CN104914017A - 一种利用ct技术检测多孔介质中co2弥散的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于天然气资源开发及CO₂减排技术领域。其特征是:该装置主要包括CT系统、流体注入系统、气体分析系统和数据采集及处理系统，CT系统在显微CT仪中设有聚醚醚酮材料的耐高压填砂岩心管；该方法运用CT实时测量多孔介质中的流体密度变化，结合CO₂-CH₄混合物状态方程，可以获取多孔介质中的组分浓度变化分布，并基于对流弥散理论，运用有限差分法，直接获取多孔介质中弥散系数。本发明的效果和益处是：显微CT仪无损、实时地测量多孔介质微观孔隙结构及其中的流体密度变化，进一步获取多孔介质中弥散系数，可视化及定量化地描述多孔介质中的CO₂-CH₄弥散过程，更准确地揭示多孔介质中CO₂-CH₄弥散过程规律。

Description

一种利用CT技术检测多孔介质中CO2弥散的装置及方法

技术领域

本发明属于天然气资源开发及CO₂减排技术领域，具体涉及到一种利用CT技术检测多孔介质中CO₂弥散的装置及方法。

背景技术

天然气(主要成分为CH₄)是一种清洁、高效、环保的优质能源，有利于减少污染物排放。基于环境保护和社会发展需求，我国对于天然气的需求量呈逐年增加态势。与此同时，由于煤和石油等化石燃料的大量使用，大气中主要温室气体CO₂的浓度不断增加，引发全球气候变暖。因此提高清洁能源供给和减少CO₂排放成为人们关心的问题。

CO₂强化天然气开采技术，指的是注入CO₂到即将枯竭的天然气藏底部，将因自然衰竭而无法开采的残存天然气驱替出来，从而提高采收率，同时将CO₂封存于气藏地质结构中实现CO₂减排的过程。该技术对提高天然气供给及CO₂减排具有重要意义。目前国内外有一些学者开展了这方面的研究，且国外已有成功的示范性项目，通过研究及示范性项目运行过程发现：将CO₂注入天然气藏时CO₂与天然气之间存在明显的弥散过程，且弥散程度对最终天然气的采收率及生产的天然气纯净度有重要影响。因此CO₂-CH₄弥散过程的研究对CO₂强化天然气开采技术来说至关重要。

目前针对CO₂强化天然气开采技术中CO₂-CH₄弥散过程的研究比较少，且已有研究主要为对CO₂-CH₄弥散系数的测量，而且CO₂-CH₄弥散系数测量的传统研究主要停留在对实验系统出口处的产气进行气体分析测量，进而通过对流弥散理论求解弥散系数并分析弥散过程，该传统实验方法在计算弥散系数时，无法有效地评估管路效应及进出口效应对多孔介质中弥散系数测量的影响，所 得的弥散系数普遍存在较大偏差。此外，关于弥散过程的可视化研究更是稀缺，虽然有研究人员开展过CO₂-CH₄弥散过程的可视化研究，但其主要呈现了岩心内部宏观的密度分布，既未能给出多孔介质内部的微观孔隙结构，又无法获得多孔介质内CO₂-CH₄弥散系数，其弥散系数也是按照传统方法获取了包含管路效应及进出口效应的整体弥散系数。

发明内容

本发明的目的是，旨在克服现有技术存在的问题，提供一种利用CT技术检测多孔介质中CO₂弥散的装置及方法，在获得多孔介质内部微观孔隙结构基础上，实时测量并分析多孔介质内部CO₂浓度变化，基于对流弥散理论，直接获取多孔介质中CO₂-CH₄弥散系数，并通过与传统实验方法获取包含管路效应及进出口效应的整体弥散系数对比，评估管路效应及进出口效应对多孔介质内弥散系数测量的影响；此外，通过CT技术对多孔介质微观孔隙结构内弥散过程进一步可视化描述，从而更准确地揭示多孔介质内CO₂-CH₄弥散过程规律。

