CN113740196B - 一种原位热解有机矿层碳封存量测定的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种原位热解有机矿层碳封存量测定的装置和方法，属于二氧化碳地质封存领域，它包括耐高温高压岩芯夹持系统、控制加热系统、水循环系统、二氧化碳循环系统、绝氧循环系统；该装置能够研究不同因素影响下热解后矿层封存二氧化碳的效果，深入研究热解后有机矿层封存二氧化碳的能力，解决二氧化碳排放过量的问题；本发明拆卸方便，安全稳定，简单可靠，可以实时模拟原位热解后储层与二氧化碳发生化学反应的过程，可以精确计算得到不同应力和不同温度下单位质量热解后有机岩可封存的二氧化碳的质量。
Description
技术领域
本发明属于二氧化碳地质封存和捕捉技术领域，具体为一种原位热解有机矿层碳封存量测定的装置和方法；用于模拟不同温度和地应力条件热解后有机矿层对二氧化碳捕捉的效果，从而系统计算得到热解后矿层封存二氧化碳的能力。
背景技术
有机矿藏资源的燃烧利用是引起温室效应的一个因素，同时也会引发严重的生态污染问题。有机矿藏中的有机质是利用的目标，通过钻孔布井原位注热开采的方式可以将地下有机矿藏中的有机质转变为油气产物开采出来，而热解后的矿层依然处于地下，从而起到支撑覆岩的作用。将二氧化碳大量封存在热解后的矿层中对实现“双碳”目标意义重大。因此，研究不同因素影响下热解后矿层封存二氧化碳的效果是极为必要的。目前还未有人提出利用热解后的有机矿藏进行二氧化碳封存的方案，而评价和测定热解后有机矿层碳封存能力的装置和方法更未涉及。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种测定原位热解后有机矿层碳封存能力的装置和方法，精确测定热解后有机矿层封存二氧化碳的能力，解决二氧化碳排放过量的问题，提高热解矿层二氧化碳封存量测定的精确性。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种原位热解有机矿层碳封存量测定的装置，包括耐高温高压岩芯夹持系统、加热系统、水循环系统、二氧化碳循环系统，以及绝氧循环系统。
所述耐高温高压岩芯夹持系统包括耐高温高压外壳，所述耐高温高压外壳内密封放置有岩心套；耐高温高压外壳与岩心套之间形成围压腔；耐高温高压外壳上设置有围压介质注入口；岩心套的一端连接有轴向传压杆，另一端连接有底座；所述轴向传压杆内设置有注水腔和注气腔；所述底座内设置有排水腔、排气腔和油气排采腔；耐高温高压外壳外层设置有所述的加热系统，所述围压腔内设置有温度传感器。
所述水循环系统包括水泵、水入口高压阀门和水出口高压阀门，所述水泵通过水入口高压阀门与注水腔相连，水出口高压阀门与排水腔相连。
所述二氧化碳循环系统包括二氧化碳供气装置、第一中间容器、气进口高压阀门、气出口高压阀门以及第二中间容器；二氧化碳供气装置与第一中间容器相连，第一中间容器通过气进口高压阀门与注气腔相连，第二中间容器通过气出口高压阀门与排气腔相连；所述第一中间容器底部设置有第一称重装置；所述第二中间容器底部设置有第二称重装置。
绝氧循环系统包括惰性气体供气装置，惰性气体供气装置通过三通阀与第一中间容器和注气腔相连接；所述惰性气体供气装置的供气口设置有惰性气体进口高压阀门，油气排采腔连接有惰性气体出口高压阀门。
进一步的，耐高温高压外壳内侧填充有楔形石墨盘根，耐高温高压外壳与轴向传压杆通过耐高温高压法兰相连接。
进一步的，耐高温高压外壳与底座之间设置有高温密封垫。
进一步的，楔形石墨盘根的长度＞岩芯套的长度＞围压腔的长度。
进一步的，轴向传压杆上设置水冷循环腔。
进一步的，水泵的压力大于岩心套内装有的压裂有机岩芯所受的围压。
原位热解有机矿层碳封存量测定的方法，包括以下步骤：
