电脑记录岩心夹持器12的压力-时间数据(如表1所示)，绘制实验压降曲线(如图2所示)。

表1岩心夹持器实验压力-时间数据表

F、根据扩散实验物理模型(如图9所示)建立扩散数学模型式，设模型建立的条件如下：

a、致密岩心是匀质结构；

b、气体扩散系数在整个扩散实验过程中保持恒定；

c、只考虑孔隙介质内的分子扩散，忽略自然对流引起的对流扩散；

d、不考虑实验条件下油样蒸发进入气相的影响；

e、忽略实验中因气体溶解而产生的液相体积膨胀影响，即忽略由体积膨胀引起的对流扩散；

f、不考虑气液界面的传质阻力，气液界面处的浓度在实验过程中保持恒定。

建立扩散数学模型式如下：

公式(1)中，c为CO₂浓度，单位：mol/m³,；c₀为实验温度、压力下致密岩心表面CO₂初始扩散浓度，单位：mol/m³；t为时间，单位：s；x为CO₂扩散距离，单位：m；D为CO₂在致密基质中的扩散系数，单位：m²/s；L为致密岩心高度，单位：m，L优选为L＝0.05m。

对公式(1)求导：

结合真实气体状态方程和质量守恒定律，将系统压力与扩散过程联系起来，有关系式：

公式(3)中，V_g表示气相CO₂体积；Z_g表示真实气体压缩因子；R表示摩尔气体常数；T表示实验温度；A表示气液界面横截面积；P(t)表示不同时间所对应的气相压力。

对公式(2)进行微积分求解得到：

公式(4)中，P_eq表示扩散平衡时刻的压力；对公式(4)进行修正，表达为无穷级数的形式：

对于长时间的扩散过程来说，更高级的级数对于整体的结果影响可以忽略，因此取无穷级数的前两项，即得到理论计算压降曲线公式，

由理论计算压降曲线(公式6)对步骤E中所绘制的实验压降曲线拟合，同时对潜伏期进行修正，修正后的压降曲线拟合如图3所示，结合表1中的数据计算得到:P_eq＝14.61641，m₁＝0.96259，k₁＝70.58592，m₂＝0.96259，k₂＝70.58588, R²＝0.98777,计算得到扩散系数：

G、定义CO₂扩散前缘为：当前CO₂浓度为初始位置浓度的5％所对应的扩散距离。通过无因次格式：

将扩散数学模型公式(1) 无因次化：

公式(8)中，C表示无因次浓度；Z表示无因次距离；T表示无因次时间。求解无因次模型(8)得到无因次解：

根据公式(9)，利用Matlab编程计算得到CO₂扩散到不同空间点和时间点的无量纲浓度值；通过无因次格式

求得CO₂实际扩散距离和时间，并预测CO₂扩散的空间浓度场(如图5-图8所示)及扩散前缘(如图4所示)。定义扩散前缘为：当前浓度为初始浓度的5％所对应的位置，即无量纲浓度C/C₀＝0.05所对应的位置。在图4中即为浓度曲线与x轴的交点所对应的距离，从图中可以看出，随着时间的增加，CO₂不断向致密岩心底部扩散。经过120天(无因次时间T＝0.688)的时间，扩散前缘前进了0.037m(无因次距离Z＝0.74)。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.模拟CO₂在致密基质-裂缝扩散的实验装置，其特征在于，包括高压气瓶(1)、注入泵(2)、中间容器(3)、岩心夹持器(12)、恒温箱(13)、回压泵(15)，所述中间容器(3)的下端连接注入泵(2)，上端连接高压气瓶(1)，所述岩心夹持器(12)内的底部设有致密岩心(11)，致密岩心(11)的上端设有压裂支撑剂压实带(10)，所述压裂支撑剂压实带(10)的左右端面处的岩心夹持器(12)筒壁端面上分别设有左通孔(17)、右通孔(18)，所述左通孔(17)与中间容器(3)的上端相连，右通孔(18)与回压泵(15)相连，回压泵(15)的另一端设有油气分离与计量器(16)；所述岩心夹持器(12)的上端设有压力传感器(9)，右端设有围压泵(14)；

