多孔介质中的油气界面张力测试方法

摘要

本发明提出一种多孔介质中的油气界面张力测试方法，所述多孔介质中的油气界面张力测试方法包括：A、在多孔介质形成的样品中进行驱替实验以获得油气样品；B、对获得的油气样品进行色谱分析以获得油气色谱组分，通过油气色谱组分得到多孔介质中的油气界面张力。本发明具有以下优点：1.以天然多孔介质为测试介质，可以真实地反映油藏条件下，油气界面相互作用规律；2.计算方法上利用PR-EOS结合溶度理论推导出地层油溶度计算公式，并应于界面张力计算中；3.为油藏工程方案设计和优化，提供了直接的、真实的界面张力数据；4.可以研究天然多孔介质不同截面处的张力，为今后研究天然多孔介质中界面张力场变化提供一种可能。

说明书

技术领域

本发明涉及石油高压物性实验领域，具体而言，涉及一种多孔介质中的油气界面张力 测试方法。

背景技术

随着气驱驱油技术的在国内外现场应用规模不断扩大，如何准确地、真实地获取油藏 中的油气界面张力值成为石油工程师解决诸多驱油技术问题的关键。目前，油气界面张力 的测试方法主要为悬滴测试法，该方法是在一个可视容器中，利用垂直向下的悬滴管滴一 小滴油滴，然后利用计算机成像技术根据液滴轮廓计算界面张力值。

此种方法类似于在PVT仪中测试泡点、露点等相态参数，并没有多孔介质的参与，油 气界面之间的分子间的作用力不同于多孔介质中的分子间的作用力，不能如实地反映多孔 介质对油气界面张力的影响。因而，该值不是实际油藏条件下的油气界面张力值，也就不 能真正地代表地层中的油气界面作用关系，给气驱驱油机理分析、油藏工程方案设计以及 数值模拟方法的相关修正带来了一定误差。

发明内容

本发明旨在提供一种多孔介质中的油气界面张力测试方法，以解决现有的油气界面张 力测试方法不能如实地反映多孔介质对油气界面张力的影响、不能真实测量实际油藏条件 下的油气界面张力值的问题。

为此，本发明提出一种多孔介质中的油气界面张力测试方法，所述多孔介质中的油气 界面张力测试方法包括：A、在多孔介质形成的样品中进行驱替实验以获得油气样品；B、 对获得的油气样品进行色谱分析以获得油气色谱组分，通过油气色谱组分得到多孔介质中 的油气界面张力。

其中，油气色谱组分是指：驱替气体摩尔百分比含量(权重系数)，利用如下公式计 算界面张力。

计算过程：①利用公式(1)进行牛顿迭代解PR-EOS方程得到驱替气体摩尔体积v，；

②利用公式(2)、公式(3)分别计算油、气的溶度；

③利用公式(4)计算界面张力；

$P=\frac{\mathrm{RT}}{v-b}-\frac{a\left(T\right)}{v(v+b)+b(v-b)}$公式(1)

${\delta }_{\mathrm{oll}}={\left[\frac{a\left(T\right)(1+\kappa ·T_r^{0.5})}{v(v+b)+b(v-b)}\left(\frac{1+\kappa -k{T}_r^{0.5}}{{[1+k(1-T_r^{0.5})]}^2}\right)\right]}^{0.5}$公式(2)

${\delta }_{\mathrm{gas}}=1.25{\left(P_C\right)}^{0.5}\frac{{\rho }_r}{{\rho }_r\left(\mathrm{liq}\right)}$公式(3)

σ＝δ²V^0.33/A        公式(4)

其中，P为驱替气体压力，R为气体常数，T为驱替气体温度，v为驱替气体体积，b 为----气体状态方程系数，a(T)为----气体状态方程系数，k为----气体状态方程系数， δ_oll为----油溶度，δ_gas为----气(体)溶度，Tr为----对比温度，Pc为----临界压力，ρ_r为----气体对比密度(测试条件下的密度除以临界密度)，ρ_r(liq)为----液体对比密度(该 参数为经验给出，为常数)，δ是指油、气溶度权重之和，V等于气体权重(权重系数) 乘以v，权重系数可以通过油气色谱组分的数据得到，A为---界面常数。

进一步地，所述多孔介质形成的样品为天然岩心，所述驱替实验中使用二氧化碳或氮 气作为驱替气体。

进一步地，沿所述多孔介质形成的样品的长度方向设置多个取样点，以获得所述样品 的不同截面处的油气样品。

进一步地，所述多孔介质中的油气界面张力测试方法使用多孔介质中的油气界面张力 测试装置进行测试，所述多孔介质中的油气界面张力测试装置包括：驱替装置、与驱替装 置连接的取样装置以及与取样装置连接的在线色谱分析装置。

