一种测量CO2从水相向油相扩散过程中扩散系数的装置及其工作方法

摘要

本发明涉及一种测量CO2从水相向油相扩散过程中扩散系数的装置,包括依次垂直并排连接在管道上的CO2气源、蒸馏水源、U型高温高压可视扩散装置、原油源，U型高温高压可视扩散装置内垂直设有钢体隔板，钢体隔板将U型高温高压可视扩散装置内分隔成底部相通的左侧空间及右侧空间，U型高温高压可视扩散装置内底部设有测温点、测压点、下出口，装置还包括压力采集系统、回压气罐、加热器、温度控制系统，本发明原理可靠，操作简便，克服了油气水密度差异造成的影响，将测定气液两相扩散系数的压降法应用到气体在水相、油相间扩散系数测定中，无需测定CO2浓度变化和实验平衡压力即可求出CO2从水相向油相的扩散系数。

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量CO₂从水相向油相扩散过程中扩散系数的装置及其工作方法，属于石 油化工的技术领域。

背景技术

CO₂-水交替注入驱油技术是国内外目前应用最为普遍的CO₂驱油技术。该技术在提高原油 采收率方面具有很好的应用前景；同时，CO₂作为主要的温室气体，约占温室气体总量的三分 之二以上，CO₂驱油技术是实现温室气体减排的有效方法之一。因此，上述技术以其驱油效率 高、适用范围大、降低温室效应等优势，受到世界各国的广泛重视。

地层温度、压力下，CO₂以一定比例溶于水相和油相，其中CO₂在原油中的溶解导致原油 粘度降低、原油体积膨胀、油水界面张力降低甚至与原油达成混相，极大地提高了CO₂驱油效 率。驱替过程中，由于密度差与粘度差影响，CO₂优先从油层上方、高渗带以及连通孔道通过， 并容易产生气窜，未波及区域的原油不能与CO₂直接接触，因此CO₂只能通过水相向油相扩散。 此时研究CO₂从水相向油相的扩散系数，分析CO₂在油水相间的传质扩散规律，对于指导CO₂驱提高油气采收率具有重要意义。

中国专利文献CN102706779A公开了一种测量CO₂在岩石中扩散系数的方法。与常规方法 中通过测量CO₂的浓度来测量CO₂的扩散系数不同，该发明是通过测定CO₂气体压力的变化获 取CO₂在岩石中扩散系数：通过校正的CO₂气体状态方程换算出其浓度的变化，进而测定出CO₂气体在岩石中的扩散系数。本专利的缺陷如下：该专利中测量CO₂在岩石中扩散系数的方法是 针对气液两相间的分子扩散系数而言，目前，对于CO₂在不互溶的油水两相间的传质研究，特 别是CO₂从水相向油相运移过程中扩散系数的测定，国内外还未见相关报道，同时也没有用于 测量CO₂从水相向油相运移扩散系数的相关装置。

国内外常用的扩散系数测定方法有定容PVT直筒压降法、定压PVT直筒压降法、动态垂 滴形状分析法和玻璃毛细管接触法等。这些方法和装置都只能测定CO₂-原油体系或CO₂-水体 系的扩散系数，目前还没有研究CO₂从水相向油相扩散系数的装置，并且由于油气水密度差的 存在，原理上直筒PVT法无法测定CO₂从水相向油相扩散过程中扩散系数。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种测量CO₂从水相向油相扩散过程中扩散系数的装 置；

本发明还公开了上述装置的工作方法；

本发明中的U型高温高压可视扩散装置15分隔油、气两相，气相CO₂先溶解在U型高温 高压可视扩散装置15内一端和底部的水相中，再通过水相扩散到U型高温高压可视扩散装置 15另一端上部的油相中，在保持水相饱和CO₂前提下，通过测量U型高温高压可视扩散装置 15中CO₂向油相中溶解扩散造成的压力变化，结合Fick定律和质量守恒方程，最终得到CO₂从水相向油相扩散过程中扩散系数。

术语解释

水相、油相：相是指体系中具有相同成分、相同物理化学性质的均匀物质部分，相与相 之间有明显的界面，一个相中可以含有多种组分；由于水和原油之间不互溶，存在明显的油 水界面，并且各自均可包含多种组分，因此油田上为更好区别原油和水，将水称为水相，将 原油称为油相。

