CN103278615B - 一种二氧化碳煤层地质储存的试验方法 - Google Patents

Abstract

一种二氧化碳煤层地质储存的试验方法，属于温室效应气体地质埋存技术领域范畴。其特征在于所采用的装置为一种能够高压封装大尺寸试件，试件尺寸为200×200×400mm，试件轴压与围压可分别达120MPa，试件环境温度达200℃，可模拟煤层埋藏深度达4800m的地质环境条件的装置，该试验装置由四大系统组成：地质环境模拟系统、流体注入系统、流体采出系统与测试控制系统。本发明利用新研制的二氧化碳煤层地质储存的试验装置，模拟大埋深煤层的地质条件，克服了现有试验装置试件尺寸小、压力低、温度低的缺点与不足，对地下数千米深处煤层进行可行性试验研究。

Description

一种二氧化碳煤层地质储存的试验方法

技术领域

本发明一种二氧化碳煤层地质储存的试验方法，属于温室效应气体地质埋存技术领域范畴。主要用于对主要温室效应气体二氧化碳在不同深部煤层中进行地质储存与煤层瓦斯驱替效果的试验研究。

背景技术

随着全球气候变暖，作为主要温室效应气体的二氧化碳处置问题逐渐成为全球相关科学家关注的热点。对二氧化碳地质处置有多种方式，包括废弃油气藏储存、深部咸水层储存、深部不可开采煤层储存、盐岩溶腔储存等。由于煤层对二氧化碳与瓦斯的吸附性差异特征，在煤层中进行地质储存在对二氧化碳进行地质封存的同时，还可对其中富含的清洁能源——瓦斯气体进行高效回收，具有二氧化碳储存与煤层气回收的双重效益。已有研究发现，根据煤层特性与赋存环境压力温度条件的不同，煤层对二氧化碳与瓦斯的吸附比高达8~10比1。但这些结果均是在mm级颗粒状煤粉吸附特性研究基础上获得的，其试验条件与地下煤层真实赋存条件相距甚远。一方面不能反映煤层富含解理裂隙的结构特征，另一方面也不能体现深部煤层赋存的地应力与地温条件。为更加逼真模拟深部地下煤层赋存条件下，二氧化碳注入及其对煤层瓦斯驱替效果的研究，需要对试验方法及试验装置进行重要革新。

发明内容

本发明一种二氧化碳煤层地质储存的试验方法的目的在于，克服传统试验方法的缺陷与不足，根据煤层地质赋存条件与煤体自身物理结构特征的实际情形，公开提供一种能够满足在实验室内对地下深部煤层中进行二氧化碳地质储存与煤层瓦斯驱替的先进、高效、直观、可靠的试验方法与相应装置。

本发明一种二氧化碳煤层地质储存的试验方法，其特征在于所采用的装置为一种能够高压封装大尺寸试件，试件尺寸为200×200×400mm，试件轴压与围压可分别达120MPa，试件环境温度达200℃，可模拟煤层埋藏深度达4800m的地质环境条件的装置，该试验装置由地质环境模拟系统、流体注入系统、流体采出系统与测试控制系统四大系统组成，地质环境模拟系统围绕200×200×400mm大尺寸煤样试件，施加0~120MPa与20~200℃范围的压力温度条件，由轴压加载子系统、围压加载子系统、温度控制子系统和渗透压控制子系统构成；流体注入系统对地质环境模拟系统中的大煤样进行水、瓦斯与二氧化碳不同流体的注入，根据试验要求控制注入水量大小、二氧化碳的流体与气体状态，由注水子系统、二氧化碳注入子系统、瓦斯注入子系统和流体温度控制子系统组成；流体采出系统对地质环境模拟系统中，在一定地质环境条件下，对经过竞争吸附之后产出的水、二氧化碳与瓦斯流体进行收集，该系统包括干燥子系统和二氧化碳瓦斯分离子系统；测试控制系统对流体注入系统中二氧化碳与瓦斯注入量、流体采出系统中二氧化碳与瓦斯产出量以及地质环境模拟系统中温度与压力进行精确测量和控制，以保证试验条件与测试结构的可靠性，并经电脑计算分析后直接显示个系统工作状况与测试结果。