进一步地，所述驱替装置包括：岩心夹持器，设有固定并密封天然岩心的腔体，所述 岩心夹持器具有与腔体连接的进口和出口；驱替管线，通过岩心夹持器的进口连接天然岩 心，驱替泵，将驱替所用的油和驱替气体分别泵送到驱替管线中，油罐和驱替气体储存罐， 分别具有容纳驱替所用的油和驱替气体的容积，所述油罐和驱替气体储存罐并联在驱替泵 与驱替管线之间；出口管线，与所述岩心夹持器的出口连接；回压阀，设置在所述出口管 线上。

进一步地，所取样装置述包括：取样管，伸入到所述岩心夹持器中，沿垂直天然岩心 的长度方向设置并与天然岩心连接；阀门和过滤器，与所述取样管串联连接。

进一步地，所述在线色谱分析装置为在线色谱分析仪，所述驱替装置还包括：水平设 置在岩心夹持器中天然岩心，所述取样管为多个，所述多个取样管的一端沿天然岩心的长 度方向间隔设置在天然岩心的不同截面处，所述多个取样管的另一端与在线色谱分析仪并 联。

进一步地，所述天然岩心为棒状，长度为30cm至100cm，所述取样管为5个，分别为 第一取样管、第二取样管、第三取样管、第四取样管和第五取样管，各取样管等间距设置， 各取样管串联连接有阀门和过滤器。

进一步地，多孔介质中的油气界面张力测试方法具体包括以下步骤，

(1)设定回压阀压力；

(2)通过驱替泵使驱替所用的油从驱替管线进入岩心夹持器和天然岩心，使驱替泵为 恒压状态，压力高于回压阀设定压力0.5MPa，而且使进入天然岩心的油体积达到有效孔隙 体积的倍数的3倍；(3)停止使驱替所用的油从驱替管线进入岩心夹持器，利用驱替泵保 持岩心夹持器压力高于回压阀设定压力0.5MPa，然后进行二氧化碳驱替过程；

(4)驱替至设定倍数的有效孔隙体积后，打开与第一取样管连接的阀门，使第一取 样管中的油气样品进入在线色谱分析仪获得第一取样管中的油气色谱组分，然后关闭第一 取样管；

(5)打开与第二取样管连接的阀门，使第二取样管中的油气样品进入在线色谱分析 仪获得第二取样管中的油气色谱组分，然后关闭第二取样管；

(6)打开与第三取样管连接的阀门，使第三取样管中的油气样品进入在线色谱分析 仪获得第三取样管中的油气色谱组分，然后关闭第三取样管；

(7)打开与第四取样管连接的阀门，使第四取样管中的油气样品进入在线色谱分析 仪获得第四取样管中的油气色谱组分，然后关闭第四取样管；

(8)打开与第五取样管连接的阀门，使第五取样管中的油气样品进入在线色谱分析 仪获得第五取样管中的油气色谱组分，然后关闭第五取样管。

与现有的方法比较，本发明具有以下优点：

1.以天然多孔介质为测试介质，可以真实地反映油藏条件下，油气界面相互作用规律；

2.计算方法上利用PR-EOS结合溶度理论推导出地层油溶度计算公式，并应于界面张力 计算中；

3.为油藏工程方案设计和优化，提供了直接的、真实的界面张力数据；

4.可以研究天然多孔介质不同截面处的张力，为今后研究天然多孔介质中界面张力场 变化提供一种可能。

5.相对于传统的悬滴测试法，本发明中，取样管不局限于竖直设置，只要垂直多孔介 质的长度方向即可，因而使得取样管以及其他仪器的精度得以降低，便于安装和随时调整。

附图说明

图1为根据本发明实施例的多孔介质中界面张力测试方法流程示意图；

图2为根据本发明实施例的多孔介质中界面张力测试方法测量不同截面位置时的界面 张力。

附图标号说明：

10、岩心夹持器    11、多孔介质形成的样品    12、岩心夹持器入口

13、氟橡胶筒      14、岩心夹持器出口   15、下壳体    20、取样管

21、第一取样管    22、第二取样管    23、第三取样管    24、第四取样管

25、第五取样管    30、在线色谱分析装置   40、回压阀   41、储液罐

50、驱替泵    60、驱替管线   70、驱替气体储存罐    71、阀门

73、阀门    80、储油罐   81、阀门   83、阀门    90、过滤器

91、阀门   92、阀门  93、阀门  94、阀门  95、阀门

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的 具体实施方式。

图1为根据本发明实施例的多孔介质中界面张力测试方法流程示意图，如图1所示， 根据本发明实施例的多孔介质中的油气界面张力测试方法包括：A、在多孔介质形成的样品 11中进行驱替实验以获得油气样品；B、对获得的油气样品进行色谱分析以获得油气色谱 组分，通过油气色谱组分得到多孔介质中的油气界面张力。

