CN110133223A - 一种片钠铝石在co2地质储存过程中的保存条件评价系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种片钠铝石在CO2地质储存矿物固碳过程中的最佳保存条件评价系统，基于水‑岩相互作用理论和热力学数值分析方法，依据实际储层条件完成片钠铝石的水‑岩实验研究和地球化学模拟研究，并对影响片钠铝石稳定性的制约因素完成综合分析。

Description

一种片钠铝石在CO2地质储存过程中的保存条件评价系统
技术领域
本公开涉及CO2地质封存技术领域，特别涉及一种片钠铝石在CO2地质储存过程中的保存条件评价系统。
背景技术
因人类使用化石燃料等因素导致大气中以二氧化碳(CO2)为主的温室气体的含量不断增加，也引发了气候变暖、冰川融化、海平面上升等世界性难题。解决这一问题的途径可分为两种：源头措施和效果措施。源头措施即从源头减少CO2的排放，主要为减少人类来源的CO2排放，减排措施有节约能源和提高能源利用效率，化石燃料的转变，使用可再生能源与核能等。除了从源头抑制温室气体的排放以外，还可通过各种圈存措施减少大气中的CO2浓度，如工业利用、增加植被以及CO2地质储存。但工业利用和增加植被覆盖所能产生的效果较小，见效时间长，且受到农业和城市用地、CO2输送来源等诸多因素的限制。CO2的地质储存所需的各项技术都已在石油勘探开发的上游成功应用，且其在数量上可满足解决温室效应所需封存的大量CO2，因此被认为是具重要意义的CO2圈存途径。
CO2地质储存是将CO2以超临界状态注入到地下不能开采的煤层、枯竭的油气藏和深部的盐水层等目的层中，已在挪威、加拿大、阿尔及利亚等多个地区开展了相关示范应用。这一过程涉及到CO2-流体-岩石之间的相互作用，使CO2以溶解捕获、构造封存、矿物捕获等形式封存于地下地层中。注入到地下深部地层中的CO2的圈存机制会随着时间发生演变。CO2注入初期以构造圈闭为主要机制，随时间增加圈存机制变为以毛细管圈闭为主，再变为以溶解圈闭为主要机制，最终，CO2在地下地层的圈存机制演变为以矿物圈闭为主。矿物捕获是通过将CO2注入地层后与地层岩石和流体之间相互作用生成菱铁矿、菱镁矿、铁白云石和片钠铝石等固碳矿物。矿物捕获被认为是CO2“永久”圈存的主要形式，其时间规模可达上千年。其中，片钠铝石被认为是地下地层中CO2充注、聚集或逸散的示踪矿物，同时也是地层中CO2的主要圈闭矿物。
目前CO2的地质储存工程中，对CO2注入储集层后形成的碳酸盐矿物的稳定性，以及CO2的不断注入对储集层流体和矿物演化的影响研究薄弱。储层中CO2注入后形成的固碳矿物的稳定性是影响CO2地质封存项目可行性的关键因素。现阶段对于片钠铝石的研究多处于实验室人工合成和单因素水热实验研究，探讨某一单因素对片钠铝石形成及保存的影响，对片钠铝石形成的有利条件进行了重点研究。该方法所能研究的时间规模对于片钠铝石在长期CO2地质储存过程中的演变来说较为不足，对于片钠铝石稳定性的评价多处于实验室实验条件下的定性认识，缺乏在较长地质时间规模上对片钠铝石稳定性的综合性定量评价。
公开内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本公开的主要目的在于提供一种片钠铝石在CO2地质储存的保存条件评价系统，用于对片钠铝石在实际储层条件下稳定性的综合性定量评价，为CO2的地质储存提供精确可靠的评价标准。
(二)技术方案
本公开提供了一种片钠铝石在CO2地质储存过程中的保存条件评价系统，包括：
自动化高温高压水-岩实验系统，用于对固体样品和反应溶液进行水-岩实验，得到实验后固体样品和反应溶液；
岩石学及地球化学特征测试系统，用于对实验后固体样品和反应溶液进行岩石学及地球化学特征测试，得到岩石学及地球化学特征参数，作为水-岩实验结果；
地球化学模拟系统，用于利用地球化学模型对固体样品和反应溶液进行水-岩实验模拟，得到地球化学模拟结果，并根据水-岩实验结果和地球化学模拟结果的对比结果更新地球化学模型的参数。