本发明的技术方案是：一种利用CT技术检测多孔介质中CO₂弥散的装置，它包括CT系统、流体注入系统、气体成分分析系统和数据采集及处理系统。所述的CT系统在显微CT仪中设有聚醚醚酮(PEEK)材质的耐高压填砂岩心管，填砂岩心管外包裹有石墨加热带，石墨加热带通过导线连接至电控温调节器；填砂岩心管的入口连接流体注入系统，填砂岩心管出口分两路：一路经背压调节器连接气体成分分析系统中的气相色谱仪，另一路经第五针阀与真空泵连接；所述的流体注入系统包括CH₄注入泵和CO₂注入泵，CH₄注入泵和CO₂注入泵具有控温套筒层，CH₄注入泵的控温套筒层接口、CO₂注入泵的控温套筒层接口与恒温水浴依次串联连接，构成循环闭环；所述的CH₄注入泵入口经第一针阀连接CH₄气瓶，其出口经第二针阀与填砂岩心管入口连接；所述的CO₂注入泵 入口经第四针阀连接CO₂气瓶，其出口经第三针阀与填砂岩心管入口连接；所述系统管路采用耐高压不锈钢管，且用电控温加热带包裹；所述CT系统和气体成分分析系统与数据采集及处理系统采用电连接。

此外，上述的CH₄注入泵的出口、CO₂注入泵的出口及填砂岩心管的入口还各自接有一个压力变送器，组成压力监测系统，监测实验系统压力；所述填砂岩心管入口还接有热电偶，与上述的恒温水浴、电控温调节器及管路外包裹的电控温加热带共同组成温度控制及监测系统，负责对实验系统控温并实时监测。

所述的一种利用CT技术检测多孔介质中CO₂弥散的方法包括以下步骤：

(1)检测前，首先用显微CT仪扫描填砂岩心管内纯空气，再扫描填砂岩心管内纯水，扫描得到的数据作为确定多孔介质孔隙度分布的CT数据；

(2)将填砂岩心管及石英砂烘干，向填砂岩心管中装填石英砂制备填砂岩心，置于显微CT仪内扫描，获取填砂岩心孔隙结构；

(3)连接系统管路，检漏并试压，随后抽真空；

(4)调节温度控制及监测系统，控制温度，回填CH₄注入泵及CO₂注入泵至满，并调节至所需压力；

(5)设定背压调节器，关闭真空泵，用CH₄注入泵向填砂岩心管内注入CH₄至所需压力，控温至温度压力稳定；

(6)在上述温度压力条件下，用CO₂注入泵向填砂岩心管内定流速注入CO₂，开始检测；固定时间间隔进行CT扫描，通过显微CT仪得到不同时刻的CO₂-CH₄弥散过程中流体在多孔介质中的密度分布，利用背压调节器控制背压，打开气体成分分析系统，连续在线地分析测量出口气体成分及浓度，利用压力监测系统与温度控制及监测系统实时记录压力和温度；当监测到出口气体全部 为CO₂时结束检测；排空残余废气，取出填砂岩心管水饱和多孔介质后，再放入显微CT仪中扫描，此次扫描图像作为确定多孔介质孔隙度分布的CT数据；整个过程中获取的数据将由数据采集及处理系统处理；

(7)检测数据处理，基于所测CT数据，采用饱和差值法计算得到多孔介质中孔隙度分布，并获取多孔介质微观孔隙结构；根据显微CT仪实时测量的CO₂-CH₄弥散过程中流体在多孔介质中的密度分布，结合CO₂-CH₄混合体系状态方程，得到多孔介质中CO₂浓度分布，可视化的描述CO₂-CH₄弥散过程；再根据对流弥散理论，对多孔介质中CO₂浓度变化进行处理，运用有限差分法数值求解，获取多孔介质中弥散系数；基于对流弥散理论，对出口气体CO₂浓度变化曲线进行处理，获取包含管路效应及进出口效应影响的整体弥散系数，与多孔介质中弥散系数对比，评估管路效应及进出口效应对多孔介质内弥散系数测量的影响。