上述一种二氧化碳煤层地质储存的试验方法，其特征在于所采用的装置为一种能够高压封装大尺寸试件，可模拟煤层埋藏深度达4800m的地质环境条件的装置，该方法首先将试件置于地质环境模拟系统中，对试件进行负压抽真空后，开启流体注入系统中的注水子系统，先对试件注入10~30%的水量，使试件处于含水率状态，通过温度控制系统设定模拟地层深度的加热温度，对大尺寸试件进行加热，温度达到设定值并稳定30分钟后，通过轴压与围压加载子系统交替作用分别对试件施加轴压与围压，至设定压力值后停止加压，通过控制系统保持试件在模拟地层条件下的压力与温度值，开启渗透压控制子系统、瓦斯注入子系统和流体温度控制子系统，对地质环境模拟系统中的煤体试件注入瓦斯，流体温度控制子系统给流体加热保证注入流体温度与试件温度相同，瓦斯注入压力低于试件围压，渗透压子系统保证地质环境模拟系统内部流体的压力，当煤体试件中瓦斯含量达到饱和状态时，一定温度与地应力条件的煤层地质系统模拟完成，停止瓦斯注入，开启二氧化碳注入子系统向煤体试件注入与试件温度相同的二氧化碳，模拟二氧化碳地质储存与瓦斯驱替过程，同样，注入二氧化碳压力要低于试件所受围压，当注入二氧化碳达到饱和后，停止二氧化碳注入，让大煤样试件中两种气体进行竞争吸附150h以上，而后，开启流体采出系统，自然释放煤体试件中的游离态流体，通过流体采出系统中的干燥子系统对产出流体进行干燥脱水处理，之后利用瓦斯和二氧化碳相态临界点的不同，进行瓦斯与二氧化碳物理分离，收集产物，试验结束后，通过测试控制系统进行注入产出分析，分析试验条件下、煤体二氧化碳地质储存与驱替瓦斯量，对该条件下相应煤层二氧化碳地质储存与瓦斯驱替效益进行评价分析，改变煤样与相应作用温度压力地质环境条件，重复上述步骤即可进行不同条件下的二氧化碳地质储存与瓦斯驱替效益评价分析，其具体实施的步骤为：

1） 将试件尺寸为200×200×400mm的试件置于地质环境模拟系统中，对试件进行负压抽真空，开启流体注入系统中的注水子系统，流体注入压力为0—100Mpa，先对试件注入10~30%的水量，使试件处于半饱和或饱和含水率状态；

2）开启地质环境模拟系统中温度控制子系统对大试件进行加热至设定模拟的地层温度20℃—200℃，稳定30分钟时间后，通过轴压与围压加载子系统交替作用分别对试件施加轴压与围压，至设定压力值（轴压0—120MPa,围压0—120MPa）后停止加压，通过控制系统保持试件在模拟地层条件下的压力与温度值；

3）开启渗透压控制子系统、瓦斯注入子系统和流体温度控制子系统，渗透压控制子系统可将夹持器11内的渗透压控制在0-100Mpa，流体控制子系统将瓦斯加热至地质环境模拟系统相同温度，对地质环境模拟系统中的煤体试件注入等温瓦斯至煤体试件中瓦斯含量达到饱和状态，瓦斯注入压力低于试件围压；

4）开启二氧化碳注入子系统向煤体试件注入与试件温度相同的二氧化碳，同样，注入二氧化碳压力要低于试件所受围压，当注入二氧化碳达到饱和后，停止二氧化碳注入，关闭流体温度控制子系统；