本公开还提供了一种片钠铝石在CO2地质储存过程中的保存条件评价方法，包括：
步骤S1：利用自动化高温高压水-岩实验系统对固体样品和反应溶液进行水-岩实验，得到实验后固体样品和反应溶液；利用岩石学及地球化学特征测试系统对实验后固体样品和反应溶液进行岩石学及地球化学特征测试，得到岩石学及地球化学特征参数，作为水-岩实验结果；
步骤S2：利用地球化学模型对固体样品和反应溶液进行水-岩实验模拟，得到地球化学模拟结果；
步骤S3：进行水-岩实验结果与地球化学模拟结果之间的匹配度分析，对比水-岩实验和地球化学模拟得到的矿物溶解、沉淀的趋势及程度，判断岩石组分的稳定性变化趋势是否相同；并根据分析结果对地球化学模型进行修正，使矿物溶解、沉淀的趋势及程度尽量相近，以更准确的推演更长地质时间尺度的演化趋势。
(三)有益效果
(1)本公开通过在原始储集层条件的基础上调节单一影响因素，采用天然含片钠铝石储集岩或人工合成片钠铝石与目标储集层岩石为研究对象进行水-岩相互作用实验，弥补了传统水热试验研究中脱离实际地层条件的缺点；
(2)本公开以水-岩实验结果对数值模拟进行约束修正，提高了数值模拟的准确度，并弥补了水-岩实验所能达到的时间尺度较短的缺陷，能够充分评价片钠铝石在较长地质时间尺度上的稳定性演化趋势；
(3)本公开通过水-岩相互作用实验和地球化学模拟分析相结合，可以对片钠铝石在储集层条件下的稳定性进行定量评价，提供片钠铝石在储集层条件下的最佳保存条件，为CO2地质圈存的可行性评价提供了精确可靠的技术支撑。
附图说明
图1为本公开实施例片钠铝石在CO2地质储存的保存条件评价系统的自动化高温高压水-岩实验系统的结构示意图。
图2为本公开实施例片钠铝石在CO2地质储存的保存条件评价系统的岩石学及地球化学特征测试系统。
图3为本公开实施例片钠铝石在CO2地质储存的保存条件评价系统的地球化学模拟系统的结构示意图。
图4为本公开实施例的片钠铝石在CO2地质储存的保存条件评价方法的技术路线图。
具体实施方式
下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
本公开第一实施例提供了一种片钠铝石在CO2地质储存的保存条件评价系统，包括：自动化高温高压水-岩实验系统、岩石学及地球化学特征测试系统、地球化学模拟系统。
参见图1所示，自动化高温高压水-岩实验系统用于对固体样品和反应溶液进行水-岩实验，得到实验后固体样品和反应溶液。自动化高温高压水-岩实验系统包括：高温高压反应器、气体压缩机、气体增压子系统、自动化控制子系统和气源。
气源用于提供CO2气体。
气体压缩机用于对气源提供的CO2气体进行压缩。
气体增压子系统，其进气口连接气源，其供压连接口连接气体压缩机，用于调节CO2气体的压力。
高温高压反应器具有：反应釜、进料口、进气口、出气口、压力检测组件、温度监控组件和岩样盛放台。
反应釜用于对固体样品和反应溶液进行水-岩实验，其内部设置岩样盛放台，岩样盛放台用于盛放固定样品。进料口用于向反应釜内添加反应溶液和固体样品。高温高压反应器的进气口通过阀门连接至气体增压子系统的出气口。压力检测组件和温度监控组件设置于反应釜内，并连接至自动化控制子系统。
自动化控制子系统用于调节高温高压反应器反应釜中的温度和CO2压力。
水-岩实验为CO2-水-储集岩-片钠铝石的固、液、气三相相互作用实验，其在各项原始地层物理化学参数基础上，通过控制变量的方法，并综合考察各物理化学参数之间交互影响，对各物理化学参数以及各参数之间的交互作用进行试验，依次对单一物理化学参数进行梯度改变，以一定的数值间隔进行增加或降低单一物理化学参数。参数每增加或降低一个间隔，都对应进行相应条件下(该单一物理化学参数之外的其余物理化学参数不变)的水-岩实验。
原始地层水地球化学特征是一种原始地层物理化学参数。原始地层岩石学及物理化学参数分别为研究区所研究层段的储集层岩石特征和各项原始地层物理化学参数。原始地层物理化学参数包括：储集层段的温度、压力和原始地层水地球化学特征。原始地层水地球化学特征包括：地层水酸碱度、以及地层水中的离子组成等地球化学信息。
