本發(fā)明涉及擴散系數(shù)測定，尤其涉及一種追蹤co2-天然氣-水數(shù)值擴散方法及擴散系數(shù)測定方法。

背景技術(shù)：

1、邊底水氣藏衰竭生產(chǎn)過程中，受儲層非均質(zhì)性影響，邊底水會選擇性侵入，形成多種形式的水封氣，造成儲量損失，嚴重影響氣藏開發(fā)效果。當氣藏發(fā)生水侵后，水侵區(qū)域地層中出現(xiàn)氣水兩相流，兩相流增加了氣相滲流阻力，造成氣藏廢棄壓力增大。對于水體較為活躍的邊水氣藏，氣井生產(chǎn)時出水現(xiàn)象是早晚要出現(xiàn)的。在水侵入產(chǎn)氣層段后，氣相相對滲透率降低，氣井產(chǎn)能大幅下降。氣井出水后，井筒內(nèi)流體密度加大，井筒舉升壓力損失增大，嚴重時造成氣井停噴。

2、注氣控水是指向油氣藏特定的位置注入co2、n2、煙道氣等氣體，抑制水侵。在油藏高溫高壓條件下，注入氣體的相態(tài)會發(fā)生改變，形成超臨界狀態(tài)。超臨界狀態(tài)介于氣體和液體之間，可兼有氣體和液體的雙重特性，即密度接近液體，粘度又與氣體相似，擴散系數(shù)為液體的10-100倍，具有良好的傳質(zhì)特性，并具有很強的溶解能力和良好的流動、輸運性能。超臨界流體具有高度可壓縮性，但壓縮時并不能產(chǎn)生液相，只能增加其密度，另外，超臨界流體表面張力接近零并具有優(yōu)良的傳質(zhì)性能，使其向多孔介質(zhì)中的滲透擴散更為容易。

3、注氣控水的關(guān)鍵是co2在水侵氣藏儲層中的擴散能力。co2在不同含水飽和度和天然氣含量的多孔巖石介質(zhì)中的擴散速度對注co2抑制水侵具有決定性作用。此外，注氣控水同時可實現(xiàn)二氧化碳地質(zhì)封存，而在此過程中，co2時刻處于動態(tài)的擴散狀態(tài)，直至達到平衡。為了評估注氣控水的可行性、有效性、安全性，需要測定和評價二氧化碳在含地層水氣藏中向天然氣中的擴散系數(shù)。

4、現(xiàn)有技術(shù)中，因為氣-液間的擴散較為緩慢，在低壓條件下通常用間接法測定氣-液間的擴散系數(shù)。目前，在氣水界面處co2在氣-水間擴散系數(shù)仍未開展研究；在氣藏條件下精確壓力監(jiān)測非常困難，評價方法也不成熟。

5、因此，亟待提出一種追蹤co2-天然氣-水數(shù)值擴散方法及擴散系數(shù)測定方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明提出了一種追蹤co2-天然氣-水數(shù)值擴散方法及擴散系數(shù)測定方法。

2、第一方面，本發(fā)明提出了一種追蹤co2-天然氣-水數(shù)值擴散方法，其特征在于，包括以下步驟：

3、s1：建立天然氣-co2-水體系中co2擴散的機理模型；

4、s2：將co2-天然氣-水擴散分為第一擴散階段和第二擴散階段；所述第一擴散階段為co2在天然氣中的擴散；所述第二擴散階段為co2進入水界面時，co2在天然氣相和水相中同時擴散；

5、s3：設定第一擴散階段的邊界條件和初始條件，建立第一擴散階段的數(shù)學模型；得到co2在天然氣中的擴散為不同時間天然氣-co2交接界面位置lg1(t)的函數(shù)關(guān)系為：