1）在岩芯套内放置压裂有机岩芯，压裂有机岩芯的质量为m，体积为V；根据储层的实际赋存特征对压裂有机岩芯施加轴压和围压，轴压为储层所受的垂直应力；通过绝氧循环系统为压裂有机岩芯的热解营造绝氧环境，并对压裂有机岩芯加热。
2）关闭绝氧循环系统，开启水循环系统，将水注入压裂有机岩芯内，当压裂有机岩芯温度降到100℃以下时关闭水循环系统，使热解后有机岩芯内部的液态水能够充分溶解钙镁离子。
3）开启二氧化碳供气装置，使二氧化碳气体进入第一中间容器内，当第一中间容器的压力达到7.3MPa以上，关闭二氧化碳供气装置，通过第一称重装置称量质量m1。
4）打开气进口高压阀门，使得二氧化碳充分与压裂有机岩芯发生化学反应，直到第一中间容器的压力不再变化关闭气进口高压阀门，通过第一称重装置称量质量m2。
5）开启第二称重装置，记录质量m3，打开气出口高压阀门，观察第二中间容器的压力，直到压力不再变化记录第二称重装置的示数变化m4，则热解后的压裂有机岩芯可发生化学反应的二氧化碳质量为：（m2-m1）-（m4-m3）。
6）获取热解后的压裂有机岩芯内部不同层位密度分布特征的二维灰度图像，并获得二维灰度图像表征岩体内部孔隙和裂隙分布的二值化图像；将获得的所有层二值图像连续堆叠，实现三维孔隙和裂隙结构的重建，由此得到热解后压裂有机岩芯的孔隙率Φ，常温下液态二氧化碳的密度是ρ，则热解后的压裂有机岩芯可封存的液态二氧化碳质量为：V*Φ*ρ；热解后压裂有机岩芯可封存的二氧化碳质量为[（m2-m1）-（m4-m3）]+V*Φ*ρ。
优选的，步骤1中围压保持为轴压的1.2倍。
优选的，步骤6中，将热解后的压裂有机岩芯取出进行显微CT扫描，CT扫描后获得了一系列反应试样内部不同层位密度分布特征的二维灰度图像。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
1、通过本发明装置和方法可以实时模拟原位热解后储层与二氧化碳发生化学反应的过程。
2、可以精确计算得到不同应力和不同温度下单位质量热解后有机岩可封存的二氧化碳的质量。
3、拆卸方便，安全稳定，简单可靠。
附图说明
图1是测定原位热解后有机矿层碳封存能力的装置的结构示意图。
图中，1为水泵，2为水入口高压阀门，3为水冷循环腔，4为耐高温高压外壳，5为围压介质注入口，6为加热套，7为压裂有机岩芯，8为岩芯套，9为水出口高压阀门，10为底座，11为水槽，12为二氧化碳气瓶，13为第一中间容器，14为第一高精密天平，15为气进口高压阀门，16为轴向传压杆，17为楔形石墨盘根，18为耐高温高压法兰，19为温度传感器，21为高温密封垫，22为气出口高压阀门，23为第二中间容器，24为第二高精密天平，25为围压腔，26为注水腔，27为注气腔，28为排水腔，29为排气腔，30为氮气气瓶，31为惰性气体进口高压阀门，32为三通阀，33为油气排采腔，34为惰性气体出口高压阀门。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
如图1所示，一种测定原位热解后有机矿层碳封存能力的装置由耐高温高压岩芯夹持系统、控制加热系统、水循环系统、二氧化碳循环系统、绝氧循环系统组成。
所述的耐高温高压岩芯夹持系统由耐高温高压外壳4、耐高温高压法兰18、底座10、压裂有机岩芯7、岩芯套8以及轴向传压杆16组成。耐高温高压外壳4上等间距布置两个围压介质注入口5，耐高温高压外壳4与岩芯套8紧密贴合，形成了围压腔25。耐高温高压外壳4上端内侧与轴向传压杆16间隙填充有楔形石墨盘根17，通过耐高温高压法兰18将楔形石墨盘根17压实。耐高温高压外壳4下端内侧同样填充有楔形石墨盘根17，通过底座10将其压实，耐高温高压外壳4底部和底座10设置有高温密封垫21，通过耐高温高压螺栓固定耐高温高压外壳4和底座10。底座10内有排水腔28和排气腔29以及油气排采腔33。