上述技术方案利用CT技术检测多孔介质内CO₂-CH₄弥散过程，以实现对于多孔介质中CO₂-CH₄弥散过程的微观可视化及量化分析，描述多孔介质内部的微观孔隙结构及分布，反映孔隙结构分布对弥散过程的影响。CT技术作为一种无损检测技术，通过X射线穿透多孔介质后的衰减程度反映密度分布，且显微CT仪较一般CT仪分辨率更高，达到微米级别，能够准确地描述多孔介质内部微观孔隙结构，以有效地建立可视化数字岩心模型。同时，根据CO₂-CH₄混合物状态方程的CO₂浓度与混合物密度之间的关系，显微CT仪获取的弥散过程中多孔介质内的密度分布定量地转化为CO₂浓度分布，进而根据对流弥散理论，运用有限差分法数值求解，获取多孔介质中的弥散系数。此外，根据出口气体的CO₂浓度变化，也可以用传统方法获取包含管路效应及进出口效应影响的整体弥散系数，对比获得的两个弥散系数，可以评估管路效应及进出口效应对弥 散系数测量的影响。

本发明的效果和益处是：通过显微CT仪无损地测量多孔介质微观孔隙结构分布，并实时地测量CO₂-CH₄弥散过程中流体在多孔介质中的密度变化，可视化地描述了多孔介质中的弥散过程；同时结合CO₂-CH₄混合物状态方程，定量化地描述多孔介质内组分浓度变化，基于对流弥散理论，运用有限差分法直接获取多孔介质内的弥散系数，弥补了传统实验方法的不足，有效地避免了分析多孔介质内弥散时管路效应及进出口效应对弥散系数测量的影响，更准确地揭示多孔介质中CO₂-CH₄弥散过程规律；并通过与传统实验方法的比较，评估了管路效应及进出口效应对多孔介质中弥散系数测量的影响程度。

附图说明

图1是一种利用CT技术检测多孔介质中CO₂弥散的装置示意图。

图2是一维对流弥散方程网格划分示意图。

图中：1aCH₄气瓶；1bCO₂气瓶；2a第一针阀；2b第二针阀；2c第三针阀；2d第四针阀；2e第五针阀；3aCH₄注入泵；3bCO₂注入泵；4a第一压力变送器；4b第二压力变送器；4c第三压力变送器；5热电偶；6恒温水浴；7显微CT仪；8填砂岩心管；9真空泵；10背压调节器；11气相色谱仪；12电控温调节器；13石墨加热带；14数据采集及处理系统。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

图1表示一种利用CT技术检测多孔介质中CO₂弥散的装置，主要包括一个CT系统、流体注入系统、气体成分分析系统和数据采集及处理系统。所述CT系统在显微CT仪7中设有聚醚醚酮(PEEK)材质的填砂岩心管8，填砂岩心管8外由石墨加热带13包裹，石墨加热带13通过导线连接至电控温调节器12； 填砂岩心管8的入口连接所述流体注入系统，填砂岩心管8出口分两路：一路经背压调节器10连接所述气体成分分析系统中的气相色谱仪11，另一路经第五针阀2e与真空泵9连接；所述流体注入系统包括一个CH₄注入泵3a和一个CO₂注入泵3b，所述CH₄注入泵3a和CO₂注入泵3b都具有控温套筒层，CH₄注入泵3a的控温套筒层接口、CO₂注入泵3b的控温套筒层接口与恒温水浴6依次串联连接，构成循环闭环；CH₄注入泵3a入口经第一针阀2a连接至CH₄气瓶1a，出口经第二针阀2b与填砂岩心管8入口连接；所述CO₂注入泵3b入口经第四针阀2d连接至CO₂气瓶1b，出口经第三针阀2c与填砂岩心管8入口连接；所述实验系统管路采用耐高压不锈钢管，且用电控温加热带包裹；显微CT仪7和气相色谱仪11与数据采集及处理系统14采用电连接。