本发明的技术方案如下：

一种测量CO₂从水相向油相扩散过程中扩散系数的装置,包括依次垂直并排连接在管道上 的CO₂气源、蒸馏水源、U型高温高压可视扩散装置15、原油源，所述U型高温高压可视扩散 装置15内垂直设有钢体隔板41，所述钢体隔板41将所述U型高温高压可视扩散装置15内 分隔成底部相通的左侧空间35及右侧空间40，所述U型高温高压可视扩散装置15内底部设 有测温点42、测压点43、下出口46，所述CO₂气源、所述蒸馏水源分别通过管道连通所述左 侧空间35，所述原油源通过所述管道连接所述右侧空间40，所述装置还包括压力采集系统 20、回压气罐18、第一加热器13、第二加热器23、温度控制系统44，所述U型高温高压可 视扩散装置15连接所述压力采集系统20，所述下出口46通过回压阀17连接所述回压气罐 18，所述第一加热器13内设置有所述CO₂气源及所述蒸馏水源，所述第二加热器23内设置有 所述原油源，所述U型高温高压可视扩散装置15底部设有温度控制系统44。

所述CO₂气源为所述U型高温高压可视扩散装置15提供CO₂；所述蒸馏水源为所述U型高 温高压可视扩散装置15提供蒸馏水；所述原油源为所述U型高温高压可视扩散装置15提供 原油；所述压力采集系统20用于存储、显示所述U型高温高压可视扩散装置15内压力、温 度数据；所述第一加热器13用于对所述CO₂气源及所述蒸馏水源进行加热保温；所述第二加 热器23用于对所述原油源进行加热保温；所述回压气罐18用于为所述U型高温高压可视扩 散装置15提供回压；所述温度控制系统44用于加热所述U型高温高压可视扩散装置15。

根据本发明优选的，所述U型高温高压可视扩散装置15底部设有底座45，所述底座45 上设有所述温度控制系统44。

根据本发明优选的，所述U型高温高压可视扩散装置15两侧设有承压可视玻璃36及不 锈耐蚀钢体29，通过螺栓30将所述承压可视玻璃36嵌入所述不锈耐蚀钢体29中，所述中 间压垫32、O型圈33、上压垫34密封所述承压可视玻璃36与所述不锈耐蚀钢体29之间的 环形间隙；所述不锈耐蚀钢体29耐温为150℃，耐压为32MPa；所述中间压垫32、O型圈33、 上压垫34耐压为25MPa。

此处设计的优势在于，通过所述承压可视玻璃36能够客观真实地观察扩散过程的液面变 化，并读取油相、气相高度。

根据本发明优选的，所述U型高温高压可视扩散装置15上部设有旋转压盖31。

此处设计的优势在于，旋转压盖31能够拆卸，方便实验结束后清洗所述U型高温高压可 视扩散装置15内部空间。

根据本发明优选的，所述CO₂气源包括CO₂气罐7及第一平流泵3，所述蒸馏水源包括蒸 馏水罐8及所述第一平流泵3，所述原油源包括原油罐21及第二平流泵24，所述CO₂气罐7 内的轴向上设有活塞，所述蒸馏水罐8内的轴向上设有活塞，所述原油罐21内的轴向上设有 活塞，所述CO₂气罐7下部连接针阀5，所述蒸馏水罐8下部连接针阀6，所述U型高温高压 可视扩散装置15下部连接针阀16，所述原油罐21下部连接针阀22，所述第一平流泵3通过 三通阀4分别连接所述针阀5、所述针阀6，所述回压气罐18通过所述回压阀17连接所述针 阀16，所述第二平流泵24通过所述针阀22连接所述原油罐21。

所述第一平流泵3用于为所述CO₂气罐7内的CO₂及所述蒸馏水罐8内的蒸馏水泵入所述 U型高温高压可视扩散装置15提供动力；所述第二平流泵24为所述原油罐21内的原油泵入 所述U型高温高压可视扩散装置15提供动力。

