CO2在饱和原油多孔介质中的扩散及影响因素

2019-07-24 01:32秦晓渊任雪霏

石油化工应用 2019年4期

杜林，秦晓渊，任雪霏

（成都理工大学能源学院，四川成都 610059）

温室气体CO2的大量排放已经引起了世界的广泛关注。温室效应已经成为当今社会最为严重的环境问题之一[1]，温室气体的过度排放导致的全球气候变暖已经成为了制约社会可持续发展，威胁沿海城市和岛国安全的主要因素之一[2]。利用CO2进行驱油是一项兼具社会效应和工业效应的提高采收率的技术。一方面，可以利用CO2驱替出地下的原油，创造工业价值；另一方面，可以很大程度地实现CO2埋存与捕集[3]。CO2-EOR的主要机理是通过CO2分子由扩散作用溶解于原油之中，进而起到降黏降稠，增大原油流动能力的作用。CO2在原油中扩散的核心参数为扩散系数[4]。

目前确定CO2在原油中扩散系数的方法主要有直接法[5-8]和间接法[9-18]。直接法是在实验过程中取样，通过对所取样品进行分析获取浓度，从而求解扩散系数的方法。其缺点是破坏扩散过程，操作复杂，设备昂贵等[8]。间接法通过监测系统性能（如压力、液面位置等）随时间的变化确定扩散系数，其操作简便、成本低，在扩散研究中得到广泛应用[9]。本文求取扩散系数的研究方法是间接法。通过将扩散方程和压力进行耦合，建立了扩散系数与压力的关系，通过测定压力的变化求取扩散系数。

本文通过建立CO2在饱和原油的多孔介质中扩散的物理模型和数学模型，并将数学模型与气体状态方程耦合，建立了压降模型，并设计了CO2在饱和原油的多孔介质中扩散实验，利用压降模型拟合实验数据，求得了扩散系数。改变实验温度和压力，研究了温度和压力对扩散系数的影响。

1 模型的建立

1.1 物理模型的建立

CO2在饱和原油的多孔介质中扩散的物理模型（见图1），饱和稠油的多孔介质和CO2在PVT室中接触，CO2在浓度差的作用下，自发向原油中扩散。图1中x为液相中的坐标，hl、hg分别为液相和气相的总高度。

图1 CO2在饱和原油的多孔介质中扩散的物理模型

1.2 数学模型的建立

对上述建立的物理模型作如下的假设：（1）忽略油相的膨胀；（2）扩散过程中体系恒温恒容；（3）扩散系数保持恒定；此外，假设在原油与CO2的界面上，即x=hl处，气体的浓度为平衡浓度且在扩散过程中保持不变，该条件首次由Y.P.Zhang提出，并在其后研究中广泛应用。此外，在扩散室的底部，无CO2通过界面，通量为0。初始状态下，油相中无CO2存在，因此，扩散模型可表示为：

其中：c-气体在稠油中的浓度，mol/L；Deff-CO2在多孔介质中的有效扩散系数，m2/s；t-扩散时间，s；x-位置，m。

解得CO2浓度随坐标时间的变化关系为：

对式（2）在0~hl上进行积分，求得CO2扩散的量随时间的变化关系为：

根据气体状态方程，气体的量、温度、压力之间的关系是：

其中：P-气体的压力，Pa；V-气体的体积，m3；Z-气体的压缩系数，理想气体Z=1；n-气体的量，mol；R-普适气体恒量，为8.31 Pa·m3/（K·mol）；T-温度，K。

假设气体的压缩因子和温度是常数，则设气体在时间t内因扩散物质的量减少量为Δn，根据物质守恒可知M=Δn，则状态方程可化为：

联立式（5）（3），可得：

式（6）即为CO2在饱和稠油的一维岩心中扩散过程的压降模型，从该式可以看出，将实验过程中的压力-时间关系图像进行拟合，可求得CO2在饱和稠油的一维岩心中扩散过程中的扩散系数。

2 扩散实验

2.1 实验材料及装置

依据推导的模型，设计了CO2在饱和稠油的一维岩心中的扩散实验。实验所用的岩心为人造岩心，孔隙度为22.34%，使用的原油的黏温曲线（见图2）。所用的气体为纯度为99.9%的CO2气体。

图2 原油的黏温曲线

在实验中将饱和原油的岩心与CO2安置在扩散室中，使其发生扩散，并监测扩散过程中的压力变化。实验中用的仪器（见图3），其由CO2气瓶、高压活塞泵、中间容器、恒温箱、扩散PVT室和数据采集系统组成，在实验过程中将饱和原油的岩心放置在PVT室中，打开上部阀门，同时利用高压活塞泵将中间容器中的CO2进行加压，使其达到实验所需压力，并以极其缓慢的速度将其泵送至PVT室中岩心上方。在实验过程中，将中间容器和扩散PVT室放置在恒温箱中，用恒温箱加温至实验温度并在实验过程中保持该温度。待实验开始后，CO2和饱和原油的岩心接触，CO2在浓度差的作用下向岩心中扩散，同时记录实验压力。