CN102565273A - 一种co2地质封存中水岩反应的批式实验装置 - Google Patents
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Abstract
一种CO2地质封存中水岩反应的批式实验装置,包括有:一反应釜,其釜头与釜体以可拆卸的环封连接,釜体置于加热器中,该釜体内装有水和岩石样品;一CO2气瓶,通过第一气阀连接至釜体内;一进水管,通过进水阀连接至釜体内;一第一排气阀,连接至釜体内。本发明可以满足CO2-水-岩反应的温度、压力要求,可使CO2-水-岩反应实验可以加入足够量的水、岩、气样品、加气过程中不带入空气、反应过程中维持恒定压力,且具有操作简单和较为经济的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种水岩反应实验装置,尤其涉及一种适用于CO2地质封存中CO2-水-岩反应研究的批式反应装置。
背景技术
CO2地质封存是为减缓气候变化而将捕集的CO2气体储存于地下岩石构造之中的新兴环境技术。在CO2注入与储存的整个过程中,CO2与地层水和岩石之间的反应对于CO2的注入率、储存量和封存场地的安全性都具有重要影响。
实验室批式实验是研究CO2-水-岩反应的基本方法之一,可模拟地层温度、压力条件下的反应进程,通过固、液相反应产物的分析,探讨反应机制,建立反应的热力学模型,从而预测和评估CO2地质封存工程的环境响应。
目前在开展CO2-水-岩反应研究时所采用的批式实验装置多为常规反应釜,主要存在如下问题:
(1)装置温度、压力范围与CO2-水-岩反应不匹配
因常规反应釜温度和压力范围不能涵盖CO2-水-岩反应实验所需温度、压力而不能满足研究要求;或大大超出所需温度、压力上限而造成成本增加。
(2)装置加气方式与CO2-水-岩反应实验不匹配
因缺乏进气系统,实验前根据反应压力,计算出所需固体CO2(干冰)量,直接打开反应釜釜体加入干冰,做为反应所需的CO2气源。这一加气方法的主要缺点有二:一是加气过程中反应釜釜体打开,导致空气进入釜体,改变了反应的氧化还原条件,会引入除CO2-水-岩反应外的其它反应;二是随着反应进行,CO2不断消耗,导致反应压力随之降低,无法维持恒定压力。
(3)装置加压方式与CO2-水-岩反应实验不匹配
高温高压实验装置常先将反应材料(CO2、水、岩)封在一个密闭的反应腔中,然后在置于具有恒定压力的釜体之中。由于这种加压方式通常针对高温高压反应,其温度和压力较CO2-水-岩要高得多,因而反应腔容积很小,导致加入的CO2、水和岩石的量较小,而当反应物特别是水、岩样品较少时往往无法满足反应产物分析的要求。
(4)压力控制装置成本过高
常规反应釜多采用较大的液压系统进行压力控制,其加压泵的成本很高,由于CO2地质封存条件下的压力较低(一般80~400bar),并不必要配备高压压力泵。
由以上分析及大量调查可以发现,用于CO2-水-岩反应实验的经济实用的实验系统尚未建立。
发明内容
本发明的目的在于提供一种CO2地质封存中水岩反应的批式实验装置。
为实现上述目的,本发明提供的CO2地质封存中水岩反应的批式实验装置,包括有:
一反应釜,其釜头与釜体以可拆卸的环封连接,釜体置于加热器中,该釜体内装有水和岩石样品;
一CO2气瓶,通过第一气阀连接至釜体内;
一进水管,通过进水阀连接至釜体内;
一第一排气阀,连接至釜体内。
所述的装置中,釜体内安装有磁力搅拌器。
所述的装置中,CO2气瓶通过第二气阀与加压泵连接至釜体内,该加压泵与釜体之间连接有第三气阀。
所述的装置中,第一气阀至釜体之间连接有CO2流量计和第四气阀连接至釜体内。
所述的装置中,第四气阀连接CO2流量计的一端通过第五气阀连接至N2气瓶。
所述的装置中,进水阀通过一进水自动冷却水电磁阀连接至釜体内。
所述的装置中,釜体内安装有一取样管,该取样管通过一取样阀连接缓冲罐的进样端,该缓冲罐的出样端连接一取样瓶。
所述的装置中,加热器、磁力搅拌器、第一气阀、第二气阀、第三气阀、第四气阀、第五气阀、取样阀、进水阀、第一排气阀和进水自动冷却水电磁阀均连接控制仪。
所述的装置中,釜头与釜体接口处设有柔性石墨密封垫片。
