CN115144289A - 一种确定co2地质封存关键工程参数的场地试验装置及方法 - Google Patents

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CN115144289A CN202210280574.3A CN202210280574A CN115144289A CN 115144289 A CN115144289 A CN 115144289A CN 202210280574 A CN202210280574 A CN 202210280574A CN 115144289 A CN115144289 A CN 115144289A
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Abstract

本发明属于CO2地质封存领域，涉及一种确定CO2地质封存关键工程参数的场地试验装置和方法。所述装置包括盐水层模块、CO2注入模块、井网布设模块、盐水抽采模块、初始地层压力模块和三向围压施加模块；设计了一种井位置、井数量、井间距可随机改变的井网布设模块，利用金属圆筒‑滚轮结构相互配合控制金属圆筒在滑道上移动，实现井位置、井间距的随机改变，通过不同数目的金属圆筒与注采管连接改变井数量。利用该装置可以模拟井网布设方式(井位置、井数量、井间距)、CO2注入参数、盐水抽采参数等因素对CO2地质封存效率的影响，通过比较CO2注入量确定CO2地质封存单一工程参数的最佳值及工程参数的最优组合，用以指导CO2实际地质封存的工程参数选择。

Description

一种确定CO2地质封存关键工程参数的场地试验装置及方法
技术领域
本发明属于CO2地质封存领域，涉及一种确定CO2地质封存关键工程参数的场地试验装置及方法。
背景技术
为实现我国政府提出的“双碳”目标，CO2地质封存技术已成为当前研究的热点。该技术将超临界CO2注入地下盐水层，实现CO2在盐水层中的长期封存。现阶段，CO2地质封存核心问题之一在于提高封存效率。CO2封存效率与众多工程参数有关，如井网布设方式(井位置、井数量、井间距)、CO2注入参数、盐水抽采参数等。为此，在CO2实际封存前，通常采用数值软件预估CO2封存效率，确定与实际地质条件匹配的最佳工程参数。在上述工程参数中，井网布设方式需特别关注，主要是井网布设方式一旦设计不合理，将造成包含钻井费用在内的巨大经济损失。然而，由于盐水层表现出的非均质性、各向异性等特征，使得数值软件预测得到的工程参数难以满足实际CO2封存需求。鉴于此，迫切需要研发一套CO2地质封存场地规模试验装置及方法，模拟井网布设方式、CO2注入参数、盐水抽采参数对CO2地质封存效率的影响，确定CO2地质封存的最佳工程参数，提高CO2实际封存效率。
目前，已有学者研发了少数试验装置模拟CO2地质封存，如一种CO2驱油与封存中测量CO2运移规律的装置(CN201921552913.9)、一种试验模拟CO2地质封存可行性的系统(CN202020437898.X)、基于时移全波形反演的CO2封存监测方法和系统(CN202010302751.4)。然而，这些试验装置主要监控CO2在盐水层内的运移，无法讨论井网布设方式、CO2注入参数、盐水抽采参数等工程参数对CO2地质封存效率的影响，难以确定与实际地质封存匹配的最佳工程参数。另外，现有装置主要以室内试验为主，尚未有场地规模的试验系统模拟CO2地质封存。鉴于此，提出一种确定CO2地质封存关键工程参数的场地试验装置及方法，具有重要的科学意义和工程价值。
发明内容
本发明提供了一种确定CO2地质封存关键工程参数的场地试验装置及方法，利用该装置可以模拟井网布设方式(井位置、井数量、井间距)、CO2注入参数、盐水抽采参数对CO2地质封存效率的影响，确定CO2地质封存的最佳工程参数。