根据本发明优选的，所述装置还包括真空泵1，所述真空泵1上部连接针阀2，所述CO₂气罐7上部连接针阀9，所述蒸馏水罐8上部连接针阀10，所述左侧空间35上部连接针阀 14，所述右侧空间40上部连接针阀19，所述管道上依次连接三通阀11、三通阀12，所述三 通阀11的出气口分别与所述针阀2、所述针阀9、所述三通阀12相连，所述三通阀12的出 气口分别与所述三通阀11、所述针阀10、所述针阀14相连，所述原油罐21通过所述针阀 19连接所述U型高温高压可视扩散装置15。

所述真空泵1用于实验前对所述CO₂气罐7及所述蒸馏水罐8进行真空处理。

根据本发明优选的，所述左侧空间35上部设有备用进出口26，所述右侧空间40上部设 有备用进出口27，所述压力采集系统20通过三通阀分别连接所述备用进出口26及所述备用 进出口27。

根据本发明优选的，所述左侧空间35上部还设有CO₂进口25，所述右侧空间40上部还 设有原油进口28，所述针阀14通过所述CO₂进口25连接所述U型高温高压可视扩散装置15， 所述针阀19通过所述原油进口28连接所述U型高温高压可视扩散装置15。

上述装置的工作方法，具体步骤包括：

(1)检验整个装置的气密性；

(2)利用所述真空泵1将所述CO₂气罐7、所述蒸馏水罐8及所述U型高温高压可视扩 散装置15抽真空；

(3)将CO₂、蒸馏水和原油分别转入所述CO₂气罐7、所述蒸馏水罐8和所述原油罐21 中，利用所述第一加热器13将所述CO₂气罐7及所述蒸馏水罐8加温至实验温度T，利用所 述第二加热器23将所述原油罐21加温至实验温度T，所述T的取值范围为25℃-90℃，待用；

(4)利用所述温度控制系统44将所述U型高温高压可视扩散装置15加热至实验温度T；

(5)打开所述针阀6、所述针阀10及所述针阀14，利用所述第一平流泵3将所述蒸馏 水罐8中的蒸馏水泵入所述U型高温高压可视扩散装置15中，使蒸馏水充满所述U型高温高 压可视扩散装置15，并加压到预定压力P1，所述P1的取值范围为0.1MPa-25MPa；

(6)调整所述回压气罐18内的压力至P2，所述P2为(P1-0.1)MPa；

(7)关闭所述针阀6及所述针阀10，打开所述针阀5、所述针阀9及所述针阀16，接 通回压，在恒压条件下，利用所述第一平流泵3将所述CO₂气罐7中的CO₂送至所述U型高温 高压可视扩散装置15的所述左侧空间35中，并且CO₂没有到达所述右侧空间40，关闭第一 平流泵3；

由于回压P2的存在，步骤(7)中所述U型高温高压可视扩散装置15内压力保持不变， 所述回压阀17出口处有蒸馏水排出，排出的蒸馏水与步骤(7)进入所述U型高温高压可视 扩散装置15中的CO₂等体积；

(8)关闭所述针阀5、所述针阀9及所述针阀16，所述U型高温高压可视扩散装置15 封闭，利用所述压力采集系统20观察所述测压点测定的压力变化，直至30min内压力下降幅 度不超过1KPa为止，所述U型高温高压可视扩散装置15中的流体处于动态平衡状态，水中 的CO₂达到饱和，形成饱和碳酸水，测得此时所述高温高压可视扩散装置15中的压力即为实 验初始压力P3；

(9)调整所述回压气罐18内的压力至P4，所述P4为(P3-0.1)MP；

(10)打开所述针阀16、所述针阀19及所述针阀22，接通回压，在恒压条件下，利用 第二平流泵24将所述原油罐21中的原油送至所述U型高温高压可视扩散装置15的所述右侧 空间40中，并且原油没有到达所述左侧空间35，关闭第二平流泵24，通过所述承压可视玻 璃36观察并记录所述右侧空间40中的原油高度z₀；

由于回压P4的存在，步骤(10)中所述U型高温高压可视扩散装置15内压力保持不变， 所述回压阀17出口处有蒸馏水排出，排出的蒸馏水与步骤(10)送到所述U型高温高压可视 扩散装置15中的原油等体积；