本发明针对CO2-水-岩反应中尚未解决好的实验装置问题,建立了一个由进气系统和反应系统构成的CO2-水-岩反应批式实验装置。本发明的装置不仅满足CO2-水-岩反应的温度、压力要求,可使CO2-水-岩反应实验可以加入足够量的水、岩、气样品、加气过程中不带入空气、反应过程中维持恒定压力,且具有操作简单和较为经济的特点。
附图说明
图1是CO2地质封存中水岩反应的批式实验装置的结构和实施方法示意图。附图中主要组件符号说明:
1-CO2气瓶;2-N2气瓶;3、4、5-温度压力显示模块;6-转速显示表盘;7-温度压力转速控制模块开关;8加热器开关;9-搅拌驱动电机开关;10-磁力搅拌器转速调节器;11-第六气阀;12-取样阀;13-缓冲罐;14-第七气阀;15-取样瓶;16-第二气阀;17-加压泵;18-压力计;19-第一气阀;20-气体质量流量计;21第五气阀;22-气体质量流量计;23-第二排气阀;24-第四气阀;25-第三气阀;26-釜体压力计;27-第一排气阀;28-进水自动冷却水电磁阀;29-进水阀;30-冷却环出水口;31-釜体排气管;32-环封;33-流体取样管;34-温度压力传感器;35-磁力搅拌器;36-反应釜;37-电磁加热器。
具体实施方式
请参阅图1,是本发明的装置示意图。本发明的装置中有一反应釜36,反应釜的釜头与反应釜的釜体以可拆卸的环封32连接,釜头与釜体接口处设有柔性石墨密封垫片(图中未示)。釜体置于电磁加热器37中,釜体内装有水和磨碎的岩石样品,釜体内安装有磁力搅拌器35,通过搅拌增强水和岩石样口之间的反应。通过环封32,反应釜36的釜体内分别通过第一气阀连接CO2气瓶,还通过进水阀29将进水管连接至釜体内,还安装有第一排气阀27连接至釜体内。本发明的装置中,加热器(电磁加热器)、磁力搅拌器、所有的气阀、取样阀、进水阀、排气阀27和进水自动冷却水电磁阀均连接控制仪,该控制仪上设有温度压力显示模块3、4、5;转速显示表盘6;温度压力转速控制模块开关7;加热器开关8;搅拌驱动电机开关9;磁力搅拌器转速调节器10,此为公知技术,不作详细描述。
本发明的装置在实际操作时,包括以下主要步骤:
(1)清洗反应釜釜体,待干燥后,按实验设计加入水和岩石样品,加环封,紧固反应釜;
(2)打开CO2气进气阀,设置气体质量流量计,控制进气速率和进气量,吹扫釜体内空气;
(3)关闭CO2气进气阀,打开水阀。设定极限温度、压力和目标温度;
(4)待釜内温度升至目标温度时,打开CO2进气阀,在反应压力较低(<70bar)、气瓶压力较高(>70bar)时,直接由气瓶进气;在反应压力较高(>70bar)、气瓶压力较低(<70bar)时,由增压泵压入CO2气体。加压后,关闭进气阀门;
(5)在反应压力降低时,通过气瓶或增压泵补充釜内压力,在反应温度和压力下进行CO2-水-岩反应。根据研究需要,打开取样阀门,通过取样管采集釜内流体样品;
(6)反应完成后,设定釜体冷却温度,待缓慢冷却至室温时,打开釜体排气阀,缓慢排出釜内剩余气体;
(7)取下环封,打开釜体,取出水岩样品,送测分析。
(8)进行空白实验时,将步骤(2)、(3)中CO2换为N2,在步骤(4)中,由N2气瓶直接供气,加压后关闭进气阀门。在反应温度和压力下进行CO2-水-岩反应空白实验。根据研究需要,打开取样阀门,通过取样管采集釜内流体样品。其余步骤同上。
本发明是针对CO2地质封存中水岩反应的一种专门装置,相对于其他批式实验装置来说有如下明显优点:
(1)本发明中的反应釜的釜头与釜体以可拆卸环封连接,釜头接口处贴有柔性石墨密封垫片,密封性能好。
(2)本发明中的反应釜具有极限温度和压力设定功能,安全性好;
(3)本发明中的反应釜釜体上带有取样管,可在反应过程中进行流体的取样;
(4)本发明中的进气管线为两路,一路接CO2气体,另一路接N2,可进行空白实验;
(5)本发明中的加压泵具有体积小、价格低、操作简单的特点;
(6)所述的反应釜和加压泵具有价格低廉、不易损坏、易于操作等优点。可以肯定地说,利用本发明的装置开展CO2-水-岩反应实验成本是比较低的。
(7)本发明中的大多数部件都具有易于维护的优点。
以下结合附图铎本发明作详细描述。
首先如图1所示,用酒精和蒸馏水清洗反应釜36,待干燥后,按实验设计加入水和岩石样品至反应的釜体中。将釜体放入电磁加热器37中,加环封32,并根据反应压力施加相应的力矩紧固;关闭第二气阀16、第五气阀21,打开第六气阀11、取样阀12、第七气阀14、第四气阀24和第一排气阀27;开启气体质量流量计20,设定CO2进气速率和进气量,打开CO2气瓶1的第一进气阀19,吹扫釜体和管路内空气;关闭第六气阀气阀11、取样阀12、第七气阀14、第四气阀24、第一排气阀27,关闭气体质量流量计20,结束吹扫。