其中，油气色谱组分是指：驱替气体摩尔百分比含量(权重系数)，利用如下公式计 算界面张力。

计算过程：①利用公式(1)进行牛顿迭代解PR-EOS方程得到摩尔体积；

②利用公式(2)、公式(3)分别计算油气的溶度；

③利用公式(4)计算界面张力；

$P=\frac{\mathrm{RT}}{v-b}-\frac{a\left(T\right)}{v(v+b)+b(v-b)}$公式(1)

${\delta }_{\mathrm{oll}}={\left[\frac{a\left(T\right)(1+\kappa ·T_r^{0.5})}{v(v+b)+b(v-b)}\left(\frac{1+\kappa -k{T}_r^{0.5}}{{[1+k(1-T_r^{0.5})]}^2}\right)\right]}^{0.5}$公式(2)

${\delta }_{\mathrm{gas}}=1.25{\left(P_C\right)}^{0.5}\frac{{\rho }_r}{{\rho }_r\left(\mathrm{liq}\right)}$公式(3)

σ＝δ²V^0.33/A            公式(4)

进一步地，如图1所示，所述多孔介质形成的样品11为天然岩心，这样接近实际油藏 状况，当然也可以采用其他多孔介质，例如玻璃作为样品，所述驱替实验中使用二氧化碳 或氮气作为驱替气体。

进一步地，所述多孔介质中的油气界面张力测试方法使用多孔介质中的油气界面张力 测试装置进行测试，所述多孔介质中的油气界面张力测试装置包括：驱替装置、与驱替装 置连接的取样装置以及与取样装置连接的在线色谱分析装置。本发明利用PR-EOS结合溶度 理论推导出地层油溶度计算公式，并应于界面张力计算中；为油藏工程方案设计和优化， 提供了直接的、真实的界面张力数据；与常规悬滴测试法不同是：该方法直接在多孔介质 中进行界面张力测量，可以真实地反映油藏条件下，油气界面相互作用规律，而常规方法 是无法实现的。

进一步地，所述驱替装置包括：岩心夹持器10，设有固定并密封天然岩心的腔体，所 述岩心夹持器具有与腔体连接的进口12和出口14；驱替管线60，通过岩心夹持器的进口 12连接天然岩心，驱替泵50，将驱替所用的油和驱替气体分别泵送到驱替管线60中，油 罐80和驱替气体储存罐70，分别具有容纳驱替所用的油和驱替气体的容积，所述油罐80 和驱替气体储存罐70并联在驱替泵50与驱替管线60之间；出口管线16，与所述岩心夹 持器的出口14连接；回压阀40，设置在所述出口管线16上。

岩心夹持器10，可以为筒状，固定天然岩心样品，岩心夹持器10内设氟橡胶筒13， 紧固天然岩心的侧向。油罐80中容纳地层油样品，驱替泵50例如为柱塞泵，为驱替过程 提供动力，回压阀40，控制驱替压差，保证驱替的稳定可靠。驱替管线60和出口管线16 分别连接在天然岩心样品的两端，从天然岩心样品的端部方向完成驱替过程，驱替出来的 油可以收集到连接在出口管线16上的储液罐41中。

进一步地，所取样装置述包括：取样管20，伸入到所述岩心夹持器10中，沿垂直天 然岩心的长度方向设置并与天然岩心连接，定时获取油气组分，取样管可以采用现有的合 适的结构，与常规悬滴测试法不同是：取样管并不局限于竖直设置，只要垂直天然岩心的 长度方向即可，因而可以灵活设置，方便了安装；阀门和过滤器90，与所述取样管串联连 接。取样管上设置的阀门为微量阀，控制进入在线色谱分析装置的样品速度，减小系统压 力波动。