6、

7、其中，z為co2-天然氣-水體系中的某一高度值，m；

8、t為co2的擴散時間，s；

9、cg為co2在天然氣相中的濃度，mol/m3

10、cg(z,t)為co2在天然氣相中z高度、t時間的濃度，mol/m3；

11、tg為co2第一階段擴散結(jié)束的時間，s；

12、lg1為co2第一擴散階段結(jié)束時，co2到達天然氣相中的位置，m；

13、s4：設定第二擴散階段的邊界條件和初始條件，建立第二擴散階段的數(shù)學模型；得到co2在天然氣相和水相中的擴散差分方程：

14、

15、其中，z為co2-天然氣-水體系中的某一高度值，m；

16、t為co2的擴散總時間，s；

17、zg為天然氣相的初始高度為zg；

18、lg2為第二擴散階段結(jié)束時，co2到達天然氣相中的位置，m；

19、t為第二擴散階段的co2擴散時間，s；

20、s5：建立二維網(wǎng)格塊模型，基于移動網(wǎng)格追蹤co2在天然氣-co2-水體系中的擴散方式，具體地，co2天然氣的擴散作用使得網(wǎng)格縱向的尺寸隨著時間的推移而產(chǎn)生膨脹效應，網(wǎng)格塊的塊數(shù)迭代過程保持不變離散化；co2-天然氣的底部和頂部的網(wǎng)格節(jié)點數(shù)分別為0和n+1；n為不為0的整數(shù)；

21、s6：采用runge-kutta求解，模擬co2在天然氣與水界面處的擴散過程。

22、作為本發(fā)明的具體實施方式，所述步驟s1中，所述co2-天然氣-水體系中co2擴散的機理模型，co2在中間，上部為天然氣相，下部為水相；和/或，

23、所述天然氣相頂部為0；

24、所述co2與天然氣初始接觸界面高度為zg；

25、所述天然氣相的初始高度為zg；

26、所述初始水的高度+初始co2的高度+初始天然氣的高度，就是總高度為zt；

27、所述co2的初始高度為zw-zg；

28、所述水相的初始高度zt-zw；

29、所述水與co2接觸的初始界面高度是zw。

30、作為本發(fā)明的具體實施方式，所述步驟s3和s4中，各自獨立地假設條件為：①體系溫度保持恒定不變；②co2與天然氣之間的濃度為平衡濃度ceq；③co2在水中的擴散系數(shù)為dw，在天然氣相中的擴散系數(shù)為dg，其中dw和dg為常數(shù)；④體系中的對流擴散忽略不計；⑤不考慮天然氣在水相中的擴散；⑥不考慮水相的壓縮并忽略co2在水中的膨脹作用。

31、作為本發(fā)明的具體實施方式，所述步驟s3中，第一擴散階段：co2在天然氣中的擴散，時間節(jié)點為：以注入co2后為擴散開始節(jié)點，到co2開始向水中擴散為止；其中co2向天然氣擴散是從zg向上擴散；

32、初始條件：

33、cg(z，0)＝0，0＜z＜lg1(t)

34、邊界條件：如果z＝0時，說明co2已經(jīng)到達天然氣頂部，這時不考慮co2的反擴散；差分方程為：

35、

36、此時，co2與天然氣之間完全混合的平衡濃度為：：

37、cg(lg(t)，t)＝ceq，0＜t＜tg

38、當co2擴散到天然氣相時，壓力降低，導致co2、天然氣狀態(tài)變化。co2向天然氣擴散是從zg向上擴散，co2向水擴散是從zw向下擴散，為了描述了擴散過程中的狀態(tài)采用狀態(tài)方程。

39、co2天然氣接觸界面移動速度用下式表示：

40、

41、其中，ρco2為co2密度，kg/m3；

42、mco2為co2摩爾質(zhì)量，kg/mol；

43、為擴散到天然氣相中的速度。

44、作為本發(fā)明的具體實施方式，所述步驟s4中，co2同時擴散到天然氣和水里面，以co2開始向水中擴散的時間點為開始結(jié)點；此時，co2同時在天然氣相中和水相中。用以下差分方程描述co2在兩相中的擴散：

45、

46、其中，z為co2-天然氣-水體系中的某一高度值，m；

47、t為co2的擴散總時間，s；

48、zg為天然氣相的初始高度為zg；

49、lg2為第二擴散階段結(jié)束時，co2到達天然氣相中的位置，m；

50、t為第二擴散階段的co2擴散時間，s；

51、初始條件：在所述第一擴散階段結(jié)束時，cg表征公式為：

52、cg(z，t＝0)＝f(z)，zg＜z＜lg(t)