(11)关闭所述针阀16、所述针阀19及所述针阀22，所述U型高温高压可视扩散装置 15封闭，利用所述压力采集系统20观察不同时刻t所述测压点测定的压力P(t)变化，记录 压力P(t)-时间t关系数据，直至30min内压力下降幅度不超过1KPa为止，测得此时所述U 型高温高压可视扩散装置15中的压力即为实验最终平衡压力P_eq；

(12)把步骤(11)所述压力采集系统20记录的压力P(t)-时间t关系数据按照下式进 行非线性拟合：

$P\left(t\right)=m_1{e}^{(-\frac{t}{k_1})}+m_2{e}^{(-\frac{t}{k_2})}+{P_{\mathrm{eq}}}^{\prime }---\left(I\right)$

式(Ⅰ)中，P(t)为测得t时刻的压力值，单位为Pa；P_eq'为非线性回归获得的理论平 衡压力值，单位为Pa；m₁,m₂,k₁,k₂为基于对实验数据非线性回归获得的参数；t为扩散时间， 单位为s；

式(Ⅰ)中的压力P(t)和时间t已知，通过非线性拟合得出m₁,m₂,k₁,k₂和P_eq'的理论值；

(13)根据下式：

$D_{\mathrm{ab}}=\frac{4{z_o}^2}{k_1{\pi }^2}---\left(\mathrm{II}\right)$

式(Ⅱ)中，D_ab为CO₂从水相向油相的扩散系数，单位为m²/s；z_o为步骤(10)测得的 所述U型高温高压可视扩散装置15内原油高度，单位为m；

将步骤(12)求得的参数k₁代入式Ⅱ中，即得CO₂从水相向油相运移扩散系数D_ab。

所述式(Ⅰ)与所述式(Ⅱ)见Zhang等建立的改进压降法测气体在稠油中的扩散系数模 型，具体推导过程如下：

根据菲克定律，气体在液相中的扩散通量如下所示：

$\frac{{\mathrm{dx}}_1}{\mathrm{dt}}+v*\frac{{\mathrm{dx}}_1}{\mathrm{dz}}=D_{\mathrm{ab}}\frac{d^2{x}_1}{{\mathrm{dz}}^2}---\left(\mathrm{III}\right)$

式(Ⅲ)中，x₁为气体的摩尔浓度，单位为mol/L；v*为摩尔平均速率；z为沿扩散筒 的位置变化，单位为m；

在压力最后下降达到平衡的阶段，压力只随时间改变，与位置无关，因此：

$\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dz}}=0---\left(\mathrm{IV}\right)$

在式(Ⅲ)中，油相在扩散过程保持恒定，摩尔平均速率v*为0，因此，扩散过程简化 为一维非稳态扩散方程：

$\frac{{\mathrm{dx}}_1}{\mathrm{dt}}=D_{\mathrm{ab}}\frac{d^2{x}_1}{{\mathrm{dz}}^2}---\left(V\right)$

边界条件和初始条件为：

z＝z₀,t＞0,x₁＝x_1,eq           (Ⅵ)

$z=0,\frac{{\mathrm{dx}}_1}{\mathrm{dz}}=0---\left(\mathrm{VII}\right)$

0≤z≤z₀,t＝0,x₁＝0        (Ⅷ)

式(Ⅵ)中，x_1,eq为某一特定时间气液界面间的气相摩尔浓度；

液相中气相的初始摩尔浓度为0，x_1,eq随着压力和温度变化而变化，由于实验为恒温条件， 所以x_1,eq只随压力变化，式Ⅴ看作摩尔浓度是时间和位置的函数(Crank，1995)；

$x_1=x_{1,\mathrm{eq}}-\frac{{4x}_{1,\mathrm{eq}}}{\pi }\underset{n=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}\frac{{(-1)}^n}{2n+1}\times \cos \left(\frac{(2n+1)\mathrm{\pi z}}{{2z}_0}\right)\times \exp (-\frac{{(2n+1)}^2{\pi }^2{D}_{\mathrm{ab}}}{{{4z}_0}^2}t)---\left(\mathrm{IX}\right)$