上述的CH₄注入泵3a的出口处还接有第一压力变送器4a，CO₂注入泵3b的出口处还接有第二压力变送器4b，填砂岩心管8的入口还接有第三压力变送器4c，上述的三个压力变送器4a、4b和4c共同组成压力监测系统，监测实验系统压力；所述填砂岩心管8入口处接有的热电偶5，与恒温水浴6、电控温调节器12及管路外包裹的电控温加热带共同组成温度控制及监测系统，控制实验系统达到所需温度，并实时监测。利用显微CT仪7测量填砂岩心管8内密度变化，获取多孔介质内孔隙结构中的CO₂浓度变化，计算多孔介质中弥散系数；并且利用气相色谱仪11分析出口气体中CO₂的浓度变化，计算包含管路效应及进出口效应的整体弥散系数。

上述的利用CT技术检测弥散过程的方法包括以下步骤：

第一步，检测前准备工作

(1)将填砂岩心管8放于显微CT仪7中扫描管内纯空气，随后在填砂岩心管8中充满水，再放入显微CT仪7中扫描管内纯水，该步骤数据作为确定多 孔介质孔隙度分布的CT数据；

(2)填砂岩心管8及石英砂烘干后，向填砂岩心管8中装填石英砂制备填砂岩心，放于显微CT仪7内扫描，获取填砂岩心孔隙结构；

(3)按照图1示意图连接系统管路，检漏并试压，随后用真空泵9抽真空；

(4)调节温度控制及监测系统，控制至实验所需温度，打开第一针阀2a及第四针阀2d，回填CH₄注入泵3a及CO₂注入泵3b至满，并调节至实验所需压力，随后关闭第一针阀2a及第四针阀2d；

(5)设定背压调节器10，关闭第五针阀2e及真空泵9，打开第二针阀2b，用CH₄注入泵3a向填砂岩心管8内注入CH₄至实验所需压力，控温2小时至温度压力稳定后关闭第二针阀2b；

第二步，开始检测，利用CT技术对多孔介质中的CO₂-CH₄弥散过程进行动态可视化检测。打开第三针阀2c，CO₂注入泵3b在实验所需压力条件下以设定的注入流速向填砂岩心管8内定流速注入CO₂，利用背压调节器10控制背压，打开气相色谱仪11，连续在线地分析测量出口气体，开始检测CO₂-CH₄弥散过程。固定时间间隔进行CT扫描，通过显微CT仪7检测气体注入情况并获取不同时刻多孔介质内密度分布，利用压力监测系统与温度控制及监测系统实时记录压力和温度，利用气体成分分析系统对出口气体进行气体成分分析。当气相色谱仪11监测到出口气体全部为CO₂时结束检测。打开第五针阀2e将系统内的残余废气排出，取出填砂岩心管8水饱和多孔介质后，再放入显微CT仪7中扫描，此次扫描图像为用作确定多孔介质孔隙度分布的CT数据。整个过程中获取的数据将由数据采集及处理系统17处理。取出填砂岩心管8内石英砂，清洗，为下一组检测做准备。

第三步，检测数据处理。首先，基于所测CT数据，根据CT技术理论采用 饱和差值法计算得到填砂岩心孔隙度分布，并获取多孔介质微观孔隙结构；根据显微CT仪实时测量的CO₂-CH₄弥散过程中多孔介质中的流体密度分布，结合CO₂-CH₄混合体系状态方程，定量地转化为多孔介质中CO₂浓度分布，定量化及可视化地描述CO₂-CH₄弥散过程；再根据对流弥散理论，对多孔介质中CO₂浓度变化进行处理，运用有限差分法数值求解，获取多孔介质中弥散系数；基于对流弥散理论，对出口气体CO₂浓度变化曲线进行处理，获取传统方法的包含管路效应及进出口效应影响的整体弥散系数，与多孔介质中弥散系数对比，评估管路效应及进出口效应对多孔介质内弥散系数测量的影响。弥散系数处理计算的详细过程如下：

(1)根据CT技术理论采用饱和差值法(公式①)计算得到填砂岩心孔隙度φ分布。

$\mathrm{\φ}=\frac{{\mathrm{CT}}_{\mathrm{water}}^{\mathrm{sat}}-{\mathrm{CT}}_{\mathrm{air}}^{\mathrm{sat}}}{{\mathrm{CT}}_{\mathrm{water}}-{\mathrm{CT}}_{\mathrm{air}}}$    ①式①中，CT_water和CT_air分别表示：含饱和水填砂岩心CT灰度值、空气中填砂岩心CT灰度值、纯水CT灰度值和纯空气CT灰度值；