为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种确定CO2地质封存关键工程参数的场地试验装置，所述装置包括盐水层模块、CO2注入模块、井网布设模块、盐水抽采模块、初始地层压力模块、三向围压施加模块；
所述盐水层模块主要负责模拟实际地下环境中的盐水储层，由盐水缓冲池、高压水管、定压出水阀、盐水池、盐水层、注采管、高压可控阀门、盖层、CO2传感器、LCB-QA28型流体压力传感器、位移传感器和PLD610型压力传感器构成；
所述CO2注入模块负责实现超临界CO2的注入，CO2注入模块与盖层上设置的一个高压可控阀门相连，CO2注入模块由CO2气罐、气泵、输气管、超临界装置、高压注入管、高压短管构成；
所述井网布设模块负责实现不同井位置、井数量、井间距的随机改变，设置在盐水层模块顶部，由横向滑道、轴向滑道和滑动滚轮模块构成；所述滑动滚轮模块配合井网布设模块完成其功能；
所述盐水抽采模块负责实现从盐水层抽取盐水的功能，由金属圆筒、下固定器、高压短管、上固定器、变量水泵构成；
所述初始地层压力模块负责向盐水层施加初始地层压力，设置于盖层顶部，由液体增压器、高压水管和高压可控阀门构成；
所述三向围压施加模块实现盐水层水平围压和垂向压力的施加，由液压支架、承压钢板、配重块构成。
本发明第二方面提供了一种确定CO2地质封存关键工程参数的场地试验方法，采用上述一种确定CO2地质封存关键工程参数的场地试验装置，其操作步骤是：
步骤1：搭建场地试验系统
开挖试验场地，形成盐水池和盐水缓冲池；建造防透水层，打孔贯通盐水池和盐水缓冲池；在盐水池内加工盐水层，构建盐水层模块；在盐水池盖层顶部表面搭建井网布设模块、初始地层压力模块、CO2注入模块和盐水抽采模块；在盐水缓冲池内搭建水平围压施加装置，在盖层顶部搭建垂向压力施加装置，组成三向围压施加模块；
步骤2：确定井网布设方式
井网布设方式有很多种情况，常用的包括三点井网、五点井网、七点井网、九点井网；依据井网布设方式确定CO2注入井位置和盐水抽采井位置，并控制 CO2注入模块和井网布设模块完成CO2注入井和盐水抽采井的布设；
步骤3：启动各类监测装置
启动CO2传感器、LCB-QA28型流体压力传感器，监测各注采管底部的CO2浓度和流体压力；启动位移传感器和PLD610型压力传感器，监测盐水层的变形、盐水层的水平围压及垂向压力；设置定压出水阀的压力值为初始地层压力(即初始孔隙压力)，确保盐水池边界上的压力为初始地层压力；设置盐水层的临界地层压力，临界地层压力按照最大拉应力准则计算；
步骤4：注入超临界CO2
启动CO2注入模块，将常态CO2输送至超临界装置加工为超临界状态，然后注入到盐水层中，实现CO2注入过程的模拟；
步骤5：打开盐水抽采模块
启动盐水抽采模块，将盐水层内的盐水抽出，然后将抽出的盐水存储到盐水缓冲池中，实现盐水井抽采过程的模拟；
步骤6：记录监测数据
记录CO2传感器和LCB-QA28型流体压力传感器的监测数据，当盐水抽采位置处的CO2浓度不为零或者地层压力达到临界地层压力时停止注入超临界 CO2，记录时间T；
步骤7：开展定量分析试验
(1)确定CO2地质封存单一工程参数最佳值
①保持CO2注入速度和盐水抽采速度不变，改变井网布设方式，重复步骤 1-6，通过对比CO2注入量获取最佳的井网布设方式；
②保持井网布设方式和盐水抽采速度不变，改变CO2注入速度，重复步骤 1-6，通过对比CO2注入量获取CO2注入速度的最佳值；
③保持井网布设方式和CO2注入速度不变，改变盐水抽采速度，重复步骤 1-6，通过对比CO2注入量获取盐水抽采速度的最佳值；
(2)确定CO2地质封存工程参数最优组合
同步改变井网布设方式、CO2注入速度、盐水抽采速度，重复步骤1-6，通过对比CO2注入量获取井网布设方式、CO2注入速度、盐水抽采速度三者之间的最优组合。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明设计了一种CO2地质封存场地试验装置及方法，通过讨论井网布设方式、CO2注入参数、盐水抽采参数等单因素对CO2地质封存效率的影响，确定CO2地质封存单一工程参数的最佳值，提高CO2实际封存效率。