5）试件中两种气体进行竞争吸附150h以上；

6）开启流体采出系统，自然释放煤体试件中的游离态流体，通过流体采出系统中的干燥子系统对产出流体进行干燥脱水处理，之后通过二氧化碳瓦斯分离子系统进行瓦斯与二氧化碳物理分离，收集产物，二氧化碳瓦斯分离子系统采用物理分离的方法，利用冷却加压的方法，所设试验参数温度为-10℃—0℃，压力为2.7MPa—3.5Mpa；

7）通过测试控制系统进行注入产出分析，分析试验条件下煤体二氧化碳地质储存与驱替瓦斯量，对该条件下相应煤层二氧化碳地质储存与瓦斯驱替效益进行评价分析，本次二氧化碳煤层地质储存的实验完成，测试控制系统利用温度传感器、压力传感器、流量传感器或重力传感器动态检测试验数据，并将数据传输至计算机进行分析。

本发明一种二氧化碳煤层地质储存的试验方法的优点在于：与现有的二氧化碳煤层地质储存试验装置与方法相比，该检测装置采用200×200×400mm的大试件，属国际上此类试验的最大原煤试件，可以更大程度反映煤体内部原始孔裂隙和结构。试件轴压与围压可分别达120MPa，试件环境温度达200℃，可模拟煤层埋藏深度达4800m的地质环境条件。且在地质环境模拟系统增加了保压装置，保证超临界二氧化碳在试件中以该种形态流动，克服了现有试验超临界二氧化碳在试件中气化的弊端，更加真实模拟二氧化碳在大埋深煤层中的运移情况。将产出的瓦斯和二氧化碳进行物理分离，不仅可对二氧化碳产出量进行精确计量，而且得到的液态二氧化碳还可以重复利用。本发明不仅是二氧化碳煤层地质储存的试验方法及试验装置的重要革新，更为大埋深不可开采煤层瓦斯驱替开采利用和二氧化碳储存提供了可行的试验方法。其主要用途为：大埋深煤层瓦斯驱替开采利用和二氧化碳煤层地质储存。

附图说明：

图1: 二氧化碳煤层地质储存的试验装置示意图

图中的标号：1——注水子系统；2——调压装置；3——二氧化碳注入子系统；4——瓦斯注入子系统; 5——流体温度控制子系统；6——压力传感器；7——温度传感器；8——围压加载子系统；9——轴压加载子系统；10——温度控制子系统；11——夹持器；12——渗透压控制子系统；13——干燥子系统；14——二氧化碳瓦斯分离子系统；15——二氧化碳收集装置；16——重力传感器；17——回压阀；18——流量传感器；19——瓦斯收集装置。

具体实施方式：

实施方式1：该试验装置由地质环境模拟系统、流体注入系统、流体采出系统与测试控制系统四大系统组成。其中环境模拟系统由压力传感器6、温度传感器7、围压加载子系统8、轴压加载子系统9、温度控制子系统10、夹持器11和渗透压控制子系统12组成；夹持器11置于温度控制子系统10的内部；围压加载子系统8和轴压加载子系统9通过管道通入夹持器11的中部和两端，分别为两端油缸和夹持器中部提供高压流体；压力传感器6测量通入夹持器11内流体的压力并将测量数据传输至计算机；温度传感器7测量夹持器11的温度并将数据传输至计算机；渗透压控制子系统12与夹持器11的排出管道相连，确保夹持器11内部流体的压力；

流体注入系统由注水子系统1、调压装置2、二氧化碳注入子系统3、瓦斯注入子系统4和流体温度控制子系统5组成；二氧化碳注入子系统3和瓦斯注入子系统4分别与调压装置2相连，保证输出稳定压力的流体；注水子系统1、二氧化碳注入子系统3和瓦斯注入子系统4注入的流体都要经过流体温度控制子系统5加热，确保流体温度与夹持器11的温度相同；

