CN113218821A - 利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统和方法 - Google Patents

利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及二氧化碳在地质储层中的空间运移分析技术领域，公开了一种利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统和方法。所述利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统包括岩心双向驱替单元、温度压力一体化控制单元和核磁共振在线监测数据处理单元，所述方法包括岩心饱和地层水及计算岩心渗透率、压缩二氧化碳的正向注入、焖井、地层水的反向注入以及岩心中流体核磁共振信号的监测和采集。采用本发明提供的系统和方法，能够直观观察岩心不同孔隙直径大小的孔隙在不同流体注入阶段的含水量，并对二氧化碳与地层水在储层中运移及分布数据进行实时计算，进而实现对二氧化碳与地层水在储层中具体运移及分布涉及的微观孔道和位置的定量精确测量和描述。

Description

利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统 和方法
技术领域
本发明涉及二氧化碳在地质储层中的空间运移分析技术领域，具体涉及利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统和方法。
背景技术
自工业革命以来，科学技术的迅速发展以及工业化进程的加快使得人类的生活水平得到了很大的提升。但随着社会发展而引发的自然环境的恶化也日益严重，其中包括煤、石油等化石能源的燃烧产生的温室气体所引发的全球气候变暖问题已成为21世纪人类面临的重大挑战，而在排放的各种温室气体中，二氧化碳大约占温室气体总量的65％，是主要的温室气体。人为温室气体排放越多，增温幅度就越大。全球温度的升高将会导致人类自身赖以生存的生态环境的恶化，给人类和自然生态系统带来灾难性的后果，成为影响世界经济秩序和国际关系的一个重要因素。而通过将二氧化碳注入地下储存于相对封闭的地质构造中，即二氧化碳地质封存，从而减少二氧化碳向大气中的人为排放，是目前国际社会公认的有效、直接的二氧化碳减排手段之一。
二氧化碳地质封存通常发生在废弃或高含水油气藏及其他地层深部水层中，其封存形式主要包括气体封存、溶解态封存和矿物态封存三种。气体封存是指超临界二氧化碳被注入地层后，在高温高压条件下，能够以自由态形式存在于地层中。溶解态封存是指随着时间推移，二氧化碳与咸水的界面上会达到两相平衡，这个过程中，储集岩孔隙中运移的气态二氧化碳在与深部咸水层接触时溶解在其中，在地层中以溶解态二氧化碳的形式运移和埋存。矿物态封存是溶解二氧化碳通过与储层中矿物反应，形成碳酸盐类物质，最终以矿物沉淀形式被固定下来。
超临界二氧化碳注入深部咸水层之后，其具体封存形式及不同封存形式之间的转化机理主要有：构造地层封存机理、毛细封存机理、溶解封存机理和矿物封存机理。其中，构造地层封存机理主要是指注入的二氧化碳在上覆不渗透盖层的阻挡作用下，无法进行横向和侧向迁移而被滞留在盖层下部，从而形成构造地层圈闭进行的封存；毛细封存机理指由于超临界二氧化碳与咸水具有不同的浸润性，在气液相界面的表面张力作用下，超临界二氧化碳被长久地滞留在储层介质的孔隙中进行的封存；溶解封存机理指二氧化碳气体或超临界流体溶解在地下水中，以水溶液形式进行的封存；矿物封存机理是指溶解于地层水的二氧化碳，通过改变地层水的pH值，破坏地层原有平衡状态，导致储层中矿物发生溶解反应，并产生新的碳酸盐沉淀矿物进行的封存。这其中，无论是何种储层、何种封存方式、何种封存机理，都涉及二氧化碳在储层中的运移和运移状态。因此，注入地层的二氧化碳与地层水的运移和分布规律的相关研究对全面准确认识碳封存及提高二氧化碳封存量都是至关重要的。
目前研究二氧化碳在地层中的空间运移及分布的手段包括数值模拟、井下监测、地面地震、室内实验等。其中室内模拟实验是研究二氧化碳在储层运移演化以及获取相关参数的重要方法和基础技术手段。CN103927913A中公开了一种利用声波探头、温度压力流动应力耦合岩心装置及相关配套组件构成的二氧化碳地质储存模拟实验系统，该系统仅能够实现对岩心孔隙度、渗透率、含水饱和度等宏观物性参数的测量，难以实现对二氧化碳与地层水在储层中具体运移及分布涉及的微观孔道和位置的定量精确测量和描述。CN109444201A中公开了及一种测定致密岩心多孔介质中多相流体流动特征的核磁共振实验装置及方法。然而，该专利申请中的装置和方法仅适用于储层中的水和原油的流动特征进行测试，对水气流动特征并不适用，且该申请中提及的方法和装置仅针对单向水驱油过程，无法达到对二氧化碳包括正向驱替、焖井、返排等一系列二氧化碳地质埋存实际施工过程的模拟和研究。Xu,L.等人在概括了国内外的核磁共振技术在二氧化碳地质埋存领域的应用。然而，文章中提到的所有研究装置和方法均针对二氧化碳的单向驱替过程，无法满足二氧化碳地质埋存实际施工尤其是气体封存形式的施工中的正向驱替、焖井、返排等过程的模拟和研究。
因此，设计一种既能够适用于客观再造地层岩心样品在深部地层的原位环境中的流动条件，又能够实现二氧化碳地质埋存实际施工包括的二氧化碳正向驱替、焖井、返排等过程的高度还原模拟，并对各过程中二氧化碳与地层水运移及分布涉及的微观孔道和位置的定量精确测量和描述成为二氧化碳在地质储层中的空间运移分析领域中一个亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的二氧化碳在地质储层中的空间运移分析技术存在的地层模拟还原度低、应用性差、适用范围窄以及难以实现对二氧化碳与地层水在储层中具体运移及分布涉及的微观孔道和位置的实时信号监测的问题，提供一种利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统和方法，该利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统，在客观再造地层岩心样品在深部地层的原位环境中的流动条件的基础上，能够实现对二氧化碳与地层水在储层中具体运移信号的实时监测，根据所测信号进而实现对二氧化碳与地层水在储层中具体运移及分布涉及的微观孔道和位置的定量精确测量和描述，为二氧化碳埋存过程中的相关机理及包括二氧化碳注入量、二氧化碳注入速度、二氧化碳注入时机、焖井时间、返排速度、返排压差、返排液量等二氧化碳地质封存过程中的时机工程参数的进一步优化提供可靠的数据支撑。使用前述系统对二氧化碳地质封存进行在线监测的方法能够实现水气双向驱替，操作性强、可控性好，且可以客观模拟地层岩心样品在深部地层的原位环境中的流动条件，有效追踪二氧化碳与地层水在储层中的不同尺寸的岩心孔隙中在不同阶段的具体运移情况和规律分析。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统，所述利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统包括岩心双向驱替单元、温度压力一体化控制单元和核磁共振在线监测数据处理单元，
其中，所述岩心双向驱替单元包括岩心模拟装置和分别设置在所述岩心模拟装置两端的二氧化碳增压及注入装置和地层水反向驱替注入装置；
所述岩心模拟装置用于放置岩心进行水气双向驱替试验；
所述二氧化碳增压及注入装置用于对岩心模拟装置内的岩心进行地层水及二氧化碳的正向注入，所述地层水反向驱替注入装置用于对岩心模拟装置内的岩心进行地层水的反向注入；
所述岩心模拟装置两端还分别设置有第一尾液接收计量装置和第二尾液接收计量装置，分别用于接收来自岩心模拟装置正向和反向注入流体后产生的尾液；
所述温度压力一体化控制单元用于控制所述岩心双向驱替单元的温度和压力；