2、本发明设计了一种井位置、井数量、井间距可随机改变的井网布设模块，利用金属圆筒-滚轮结构相互配合控制金属圆筒在滑道上移动，实现井位置、井间距的随机改变，通过不同数目的金属圆筒与注采管连接改变井数量。
3、本发明设计了一种CO2地质封存工程参数组合优化方法，利用井网布设模块设计井网布设方式，利用金属圆筒和变量水泵控制CO2注入参数和盐水抽采参数，以CO2注入量最大为目标确定CO2地质封存工程参数的最优组合。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为盐水池表面的俯视图；
图3为盐水抽采模块示意图；
图4为注采管示意图；
图5为滑动滚轮模块示意图；
图6为试验系统场地示意图；
图7为实施例1井网布设方式示意图；
图8为实施例2井网布设方式示意图；
图中：1、液体增压器；2、金属圆筒；3、横向滑道；4、滑动底盘；5、滚轮结构；51、可伸缩支架；52、滚轮；6、高压注入管；7、超临界装置；8、输气管；9、气泵；10、CO2气罐；11、LCB-QA28型流体压力传感器；12、轴向滑道；13、承压钢板；14、液压支架；15、高压可控阀门；16、位移传感器； 17、注采管；18、CO2传感器；19、盐水层；20、盐水池；21、盖层；22、定压出水阀；23、盐水缓冲池；24、高压水管；25、PLD610型压力传感器；26、上固定器；27、下固定器；28、高压短管；29、变量水泵。
具体实施方式
结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
本实施方式给出一种确定CO2地质封存关键工程参数的场地试验装置，如图1-5所示，该装置主要包括液体增压器1、金属圆筒2、横向滑道3、滑动底盘4、滚轮结构5、可伸缩支架51、滚轮52、高压注入管6、超临界装置7、输气管8、气泵9、CO2气罐10、LCB-QA28型流体压力传感器11、轴向滑道12、承压钢板13、液压支架14、高压可控阀门15、位移传感器16、注采管17、CO2传感器18、盐水层19、盐水池20、盖层21、定压出水阀22、盐水缓冲池23、高压水管24、PLD610型压力传感器25、上固定器26、下固定器27、高压短管 28、变量水泵29。
本发明装置可以模拟井网布设方式(井位置、井数量、井间距)、CO2注入参数、盐水抽采参数对CO2地质封存效率的影响，确定CO2地质封存的最佳工程参数，所述装置包括盐水层模块、CO2注入模块、井网布设模块、盐水抽采模块、初始地层压力模块、三向围压施加模块。
所述盐水层模块主要负责模拟实际地下环境中的盐水储层，由盐水缓冲池 23、高压水管24、定压出水阀22、盐水池20、盐水层19、注采管17、高压可控阀门15、盖层21、CO2传感器18、LCB-QA28型流体压力传感器11、位移传感器16和PLD610型压力传感器25构成，所述盐水池20大小为2.4km×2km ×60m，盐水池20顶部设置有盖层21，盖层21顶面按照12×10排列设置高压可控阀门15；每个高压可控阀门15下连接有注采管17，部分高压可控阀门15上通过高压短管28与金属圆筒2连接，注采管17伸入盐水层内部，模拟CO2注入和盐水抽采功能；盐水池20内部填充满盐水层19，盐水层19由HEMC改性砂浆充填形成；盐水池20四侧通过高压水管24连接盐水缓冲池23，高压水管24和盐水缓冲池23连接处设置有定压出水阀22，确保盐水池20边界上的压力为实际封存地层的初始地层压力。
所述注采管17底部连接有CO2传感器18(In Pro 5000i 12/220)和LCB-QA28 型流体压力传感器11，负责实时监测各注采管17底部的CO2浓度和流体压力，根据各注采管17下端CO2浓度大小确定CO2扩散位置；盐水层19四周壁面上每5m2设置一个位移传感器16和一个PLD610型压力传感器25，分别监测盐水层19的变形和盐水层19的水平围压。