反应溶液为在实验室人工配制的反应液，反应液的离子组成和酸碱度等地球化学特征与原始地层水地球化学特征相同。当需要考察反应溶液地球化学特征对片钠铝石及储层岩石溶蚀及沉淀特征的影响时，可以对反应液的某一离子组成或酸碱度等地球化学特征进行调配，使其与原始地层水地球化学特征不同。
研究区所研究层段的储集层岩石(储集岩)中需包括片钠铝石和多种其余岩石组分，故先对固体样品中片钠铝石及其余岩石组分含量进行检测。当研究区所研究层段的储集层岩石学特征显示，研究区所研究层段储集岩中含有天然片钠铝石时，固体样品采用研究区所研究层段储集岩。当研究区所研究层段的储集层岩石学特征显示，研究区所研究层段储集岩中不含天然片钠铝石时，固体样品采用人工合成片钠铝石和储集岩。当固体样品采用人工合成片钠铝石和储集岩时，固体样品中人工合成片钠铝石的添加量应综合参考研究区所研究层段储集岩的孔隙度等原有地层条件特性，并参考天然含片钠铝石储集岩中片钠铝石含量的上、下限确定。
水-岩实验过程如下：先向高温高压反应器的反应釜中加入反应溶液，将固体样品放置于岩样盛放台上，再密闭反应釜。气源提供CO2气体，气体压缩机和气体增压子系统调节CO2气体的压力，并向高温高压反应器反应釜内注入CO2气体，并将高温高压反应器反应釜内CO2分压增加到实验设计的CO2压力值。当水-岩实验考察非CO2压力的影响时，实验设计的CO2压力值为原始地层CO2压力值；当水-岩实验为考察CO2压力的影响时，实验设计的CO2压力值为对CO2压力值进行梯度改变后的各个压力值(CO2分压值最低为0MPa，上限可根据实际压力值增加30MPa)。
自动化控制子系统控制高温高压反应器反应釜的温度，使反应釜内升温至实验设计的温度，并对高温高压反应器反应釜中的温度和CO2压力值进行连续监测及调控，使其保持在实验设计的温度和CO2压力值。当水-岩实验考察非温度的影响时，实验设计的温度为原始地层温度值；当水-岩实验为考察温度的影响时，实验设计的温度为对温度进行梯度改变后的各个温度值(温度值下限可在40～80℃之间，上限可高于原始地层温度100～150℃)。到达实验设计的预定反应时间后，自动化高温高压水-岩实验系统关闭，使高温高压反应器冷却至室温，打开高温高压反应器的出气口排出反应釜内CO2气体，再分别收集高温高压反应器反应釜内的固体样品和反应溶液，得到实验后固体样品和反应溶液。实验设计的预定反应时间一般在3天至45天之间，预定反应时间可根据具体岩石类型而定，预定反应时间与岩石中不稳定组分的含量成正比。
如图2所示，岩石学及地球化学特征测试系统用于对实验后固体样品和反应溶液进行岩石学及地球化学特征测试，得到岩石学及地球化学特征参数。岩石学及地球化学特征测试系统包括：光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱分析仪、X射线衍射全岩分析仪、全自动滴定分析仪、离子色谱仪、等离子体质谱仪和等离子体发射光谱仪。
光学显微镜和扫描电子显微镜下对实验后固体样品进行镜下鉴定，用于观察实验后固体样品中的片钠铝石及其余岩石组分的溶蚀特征，并采用点计法统计片钠铝石及其余岩石组分的含量。利用光学显微镜和扫描电子显微镜观察固体样品的溶蚀特征时，截取并保留观察到的岩石组分的图片，对比岩石组分在不同实验条件下的形态特征，进而分析实验变量对矿物溶蚀的影响。点计法为观察固体样品时确保对岩石组分含量的统计至少收集300个样本点，其偏差低于6％。
能谱分析仪，用于对实验后固体样品中的片钠铝石及长石、石英、方解石、铁白云石等其余岩石组分的元素组成进行定量检测。
X射线全岩衍射分析仪，用于对实验后固体样品中的片钠铝石及其余岩石组分的相对含量进行定量检测，准确判断各岩石组分的含量。
全自动滴定分析仪、离子色谱仪、等离子体质谱仪和等离子体发射光谱仪，用于对实验后反应溶液进行酸碱度、主要离子浓度和微量元素浓度进行定量检测。