所述核磁共振在线监测数据处理单元用于检测岩心模拟装置内岩心的核磁共振信号，并对所述核磁共振信号进行采集和处理。
本发明第二方面提供一种利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将干后燥的岩心放入岩心模拟装置中，并将岩心模拟装置放入核磁共振检测磁体之间，然后通过二氧化碳增压及注入装置由岩心模拟装置的一端向岩心模拟装置中正向注入地层水对岩心浸渍至饱和，测试正向注入地层水的流量和压力信号，并根据所测得的流量和压力信号计算岩心的地层水有效渗透率；
(2)将岩心模拟装置设置为目标地层温度和压力对岩心加热加压，待岩心达到目标地层温度和压力，通过核磁共振检测磁体测试岩心中饱和的地层水，得到岩心中饱和的地层水的初始核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据；
(3)通过二氧化碳增压及注入装置向岩心模拟装置正向注入压缩二氧化碳，对饱和地层水的岩心进行驱替，使压缩二氧化碳驱入岩心，发生压缩二氧化碳的进入和水相的流出，驱替过程中，通过核磁共振检测磁体监测岩心中的流体，得到不同时间岩心中流体的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据，其中，在正向注入岩心模拟装置之前，将压缩二氧化碳加热至目标地层温度并在正向注入过程中保持压缩二氧化碳恒定在地层温度；
(4)待压缩二氧化碳对饱和地层水的岩心驱替结束，调节岩心模拟装置的温度和压力为目标焖井温度和压力，对岩心进行焖井模拟，焖井模拟过程中，通过核磁共振检测磁体监测岩心中的流体，得到不同时间岩心中流体的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据；
(5)待焖井模拟过程结束，通过地层水反向驱替注入装置由岩心模拟装置的另一端向岩心模拟装置反向注入地层水，对岩心进行反向驱替，使地层水驱入岩心，发生地层水的进入和压缩二氧化碳的流出，反向驱替过程中，通过核磁共振检测磁体监测岩心中的流体，得到不同时间岩心中流体的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据，其中，在反向注入岩心模拟装置之前，地层水温度升至目标地层的温度并在反向注入过程中温度保持恒定；
(6)根据上述步骤获得的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据，分析二氧化碳与地层水在不同阶段、不同岩心孔道中的运移及分布规律。
本发明的发明人经过深入研究后发现，现有的利用核磁共振技术测试岩心中流体流动特征的装置和方法仅能够实现对岩心孔隙度、渗透率、含水饱和度等宏观物性参数的测量，难以实现对二氧化碳与地层水在储层中具体运移及分布涉及的微观孔道和位置的定量精确测量和描述。通过在利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统中设置岩心双向驱替单元，客观再造地层岩心样品在深部地层的原位环境中的流动条件，利用正反向流体驱替实验分析二氧化碳的原位封存机理，并分析其封存效果，实现对二氧化碳与地层水在储层中具体运移及分布涉及的微观孔道和位置的测量和描述，进而对二氧化碳埋存过程中的相关机理及包括二氧化碳注入量、二氧化碳注入速度、二氧化碳注入时机、焖井时间、返排速度、返排压差、返排液量等二氧化碳地质封存过程中的时机工程参数优化进行研究。进一步地，通过设置温度压力一体化控制单元，对岩心双向驱替单元进行温度和压力的调控，可以确保二氧化碳和地层水注入的温度和压力模拟真实的地层温度和压力。利用本发明提供的系统和方法，能够实现二氧化碳地质埋存实际施工中包括的二氧化碳正向驱替、焖井、返排等系列过程的真实模拟。此外，利用本发明提供的系统能够实现不同储层类型、温度、压力、二氧化碳注入量、二氧化碳注入速度、焖井时间、返排速度、返排压差、返排液量的模拟，并利用核磁共振信号反演数据探究不同实验条件下二氧化碳与地层水在不同孔道中的运移及分布规律。利用本发明提供的系统和方法通过对岩心进行水气双向驱替，能够直观分析二氧化碳的原位封存机理，并分析其封存效果。更进一步地，本发明提供的利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统搭建简单、易于操作、可行性高，本发明提供的利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的方法操作简单，测量方法科学，且测试效果精准。
附图说明
图1是本发明提供的利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统的结构示意图；
图2是本发明提供的利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统的具体结构示意图；
图3是本发明提供的利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统中二氧化碳增压及注入子单元的具体结构示意图；
图4是本发明提供的利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统中地层水反向驱替注入子单元的具体结构示意图；
图5是本发明提供的利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统中温度压力一体化控制单元的具体结构示意图；
图6是本发明提供的利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统中核磁共振在线监测数据处理单元的具体结构示意图；
图7是本发明提供的利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统中核磁共振在线监测数据处理单元的具体结构示意图的侧视图；
图8是实施例2中压缩二氧化碳正向驱替岩心中饱和的地层水过程中的核磁共振信号T2谱图；
图9是实施例2中地层水反向驱替岩心过程中的核磁共振信号T2谱图；
图10是实施例2中不同尺寸孔隙中的二氧化碳饱和度依次在正向注入压缩二氧化碳过程、焖井过程和地层水对饱和二氧化碳的反向驱替过程中的变化曲线图。
附图标记说明
11、二氧化碳储气罐 12、二氧化碳缓冲气罐 13、气体增压泵
14、二氧化碳中间容器 15、第一恒速恒压驱替泵 16、第一手摇泵
17、压力传感器 18、第一回压控制阀 19、截止阀
110、岩心夹持器 111、第二回压控制阀 112、第二手摇泵
113、第一尾液接收计量装置 114、第一地层水中间容器 115、三通接头
21、第二恒速恒压驱替泵 22、第二地层水中间容器 23、第三手摇泵
24、第三回压控制阀 25、第四回压控制阀 26、第四手摇泵
27、第二尾液接收计量装置 31、恒温恒压套 32、温度压力控制中枢
33温度传感器 41、数据采集处理装置 42、核磁共振检测磁体
I、二氧化碳增压及注入装置 II、地层水反向驱替注入装置 III、温度压力一体化控制单元
IV、核磁共振在线监测数据处理单元 S、岩心模拟装置 C、二氧化碳增压及注入子单元
H、地层水反向驱替子单元
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指相对于本发明提供的利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统的具体结构示意图所示的“上、下、左、右”，“内、外”是指相对于各元件实际轮廓的“内、外”。相对于各元件实际轮廓，“上游”是指岩心双向驱替单元包括岩心模拟装置靠近二氧化碳增压及注入装置的一端，“下游”是指岩心双向驱替单元包括岩心模拟装置靠近地层水反向驱替注入装置的一端。
