阅读说明：本技术 一种核磁共振原位测量多孔介质内气-液扩散参数的方法 (Method for in-situ measurement of gas-liquid diffusion parameters in porous medium by nuclear magnetic resonance ) 是由 赵越超 宋永臣 毛晓坤 黄明星 蒋兰兰 杨明军 张毅 陈聪 刘瑜 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种核磁共振原位测量多孔介质内气-液扩散参数的方法,属于石油化工技术领域。该方法首先利用低场核磁共振纯相位编码脉冲序列SE-SPI获取多孔介质内气-液混合流体中不同时刻不同位置处的一维质子密度分布曲线,然后根据一维质子密度分布曲线进一步分析计算得到扩散过程中的扩散系数等多个参数。本发明所述方法可以准确地测量扩散系数等物性参数,由于基于一维质子密度曲线得出的气相无量纲浓度客观地反映了气相真实浓度分布,并且在计算的过程中考虑了溶液顶部的膨胀,因此计算结果更准确。(The invention provides a method for in-situ measurement of gas-liquid diffusion parameters in a porous medium by nuclear magnetic resonance, belonging to the technical field of petrochemical industry. The method comprises the steps of firstly, acquiring one-dimensional proton density distribution curves at different positions at different moments in gas-liquid mixed fluid in a porous medium by using a low-field nuclear magnetic resonance pure phase encoding pulse sequence SE-SPI, and then further analyzing and calculating according to the one-dimensional proton density distribution curves to obtain a plurality of parameters such as diffusion coefficients in a diffusion process. The method can accurately measure the physical parameters such as diffusion coefficient and the like, and the calculation result is more accurate because the gas-phase dimensionless concentration obtained based on the one-dimensional proton density curve objectively reflects the real concentration distribution of the gas phase and takes the expansion of the top of the solution into account in the calculation process.)

一种核磁共振原位测量多孔介质内气-液扩散参数的方法

技术领域

本发明属于石油化工技术领域，涉及一种核磁共振原位测量多孔介质内气-液扩散参数的方法。

背景技术

在采用注气开采石油过程中，气体在原油中的溶解速率主要是由分子扩散系数决定的，气体通过扩散作用溶于原油后会引起原油的膨胀并且有利于提高原油的流动性，从而提高采收率。同时，气体的扩散特性直接决定了驱替过程中的气体注入量和注入速率，并最终影响驱替效果和经济效益。因此对扩散规律开展深入的研究是非常必要的。

传统的PVT法是通过监控流体扩散混合过程容器的压力数据和气体体积的变化来计算扩散系数等参数，不需要对组分进行分析，但容易产生压力波动，并且实验耗时时间长。近年来，随着先进的测试手段的发展，一些研究者提出了光学显微镜法、NMR/MRI法等，光学显微镜法无法实现非透光的多孔介质内流体的有效观测；常规的NMR法是通过测量溶液的整体弛豫时间T2分布来计算得到物性参数，无法实现空间定位分析；高场MRI可以实现空间定位，但是仪器测量成本昂贵，不适合工业标准化和批量实验分析。

发明内容

为了克服上述现有技术所存在的问题，本发明提供了一种核磁共振原位测量多孔介质内气-液扩散参数的方法，采用低场核磁共振纯相位编码脉冲序列SE-SPI直接获取多孔介质内流体的一维质子密度分布曲线，通过对一维质子密度分布曲线的分析计算，最终获得扩散过程中与时间和位置有关的气体扩散系数、无量纲浓度分布和膨胀系数等物性参数。

本发明采用的技术方案是：

一种核磁共振原位测量多孔介质内气-液扩散参数的方法，包括以下步骤：

步骤1：获取多孔介质内气-液扩散过程的一维质子密度分布曲线和压力衰减曲线

采用低场核磁共振纯相位编码脉冲序列SE-SPI直接获取多孔介质内气-液扩散过程的一维质子密度分布曲线，曲线上的每个数据点代表不同位置的液相质子密度；同时采用压力传感器采集扩散过程中的压力衰减曲线数据。

步骤2：获得液相中沿扩散方向的气相无量纲浓度分布

步骤1中已经测得不同时刻不同位置的液相质子密度分布数据，根据液相质子密度分布数据的变化计算出CO₂的无量纲浓度，方程如下：

C_z,t＝k(I_z,0-I_z,t) (1)

C_z,eq＝k(I_z,0-I_z,eq) (2)

式中，k是一个常数系数，I_z,0是初始时刻位置z处的液相质子密度值，I_z,t是时刻t位置z处的液相质子密度值，C_z,t是时刻t位置z处的气相浓度值；I_z,eq是平衡状态时位置z处的液相质子密度值，C_z,eq是平衡状态时位置z处的气相浓度值。初始时刻气相浓度为0。由式(1)、式(2)，将气相浓度值进行无量纲化，即得到无量纲浓度梯度：

步骤3：膨胀高度和膨胀系数的计算

当气相缓慢的扩散到液相中，会引起液相体积膨胀，反映到图像上是一维质子密度分布曲线会向右侧移动，因而，根据一维质子密度分布曲线可以得到任意时刻的膨胀高度，进而得到膨胀系数。