除此之外，气相中减少的气体摩尔数应等于经过气液界面处的气体摩尔数，因此，得到 以下物料平衡方程：

$\frac{V}{Z_g\mathrm{RT}}\frac{\mathrm{dP}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-D_{\mathrm{ab}}A{\left(\frac{{\mathrm{dx}}_1}{\mathrm{dz}}\right)}_{z=z_0}---\left(X\right)$

式(Ⅹ)中，V为气相体积，单位为m³；R为气体常数，R＝8.314m³·Pa·K^-1·mol^-1；T为 温度，单位为K；Z_g为二氧化碳压缩因子；

因为气体体积和截面积保持不变，式(Ⅹ)简化为：

$\frac{\mathrm{dP}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=-\frac{Z_g\mathrm{RT}}{h}{D}_{\mathrm{ab}}{\left(\frac{{\mathrm{dx}}_1}{\mathrm{dz}}\right)}_{z=z_0}---\left(\mathrm{XI}\right)$

由于扩散过程压力变化不大，因此压缩系数Z_g在扩散过程中视为常数；

式(Ⅺ)对时间从t到无穷大积分，得到：

$\underset{P\left(t\right)}{\overset{P_{\mathrm{eq}}}{\int }}\mathrm{dP}\left(t\right)=-B{D}_{\mathrm{ab}}\underset{t}{\overset{\infty }{\int }}{\left(\frac{{\mathrm{dx}}_1}{\mathrm{dz}}\right)}_{z=z_0}\mathrm{dt}---\left(\mathrm{XII}\right)$

这里是一个常数，h为气相高度，单位为m；

式(Ⅸ)中对z进行微分，得到z＝z₀时：

${\left(\frac{{\mathrm{dx}}_1}{\mathrm{dz}}\right)}_{z=z_0}=\frac{{2x}_{1,\mathrm{eq}}}{z_o}\underset{n=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}(-\frac{{(2n+1)}^2{\pi }^2{D}_{\mathrm{ab}}}{{{4z}_0}^2}t)---\left(\mathrm{XIII}\right)$

将式(XIII)代入式(Ⅻ)并积分，得到：

$P\left(t\right)-P_{\mathrm{eq}}=\frac{{8B{z}_{o}x}_{1,\mathrm{eq}}}{{\pi }^2}\underset{n=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}\frac{1}{{(2n+1)}^2}\times \exp (-\frac{{(2n+1)}^2{\pi }^2{D}_{\mathrm{ab}}}{{{4z}_0}^2}t)---\left(\mathrm{XIV}\right)$

式(XIV)中，P(t)为t时刻所测试验压力，单位为Pa；P_eq为达到平衡时的实验平衡压 力，单位为Pa；

对式(XIV)进行整理，略去后边项，保留第一项，并取对数，最终得到压力与时间之间 的关系：

$\mathrm{Ln}(P\left(t\right)-P_{\mathrm{eq}})=\mathrm{Ln}\left(\frac{{8B{z}_{o}x}_{1,\mathrm{eq}}}{{\pi }^2}\right)-\frac{{\pi }^2{D}_{\mathrm{ab}}}{{{4z}_o}^2}t---\left(\mathrm{XV}\right)$

式(XV)看出压差对数与时间成线性关系，斜率为

求取扩散系数D_ab的另外一种方式是数值拟合解析式，这种方法与式XIV的求解是一致的； 式(XIV)写成：

$P\left(t\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{m}_1{e}^{(-\frac{t}{k_1})}+{P_{\mathrm{eq}}}^{\prime }---\left(\mathrm{XVI}\right)$

式(XVI)取前两项展开，即可得到前面所述的式(Ⅰ)。

将式(Ⅰ)和式(XV)进行对比，可得：

$-\frac{{\pi }^2{D}_{\mathrm{ab}}}{{{4z}_o}^2}t=-\frac{t}{k_1}---\left(\mathrm{XVII}\right)$

化简式(XVII)，最终可得所述CO₂从水相向油相运移扩散系数计算式(Ⅱ)：

$D_{\mathrm{ab}}=\frac{4{z_o}^2}{k_1{\pi }^2}.$

本发明的工作原理为：

所述U型高温高压可视扩散装置15分隔油相、气相，气相中的CO₂先溶解在所述U型高 温高压可视扩散装置15底部水相中，再通过水相扩散到所述U型高温高压可视扩散装置15 另一端油相中，假定扩散过程底部碳酸水始终饱和CO₂，通过测定CO₂向饱和碳酸水中扩散造 成的压力变化，从而间接求出CO₂从水相向油相扩散过程中的扩散系数。