本发明第一方面提供一种利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统，为了实现客观再造地层岩心样品在深部地层的原位环境中的流动条件，对二氧化碳地质埋存实际施工包括的二氧化碳正向驱替、焖井、返排等过程的高度还原模拟，如图1所示，所述利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统包括岩心双向驱替单元、温度压力一体化控制单元III和核磁共振在线监测数据处理单元IV。
根据本发明所述的系统，其中，所述岩心双向驱替单元包括岩心模拟装置S，所述岩心模拟装置S用于放置岩心进行水气双向驱替试验。为了实现地层水及压缩二氧化碳分别由岩心模拟装置S的上、下游两端对岩心模拟装置S内的岩心进行水气双向驱替，所述利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统还包括分别设置在所述岩心模拟装置S两端的二氧化碳增压及注入装置I和地层水反向驱替注入装置II。
根据本发明所述的系统，其中，所述二氧化碳增压及注入装置I用于由岩心模拟装置S的上游端对岩心模拟装置S内的岩心进行地层水及二氧化碳的正向注入，所述地层水反向驱替注入装置II用于由岩心模拟装置S的上游端对岩心模拟装置S内的岩心进行地层水的反向注入。
根据本发明所述的系统，其中，所述岩心模拟装置S两端还分别设置有第一尾液接收计量装置113和第二尾液接收计量装置27，分别用于接收来自岩心模拟装置S正向和反向注入流体后产生的尾液。其中，所述第一尾液接收计量装置113设置于所述岩心模拟装置S的下游，与所述地层水反向驱替注入装置II位于岩心模拟装置S的同一端；所述第二尾液接收计量装置27设置于所述岩心模拟装置S的上游，与所述二氧化碳增压及注入装置I位于所述岩心模拟装置S的同一端。
根据本发明所述的系统，其中，所述温度压力一体化控制单元III用于控制所述岩心双向驱替单元的温度和压力。
根据本发明所述的系统，其中，所述核磁共振在线监测数据处理单元IV用于检测岩心模拟装置S内岩心的核磁共振信号，并对所述核磁共振信号进行采集和处理。
根据本发明提供的系统，如图2所示，所述岩心模拟装置S包括岩心夹持器110和包裹在岩心夹持器110外壁的恒温恒压套31。其中，所述岩心夹持器110包括：筒体、设置于所述筒体中的样品管、岩心塞，以及上游端封头和下游端封头；所述筒体的内腔中具有用于容置所述样品管的容置区，所述样品管与所述筒体的内壁之间留有供换热介质通过的间隙，所述样品管采用热缩管，所述岩心塞分别穿设在所述样品管两端以夹持样品的两端，所述上游端封头、下游端封头分别旋入所述筒体的两端将所述筒体密封，所述岩心塞分别穿过所述上游端封头、下游端封头伸出所述筒体外，所述上游、下游端封头中设置有与二氧化碳增压及注入装置I和地层水反向驱替注入装置II连通的接口，以及通向第一尾液接收计量装置113和第二尾液接收计量装置27连通的接口，所述岩心塞中设置有供水相和/或气相流体流通的通道。
优选地，为了尽量避免对核磁共振检测信号的干扰，所述岩心夹持器110为无磁岩心夹持器。
根据本发明提供的系统，如图1和2所示，所述岩心双向驱替单元包括二氧化碳增压及注入子单元C和地层水反向驱替子单元H，其中，所述二氧化碳增压及注入子单元C如图3所示，包括岩心模拟装置S和分别设置在所述岩心模拟装置S上游端和下游端的二氧化碳增压及注入装置I第一尾液接收计量装置113。所述地层水反向驱替子单元H如图4所示，包括岩心模拟装置S和分别设置在所述岩心模拟装置S下游端和上游端的地层水反向驱替注入装置II和第二尾液接收计量装置27。
根据本发明提供的系统，如图2和3所示，所述二氧化碳增压及注入装置I包括与所述岩心模拟装置S中岩心夹持器110连通的二氧化碳储气罐11，以及在所述二氧化碳储气罐11和所述岩心夹持器110之间的连接管线上依次设置的二氧化碳缓冲气罐12、气体增压泵13、并联设置的二氧化碳中间容器14和第一地层水中间容器114、第一回压控制阀18。其中，所述二氧化碳中间容器14和第一地层水中间容器114的一端通过支路管线汇聚连接于所述岩心夹持器110和二氧化碳储气罐11之间的干路管线上，所述二氧化碳中间容器14和第一地层水中间容器114的另一端还连接有第一恒速恒压驱替泵15。所述第一回压控制阀18上还连接有第一手摇泵16。所述二氧化碳缓冲气罐12和气体增压泵13之间、所述二氧化碳中间容器14和第一地层水中间容器114与第一恒速恒压驱替泵15连接的一端、所述并联设置的二氧化碳中间容器14和第一地层水中间容器114与干路管线汇聚点和第一回压控制阀18之间以及所述第一回压控制阀18和第一手摇泵16之间还分别设置有压力传感器，用于监控所述二氧化碳增压及注入装置I各管线内的流体压力。所述岩心夹持器110的下游端通向第一尾液接收计量装置113的管线上还设置有第二回压控制阀111，所述第二回压控制阀111上还连接有第二手摇泵112，所述第二回压控制阀111和第二手摇泵112之间还设置有压力传感器。所述二氧化碳增压及注入子单元C中各元件之间的连接管线上还分别设置有截止阀19。
根据本发明提供的系统，如图2和4所示，所述地层水反向驱替注入装置II包括与所述岩心模拟装置S中岩心夹持器110连通的第二地层水中间容器22，所述第二地层水中间容器22和所述岩心夹持器110之间的连接管线上设置有第三回压控制阀24。所述第二地层水中间容器22连接有第二恒速恒压驱替泵21；所述第三回压控制阀24还连接有第三手摇泵23。所述第三回压控制阀24和所述第三手摇泵23之间、所述第三回压控制阀24和所述第二地层水中间容器22之间、所述第二恒速恒压驱替泵21和所述第二地层水中间容器22之间分别设置有还分别设置有压力传感器，用于监控所述地层水反向驱替注入装置II各管线内的流体压力。所述岩心夹持器110的上游端通向第二尾液接收计量装置27的管线上还设置有第四回压控制阀25，所述第四回压控制阀25上还连接有第四手摇泵26，所述第四回压控制阀25和第四手摇泵26之间还设置有压力传感器。所述地层水反向驱替注入子单元H中各元件之间的连接管线上还分别设置有截止阀19。
根据本发明提供的系统，如图2和5所示，所述利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统还包括第一恒温箱34和第二恒温箱35，其中，所述二氧化碳中间容器14、第一地层水中间容器114和第二尾液接收计量装置27置于第一恒温箱34内；所述第二地层水中间容器22和所述第一尾液接收计量装置113置于第二恒温箱35内；使得分别由所述二氧化碳增压及注入装置I和所述地层水反向驱替注入装置II向所述岩心夹持器110内注入的流体及驱替后产生的尾液的温度相同，以尽可能高度还原模拟目标地层的真实状况，减少因水气双向驱替岩心的温度不同造成的核磁共振检测信号的误差，进而提高二氧化碳在地质储层中的空间运移分析的准确性。
根据本发明提供的系统，如图2和5所示，所述温度压力一体化控制单元III包括温度压力控制中枢32、压力传感器17和温度传感器33，所述压力传感器17和温度传感器33分别用于监测第一恒温箱34、第二恒温箱35和恒温恒压套31内的压力和/或温度信号，所述温度压力控制中枢32用于接收所述压力和/或温度信号，并根据所述压力和/或温度信号调节所述第一恒温箱34、第二恒温箱35和恒温恒压套31内的压力和/或温度。
根据本发明的一种实施方式，所述第一恒温箱34的箱体内、第二恒温箱35的箱体内、恒温恒压套31内和所述温度压力一体化控制单元III内的换热管线内的换热介质为FC-40氟化液。所述温度压力控制中枢32控制整个利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统的温度上限为100℃，精度为0.1℃；压力上限为70MPa。
根据本发明提供的系统，如图2和6所示，所述核磁共振在线监测数据处理单元IV包括连有数据采集处理装置41的核磁共振检测磁体42；所述岩心模拟装置S设置于所述核磁共振检测磁体42之间；所述核磁共振检测磁体42用于检测岩心模拟装置S内岩心的核磁共振信号，所述数据采集处理装置41用于采集并处理所述核磁共振信号。根据本发明的一种实施方式，所述数据采集处理装置41可以位计算机。