(2)根据CT成像原理及CT灰度与物质密度成正比关系，将获取到的填砂岩心管内各个位置的CT灰度值转化为多孔介质内流体密度分布。为了减小由于填砂岩心孔隙度不均匀及噪声信号等影响，定义一个与含水饱和度公式类似的含CO₂饱和度公式②，用于将CT灰度值转化为流体密度。

$S=\frac{{\mathrm{CT}}_{\exp }^{\mathrm{sat}}-{\mathrm{CT}}_{{\mathrm{CH}}_4}^{\mathrm{sat}}}{{\mathrm{CT}}_{{\mathrm{CO}}_2}^{\mathrm{sat}}-{\mathrm{CT}}_{{\mathrm{CH}}_4}^{\mathrm{sat}}}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\exp }-{\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{CH}}_4}}{{\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{CO}}_2}-{\mathrm{\ρ}}_{{\mathrm{CH}}_4}}$    ②式②中，S表示CO₂饱和度，和分别表示不同实验时刻填砂岩心CT灰度值、含饱和CH₄填砂岩心CT灰度值和含饱和CO₂填砂岩心CT灰度值，ρ_exp、和分别表示不同实验时刻填砂岩心内流体密度、CH₄密度和 CO₂密度；

(3)结合CO₂-CH₄混合体系状态方程计算多孔介质中CO₂浓度，以选用BWRS方程为例，将多孔介质中流体密度分布转化为CO₂浓度分布；

(4)利用有限差分法将对流弥散方程③离散，通过编程计算多孔介质中的弥散系数。以利用克兰克－尼科尔森(Crank-Nicolson)方法将一维对流弥散方程离散为例，根据网格划分示意图2将公式③离散为公式④，利用MATLAB软件编程计算得到多孔介质中弥散系数。

$K\frac{{\∂}^{2}C}{{\∂x}^2}-u\frac{\∂C}{\∂x}=\frac{\∂C}{\∂t}$    ③式③中，K、C、u、x和t分别表示弥散系数、CO₂浓度、注入流速、位置和时间；

$-(\frac{s}{2}+\frac{c}{4})C_{i-1}^{n+1}+(1+s)C_i^{n+1}-(\frac{s}{2}-\frac{c}{4})C_{i+1}^{n+1}=(\frac{s}{2}+\frac{c}{4})C_{i-1}^n+(1-s)C_i^n+(\frac{s}{2}-\frac{c}{4})C_{i+1}^n$    ④a

$c=\frac{\mathrm{u\Δt}}{\mathrm{\Δx}}$    ④b

$s=\frac{\mathrm{K\Δt}}{\mathrm{\Δ}{x}^2}$    ④c式④中，表示在离散位置点i和时刻点n处的CO₂浓度，Δx和Δt分别表示空间步长和时间步长，c和s定义为柯朗数和扩散数。

(5)对出口气体进行气体成分分析，利用传统方法将出口气体CO₂浓度变化曲线与一维对流弥散方程的解析解⑤拟合，获取包含管路效应及进出口效应影响的整体弥散系数，并与CT分析计算得到的多孔介质中弥散系数对比，评估管路效应及进出口效应对弥散系数测量的影响。

$C=\frac{1}{2}[\mathrm{erfc}\left(\frac{x_D-t_D}{2\sqrt{t_D/\mathrm{Pe}}}\right)+e^{x_{D^{\mathrm{Pe}}}}\·\mathrm{erfc}\left(\frac{x_D+t_D}{2\sqrt{t_D/\mathrm{Pe}}}\right)]$    ⑤a

$x_D=\frac{x}{L}$    ⑤b

$t_D=\frac{\mathrm{ut}}{L}$    ⑤c

$\mathrm{Pe}=\frac{\mathrm{uL}}{K}$    ⑤d式⑤中，x_D和t_D分别为位置x和时间t的无量纲化，L为岩心长度，Pe为沛克莱数。