本发明的有益效果为：

本发明克服了油气水密度差异造成的影响，将测定气液两相扩散系数的压降法应用到气 体在水相、油相间扩散系数测定中，无需测定CO₂浓度变化和实验平衡压力即可求出CO₂从水 相向油相的扩散系数；通过所述承压可视玻璃能够客观真实地观察扩散过程的液面变化，并 读取油相、气相高度；加热器实现高温高压下扩散系数的测定。因此，所求CO₂从水相向油相 扩散过程中的扩散系数能较为准确地反映CO₂从水相向油相的扩散过程。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为所述U型高温高压可视扩散装置的结构示意图；

图3为所述U型高温高压可视扩散装置的侧视图；

图4为根据所述压力P(t)-时间t关系数据得到的压力-时间关系及拟合结果图；

其中，1、真空泵；2、针阀；3、第一平流泵；4、三通阀；5、针阀；6、针阀；7、CO₂气罐；8、蒸馏水罐；9、针阀；10、针阀；11、三通阀；12、三通阀；13、第一加热器；14、 针阀；15、U型高温高压可视扩散装置；16、针阀；17、回压阀；18、回压气罐；19、针阀； 20、压力采集系统；21、原油罐；22、针阀；23、第二加热器；24、第二平流泵；25、CO₂进口；26、备用进出口；27、备用进出口；28、原油进口；29、不锈耐蚀钢体；30、螺栓； 31、旋转压盖；32、中间压垫；33、O型圈；34、上压垫；35、左侧空间；36、承压可视玻 璃；37、底部空间；38、气水界面；39、油水界面；40、右侧空间；41、钢体隔层；42、测 温点；43、测压点；44、温度控制系统；45、底座；46、下出口。

具体实施方式

下面根据实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1

一种测量CO₂从水相向油相扩散过程中扩散系数的装置,包括依次垂直并排连接在管道上 的CO₂气源、蒸馏水源、U型高温高压可视扩散装置15、原油源，所述U型高温高压可视扩散 装置15内垂直设有钢体隔板41，所述钢体隔板41将所述U型高温高压可视扩散装置15内 分隔成底部相通的左侧空间35及右侧空间40，所述U型高温高压可视扩散装置15内底部设 有测温点42、测压点43、下出口46，所述CO₂气源、所述蒸馏水源分别通过管道连通所述左 侧空间35，所述原油源通过所述管道连接所述右侧空间40，所述装置还包括压力采集系统 20、回压气罐18、第一加热器13、第二加热器23、温度控制系统44，所述U型高温高压可 视扩散装置15连接所述压力采集系统20，所述下出口46通过回压阀17连接所述回压气罐 18，所述第一加热器13内设置有所述CO₂气源及所述蒸馏水源，所述第二加热器23内设置有 所述原油源，所述U型高温高压可视扩散装置15底部设有温度控制系统44。

所述CO₂气源为所述U型高温高压可视扩散装置15提供CO₂；所述蒸馏水源为所述U型高 温高压可视扩散装置15提供蒸馏水；所述原油源为所述U型高温高压可视扩散装置15提供 原油；所述压力采集系统20用于存储、显示所述U型高温高压可视扩散装置15内压力、温 度数据；所述第一加热器13用于对所述CO₂气源及所述蒸馏水源进行加热保温；所述第二加 热器23用于对所述原油源进行加热保温；所述回压气罐18用于为所述U型高温高压可视扩 散装置15提供回压；所述温度控制系统44用于加热所述U型高温高压可视扩散装置15。

实施例2

根据实施例1所述装置，其区别在于，所述U型高温高压可视扩散装置15底部设有底座 45，所述底座45上设有所述温度控制系统44。

实施例3

根据实施例1或2所述装置，其区别在于，所述U型高温高压可视扩散装置15两侧设有 承压可视玻璃36及不锈耐蚀钢体29，通过螺栓30将所述承压可视玻璃36嵌入所述不锈耐 蚀钢体29中，所述中间压垫32、O型圈33、上压垫34密封所述承压可视玻璃36与所述不 锈耐蚀钢体29之间的环形间隙；所述不锈耐蚀钢体29耐温为150℃，耐压为32MPa；所述中 间压垫32、O型圈33、上压垫34耐压为25MPa。