本发明第二方面提供一种利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将干燥后的岩心放入岩心模拟装置中，并将岩心模拟装置放入核磁共振检测磁体之间，然后通过二氧化碳增压及注入装置由岩心模拟装置的一端向岩心模拟装置中正向注入地层水对岩心驱替至饱和，测试正向注入地层水的流量和压力信号，并根据所测得的流量和压力信号计算岩心的地层水有效渗透率；
(2)将岩心模拟装置设置为目标地层温度和压力对岩心加热加压，待岩心达到目标地层温度和压力，通过核磁共振检测磁体测试岩心中饱和的地层水，得到岩心中饱和的地层水的初始核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据；
(3)通过二氧化碳增压及注入装置向岩心模拟装置正向注入压缩二氧化碳，对饱和地层水的岩心进行驱替，使压缩二氧化碳驱入岩心，发生压缩二氧化碳的进入和水相的流出，驱替过程中，通过核磁共振检测磁体监测岩心中的流体，得到不同时间岩心中流体的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据，其中，在正向注入岩心模拟装置之前，将压缩二氧化碳加热至目标地层温度并在正向注入过程中保持压缩二氧化碳恒定在地层温度；
(4)待压缩二氧化碳对饱和地层水的岩心驱替结束，维持当前岩心模拟装置的温度和压力，对岩心进行焖井模拟，焖井模拟过程中，通过核磁共振检测磁体监测岩心中的流体，得到不同时间岩心中流体的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据；
(5)待焖井模拟过程结束，通过地层水反向驱替注入装置由岩心模拟装置的另一端向岩心模拟装置反向注入地层水，对岩心进行反向驱替，使地层水驱入岩心，发生地层水的进入和压缩二氧化碳的流出，反向驱替过程中，通过核磁共振检测磁体监测岩心中的流体，得到不同时间岩心中流体的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据，其中，在反向注入岩心模拟装置之前，地层水温度升至目标地层的温度并在反向注入过程中温度保持恒定；
(6)根据上述步骤获得的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据，分析二氧化碳与地层水在不同阶段、不同岩心孔道中的运移及分布规律。
根据本发明提供的方法，步骤(1)中，正向注入地层水的正向注入速率为0.1-5ml/min。具体正向注入地层水的正向注入速率取值可以根据岩心渗透率确定，若岩心渗透率较高(如渗透率大于1000毫达西)，则注入速率可取0.1-5ml/min范围内相对较大值，反之(如渗透率小于1毫达西)则取0.1-5ml/min范围内相对较小值。
根据本发明提供的方法，步骤(1)中，岩心的地层水有效渗透率通过达西公式计算得到。具体地，达西公式为：Q＝KΔPA/μL，其中，当单相流体通过横截面积为A、长度为L、压力差为ΔP的一段孔隙介质呈层状流动时，流体粘度为μ，Q表示单位时间内通过这段岩石孔隙的流体量，单位为cm3/s；A表示流体通过岩石的截面积，单位为cm2；μ表示流体的粘度，单位为Pa·s；L表示岩心夹持器中承载的岩心长度，单位为cm；ΔP表示流体通过岩心前后的压差，单位MPa；k则表示岩心的渗透率，用来表示渗透性的大小，单位为豪达西(mD)。
根据本发明提供的方法，步骤(2)中，目标地层温度优选为0-100℃，更优选为30-80℃，目标地层压力优选为0.1-65MPa，更优选为0.1-45MPa。进一步优选地，岩心达到目标地层温度和压力后保持稳定120min以上再进行核磁共振信号测试，以进一步确保测试结果的可靠性。
根据本发明提供的方法，步骤(3)中，对饱和地层水的岩心进行驱替的过程中，优选设置岩心围压高于岩心夹持器中的岩心内部流体压力的2.5-3MPa，且围压不高于70MPa，所述压缩二氧化碳的压力优选为10-30Mpa，更优选为10-20MPa，正向注入压缩二氧化碳的速率优选为0.1-0.5ml/min，更优选为0.1-0.3ml/min，以保障压缩二氧化碳尽可能将岩心中饱和的地层水驱替完全。
根据本发明提供的方法，步骤(3)中，为了便于根据后续数据整合计算的同时确保核磁共振信号数据趋势的可靠性，核磁共振检测磁体采集数据间隔时间优选为1-120min。
根据本发明提供的方法，步骤(4)中，焖井时间可以为0-168h。为了更真实模拟实际焖井状态，焖井时间优选为2-24h。
根据本发明提供的方法，步骤(5)中，对岩心进行反向驱替过程中，设置岩心围压高于岩心夹持器中的岩心内部流体压力的2.5-3MPa，且围压不高于70MPa，反向注入地层水的速率优选为0.1-0.5ml/min，更优选为0.1-0.3ml/min，以保障地层水尽可能将岩心中的压缩二氧化碳饱反向驱替完全。
根据本发明提供的方法，步骤(5)中，为了便于根据后续数据整合计算的同时确保核磁共振信号数据趋势的可靠性，核磁共振检测磁体采集数据间隔时间优选为1-120min。
根据本发明提供的方法，所述核磁共振信号T2谱图指的是描述核磁化强度横向分量恢复过程的时间常数，因此称为横向弛豫时间。低场核磁共振技术利用油气或者水中的氢原子核在磁场中具有共振并能产生信号的特性来探测油、气、水及其分布和岩石物性参数。本发明中，岩心中，不同大小的孔隙喉道构成岩心孔隙，弛豫时间显示的是孔隙大小的特征。因此T2谱显示了岩心的孔隙直径大小分布，孔隙的尺寸越大，对应的弛豫时间越长，T2分布曲线越靠核磁共振信号谱图右侧；孔隙尺寸越小，对应的弛豫时间越短，T2分布曲线越靠近核磁共振信号谱图左侧。
在本发明中，岩心的孔隙直径大小指的是岩心孔隙的平均孔径，即岩心孔隙的最可几孔径。
根据本发明提供的方法，步骤(6)中，利用所获得的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据进行分析二氧化碳与地层水在不同阶段、不同岩心孔道中的运移及分布规律的过程包括：(1)利用数据采集处理装置建立T2谱图与岩心孔隙直径大小对应的匹配公式d＝aT2，得到不同T2值对应的岩心孔隙直径大小，其中，a为T2值与岩心孔隙直径大小的匹配系数，d为岩心孔隙直径大小；(2)利用数据采集处理装置建立T2谱图与不同孔隙直径大小中水相或气相动用程度的匹配公式
Figure BDA0003041326520000161
其中v0为某一孔隙直径尺寸饱和地层水或压缩二氧化碳状态下的初始流体分布T2谱幅值；vi为正向驱替饱和地层水或反向驱替压缩二氧化碳后第i次采集某一孔隙直径尺寸的T2谱幅值，P表示地层水或压缩二氧化碳动用程度。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例中，岩心为北京盛维基业科技有限公司提供的四川盆地露头岩心。
以下实施例中，岩心的地层水有效渗透率通过达西公式计算得到。
以下实施例中，地层水是矿化度为2×104mg/L的模拟地层水。
实施例1
本实施例提供的利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统如图1所示，包括岩心双向驱替单元、温度压力一体化控制单元III和核磁共振在线监测数据处理单元IV。其中，所述岩心双向驱替单元包括二氧化碳增压及注入子单元C和地层水反向驱替子单元H，其中，所述二氧化碳增压及注入子单元C如图3所示，包括岩心模拟装置S和分别设置在所述岩心模拟装置S上游端和下游端的二氧化碳增压及注入装置I第一尾液接收计量装置113。所述地层水反向驱替子单元H如图4所示，包括岩心模拟装置S和分别设置在所述岩心模拟装置S下游端和上游端的地层水反向驱替注入装置II和第二尾液接收计量装置27。