打开进水阀29,开启进水自动冷却水电磁阀28(自动控制冷却水流速),将冷却环出水口30放入排水槽;开启温度压力转速控制模块开关7,通过温度压力控制模块3设定反应釜的釜体内的极限温度、压力及目标温度,则当前温度、压力通过温度压力传感器34,分别显示于温度压力显示模块4、5中。开启搅拌驱动电机开关9,通过转速调节器10调节磁力搅拌器35的转速,则当前转速显示于转速显示表盘6中;开启加热器37的加热器开关8,待釜内温度升至目标温度时,打开第四气阀24,在反应压力较低(<70bar)、气瓶压力较高(>70bar)时,直接由CO2气瓶1进气,加压后,关闭第一气阀19、第四气阀24。在反应压力较高(>70bar)、气瓶压力较低(<70bar)时,关闭第一气阀19、第二排气阀23、第四气阀24,打开第二气阀16、第三气阀25,由加压泵17压入CO2,加压泵17与第三气阀25间的管线压力显示于压力计18,待釜体压力计26达到预期压力时,停止加气。加气后,关闭第三气阀25、第二气阀16。打开第二排气阀23,排除加压泵17与第三气阀25间的CO2;当反应过程中釜内压力降低时,打开第四气阀24,及第一气阀19或第二气阀16,通过CO2气瓶1或加压泵17补充釜内压力,补充压力后关闭第四气阀24,及第一气阀19或第二气阀16。在反应温度和压力下进行CO2-水-岩反应;根据研究需要,打开取样阀12,使釜内流体样品通过流体取样管33进入缓冲罐13,待样品冷却后,打开第六气阀11,排出CO2气体。打开第七气阀14,用取样瓶15收集水样;反应结束后,通过温度压力控制模块3设定反应釜36内的冷却温度,待缓慢冷却至室温时,打开第一排气阀27,通过釜体排气管31缓慢排出釜内剩余气体;取下环封32,取出水岩样品;关闭温度压力转速控制模块3。
进行空白实验时,将步骤中CO2换为N2,加气时由N2气瓶2直接供气,其余步骤同上。
本发明的装置中,反应釜最高极限温度为500℃,极限压力345bar;釜头、釜体及内部构件材质均为316不锈钢,耐酸蚀。利用上述反应釜装置开展的储层岩石与地层水、超临界CO2之间的反应,以20g馆陶组地层水和馆陶组砂岩岩芯为岩石样口,模拟地层温度为200℃,压力为200bar时,CO2注入条件下,储层CO2-水-岩相互作用。反应温度为200℃,压力为200bar,时间为10天。SEM观察发现斜长石、微斜长石、石英、云母表面发生了明显的蚀变。XRD分析表明,微斜长石、斜长石、石英均发生溶解,微斜长石、斜长石含量减少,石英含量增加;粘土矿物中,高岭石含量未变,伊利石和绿泥石含量减少,蒙脱石含量增加,粘土矿物总含量略有增加。
Claims (9)
1.一种CO2地质封存中水岩反应的批式实验装置,包括有:
一反应釜,其釜头与釜体以可拆卸的环封连接,釜体置于加热器中,该釜体内装有水和岩石样品;
一CO2气瓶,通过第一气阀连接至釜体内;
一进水管,通过进水阀连接至釜体内;
一第一排气阀,连接至釜体内。
2.根据权利要求1所述的装置,其中,釜体内安装有磁力搅拌器。
3.根据权利要求1所述的装置,其中,CO2气瓶通过第二气阀与加压泵连接至釜体内,该加压泵与釜体之间连接有第三气阀。
4.根据权利要求1所述的装置,其中,第一气阀至釜体之间连接有CO2流量计和第四气阀连接至釜体内。
5.根据权利要求4所述的装置,其中,第四气阀连接CO2流量计的一端通过第五气阀连接至N2气瓶。
6.根据权利要求1所述的装置,其中,进水阀通过一进水自动冷却水电磁阀连接至釜体内。
7.根据权利要求1所述的装置,其中,釜体内安装有一取样管,该取样管通过一取样阀连接缓冲罐的进样端,该缓冲罐的出样端连接一取样瓶。
8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的装置,其中,加热器、磁力搅拌器、第一气阀、第二气阀、第三气阀、第四气阀、第五气阀、取样阀、进水阀、第一排气阀和进水自动冷却水电磁阀均连接控制仪。
9.根据权利要求1所述的装置,其中,釜头与釜体接口处设有柔性石墨密封垫片。
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