所述高压气瓶(1)与中间容器(3)连接的管路上设有第一阀门(4)；中间容器(3)与左通孔(17)连接的管路上设有第三阀门(6)；右通孔(18)与回压泵(15)连接的管路上设有第五阀门(8)；压力传感器(9)与岩心夹持器(12)连接的管路上设有第四阀门(7)；所述中间容器(3)和岩心夹持器(12)均设置在恒温箱(13)内。

2.根据权利要求1所述的模拟CO₂在致密基质-裂缝扩散的实验装置，其特征在于，所述注入泵(2)为恒速恒压泵，所述压裂支撑剂压实带(10)为高渗岩心或陶粒中的一种。

3.根据权利要求1所述的模拟CO₂在致密基质-裂缝扩散的实验装置，其特征在于，所述压力传感器(9)通过数据采集卡与电脑相连。

4.根据权利要求1所述的模拟CO₂在致密基质-裂缝扩散的实验装置，其特征在于，所述油气分离与计量器(16)包括：气液分离器和气体计量器，气液分离器与气体计量器通过管路相连，所述气液分离器为带有刻度的量筒，顶端橡胶塞密封。

5.利用模拟CO₂在致密基质-裂缝扩散的实验装置的前缘预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、对实验装置中的管路进行清洗并干燥，连接好实验装置并检查装置的气密性，使所有阀门处于关闭状态；调节恒温箱(13)的温度至75℃；

B、将致密岩心(11)抽真空后饱和原油并计量饱和的原油体积，然后将其放置于岩心夹持器(12)内底部，将根据致密油藏实际压裂工艺设计中支撑剂尺度折算所需渗透率的压裂支撑剂压实带(10)置于致密岩心(11)顶部，其直径与致密岩心(11)相同；

C、将CO₂导入中间容器(3)中，使中间容器(3)的压力达到16.44MPa并保持稳定，回压泵(15)压力与中间容器(3)压力设置相同，岩心夹持器(12)的围压较中间容器压力高2MPa，防止泄露；

D、打开第三阀门(6)，通过注入泵(2)恒速向岩心夹持器(12)注入CO₂，使岩心夹持器(12)的压力达到16.44MPa后，关闭第三阀门(6)，开始扩散实验，记录岩心夹持器(12)的压力变化，当岩心夹持器(12)的压力逐步降低并保持稳定后扩散实验结束,清理装置；

E、根据压力传感器(9)记录的岩心夹持器(12)的压力-时间数据，绘制实验压降曲线；

F、根据扩散实验物理模型建立扩散数学模型式，结合真实气体状态方程和质量守恒定律，将系统压力与扩散过程作联系，计算得到扩散系数；

所述扩散数学模型式如下：

公式(1)中，c为CO₂浓度，单位：mol/m³,；c₀为实验温度、压力下致密岩心表面CO₂初始扩散浓度，单位：mol/m³；t为时间，单位：s；x为CO₂扩散距离，单位：m；D为CO₂在致密基质中的扩散系数，单位：m²/s；L为致密岩心高度，单位：m，L优选为L＝0.05m；

G、通过无因次格式将扩散数学模型公式无因次化后求无因次解，利用Matlab编程计算得到CO₂扩散到不同空间点和时间点的无量纲浓度值；通过无因次格式、扩散模型反演求得CO₂实际扩散距离和时间，并预测CO₂扩散的空间浓度场及扩散前缘。

6.根据权利要求5所述的利用 模拟CO₂在致密基质-裂缝扩散的前缘预测方法，其特征在于，所述压裂支撑剂压实带(10)左右端面的中心分别与左通孔(17)、右通孔(18)对齐。

7.根据权利要求5所述的利用 模拟CO₂在致密基质-裂缝扩散的前缘预测方法，其特征在于，所述CO₂扩散前缘为扩散后的浓度为初始浓度5％时所对应的位置。

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