本实施例提供的利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统的各单元具体结构如图2所示，所述岩心双向驱替单元包括岩心模拟装置S和分别设置在所述岩心模拟装置S两端的二氧化碳增压及注入装置I和地层水反向驱替注入装置II；所述岩心模拟装置S用于放置岩心进行水气双向驱替试验；所述二氧化碳增压及注入装置I用于对岩心模拟装置S内的岩心进行地层水及二氧化碳的正向注入，所述地层水反向驱替注入装置II用于对岩心模拟装置S内的岩心进行地层水的反向注入；所述岩心模拟装置S两端还分别设置有第一尾液接收计量装置113和第二尾液接收计量装置27，分别用于接收来自岩心模拟装置S正向和反向注入流体后产生的尾液；所述温度压力一体化控制单元III用于控制所述岩心双向驱替单元的温度和压力；所述核磁共振在线监测数据处理单元IV用于检测岩心模拟装置S内岩心的核磁共振信号，并对所述核磁共振信号进行采集和处理。
具体地，所述岩心双向驱替单元包括岩心模拟装置S，所述岩心模拟装置S用于放置岩心进行水气双向驱替试验。所述利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统还包括分别设置在所述岩心模拟装置S两端的二氧化碳增压及注入装置I和地层水反向驱替注入装置II。所述岩心模拟装置S两端还分别设置有第一尾液接收计量装置113和第二尾液接收计量装置27，分别用于接收来自岩心模拟装置S正向和反向注入流体后产生的尾液。其中，所述第一尾液接收计量装置113设置于所述岩心模拟装置S的下游，与所述地层水反向驱替注入装置II位于岩心模拟装置S的同一端；所述第二尾液接收计量装置27设置于所述岩心模拟装置S的上游，与所述二氧化碳增压及注入装置I位于所述岩心模拟装置S的同一端。所述岩心模拟装置S包括无磁岩心夹持器110和包裹在无磁岩心夹持器110外壁的恒温恒压套31。
如图2和3所示，所述二氧化碳增压及注入装置I包括与所述岩心模拟装置S中无磁岩心夹持器110连通的二氧化碳储气罐11，以及在所述二氧化碳储气罐11和所述无磁岩心夹持器110之间的连接管线上依次设置的二氧化碳缓冲气罐12、气体增压泵13、并联设置的二氧化碳中间容器14和第一地层水中间容器114、第一回压控制阀18。其中，所述二氧化碳中间容器14和第一地层水中间容器114的一端通过支路管线汇聚连接于所述无磁岩心夹持器110和二氧化碳储气罐11之间的干路管线上，所述二氧化碳中间容器14和第一地层水中间容器114的另一端还连接有第一恒速恒压驱替泵15。所述第一回压控制阀18上还连接有第一手摇泵16。所述二氧化碳缓冲气罐12和气体增压泵13之间、所述二氧化碳中间容器14和第一地层水中间容器114与第一恒速恒压驱替泵15连接的一端、所述并联设置的二氧化碳中间容器14和第一地层水中间容器114与干路管线汇聚点和第一回压控制阀18之间以及所述第一回压控制阀18和第一手摇泵16之间还分别设置有压力传感器，用于监控所述二氧化碳增压及注入装置I各管线内的流体压力。所述无磁岩心夹持器110的下游端通向第一尾液接收计量装置113的管线上还设置有第二回压控制阀111，所述第二回压控制阀111上还连接有第二手摇泵112，所述第二回压控制阀111和第二手摇泵112之间还设置有压力传感器。所述二氧化碳增压及注入子单元C中各元件之间的连接管线上还分别设置有截止阀19。
如图2和4所示，所述地层水反向驱替注入装置II包括与所述岩心模拟装置S中无磁岩心夹持器110连通的第二地层水中间容器22，所述第二地层水中间容器22和所述无磁岩心夹持器110之间的连接管线上设置有第三回压控制阀24。所述第二地层水中间容器22连接有第二恒速恒压驱替泵21；所述第三回压控制阀24还连接有第三手摇泵23。所述第三回压控制阀24和所述第三手摇泵23之间、所述第三回压控制阀24和所述第二地层水中间容器22之间、所述第二恒速恒压驱替泵21和所述第二地层水中间容器22之间分别设置有还分别设置有压力传感器，用于监控所述地层水反向驱替注入装置II各管线内的流体压力。所述无磁岩心夹持器110的上游端通向第二尾液接收计量装置27的管线上还设置有第四回压控制阀25，所述第四回压控制阀25上还连接有第四手摇泵26，所述第四回压控制阀25和第四手摇泵26之间还设置有压力传感器。所述地层水反向驱替注入子单元H中各元件之间的连接管线上还分别设置有截止阀19。
如图2和5所示，所述利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统还包括第一恒温箱34和第二恒温箱35，其中，所述二氧化碳中间容器14、第一地层水中间容器114和第二尾液接收计量装置27置于第一恒温箱34内；所述第二地层水中间容器22和所述第一尾液接收计量装置113置于第二恒温箱35内。
如图2和5所示，所述温度压力一体化控制单元III包括温度压力控制中枢32、压力传感器17和温度传感器33，所述压力传感器17和温度传感器33分别用于监测第一恒温箱34、第二恒温箱35和恒温恒压套31内的压力和/或温度信号，所述温度压力控制中枢32用于接收所述压力和/或温度信号，并根据所述压力和/或温度信号调节所述第一恒温箱34、第二恒温箱35和恒温恒压套31内的压力和/或温度。
如图2和6所示，所述核磁共振在线监测数据处理单元IV包括连有数据采集处理装置41的核磁共振检测磁体42；所述岩心模拟装置S设置于所述核磁共振检测磁体42之间；所述核磁共振检测磁体42用于检测岩心模拟装置S内岩心的核磁共振信号，所述数据采集处理装置41用于采集并处理所述核磁共振信号。
实施例2
本实施例提供的利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的方法采用如图1和2所示的利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统进行。
所述方法包括以下步骤：
(1)将干燥后的岩心放入岩心模拟装置S的无磁岩心夹持器110中，并将岩心模拟装置S放入核磁共振检测磁体之间，并利用温度压力一体化控制单元III中的温度压力控制中枢32控制岩心模拟装置S中的恒温恒压套31对岩心施加2.5MPa的围压。设置第一回压控制阀18和第二回压控制阀111的回压均为0，将二氧化碳增压及注入系统1中的第一地层水中间容器114中充满地层水；打开第一恒速恒压驱替泵15与第一地层水中间容器114之间相连的截止阀，打开第一地层水中间容器114与第一回压控制阀18之间相连的2个截止阀，打开第一回压控制阀18与无磁岩心夹持器110之间相连的截止阀，打开无磁岩心夹持器110与第二回压控制阀111之间相连的截止阀；利用第一恒速恒压驱替泵15以1ml/min速率将第一地层水中间容器114中的地层水缓慢驱替至无磁岩心夹持器110中的岩心中；观察第一地层水中间容器114与第一回压控制阀18之间的压力传感器读数，直至该压力值与第一恒速恒压驱替泵15的流量值均达到稳定状态，且稳定时间需达到60min，则认为岩心饱和水完毕。关闭第一地层水中间容器114与第一回压控制阀18之间相连的2个截止阀，第一恒速恒压驱替泵15停止工作；测试正向注入地层水的流量和压力信号，并根据所测得的流量和压力信号利用达西公式计算岩心的地层水有效渗透率。
(2)利用温度压力一体化控制单元III中的温度压力控制中枢32将岩心模拟装置S中的恒温恒压套31设置为目标地层温度和压力对岩心加热加压，待岩心达到目标地层温度和压力，通过核磁共振检测磁体测试岩心中饱和的地层水，得到岩心中饱和的地层水的初始核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据。