进一步地，所述在线色谱分析装置为在线色谱分析仪，分析油气组成。进一步地，如 图1所示，沿所述多孔介质形成的样品的长度方向设置多个取样点，以获得所述样品的不 同截面处的油气样品。所述驱替装置还包括：水平设置在岩心夹持器10中天然岩心，所述 取样管为多个，所述多个取样管的一端沿天然岩心的长度方向间隔设置在天然岩心的不同 截面处，所述多个取样管的另一端与在线色谱分析仪并联。这样，可以研究天然多孔介质 不同截面处的张力，为今后研究天然多孔介质中界面张力场变化提供一种可能。

进一步地，如图1所示，所述天然岩心为棒状，长度为30cm至100cm，所述取样管为 5个，分别为第一取样管21、第二取样管22、第三取样管23、第四取样管24和第五取样 管25，各取样管等间距设置，各取样管串联连接有阀门和过滤器。第一取样管21串联连 接有阀门91和过滤器90，第二取样管22串联连接有阀门92和过滤器90，第三取样管23 串联连接有阀门93和过滤器90，第四取样管24串联连接有阀门94和过滤器90，第五取 样管25串联连接有阀门95和过滤器90，其中，各取样管上设置的阀门为微量阀，控制进 入在线色谱分析装置30的样品速度，减小系统压力波动。当然，天然岩心长度越长，取样 点越多，例如为8个、10个，越能反映不同截面处的张力，越有利于研究。

进一步地，多孔介质中的油气界面张力测试方法具体包括以下步骤：

(1)设定回压阀压力，例如为10MPa，关闭所有阀门；

(2)通过驱替泵50使驱替所用的油从驱替管线60进入岩心夹持器10和天然岩心， 打开阀门83、阀门81使驱替泵为恒压状态，压力高于回压阀设定压力0.5MPa，而且使进 入天然岩心的油体积达到有效孔隙体积的倍数的3倍(3HCPV)；

(3)关闭阀门83、阀门81，停止使驱替所用的油从驱替管线进入岩心夹持器，利用 驱替泵保持岩心夹持器压力高于回压阀设定压力0.5MPa，然后打开阀门73、阀门71进行 二氧化碳驱替过程；

(4)驱替至设定倍数的有效孔隙体积后，例如油体积为一倍的有效孔隙体积的倍数 (1HCPV)，(该值可以根据实验目的调整)打开与第一取样管21连接的阀门91，使第一 取样管21中的油气样品进入在线色谱分析仪获得第一取样管21中的油气色谱组分，然后 关闭阀门91，从而关闭第一取样管21；

(5)打开与第二取样管22连接的阀门92，使第二取样管22中的油气样品进入在线 色谱分析仪获得第二取样管22中的油气色谱组分，然后关闭阀门92，从而关闭第二取样 管22；

(6)打开与第三取样管23连接的阀门93，使第三取样管中的油气样品进入在线色谱 分析仪获得第三取样管中的油气色谱组分，然后关闭阀门93，从而关闭第三取样管23；

(7)打开与第四取样24管连接的阀门94，使第四取样管中的油气样品进入在线色谱 分析仪获得第四取样管中的油气色谱组分，然后关闭阀门94，从而关闭第四取样管24；

(8)打开与第五取样管25连接的阀门95，使第五取样管中的油气样品进入在线色谱 分析仪获得第五取样管中的油气色谱组分，然后关闭阀门95，从而关闭第五取样管25。

(9)利用如下公式计算界面张力。

计算过程：①利用公式(1)进行牛顿迭代解PR-EOS方程得到摩尔体积；

②利用公式(2)、公式(3)分别计算油气的溶度；

③利用公式(4)计算界面张力；

$P=\frac{\mathrm{RT}}{v-b}-\frac{a\left(T\right)}{v(v+b)+b(v-b)}$公式(1)

${\delta }_{\mathrm{oll}}={\left[\frac{a\left(T\right)(1+\kappa ·T_r^{0.5})}{v(v+b)+b(v-b)}\left(\frac{1+\kappa -k{T}_r^{0.5}}{{[1+k(1-T_r^{0.5})]}^2}\right)\right]}^{0.5}$公式(2)

${\delta }_{\mathrm{gas}}=1.25{\left(P_C\right)}^{0.5}\frac{{\rho }_r}{{\rho }_r\left(\mathrm{liq}\right)}$公式(3)

σ＝δ²V^0.33/A             公式(4)

图2中反映了图1中五个不同取样点处的截面张力，可以较好地表征出天然岩心在驱 替的过程中，不同位置截面张力间的差异。说明该方法的有效性，也可以为今后研究天然 岩心中界面张力场变化，提供一个有效地实验方法，为今后研究天然多孔介质中界面张力 场变化提供一种可能。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明 的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明 的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。