岩石学及地球化学特征参数用于为演变特征及稳定性变化趋势分析提供分析依据。具体地，光学显微镜和扫描电子显微镜得到的片钠铝石及其余岩石组分的镜下鉴定资料，用于对片钠铝石及其余岩石组分的形态特征演变分析。能谱分析仪得到的定量检测数据用于对片钠铝石及其余岩石组分的元素组成演变分析。X射线全岩衍射分析仪得到的定量检测数据用于对片钠铝石及其余岩石组分的相对含量变化分析。全自动滴定分析仪、离子色谱仪、等离子体质谱仪和等离子体发射光谱仪得到的定量检测数据用于对实验后反应溶液的水化学特征演变分析。
演变特征及稳定性变化趋势分析的结果，包括对比实验前和实验后固体样品中片钠铝石及其余岩石组分的溶蚀及沉淀特征，利用能谱分析仪得到的定量检测数据分析片钠铝石的主要元素，即C、Na、Al、O等多种元素的演变趋势，以及利用X射线全岩衍射分析仪得到的定量检测数据分析岩石组分相对含量变化趋势，并对全自动滴定分析仪、离子色谱仪、等离子体质谱仪和等离子体发射光谱仪得到的定量检测数据进行统一化校正，分析实验前和实验后反应液体的酸碱度、离子和微量元素的演变趋势。
统一化校正为对反应溶液和固体样品进行误差校正，统一化校正公式为：公式中Ci为实验后反应溶液中离子i的离子浓度，V为反应溶液体积，m0为实验前固体样品的质量。统一化校正可消除不同实验条件下起始样品质量不同对实验结果所可能造成的影响，μi值越大，表示实验后反应溶液中该离子的增加程度越高。
如图3所示，地球化学模拟系统，用于利用地球化学模型对固体样品和反应溶液进行水-岩实验模拟。地球化学模拟系统包括：模型初始化装置、水-岩实验模拟装置。
模型初始化装置，用于基于质量守恒定律、质量作用定律和能量最低原理，采用平衡常数法计算地球化学平衡，并选用相应的热力学平衡参数，建立储层的各种岩石学及地球化学特征的地球化学模型，来模拟储层水-岩相互作用过程中气相、液相地层水溶液和固相储层岩石之间及他们本身在不同条件下所经历的地球化学过程。
水-岩实验模拟装置，用于在不同时间尺度上模拟分析储层在不同条件下所经历的地球化学过程，分析储层水-岩相互作用过程中岩石组分的溶解和沉淀趋势，并计算各相态组分的饱和度指数。饱和度指数计算公式为：Z＝Log(Q/K)，公式中Q为离子活度积，K为反应的平衡常数；当Z＜0时，表示溶液中矿物不饱和，趋向溶解，该值越小，溶解趋势越明显；当Z＞0时，表示溶液中矿物饱和，趋向沉淀析出，该值越大，沉淀趋势越明显。
地球化学模拟中所用的不同时间尺度包括水-岩实验的设定时间和较长地质时间。水-岩实验的设定时间一般在3至45天之间。地球化学模拟所采用的较长地质时间一般以100年或1000年为单位。
相似度分析是在水-岩相互作用实验的设定时间基础上，进行水-岩实验结果(即演变特征及稳定性变化趋势分析的结果)与地球化学模拟结果之间的匹配度分析，对比水-岩实验和地球化学模拟得到的矿物溶解、沉淀的趋势及程度，判断水-岩实验和地球化学模拟过程中片钠铝石及储集岩中其余岩石组分的稳定性变化趋势是否相同、及相关分析结果是否准确。并根据分析结果对地球化学模型进行修正，使矿物溶解、沉淀的趋势及程度尽量相近，以更准确的推演更长地质时间尺度的演化趋势。
本公开第二实施例提供了一种片钠铝石在CO2地质储存的保存条件评价方法，该方法基于水-岩相互作用理论和热力学数值分析方法，依据实际储层条件完成片钠铝石的水-岩实验研究和地球化学模拟研究，并对影响片钠铝石稳定性的制约因素完成综合分析。参见图4，该方法包括：
步骤S1：利用自动化高温高压水-岩实验系统对固体样品和反应溶液进行水-岩实验，得到实验后固体样品和反应溶液；利用岩石学及地球化学特征测试系统对实验后固体样品和反应溶液进行岩石学及地球化学特征测试，得到岩石学及地球化学特征参数，作为水-岩实验结果。
步骤S2：利用地球化学模型对固体样品和反应溶液进行水-岩实验模拟，得到地球化学模拟结果。
步骤S3：进行水-岩实验结果与地球化学模拟结果之间的匹配度分析，对比水-岩实验和地球化学模拟得到的矿物溶解、沉淀的趋势及程度，判断水-岩实验和地球化学模拟过程中片钠铝石及储集岩中其余岩石组分的稳定性变化趋势是否相同、及相关分析结果是否准确。并根据分析结果对地球化学模型进行修正，使矿物溶解、沉淀的趋势及程度尽量相近，以更准确的推演更长地质时间尺度的演化趋势。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；