53、其中，f(z)為co2在天然氣中的濃度；

54、假設條件：在天然氣相中，co2擴散到某一位置時，co2濃度假設為cz，并隨時間增加而增加，用cz表征cg：

55、cg(zg，t)＝cz，t＞0

56、在天然氣相中，co2與天然氣完全混合后co2濃度為平衡濃度ceq，用下式表示：

57、cg(lg2(t)，t)＝ceq，t＝t-tg＞0

58、co2在第二擴散階段，以co2開始在水中擴散為開始節(jié)點；以co2不在水里及天然氣中擴散為結(jié)束節(jié)點，用fick定律標準：

59、

60、其中，dw為co2在水中的擴散系數(shù)，單位：m2/s；

61、cw(z，t)是z高度、t時刻，co2在水相中的摩爾濃度，單位：mol/m3；

62、初始條件，水相中沒有co2：

63、cw(z，t)|t＝0＝0

64、第二擴散階段中，co2在天然氣和水中的濃度關(guān)系用下式表示：

65、cw(z，t)|z＝zw＝kpccg(z，t)|z＝zw＝kpccz，t＞0

66、其中，kpc為co2在天然氣-水界面處co2在天然氣和水中的劈分系數(shù)；這是因為第二擴散階段結(jié)束時，co2一部分進入天然氣中，一部分進入水中，kpc定義為co2在水相中的濃度與在co2天然氣中的濃度比。

67、進一步，公式簡化為：

68、

69、邊界條件，第二擴散結(jié)束時，co2濃度平衡，表達式為：

70、

71、和/或，在第二擴散階段中，co2在天然氣相中的濃度cz隨時間增加而增加，與時間的關(guān)系式可以用指數(shù)函數(shù)表示。因此，cz與時間的關(guān)系式為：

72、

73、其中，k是常數(shù)，

74、co2在天然氣相中的濃度為：

75、

76、第二方面，本發(fā)明提供了一種co2-天然氣-水擴散系數(shù)測定的評價方法，其特征在于，包括以下步驟：

77、?。簩⒅鶢顜r心放入巖心飽和地層水中，從頂部注入天然氣，使巖心中含水飽和度達到儲層含水飽和度值，并在巖心壓力達到儲層壓力值時，斷開氣源；

78、ⅱ：從巖心底部注入水，頂部排出與所述注入的水體積相同的天然氣，模擬生產(chǎn)過程中氣藏水侵過程，達到實驗模擬的氣水界面處，斷開水源，停止頂部產(chǎn)氣；

79、ⅲ：在巖心氣水界面處注入co2，頂部排出同樣體積天然氣，當co2注入到提前計算的co2注入體積量后，斷開水源，停止頂部產(chǎn)氣；

80、ⅳ：開展co2-天然氣擴散實驗，檢測記錄壓力的變化；

81、ⅴ：在不同的時間點，利用氣相色譜法檢測兩個巖心夾持器非連通端的氣體組分濃度；

82、ⅵ：采用所述的基于移動網(wǎng)格精細追蹤的co2-天然氣-水數(shù)值擴散方法獲得co2-天然氣-水擴散系數(shù)；

83、ⅶ：采用runge-kutta求解。

84、作為本發(fā)明的具體實施方式，所述步驟ⅰ中，所述儲層含水飽和度值和儲層壓力值為實際儲層的數(shù)據(jù)，經(jīng)實驗測得。

85、作為本發(fā)明的具體實施方式，其特征在于，所述步驟ⅱ中，所述實驗模擬的氣水界面處是根據(jù)實際儲層水侵特點，設計模擬氣水界面高度值。

86、作為本發(fā)明的具體實施方式，所述步驟ⅲ中，所述擴散實驗待非連通端的氣體組分濃度相同或等時間間隔獲取至少10組氣體組分濃度時，停止擴散實驗。

87、第三方面，本發(fā)明提供了所述基于移動網(wǎng)格精細追蹤的co2-天然氣-水數(shù)值擴散方法和/或所述的co2-天然氣-水擴散系數(shù)測定的評價方法在高含硫氣藏領(lǐng)域中的應用。

88、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

89、1、本發(fā)明的適用于高含硫氣藏中co2-天然氣-水擴散系數(shù)測定的評價方法，利用實驗裝置即可測定邊底水氣藏條件的co2-天然氣-水擴散能力，建立基于移動網(wǎng)格精細追蹤的co2-天然氣-水數(shù)值擴散方法，模擬co2在氣水界面處的擴散速度。

90、2、本發(fā)明方法實驗及數(shù)值模型相結(jié)合，可實現(xiàn)不同時間，壓力及位置co2濃度的變化規(guī)律模擬，計算結(jié)果更合理。

91、3、本發(fā)明方法實用于包括酸性氣藏、致密氣藏及凝析氣藏co2驅(qū)氣提高采收率實驗基礎(chǔ)研究，為氣藏提高采收率及注入co2控水提供實驗及理論依據(jù)。