(3)利用温度压力一体化控制单元III中的温度压力控制中枢32将岩心模拟装置S中的恒温恒压套31、第一恒温箱34和第二恒温箱35设置为目标地层温度42℃，建立中间容器-回压阀的恒温体系及恒温恒压套-恒温恒压循环泵-无磁岩心夹持器的恒温循环体系，模拟真实目标地层温度，所述温度压力一体化控制单元III内各管线的实时温度可由温度传感器33监测。通过温度压力控制中枢32控制岩心模拟装置S的恒温恒压套31的压力始终高于无磁岩心夹持器110中通过岩心内部的流体压力2.5MPa，所述温度压力一体化控制单元III内各管线的实时压力由所述温度压力一体化控制单元III中的压力传感器监测。利用温度压力一体化控制单元III中的温度压力控制中枢32对所述温度压力一体化控制单元III进行温度和压力调节的平衡过程持续2-3小时，直至所述温度压力一体化控制单元III中各元件及管线内温度和压力达到所设置的目标地层温度和压力并保持恒定。
然后通过二氧化碳增压及注入装置I向岩心模拟装置S正向注入压缩二氧化碳，对饱和地层水的岩心进行驱替，使压缩二氧化碳驱入岩心，发生压缩二氧化碳的进入和水相的流出。首先打开与二氧化碳储气罐11与二氧化碳中间容器14之间的4个截止阀，使二氧化碳进入二氧化碳缓冲气罐12与二氧化碳中间容器14，关闭二氧化碳储气罐11与气体增压泵13之间的2个截止阀，开启气体增压泵13对二氧化碳中间容器14中的二氧化碳进行压缩，二氧化碳实时压力值可通过与气体增压泵13相连的压力传感器监测，待二氧化碳压缩至15MPa后，关闭气体增压泵13，通过压力传感器观察二氧化碳中间容器14中的压力值，等待30-60分钟，至压力信号稳定。待压力信号稳定后，若压力信号高于15MPa，打开二氧化碳缓冲气罐12与气体增压泵13之间的截止阀以降低二氧化碳中间容器14中压力值，关闭气体增压泵13与二氧化碳中间容器14之间相连的与气体增压泵13更为靠近的截止阀；若压力信号低于15MPa，则重复二氧化碳压缩和注入，直至二氧化碳中间容器14中的压力值达到目标地层压力且保持至少2小时不变。利用第一手摇泵16和第二手摇泵112将第一回压控制阀18和第二回压控制阀111的回压分别设置至为目标地层压力19MPa；打开二氧化碳中间容器14与第一回压控制阀18之间相连的2个截止阀，利用第一恒速恒压驱替泵15以0.2ml/min的速率将二氧化碳中间容器14中的压缩二氧化碳流体驱替至无磁岩心夹持器110中的岩心中；当二氧化碳注入量达到10ml时，关闭第一回压控制阀18与无磁岩心夹持器110之间相连的截止阀，关闭无磁岩心夹持器110与第二回压控制阀111之间相连的截止阀，第一恒速恒压驱替泵15停止工作，结束压缩二氧化碳对饱和地层水的岩心驱替。
驱替过程中，通过核磁共振检测磁体42监测岩心中的流体，通过数据采集处理装置41设置核磁共振检测磁体42自动检测并记录核磁共振信号的时间间隔为6.5min，得到不同时间岩心中流体的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据，所得正向注入压缩二氧化碳过程中的流体核磁共振信号T2谱图如图8所示。
(4)待压缩二氧化碳对饱和地层水的岩心驱替结束，维持当前岩心模拟装置的温度和压力，对岩心进行焖井模拟5h，焖井模拟过程中，通过核磁共振检测磁体42监测岩心中的流体，且保持步骤(3)中的核磁共振信号采集工作模式，得到焖井模拟过程中不同时间岩心中流体的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据，所得焖井模拟过程中的流体核磁共振信号T2谱图基本保持稳定。
(5)待焖井模拟过程结束，通过地层水反向驱替注入装置II由岩心模拟装置S的下游向岩心模拟装置S中的无磁岩心夹持器110中反向注入地层水，对岩心中的二氧化碳进行反向驱替，使地层水驱入岩心，发生地层水的进入和压缩二氧化碳的流出，反向驱替过程中，通过核磁共振检测磁体42监测岩心中的流体，且保持步骤(3)中的核磁共振信号采集工作模式，得到不同时间岩心中流体的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据，所得地层水反向驱替岩心过程中的流体核磁共振信号T2谱图如图9所示。其中，由于所述第二地层水中间容器22和所述第三回压控制阀24位于第二恒温箱35中，且所述第二恒温箱35的温度在步骤(3)中已通过温度压力控制中枢32调节并稳定在目标地层温度，在反向注入岩心模拟装置S之前，地层水温度升至目标地层的温度并在反向注入过程中温度保持恒定。具体地，利用第三手摇泵23和第四手摇泵26将第三回压控制阀24和第四回压控制阀25的回压分别设置至目标地层压力19MPa，将第二地层水中间容器22中充满地层水；打开第二恒速恒压驱替泵21与第二地层水中间容器22之间相连的截止阀，打开第二地层水中间容器22与第三回压控制阀24之间相连的截止阀，打开第三回压控制阀24与无磁岩心夹持器110之间相连的截止阀，打开无磁岩心夹持器110和第四回压控制阀25之间相连的截止阀；利用第二恒速恒压驱替泵21以0.2ml/min的速率将与第二地层水中间容器22中的地层水驱替至无磁岩心夹持器110中的岩心中；当地层水注入量达到10ml时，第二恒速恒压驱替泵21停止工作，核磁共振检测仪42停止工作，实验结束，通过温度压力控制中枢32降低无磁岩心夹持器110内的压力至大气压，取出岩心，整理实验装置以备下次实验。
(6)根据上述步骤获得的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据，分析二氧化碳与地层水在不同阶段、不同岩心孔道中的运移及分布规律。
图8为实施例2中压缩二氧化碳正向驱替岩心中饱和的地层水过程中，以6.5min为时间间隔采集的核磁共振信号T2谱图。图8中，横坐标即T2值的大小可利用压汞曲线与岩心的孔隙直径相对应，纵坐标为岩心中所含水的核磁共振信号量。由图8可以看出，随着压缩二氧化碳流体的持续注入，岩心中流体的核磁共振信号强度逐渐减少，即岩心孔隙中的水逐渐被压缩二氧化碳流体驱替出来，且T2值为4-20对应的岩心孔隙中的饱和地层水的动用程度较低，二氧化碳难以进入该部分孔隙；T2值为50-1000对应的岩心孔隙中的饱和地层水的动用程度较高，二氧化碳较易进入该部分孔隙。
图9为实施例2中地层水反向驱替岩心过程中，以6.5min为时间间隔采集的核磁共振信号T2谱图。图9中，横坐标即T2值的大小可利用压汞曲线与岩心的孔隙半径相对应，纵坐标为岩心中所含水的核磁共振信号量。由图9可以看出，随着二氧化碳的返排，即地层水的反向驱替，岩心中流体的核磁共振信强度逐渐增加，即岩心孔隙中地层水含量逐渐增加，且T2值为4-20对应的岩心孔隙中的饱和地层水的回流动用程度较低，T2值为50-1000对应的岩心孔隙中的饱和地层水的回流动用程度较高。但相较于图8，图9中不同T2值处对应的核磁共振信号均有所变化，变化值则代表了经历二氧化碳注入、焖井及返排的一系列过程后，不同孔隙中的二氧化碳滞留或埋存量。
图10为实施例2对图8和图9中的核磁共振信号量进行的进一步处理得到的不同尺寸孔隙中的二氧化碳饱和度依次在正向注入压缩二氧化碳过程、焖井过程和地层水对饱和二氧化碳的反向驱替过程中的变化曲线图，其中，横坐标表示在正向注入压缩二氧化碳过程、焖井过程和地层水对饱和二氧化碳的反向驱替过程中，以6.5min为时间间隔进行核磁共振信号采集的次数，纵坐标表示孔隙中的二氧化碳饱和度。图10中，定义T2信号值范围为0.01-20对应的岩心孔隙的孔隙为小孔隙，信号值范围为60-10000的孔隙为大孔隙。根据公式D＝(S1-Sn)/S1×100％，计算不同时间(核磁共振信号采集次数)内，二氧化碳在岩心孔隙中的饱和度，得到二氧化碳依次在正向注入压缩二氧化碳过程、焖井过程和地层水对饱和二氧化碳的反向驱替过程中，不同岩心孔隙(小孔隙/大孔隙)中的饱和度；式中，S1表示饱和地层水的岩心核磁信号面积(图8中采集的第1条核磁共振信号T2曲线)，Sn表示依次在正向注入压缩二氧化碳过程、焖井过程和地层水对饱和二氧化碳的反向驱替过程中，采集的第n条核磁共振信号T2曲线对应的岩心核磁信号面积。通过图10可以看出，正向注入压缩二氧化碳过程(注气阶段)结束后，二氧化碳在大孔隙中的饱和度为64.9％，在小孔隙中仅为10.3％，这意味着正向注入压缩二氧化碳过程(注气阶段)中，大孔隙岩心中的饱和地层水的动用程度较高；焖井过程中，大孔隙岩心中的二氧化碳饱和度从64.9％下降为63.3％，小孔隙中二氧化碳饱和度从10.3％上升为13.1％，这说明焖井过程中，二氧化碳与水在毛细管力的主导作用下发生了少量运移，部分二氧化碳从大孔隙中运移到了小孔隙中；地层水对饱和二氧化碳的反向驱替后，二氧化碳在岩心中的最终总孔隙饱和度为10.4％，即二氧化碳的最终埋存量为储层岩石孔隙总体积的10.4％，其中，二氧化碳在大孔隙中的饱和度为11.9％，在小孔隙中的饱和度为7.2％。