此处设计的优势在于，通过所述承压可视玻璃36能够客观真实地观察扩散过程的液面变 化，并读取油相、气相高度。

实施例4

根据实施例3所述装置，其区别在于，所述U型高温高压可视扩散装置15上部设有旋转 压盖31。

此处设计的优势在于，旋转压盖31能够拆卸，方便实验结束后清洗所述U型高温高压可 视扩散装置15内部空间。

实施例5

根据实施例4所述装置，其区别在于，所述CO₂气源包括CO₂气罐7及第一平流泵3，所 述蒸馏水源包括蒸馏水罐8及第一平流泵3，所述原油源包括原油罐21及第二平流泵24，所 述CO₂气罐7内的轴向上设有活塞，所述蒸馏水罐8内的轴向上设有活塞，所述原油罐21内 的轴向上设有活塞，所述CO₂气罐7下部连接针阀5，所述蒸馏水罐8下部连接针阀6，所述 U型高温高压可视扩散装置15下部连接针阀16，所述原油罐21下部连接针阀22，所述第一 平流泵3通过三通阀4分别连接所述针阀5、所述针阀6，所述回压气罐18通过所述回压阀 17连接所述针阀16，所述第二平流泵24通过所述针阀22连接所述原油罐21。

所述第一平流泵3用于为所述CO₂气罐7内的CO₂及所述蒸馏水罐8内的蒸馏水泵入所述 U型高温高压可视扩散装置15提供动力；所述第二平流泵24为所述原油罐21内的原油泵入 所述U型高温高压可视扩散装置15提供动力。

实施例6

根据实施例5所述装置，其区别在于，所述装置还包括真空泵1，所述真空泵1上部连 接针阀2，所述CO₂气罐7上部连接针阀9，所述蒸馏水罐8上部连接针阀10，所述左侧空间 35上部连接针阀14，所述右侧空间40上部连接针阀19，所述管道上依次连接三通阀11、三 通阀12，所述三通阀11的出气口分别与所述针阀2、所述针阀9、所述三通阀12相连，所 述三通阀12的出气口分别与所述三通阀11、所述针阀10、所述针阀14相连，所述原油罐 21通过所述针阀19连接所述U型高温高压可视扩散装置15。

所述真空泵1用于实验前对所述CO₂气罐7及所述蒸馏水罐8进行真空处理。

实施例7

根据实施例6所述装置，其区别在于，所述左侧空间35上部设有备用进出口26，所述 右侧空间40上部设有备用进出口27，所述压力采集系统20通过三通阀分别连接所述备用进 出口26及所述备用进出口27。

实施例8

根据实施例7所述装置，其区别在于，所述左侧空间35上部还设有CO₂进口25，所述右 侧空间40上部还设有原油进口28，所述针阀14通过所述CO₂进口25连接所述U型高温高压 可视扩散装置15，所述针阀19通过所述原油进口28连接所述U型高温高压可视扩散装置15。

实施例9

根据实施例6所述装置的工作方法，具体步骤包括：

(1)检验整个装置的气密性；

(2)利用所述真空泵1将所述CO₂气罐7、所述蒸馏水罐8及所述U型高温高压可视扩 散装置15抽真空；

(3)将CO₂、蒸馏水和原油分别转入所述CO₂气罐7、所述蒸馏水罐8和所述原油罐21 中，利用所述第一加热器13将所述CO₂气罐7及所述蒸馏水罐8加温至实验温度40℃，利用 所述第二加热器23对所述原油罐21加温至实验温度40℃，待用；

(4)利用所述温度控制系统44将所述U型高温高压可视扩散装置15加热至实验温度 40℃；

(5)打开所述针阀6、所述针阀10及所述针阀14，利用所述第一平流泵3将所述蒸馏 水罐8中的蒸馏水泵入所述U型高温高压可视扩散装置15中，使蒸馏水充满所述U型高温高 压可视扩散装置，并加压到预定压力P1，所述P1的取值为12MPa；