其中，压裂有机岩芯7为圆柱形试样，长度为100mm~300mm。岩芯套8可以是黄金套、紫铜套或者铝套等高延展性材料，岩芯套8的长度要大于围压腔25的长度，小于楔形石墨盘根17的长度。
轴向传压杆16上设置水冷循环腔3，内部有注水腔26和注气腔27。
所述的控制加热系统包括加热套6和温度传感器19，加热套6包裹在耐高温高压外壳4外部，温度传感器19监测围压腔25内的温度。
所述的水循环系统包括水泵1、水入口高压阀门2、水出口高压阀门9和水槽11，水泵1通过水入口高压阀门2与注水腔26相连，水槽11通过水出口高压阀门9与排水腔28相连。水泵1的压力要高于压裂有机岩芯7所受的围压。
二氧化碳循环系统包括二氧化碳气瓶12、第一中间容器13、气进口高压阀门15、气出口高压阀门22以及第二中间容器23，二氧化碳气瓶12与第一中间容器13相连，第一中间容器13通过气进口高压阀门15与注气腔27相连，第二中间容器23通过气出口高压阀门22与排气腔29相连。第一中间容器13底部放置有第一高精密天平14和第二中间容器23底部放置有第二高精密天平24。第一中间容器13的设置压力要至少为7.3MPa，且要满足高于压裂有机岩芯7所受的围压。
绝氧循环系统包括氮气气瓶30、惰性气体进口高压阀门31、惰性气体出口高压阀门34、三通阀32，氮气气瓶30通过惰性气体进口高压阀门31与三通阀32相连，惰性气体出口高压阀门34与油气排采腔33相连。
实施例2
当选择的有机矿层为褐煤，埋深为300m，热解温度为400℃。一种测定原位热解后有机矿层碳封存能力装置使用方法的具体步骤如下：
1、在岩芯套8内放置压裂褐煤，质量为m，体积为V。将其整体置于耐高温高压外壳4内，将紧密缠绕楔形石墨盘根17的底座10置入岩芯套8内，通过耐高温高压螺栓固定耐高温高压外壳4和底座10，将轴向传压杆16压入岩芯套8内，在轴向传压杆16和耐高温高压外壳4间隙内紧密放置楔形石墨盘根17，通过耐高温高压螺栓固定耐高温高压法兰18和耐高温高压外壳4。
2、对压裂褐煤施加7.5MPa的轴压和9MPa围压。轻微开启氮气气瓶30的减压阀门，打开惰性气体进口高压阀门31和惰性气体出口高压阀门34，为压裂褐煤的热解营造绝氧环境，同时将油气产物排采。缓慢升高加热套6的温度到400℃，保温一段时间。
3、关闭惰性气体进口高压阀门31和惰性气体出口高压阀门34，打开水入口高压阀门2和水出口高压阀门9，通过水泵1将水注入到压裂褐煤内，监测温度传感器19的温度变化，当温度降到100℃以下时关闭水入口高压阀门2和水出口高压阀门9，这样热解后褐煤内部的液态水能够充分溶解钙镁离子。
4、打开二氧化碳气瓶12的减压阀门，使二氧化碳气体进入第一中间容器13内，同时第一中间容器13的压力要达到9MPa，关闭二氧化碳气瓶12的减压阀门，开启第一高精密天平14，记录质量m1。
5、打开气进口高压阀门15，使得二氧化碳充分与压裂褐煤发生化学反应，直到第一中间容器13的压力表示数不再变化关闭气进口高压阀门15，记录第一高精密天平14的示数变化m2。
6、开启第二高精密天平24，记录质量m3，打开气出口高压阀门22，观察第二中间容器23的压力，直到压力不再变化记录第二高精密天平24的示数变化m4，则热解后的压裂褐煤可发生化学反应的二氧化碳质量为：（m2-m1）-（m4-m3）。
7、将热解后的压裂褐煤岩芯取出进行显微CT扫描，CT扫描后获得了一系列反应试样内部不同层位密度分布特征的二维灰度图像，将所有层导入到相关后处理软件中，并通过恰当的阈值对这些灰度图像进行阈值分割，获得表征岩体内部孔隙和裂隙分布的二值化图像。而后将获得的所有层二值图像连续堆叠，实现三维孔隙和裂隙结构的重建，由此得到热解后压裂褐煤岩芯的孔隙率Φ，假设常温下液态二氧化碳的密度是ρ，则热解后的压裂褐煤岩芯可封存的液态二氧化碳质量为：V*Φ*ρ。由此测定得到了热解后压裂褐煤岩芯可封存的二氧化碳质量为[（m2-m1）-（m4-m3）]+V*Φ*ρ。根据测试结果可以推算400℃热解温度和300m埋深条件下褐煤可封存二氧化碳的质量。