对比例1
使用CN103927913A中公开的系统对岩心进行驱替，该驱替过程仅能够实现岩心孔隙度、渗透率、含水饱和度等宏观物性参数的测量，无法实现采用本发明中实施例1和2所述利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统和方法对岩心不同大小孔隙中的含水、含气饱和度及气水实时动用程度及运移情况进行定量精确描述。
对比例2
使用CN109444201A中公开的系统和方法对岩心进行驱替，该驱替过程仅能实现重水对饱和原油的岩心进行单向驱替，且重水驱替原油过程中，无法保证重水温度与目标地层温度相同，更无法实现对二氧化碳包括正向驱替、焖井、返排等一系列二氧化碳地质埋存实际施工过程的模拟。
通过实施例1-2和对比例1-2的结果可以看出，采用本发明实施例1和2提供的利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统和方法，能够直观观察岩心不同尺寸的孔隙在不同流体注入阶段的含水量，并对二氧化碳与地层水在储层中运移及分布数据进行实时计算，进而实现对二氧化碳与地层水在储层中具体运移及分布涉及的微观孔道和位置的定量精确测量和描述。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统，其特征在于，所述系统包括岩心双向驱替单元、温度压力一体化控制单元(III)和核磁共振在线监测数据处理单元(IV)，
其中，所述岩心双向驱替单元包括岩心模拟装置(S)和分别设置在所述岩心模拟装置(S)两端的二氧化碳增压及注入装置(I)和地层水反向驱替注入装置(II)；
所述岩心模拟装置(S)用于放置岩心进行水气双向驱替试验；
所述二氧化碳增压及注入装置(I)用于对岩心模拟装置(S)内的岩心进行地层水及二氧化碳的正向注入，所述地层水反向驱替注入装置(II)用于对岩心模拟装置(S)内的岩心进行地层水的反向注入；
所述岩心模拟装置(S)两端还分别设置有第一尾液接收计量装置(113)和第二尾液接收计量装置(27)，分别用于接收来自岩心模拟装置(S)正向和反向注入流体后产生的尾液；
所述温度压力一体化控制单元(III)用于控制所述岩心双向驱替单元的温度和压力；
所述核磁共振在线监测数据处理单元(IV)用于检测岩心模拟装置(S)内岩心的核磁共振信号，并对所述核磁共振信号进行采集和处理。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述岩心模拟装置(S)包括岩心夹持器(110)和包裹在岩心夹持器(110)外壁的恒温恒压套(31)；
优选地，所述岩心夹持器(110)为无磁岩心夹持器。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述二氧化碳增压及注入装置(I)包括与所述岩心模拟装置(S)中岩心夹持器(110)连通的二氧化碳储气罐(11)，以及在所述二氧化碳储气罐(11)和所述岩心夹持器(110)之间的连接管线上依次设置的二氧化碳缓冲气罐(12)、气体增压泵(13)、并联设置的二氧化碳中间容器(14)和第一地层水中间容器(114)、第一回压控制阀(18)；
所述二氧化碳中间容器(14)和第一地层水中间容器(114)上还连接有第一恒速恒压驱替泵(15)；
所述第一回压控制阀(18)上还连接有第一手摇泵(16)。
4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述地层水反向驱替注入装置(II)包括与所述岩心模拟装置(S)中岩心夹持器(110)连通的第二地层水中间容器(22)，所述第二地层水中间容器(22)和所述岩心夹持器(110)之间的连接管线上设置有第三回压控制阀(24)；
所述第二地层水中间容器(22)连接有第二恒速恒压驱替泵(21)；
所述第三回压控制阀(24)还连接有第三手摇泵(23)。
5.根据权利要求3或4所述的系统，其中，所述利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的系统还包括第一恒温箱(34)和第二恒温箱(35)，
所述二氧化碳中间容器(14)、第一地层水中间容器(114)和第二尾液接收计量装置(27)置于第一恒温箱(34)内；
所述第二地层水中间容器(22)和所述第一尾液接收计量装置(113)置于第二恒温箱(35)内；
所述温度压力一体化控制单元(III)包括温度压力控制中枢(32)、压力传感器(17)和温度传感器(33)，
所述压力传感器(17)和温度传感器(33)分别用于监测第一恒温箱(34)、第二恒温箱(35)和恒温恒压套(31)内的压力和/或温度信号，所述温度压力控制中枢(32)用于接收所述压力和/或温度信号，并根据所述压力和/或温度信号调节所述第一恒温箱(34)、第二恒温箱(35)和恒温恒压套(31)内的压力和/或温度。
6.根据权利要求3或4所述的系统，其中，所述核磁共振在线监测数据处理单元(IV)包括连有数据采集处理装置(41)的核磁共振检测磁体(42)；
所述岩心模拟装置(S)设置于所述核磁共振检测磁体(42)之间；
所述核磁共振检测磁体(42)用于检测岩心模拟装置(S)内岩心的核磁共振信号，所述数据采集处理装置(41)用于采集并处理所述核磁共振信号。
7.一种利用核磁共振技术在线监测二氧化碳运移及地质封存的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将干燥后的岩心放入岩心模拟装置中，并将岩心模拟装置放入核磁共振检测磁体之间，然后通过二氧化碳增压及注入装置由岩心模拟装置的一端向岩心模拟装置中正向注入地层水对岩心驱替至饱和，测试正向注入地层水的流量和压力信号，并根据所测得的流量和压力信号计算岩心的地层水有效渗透率；
(2)将岩心模拟装置设置为目标地层温度和压力对岩心加热加压，待岩心达到目标地层温度和压力，通过核磁共振检测磁体测试岩心中饱和的地层水，得到岩心中饱和的地层水的初始核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据；
(3)通过二氧化碳增压及注入装置向岩心模拟装置正向注入压缩二氧化碳，对饱和地层水的岩心进行驱替，使压缩二氧化碳驱入岩心，发生压缩二氧化碳的进入和水相的流出，驱替过程中，通过核磁共振检测磁体监测岩心中的流体，得到不同时间岩心中流体的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据，其中，在正向注入岩心模拟装置之前，将压缩二氧化碳加热至目标地层温度并在正向注入过程中保持压缩二氧化碳恒定在地层温度；
(4)待压缩二氧化碳对饱和地层水的岩心驱替结束，维持当前岩心模拟装置的温度和压力，对岩心进行焖井模拟，焖井模拟过程中，通过核磁共振检测磁体监测岩心中的流体，得到不同时间岩心中流体的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据；