流体采出系统由干燥子系统13、二氧化碳瓦斯分离子系统14、二氧化碳收集装置15、重力传感器16、回压阀17、流量传感器18和瓦斯收集装置19组成；干燥子系统13与渗透压控制子系统12相连，干燥经由渗透压控制子系统12通过的流体；二氧化碳收集装置15和瓦斯收集装置19分别与二氧化碳瓦斯分离子系统14相连，保证分离后液态二氧化碳经管道流入二氧化碳收集装置15，气态瓦斯经由回压阀17和流量传感器18进入瓦斯收集装置19；重力传感器16测量二氧化碳收集装置15的重量变化并将测量数据传输至计算机；流量传感器18测量通过的气态瓦斯的量并将测量数据传输至计算机。该试验装置能够满足模拟2800m深煤层二氧化碳地质储存的试验要求，通过温度控制子系统给试件加热至90℃，轴压、围压子系统给试件提供75MPa压力，先后将瓦斯和二氧化碳注入试件，并对产物进行分析，对该条件下相应煤层二氧化碳地质储存与瓦斯驱替效益进行评价分析。具体操作步骤如下：

Ⅰ. 将煤体置于夹持器11中，抽真空后，开启注水子系统1，先对试件注入15%的水量，使试件处于半饱和含水率状态；

Ⅱ. 开启温度控制子系统10将试件加热至90℃，稳定30分钟后，开启轴压与围压加载子系统交替作用分别对试件施加轴压与围压至75MPa，通过控制系统保持试件在模拟地层条件下的压力与温度值；

Ⅲ. 开启渗透压控制子系统12、瓦斯注入子系统4和流体温度控制子系统5，对地质环境模拟系统中的煤体试件注入相同温度的瓦斯至煤体试件中瓦斯含量达到饱和状态，瓦斯注入压力35Mpa；

Ⅳ.开启二氧化碳注入子系统3向煤体试件注入与夹持器11温度相同的二氧化碳至二氧化碳达到饱和，二氧化碳注入压力35Mpa，关闭流体温度控制子系统5；

Ⅴ. 让大煤样试件中两种气体进行竞争吸附150h以上；

Ⅵ. 开启流体采出系统，自然释放煤体试件中的游离态流体，通过流体采出系统中的干燥子系统13对产出流体进行干燥脱水处理，之后经过二氧化碳瓦斯分离子系统14进行瓦斯与二氧化碳物理分离，收集产物；

Ⅶ. 通过测试控制系统进行注入产出分析，分析试验条件下、煤体二氧化碳地质储存与驱替瓦斯量，对该条件下相应煤层二氧化碳地质储存与瓦斯驱替效益进行评价分析，本次二氧化碳煤层地质储存的实验完成。

实施方式2：该试验装置能够满足模拟3800m深煤层二氧化碳地质储存的试验要求，对试件注入20%的水量，通过温度控制子系统给试件加热至110℃，加热轴压、围压子系统给试件提供100MPa压力，先后将瓦斯和二氧化碳注入试件，二氧化碳与瓦斯注入压力45Mpa，并对产物进行分析，其它同实施方式1。

实施方式3：该试验装置能够满足模拟4800m深煤层二氧化碳地质储存的试验要求，对试件注入30%的水量，通过温度控制子系统给试件加热至140℃，轴压、围压子系统给试件提供120MPa压力，先后将瓦斯和二氧化碳注入试件，二氧化碳与瓦斯注入压力55Mpa，并对产物进行分析，其它同实施方式1。

Claims (1)