Claims (4)

1.一种利用CT技术检测多孔介质中CO₂弥散的装置，其特征在于，该装置包括CT系统、流体注入系统、气体成分分析系统和数据采集及处理系统；所述的CT系统在显微CT仪中设有聚醚醚酮材质的耐高压填砂岩心管，填砂岩心管外包裹有石墨加热带，石墨加热带通过导线连接至电控温调节器；填砂岩心管的入口连接流体注入系统，填砂岩心管出口分两路：一路经背压调节器连接气体成分分析系统中的气相色谱仪，另一路经第五针阀与真空泵连接；所述的流体注入系统包括CH₄注入泵和CO₂注入泵，CH₄注入泵和CO₂注入泵具有控温套筒层，CH₄注入泵的控温套筒层接口、CO₂注入泵的控温套筒层接口与恒温水浴依次串联连接，构成循环闭环；所述的CH₄注入泵入口经第一针阀连接CH₄气瓶，其出口经第二针阀与填砂岩心管入口连接；所述的CO₂注入泵入口经第四针阀连接CO₂气瓶，其出口经第三针阀与填砂岩心管入口连接；所述系统管路采用耐高压不锈钢管，且用电控温加热带包裹；所述CT系统和气体成分分析系统与数据采集及处理系统采用电连接。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的CH₄注入泵的出口处、CO₂注入泵的出口处和填砂岩心管的入口处各自接有压力变送器，组成压力监测系统，监测系统压力。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述填砂岩心管入口接有热电偶，与所述的恒温水浴、电控温调节器及系统管路外包裹的电控温加热带共同组成温度控制及监测系统，负责对系统控温并实时监测。

4.根据权利要求3所述的装置用于CT技术检测多孔介质中CO₂弥散的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)检测前，首先用显微CT仪扫描填砂岩心管内纯空气，再扫描填砂岩心管内纯水，扫描得到的数据作为确定多孔介质孔隙度分布的CT数据；

(2)将填砂岩心管及石英砂烘干，向填砂岩心管中装填石英砂制备填砂岩心，置于显微CT仪内扫描，获取填砂岩心孔隙结构；

(3)连接系统管路，检漏并试压，随后抽真空；

(4)调节温度控制及监测系统，控制温度，回填CH₄注入泵及CO₂注入泵至满，并调节至所需压力；

(5)设定背压调节器，关闭真空泵，用CH₄注入泵向填砂岩心管内注入CH₄至所需压力，控温至温度压力稳定；

(6)在上述温度压力条件下，用CO₂注入泵向填砂岩心管内定流速注入CO₂，开始检测；固定时间间隔进行CT扫描，通过显微CT仪得到不同时刻的CO₂-CH₄弥散过程中流体在多孔介质中的密度三维分布，利用背压调节器控制背压，打开气体成分分析系统，连续在线地分析测量出口气体成分及浓度，利用压力监测系统与温度控制及监测系统实时记录压力和温度；当监测到出口气体全部为CO₂时结束检测；排空残余废气，取出填砂岩心管水饱和多孔介质后，再放入显微CT仪中扫描，此次扫描图像作为确定多孔介质孔隙度分布的CT数据；整个过程中获取的数据将由数据采集及处理系统处理；

(7)检测数据处理，基于所测CT数据，采用饱和差值法计算得到多孔介质中孔隙度分布，并获取多孔介质微观孔隙结构；根据显微CT仪实时测量的CO₂-CH₄弥散过程中流体在多孔介质中的密度三维分布，结合CO₂-CH₄混合体系状态方程，得到多孔介质中CO₂浓度三维分布，可视化的描述CO₂-CH₄弥散过程；再根据对流弥散理论，对多孔介质中CO₂浓度变化进行处理，运用有限差分法数值求解，获取多孔介质中弥散系数；基于对流弥散理论，对出口气体CO₂浓度变化曲线进行处理，获取包含管路效应及进出口效应影响的整体弥散系数，与多孔介质中弥散系数对比，评估管路效应及进出口效应对多孔介质内弥散系数测量的影响。