(6)调整所述回压气罐18内的压力至P2，所述P2为11.9MPa；

(7)关闭所述针阀6及所述针阀10，打开所述针阀5、所述针阀9及所述针阀16，接 通回压，在恒压条件下，利用所述第一平流泵3将所述CO₂气罐7中的CO₂送至所述U型高温 高压可视扩散装置15的所述左侧空间35中，并且CO₂没有到达所述右侧空间40，关闭第一 平流泵3；

由于回压P2的存在，步骤(7)中所述U型高温高压可视扩散装置15内压力保持不变， 所述回压阀17出口处有蒸馏水排出，排出的蒸馏水与步骤(7)进入所述U型高温高压可视 扩散装置15中的CO₂等体积；

(8)关闭所述针阀5、所述针阀9及所述针阀16，所述U型高温高压可视扩散装置15 封闭，利用所述压力采集系统20观察所述测压点测定的压力变化，直至30min内压力下降幅 度不超过1KPa为止，所述U型高温高压可视扩散装置15中的流体处于动态平衡状态，水中 的CO₂达到饱和，形成饱和碳酸水，测得此时所述高温高压可视扩散装置15中的压力9.86MPa 即为实验初始压力P3；

(9)调整所述回压气罐18内的压力至P4，所述P4为9.76MPa；

(10)打开所述针阀16、所述针阀19及所述针阀22，接通回压，在恒压条件下，利用 第二平流泵24将所述原油罐21中的原油以10mL/min的速度送至所述U型高温高压可视扩散 装置15的所述右侧空间40中，并且原油没有到达所述左侧空间35，关闭第二平流泵24，通 过所述承压可视玻璃36观察并记录所述右侧空间40中的原油高度为0.04m；

由于回压P4的存在，步骤(10)中所述U型高温高压可视扩散装置15内压力保持不变， 所述回压阀17出口处有蒸馏水排出，排出的蒸馏水与步骤(10)送到所述U型高温高压可视 扩散装置15中的原油等体积；

(11)关闭所述针阀16、所述针阀19及所述针阀22，所述U型高温高压可视扩散装置 15封闭，利用所述压力采集系统20观察不同时刻t所述测压点测定的压力P(t)变化，记录 压力P(t)-时间t关系数据，直至30min内压力下降幅度不超过1KPa为止，测得此时所述U 型高温高压可视扩散装置15中的压力9.658MPa即为实验最终平衡压力P_eq；

(12)把步骤(11)所述压力采集系统20记录的压力P(t)-时间t关系数据按照下式进 行非线性拟合：

$P\left(t\right)=m_1{e}^{(-\frac{t}{k_1})}+m_2{e}^{(-\frac{t}{k_2})}+{P_{\mathrm{eq}}}^{\prime }---\left(I\right)$

式(Ⅰ)中，P(t)为测得t时刻的压力值，单位为Pa；P_eq'为非线性回归获得的理论平 衡压力值，单位为Pa；m₁,m₂,k₁,k₂为基于对实验数据非线性回归获得的参数；t为扩散时间， 单位为s；

式(Ⅰ)中的压力P(t)和时间t已知，通过非线性拟合得出m₁,m₂,k₁,k₂和P_eq'的理论值 如图4所示，求得k₁＝32190；

(13)根据下式：

$D_{\mathrm{ab}}=\frac{4{z_o}^2}{k_1{\pi }^2}---\left(\mathrm{II}\right)$

式(Ⅱ)中，D_ab为CO₂从水相向油相的扩散系数，单位为m²/s；z_o为步骤(10)测得的 所述U型高温高压可视扩散装置15内油相的高度，可知z_o＝0.04m；

将步骤(12)求得的参数k₁代入式Ⅱ中，即得CO₂从水相向油相扩散过程中的扩散系数：

$D_{\mathrm{ab}}=\frac{4{z_o}^2}{k_1{\pi }^2}=\frac{4\times 0.04\times 0.04}{32190\times 3.14\times 3.14}=2.02\times {10}^{-8}{m}^2/s.$

表1为根据压力P(t)-时间t关系数据得到的压力-时间关系表，如下所示：

表1