实例3
当选择的有机矿层为油页岩，埋深为500m，热解温度为550℃。一种测定原位热解后有机矿层碳封存能力装置使用方法的具体步骤如下：
1、在岩芯套8内放置压裂油页岩，质量为m，体积为V。将其整体置于耐高温高压外壳4内，将紧密缠绕楔形石墨盘根17的底座10置入岩芯套8内，通过耐高温高压螺栓固定耐高温高压外壳4和底座10，将轴向传压杆16压入岩芯套8内，在轴向传压杆16和耐高温高压外壳4间隙内紧密放置楔形石墨盘根17，通过耐高温高压螺栓固定耐高温高压法兰18和耐高温高压外壳4。
2、对压裂油页岩施加12.5MPa的轴压和15MPa围压。轻微开启氮气气瓶30的减压阀门，打开惰性气体进口高压阀门31和惰性气体出口高压阀门34，为压裂油页岩的热解营造绝氧环境，同时将油气产物排采。缓慢升高加热套6的温度到550℃，保温一段时间。
3、关闭惰性气体进口高压阀门31和惰性气体出口高压阀门34，打开水入口高压阀门2和水出口高压阀门9，通过水泵1将水注入到压裂油页岩内，监测温度传感器19的温度变化，当温度降到100℃以下时关闭水入口高压阀门2和水出口高压阀门9，这样热解后油页岩内部的液态水能够充分溶解钙镁离子。
4、打开二氧化碳气瓶12的减压阀门，使二氧化碳气体进入第一中间容器13内，同时中间容器的压力要达到15MPa，关闭二氧化碳气瓶12的减压阀门，开启第一高精密天平14，记录质量m1。
5、打开气进口高压阀门15，使得二氧化碳充分与压裂油页岩发生化学反应，直到第一中间容器13的压力表示数不再变化关闭气进口高压阀门15，记录第一高精密天平14的示数变化m2。
6、开启第二高精密天平24，记录质量m3，打开气出口高压阀门22，观察第二中间容器23的压力，直到压力不再变化记录第二高精密天平24的示数变化m4，则热解后的压裂油页岩可发生化学反应的二氧化碳质量为：（m2-m1）-（m4-m3）。
7、将热解后的压裂油页岩岩芯取出进行显微CT扫描，CT扫描后获得了一系列反应试样内部不同层位密度分布特征的二维灰度图像，将所有层导入到相关后处理软件中，并通过恰当的阈值对这些灰度图像进行阈值分割，获得表征岩体内部孔隙和裂隙分布的二值化图像。而后将获得的所有层二值图像连续堆叠，实现三维孔隙和裂隙结构的重建，由此得到热解后压裂油页岩岩芯的孔隙率Φ，假设常温下液态二氧化碳的密度是ρ，则热解后的压裂油页岩岩芯可封存的液态二氧化碳质量为：V*Φ*ρ。由此测定得到了热解后压裂油页岩岩芯可封存的二氧化碳质量为[（m2-m1）-（m4-m3）]+V*Φ*ρ。根据测试结果可以推算550℃热解温度和500m埋深条件下油页岩可封存二氧化碳的质量。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (7)
1.原位热解有机矿层碳封存量测定的方法，其特征在于，使用的测定装置包括耐高温高压岩芯夹持系统、加热系统、水循环系统、二氧化碳循环系统，以及绝氧循环系统；
所述耐高温高压岩芯夹持系统包括耐高温高压外壳（4），所述耐高温高压外壳（4）内密封放置有岩心套（8）；耐高温高压外壳（4）与岩心套（8）之间形成围压腔（25）；耐高温高压外壳（4）上设置有围压介质注入口（5）；岩心套（8）的一端连接有轴向传压杆（16），另一端连接有底座（10）；所述轴向传压杆（16）内设置有注水腔（26）和注气腔（27）；所述底座（10）内设置有排水腔（28）、排气腔（29）和油气排采腔（33）；耐高温高压外壳（4）外层设置有所述的加热系统，所述围压腔（25）内设置有温度传感器（19）；