1.一种二氧化碳煤层地质储存的试验方法，其特征在于所采用的装置为一种能够高压封装大煤样试件，可模拟煤层埋藏深度达4800m的地质环境条件的装置，该方法首先将大煤样试件置于地质环境模拟系统中，对试件进行负压抽真空后，开启流体注入系统中的注水子系统，先对大煤样试件注入10～30%的水量，使其处于半饱和或饱和含水率状态，通过温度控制子系统设定模拟地层深度的加热温度，对大煤样试件进行加热，温度达到设定值并稳定30分钟后，通过轴压与围压加载子系统交替作用分别施加轴压与围压，至设定压力值后停止加压，通过控制系统保持大煤样试件在模拟地层条件下的压力与温度值，开启渗透压控制子系统、瓦斯注入子系统和流体温度控制子系统，对地质环境模拟系统中的大煤样试件注入瓦斯，流体温度控制子系统给流体加热保证注入流体温度与大煤样试件温度相同，瓦斯注入压力低于大煤样试件围压，渗透压控制子系统保证地质环境模拟系统内部流体的压力，当大煤样试件中瓦斯含量达到饱和状态时，一定温度与地应力条件的煤层地质系统模拟完成，停止瓦斯注入，开启二氧化碳注入子系统向大煤样试件注入与其温度相同的二氧化碳，模拟二氧化碳地质储存与瓦斯驱替过程，同样，注入二氧化碳压力要低于大煤样试件所受围压，当注入二氧化碳达到饱和后，停止二氧化碳注入，让大煤样试件中两种气体进行竞争吸附150h以上，而后，开启流体采出系统，自然释放大煤样试件中的游离态流体，通过流体采出系统中的干燥子系统对产出流体进行干燥脱水处理，之后利用瓦斯和二氧化碳相态临界点的不同，进行瓦斯与二氧化碳物理分离，收集产物，试验结束后，通过测试控制系统进行注入产出分析，分析试验条件下、煤体二氧化碳地质储存与驱替瓦斯量，对该条件下相应煤层二氧化碳地质储存与瓦斯驱替效益进行评价分析，改变煤样与相应作用温度压力地质环境条件，重复上述步骤即可进行不同条件下的二氧化碳地质储存与瓦斯驱替效益评价分析，其具体实施的步骤为：

1）将尺寸为200×200×400mm的大煤样试件置于地质环境模拟系统中，对其进行负压抽真空，开启流体注入系统中的注水子系统，流体注入压力为0—100MPa，先对大煤样试件注入10～30%的水量，使其处于半饱和或饱和含水率状态；

2）开启地质环境模拟系统中的温度控制子系统对大煤样试件进行加热至设定模拟的地层温度20℃—200℃，稳定30分钟时间后，通过轴压与围压加载子系统交替作用分别对大煤样试件施加轴压与围压，至设定压力值后停止加压，通过控制系统保持大煤样试件在模拟地层条件下的压力与温度值；

3）开启渗透压控制子系统、瓦斯注入子系统和流体温度控制子系统，渗透压控制子系统可将夹持器（11）内的渗透压控制在0—100MPa，流体控制子系统将瓦斯加热至地质环境模拟系统相同温度，对地质环境模拟系统中的大煤样试件注入等温瓦斯至其中瓦斯含量达到饱和状态，瓦斯注入压力低于大煤样试件所受围压；

4）开启二氧化碳注入子系统向大煤样试件注入与其温度相同的二氧化碳，同样，注入二氧化碳压力要低于大煤样试件所受围压，当注入二氧化碳达到饱和后，停止二氧化碳注入，关闭流体温度控制子系统；

5）大煤样试件中两种气体进行竞争吸附150h以上；

6）开启流体采出系统，自然释放大煤样试件中的游离态流体，通过流体采出系统中的干燥子系统对产出流体进行干燥脱水处理，之后通过二氧化碳瓦斯分离子系统进行瓦斯与二氧化碳物理分离，收集产物，二氧化碳瓦斯分离子系统采用冷却加压的物理分离方法，利用的方法，所设试验参数温度为-10℃—0℃，压力为2.7MPa—3.5MPa；

7）通过测试控制系统进行注入产出分析，分析试验条件下大煤样试件二氧化碳地质储存与驱替瓦斯量，对该条件下相应煤层二氧化碳地质储存与瓦斯驱替效益进行评价分析，本次二氧化碳煤层地质储存的实验完成，测试控制系统利用温度传感器、压力传感器、流量传感器和重力传感器动态检测试验数据，并将数据传输至计算机进行分析。