(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种片钠铝石在CO2地质储存过程中的保存条件评价系统，包括：
自动化高温高压水-岩实验系统，用于对固体样品和反应溶液进行水-岩实验，得到实验后固体样品和反应溶液；
岩石学及地球化学特征测试系统，用于对实验后固体样品和反应溶液进行岩石学及地球化学特征测试，得到岩石学及地球化学特征参数，作为水-岩实验结果；
地球化学模拟系统，用于利用地球化学模型对固体样品和反应溶液进行水-岩实验模拟，得到地球化学模拟结果，并根据水-岩实验结果和地球化学模拟结果的对比结果更新地球化学模型的参数。
2.如权利要求1所述的保存条件评价系统，自动化高温高压水-岩实验系统包括：高温高压反应器、气体压缩机、气体增压子系统、自动化控制子系统和气源。
气源，用于提供CO2气体；
气体压缩机，用于对气源提供的CO2气体进行压缩；
气体增压子系统，其进气口连接气源，其供压连接口连接气体压缩机，用于调节CO2气体的压力；
高温高压反应器，用于进行水-岩实验；
自动化控制子系统，用于调节高温高压反应器中的温度和CO2压力。
3.如权利要求2所述的保存条件评价系统，高温高压反应器包括：反应釜、进料口、进气口、出气口、压力检测组件、温度监控组件和岩样盛放台。
反应釜，用于对固体样品和反应溶液进行水-岩实验，其内部设置岩样盛放台，岩样盛放台用于盛放固定样品；
进料口，用于向反应釜内添加反应溶液和固体样品；
进气口，通过阀门连接至气体增压子系统的出气口；
压力检测组件和温度监控组件设置于反应釜内，连接至自动化控制子系统，分别用于检测反应釜内的压力和温度。
4.如权利要求3所述的保存条件评价系统，自动化控制子系统控制反应釜的温度，使反应釜内升温至实验设计的温度，并对反应釜中的温度和CO2压力值进行连续监测及调控，使其保持在实验设计的温度和CO2压力值。
5.如权利要求1所述的保存条件评价系统，岩石学及地球化学特征测试系统包括：光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱分析仪、X射线衍射全岩分析仪、全自动滴定分析仪、离子色谱仪、等离子体质谱仪和等离子体发射光谱仪；
光学显微镜和扫描电子显微镜，用于对实验后固体样品进行镜下鉴定，观察实验后固体样品中岩石组分的溶蚀特征；
能谱分析仪，用于对实验后固体样品中的岩石组分的元素组成进行定量检测；
X射线全岩衍射分析仪，用于对实验后固体样品中的岩石组分的相对含量进行定量检测，确定岩石组分的含量；
全自动滴定分析仪、离子色谱仪、等离子体质谱仪和等离子体发射光谱仪，用于对实验后反应溶液进行酸碱度、主要离子浓度和微量元素浓度进行定量检测。
6.如权利要求1所述的保存条件评价系统，地球化学模拟系统包括：模型初始化装置、水-岩实验模拟装置。
模型初始化装置，用于建立岩石学及地球化学特征的地球化学模型；
水-岩实验模拟装置，利用地球化学模型分析岩石组分的溶解和沉淀趋势，并计算各相态组分的饱和度指数，得到地球化学模拟结果。
7.一种片钠铝石在CO2地质储存过程中的保存条件评价方法，包括：
步骤S1：利用自动化高温高压水-岩实验系统对固体样品和反应溶液进行水-岩实验，得到实验后固体样品和反应溶液；利用岩石学及地球化学特征测试系统对实验后固体样品和反应溶液进行岩石学及地球化学特征测试，得到岩石学及地球化学特征参数，作为水-岩实验结果；
步骤S2：利用地球化学模型对固体样品和反应溶液进行水-岩实验模拟，得到地球化学模拟结果；
步骤S3：进行水-岩实验结果与地球化学模拟结果之间的匹配度分析，对比水-岩实验和地球化学模拟得到的矿物溶解、沉淀的趋势及程度，判断岩石组分的稳定性变化趋势是否相同；并根据分析结果对地球化学模型进行修正，使矿物溶解、沉淀的趋势及程度尽量相近，以更准确的推演更长地质时间尺度的演化趋势。
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