所述水循环系统包括水泵（1）、水入口高压阀门（2）和水出口高压阀门（9），所述水泵（1）通过水入口高压阀门（2）与注水腔（26）相连，水出口高压阀门（9）与排水腔（28）相连；
所述二氧化碳循环系统包括二氧化碳供气装置、第一中间容器（13）、气进口高压阀门（15）、气出口高压阀门（22）以及第二中间容器（23）；二氧化碳供气装置与第一中间容器（13）相连，第一中间容器（13）通过气进口高压阀门（15）与注气腔（27）相连，第二中间容器（23）通过气出口高压阀门（22）与排气腔（29）相连；所述第一中间容器（13）底部设置有第一称重装置；所述第二中间容器（23）底部设置有第二称重装置；
绝氧循环系统包括惰性气体供气装置，惰性气体供气装置通过三通阀（32）与第一中间容器（13）和注气腔（27）相连接；所述惰性气体供气装置的供气口设置有惰性气体进口高压阀门（31），油气排采腔（33）连接有惰性气体出口高压阀门（34）；
所述测定的方法包括以下步骤：
1）在岩芯套（8）内放置压裂有机岩芯（7），压裂有机岩芯（7）的质量为m，体积为V；根据储层的实际赋存特征对压裂有机岩芯（7）施加轴压和围压，轴压为储层所受的垂直应力；通过绝氧循环系统为压裂有机岩芯（7）的热解营造绝氧环境，并对压裂有机岩芯（7）加热；
2）关闭绝氧循环系统，开启水循环系统，将水注入压裂有机岩芯（7）内，当压裂有机岩芯（7）温度降到100℃以下时关闭水循环系统，使热解后有机岩芯内部的液态水能够充分溶解钙镁离子；
3）开启二氧化碳供气装置，使二氧化碳气体进入第一中间容器（13）内，当第一中间容器（13）的压力达到7.3MPa以上，关闭二氧化碳供气装置，通过第一称重装置称量质量m1；
4）打开气进口高压阀门（15），使得二氧化碳充分与压裂有机岩芯（7）发生化学反应，直到第一中间容器（13）的压力不再变化关闭气进口高压阀门（15），通过第一称重装置称量质量m2；
5）开启第二称重装置，记录质量m3，打开气出口高压阀门（22），观察第二中间容器（23）的压力，直到压力不再变化记录第二称重装置的示数变化m4，则热解后的压裂有机岩芯可发生化学反应的二氧化碳质量为：；
6）获取热解后的压裂有机岩芯内部不同层位密度分布特征的二维灰度图像，并获得二维灰度图像表征岩体内部孔隙和裂隙分布的二值化图像；将获得的所有层二值图像连续堆叠，实现三维孔隙和裂隙结构的重建，由此得到热解后压裂有机岩芯的孔隙率，常温下液态二氧化碳的密度是/>，则热解后的压裂有机岩芯可封存的液态二氧化碳质量为：；热解后压裂有机岩芯可封存的二氧化碳质量为/>。
2.根据权利要求1所述的原位热解有机矿层碳封存量测定的方法，其特征在于，步骤1中围压保持为轴压的1.2倍。
3.根据权利要求1所述的原位热解有机矿层碳封存量测定的方法，其特征在于，步骤6中，将热解后的压裂有机岩芯取出进行显微CT扫描，CT扫描后获得了一系列反应试样内部不同层位密度分布特征的二维灰度图像。
4.根据权利要求1所述的原位热解有机矿层碳封存量测定的方法，其特征在于，耐高温高压外壳（4）内侧填充有楔形石墨盘根（17），耐高温高压外壳（4）与轴向传压杆（16）通过耐高温高压法兰（18）相连接。
5.根据权利要求1所述的原位热解有机矿层碳封存量测定的方法，其特征在于，耐高温高压外壳（4）与底座（10）之间设置有高温密封垫（21）。
6.根据权利要求1所述的原位热解有机矿层碳封存量测定的方法，其特征在于，楔形石墨盘根（17）的长度＞岩芯套（8）的长度＞围压腔（25）的长度。
7.根据权利要求1所述的原位热解有机矿层碳封存量测定的方法，其特征在于，轴向传压杆（16）上设置水冷循环腔（3）。
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