步骤4：计算气-液扩散系数

将液相分为m层，仅考虑液相顶部的膨胀，即将步骤3中测出的膨胀高度加到液相的第一层。

采用非迭代有限体积法，离散方程如下：

内点：

边界A：

边界B：

式中，下标i代表内部节点，下标i±1/2两层之间的界面，A代表气液接触界面，B代表液相底部，上标t代表时刻，Δz为任意两个节点之间的距离，Δt为时间间隔，D代表扩散系数。

将公式(1)得出的气相浓度值，采取每一层求和取平均值的方式，带入式(4)-式(6)(常数系数k可约去)，计算得出不同时刻不同位置的扩散系数值。

步骤5：液相密度的计算

根据步骤1测得的压力变化数据计算出进入到液相的气相物质的量，由于计算过程中考虑液相的膨胀，因此改进后的密度计算方程如下：

式中，n为进入液相的气相物质的量，M为气相的摩尔质量，m_l为液相的初始时刻的质量，V_l为液相初始时刻的体积，ΔV为液相膨胀的体积。

本发明的有益效果：本发明所述核磁共振原位测量多孔介质内气-液扩散参数的方法，首先采用低场核磁共振纯相位编码脉冲序列SE-SPI直接获得气-液扩散过程中流体的一维质子密度曲线，基于一维质子密度曲线分析得出的无量纲浓度客观地反映了扩散过程中气相的真实浓度分布。由于在计算扩散系数等物性参数过程中是根据真实气相的浓度分布并且考虑了由于气相向液相扩散引起的液相膨胀，即将所有的膨胀高度加到液相第一层，因此得出的数值会更为准确。

附图说明

图1是扩散过程示意图。

图2是CO₂向正十四烷扩散过程中不同时刻不同位置的一维质子密度变化曲线。

图3是扩散过程中的无量纲浓度分布。

图4是膨胀系数随时间的变化。

图5是扩散系数随时间和位置的变化图。

图6是液相密度随时间的变化。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案对本发明作进一步说明。

一种核磁共振原位测量多孔介质内气-液扩散参数的方法，包括以下步骤：

步骤1：获取多孔介质内气-液扩散过程的一维质子密度分布曲线和压力衰减曲线

将石英砂(80-120目)作为多孔介质，孔隙度为45.3％，正十四烷作为液相，CO₂作为气相，填砂模型长度为3.5cm，直径为1.5cm。

采用低场核磁共振纯相位编码脉冲序列SE-SPI直接获取多孔介质内气-液扩散过程的一维质子密度分布曲线，曲线上的每个点代表不同位置的液相质子密度值；同时采用压力表压力采集系统采集扩散过程中的压力衰减数据。

步骤2：获得液相中沿扩散方向的CO₂无量纲浓度分布

上一步骤中已经测得不同时刻不同位置的液相质子密度值，根据液相质子密度值的变化计算出CO₂的无量纲浓度，方程如下：

C_z,t＝k(I_z,0-I_z,t) (1)

C_z,eq＝k(I_z,0-I_z,eq) (2)

式中，k是一个常数系数，I_z,0是初始时刻位置z处的液相质子密度值，I_z,t是时刻t位置z处的液相质子密度值，C_z,t是时刻t位置z处的CO₂浓度值，I_z,eq是平衡状态时位置z处的液相质子密度值，C_z,eq是平衡状态时位置z处的CO₂的浓度值。初始时刻CO₂浓度为0。由式(1)、式(2)，将CO₂浓度值进行无量纲化，即得到CO₂的无量纲浓度梯度：

步骤3：膨胀高度和膨胀系数的计算

当CO₂缓慢的扩散到液相中，会引起液相体积膨胀，反映到图像上是一维质子密度分布曲线会向右侧移动，采用软件对一维质子密度分布曲线分析计算可以得出任意时刻的膨胀高度，进而得到膨胀系数。

步骤4：计算气-液扩散系数

将液相分为5层，仅考虑液相顶部的膨胀，即将步骤3中测出的膨胀高度加到液相的第一层。

采用非迭代有限体积法，离散方程如下：

内点：

边界A：

边界B：

式中，下标i代表内部节点，下标i±1/2代表两层之间的界面，A代表气液接触界面，B代表液相底部，上标t代表时刻，Δz为任意两个节点之间的距离，Δt为时间间隔，D代表扩散系数。

将公式(1)得到的气相浓度值，采取每一层求和取平均值的方式，带入式(4)-式(6)(常数系数k可约去)，计算得出不同时刻不同位置的扩散系数值。

步骤5：液相密度的计算

根据步骤1测得的压力的变化数据计算出进入到正十四烷的CO₂物质的量，考虑到正十四烷的膨胀，因此改进后的密度计算方程如下：

式中，n为进入液相的气相物质的量，M为气相的摩尔质量，m_l为液相的初始时刻的质量，V_l为液相初始时刻的体积，ΔV为液相膨胀的体积。