(5)待焖井模拟过程结束，通过地层水反向驱替注入装置由岩心模拟装置的另一端向岩心模拟装置反向注入地层水，对岩心进行反向驱替，使地层水驱入岩心，发生地层水的进入和压缩二氧化碳的流出，反向驱替过程中，通过核磁共振检测磁体监测岩心中的流体，得到不同时间岩心中流体的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据，其中，在反向注入岩心模拟装置之前，地层水温度升至目标地层的温度并在反向注入过程中温度保持恒定；
(6)根据上述步骤获得的核磁共振信号T2谱图数据和核磁成像数据，分析二氧化碳与地层水在不同阶段、不同岩心孔道中的运移及分布规律。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤(1)中，正向注入地层水的正向注入速率为0.1-5ml/min。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤(2)中，目标地层温度为0-100℃，目标地层压力为0.1-65MPa，且岩心达到目标地层温度和压力后保持稳定120min以上再进行核磁共振信号测试。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，步骤(3)中，对饱和地层水的岩心进行驱替的过程中，设置岩心围压高于岩心夹持器中的岩心内部流体压力的2.5-3MPa，且围压不高于70MPa，压缩二氧化碳的压力为10-30Mpa，正向注入压缩二氧化碳的速率为0.1-0.5ml/min，核磁共振检测磁体采集数据间隔时间为1-120min；
步骤(5)中，对岩心进行反向驱替过程中，设置岩心围压高于岩心夹持器中的岩心内部流体压力的2.5-3MPa，且围压不高于70MPa，反向注入地层水的速率为0.1-5ml/min，核磁共振检测磁体采集数据间隔时间为1-120min。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114859010A (zh) * 2022-03-24 2022-08-05 中国矿业大学 监测气藏储层岩石注co2过程中co2波及动态的装置及方法
CN114994283A (zh) * 2022-06-01 2022-09-02 国家石油天然气管网集团有限公司 用于储气库的孔喉结构变化分析方法
CN116084897A (zh) * 2023-02-06 2023-05-09 中国石油大学(北京) 二氧化碳不同封存方式实验用联合设备及方法
CN116359077A (zh) * 2022-12-29 2023-06-30 中国科学院武汉岩土力学研究所 富热泉地区深部地层注浆运移扩散模拟试验系统及方法
CN117491502A (zh) * 2023-11-02 2024-02-02 陕西地矿创新研究院有限公司 一种不同co2饱和度岩石物理测试装置及实验方法
CN117538216A (zh) * 2023-11-27 2024-02-09 中国科学院西北生态环境资源研究院 地层水中稀有气体样品的检测装置及检测方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104034745A (zh) * 2014-06-30 2014-09-10 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种高压核磁共振co2地质封存模型试验系统
US20170089158A1 (en) * 2015-09-30 2017-03-30 Aramco Services Company Methods and Apparatus for Collecting and Preserving Core Samples from a Reservoir
CN106908470A (zh) * 2017-04-25 2017-06-30 北京青檬艾柯科技有限公司 一种核磁共振高温高压岩石驱替系统及其方法
CN107894386A (zh) * 2017-11-14 2018-04-10 西安石油大学 超临界二氧化碳注入对低渗透砂岩油藏孔喉结构影响的定量评价方法
CN109444201A (zh) * 2018-05-25 2019-03-08 中国石油大学(华东) 一种测定致密岩心多孔介质中多相流体流动特征的核磁共振实验装置及方法
CN111735831A (zh) * 2019-12-18 2020-10-02 中国石油大学(华东) 一种三维可视化往复式循环驱替系统
CN112459754A (zh) * 2020-11-04 2021-03-09 中国石油天然气集团有限公司 一种干法压裂焖井后co2与储层流体置换规律实验方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104034745A (zh) * 2014-06-30 2014-09-10 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种高压核磁共振co2地质封存模型试验系统
US20170089158A1 (en) * 2015-09-30 2017-03-30 Aramco Services Company Methods and Apparatus for Collecting and Preserving Core Samples from a Reservoir
CN106908470A (zh) * 2017-04-25 2017-06-30 北京青檬艾柯科技有限公司 一种核磁共振高温高压岩石驱替系统及其方法
CN107894386A (zh) * 2017-11-14 2018-04-10 西安石油大学 超临界二氧化碳注入对低渗透砂岩油藏孔喉结构影响的定量评价方法
CN109444201A (zh) * 2018-05-25 2019-03-08 中国石油大学(华东) 一种测定致密岩心多孔介质中多相流体流动特征的核磁共振实验装置及方法
CN111735831A (zh) * 2019-12-18 2020-10-02 中国石油大学(华东) 一种三维可视化往复式循环驱替系统
CN112459754A (zh) * 2020-11-04 2021-03-09 中国石油天然气集团有限公司 一种干法压裂焖井后co2与储层流体置换规律实验方法

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114859010A (zh) * 2022-03-24 2022-08-05 中国矿业大学 监测气藏储层岩石注co2过程中co2波及动态的装置及方法
CN114994283A (zh) * 2022-06-01 2022-09-02 国家石油天然气管网集团有限公司 用于储气库的孔喉结构变化分析方法
CN116359077A (zh) * 2022-12-29 2023-06-30 中国科学院武汉岩土力学研究所 富热泉地区深部地层注浆运移扩散模拟试验系统及方法
CN116359077B (zh) * 2022-12-29 2023-10-10 中国科学院武汉岩土力学研究所 富热泉地区深部地层注浆运移扩散模拟试验系统及方法
CN116084897A (zh) * 2023-02-06 2023-05-09 中国石油大学(北京) 二氧化碳不同封存方式实验用联合设备及方法
CN116084897B (zh) * 2023-02-06 2024-02-09 中国石油大学(北京) 二氧化碳不同封存方式实验方法
CN117491502A (zh) * 2023-11-02 2024-02-02 陕西地矿创新研究院有限公司 一种不同co2饱和度岩石物理测试装置及实验方法
CN117538216A (zh) * 2023-11-27 2024-02-09 中国科学院西北生态环境资源研究院 地层水中稀有气体样品的检测装置及检测方法

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