所述CO2注入模块负责将超临界CO2的注入到盐水层19中，CO2注入模块与盖层21上设置的一个高压可控阀门15相连，优选与位于中心的高压可控阀门15相连，CO2注入模块由CO2气罐10、气泵9、输气管8、超临界装置7、高压注入管6和高压短管28构成，通过高压短管28连接高压可控阀门15和高压注入管6，高压注入管6连接超临界装置7，超临界装置7实现常温常压CO2向超临界CO2的转换，高压注入管6将超临界CO2通过注采管17注入盐水层 19中；输气管8串联CO2气罐10、气泵9和超临界装置7，负责向超临界装置 7内注入CO2。
所述井网布设模块负责实现不同井位置、井数量、井间距的随机改变，设置在盐水层模块顶部，由金属圆筒2、横向滑道3、轴向滑道12和滑动滚轮模块构成，根据高压可控阀门15的排列方式设置12个轴向滑道12和10个横向滑道3，轴向滑道12和横向滑道3之间以轨道相交的方式连接；金属圆筒2模拟盐水抽采井，金属圆筒2底部固定滑动底盘4，滑动底盘4依靠滚轮52在轴向滑道12和横向滑道3上移动形成不同的盐水抽采井布设方式；通过选择可伸缩支架51的不同组合，确定滑动底盘4在横向滑道3还是轴向滑道12上移动，实现盐水抽采井的布设。通过上固定器26和下固定器27连接高压短管28和CO2注入模块内的高压注入管6，实现CO2注入井的布设。
所述滑动滚轮模块配合井网布设模块完成其功能，由滑动底盘4、滚轮结构 5构成，滑动底盘4通过滚轮结构5放置于滑道上，滑动底盘4底部设置四个滚轮结构5，按照横向和轴向分为两组，滚轮结构5包括可伸缩支架51和滚轮52，通过可伸缩支架51控制滚轮52收起或放下；工作时，通过横向平行设置的滚轮结构5实现滑动底盘4在横向滑道3内移动，利用可伸缩支架51放下轴向平行设置的滚轮结构5并收起横向平行设置的滚轮结构5，实现滑动底盘4在轴向滑道12内移动。
所述盐水抽采模块负责实现从盐水层19抽取盐水，由金属圆筒2、下固定器27、高压短管28、上固定器26、变量水泵29构成，金属圆筒2底部固定于滑动底盘4上，金属圆筒2底部通过高压短管28与注采管17连通，通过注采管17将盐水层19中的盐水抽出，实现盐水的抽采；金属圆筒2和滑动底盘4 连接处设置有变量水泵29，负责控制盐水的抽采速度；在滑动底盘4和高压可控阀门15之间通过上固定器26和下固定器27固定高压短管28。
所述初始地层压力模块负责向盐水层19施加初始地层压力，设置于盖层21 顶部，由液体增压器1(DKC-D100)、高压水管24和高压可控阀门15构成，高压水管24连接高压可控阀门15和液体增压器1(DKC-D100)，高压可控阀门15 连接注采管17；液体增压器1(DKC-D100)通过高压水管24和注采管17将盐水层19内的低压盐水抽出，增压后再次通过高压水管24和注采管17回注到盐水层19内，直至预设的初始地层压力(即定压出水阀22设定的压力值)。
所述三向围压施加模块实现盐水层19的水平围压和垂向压力施加，由承压钢板13、液压支架14、配重块构成，液压支架14(ZF3200/16.5/25)设置在盐水缓冲池23内，液压支架14的底部固定在盐水缓冲池23的底面，液压支架14的顶部固定在盐水缓冲池23与盐水池20打孔贯通的侧面，通过液压支架14给盐水层19施加水平围压；依靠盖层21上方设置的承压钢板13及承压钢板13上的配重块给盐水层19施加均匀垂向压力；承压钢板13底面每5m2设置一个 PLD610型压力传感器25，监测盐水层19的垂向压力。
本实施方式给出一种确定CO2地质封存关键工程参数的场地试验方法，其操作步骤是：
步骤1：搭建场地试验系统
(1)开挖试验场地。如图6所示，选取2.4km×2km大小的试验场地，向下开挖60m形成一个体积为2.4km×2km×60m的基坑作为盐水池20；在距离盐水池20四周10m位置处建造100m×100m×60m大小的盐水缓冲池23；
(2)建造防透水层。首先，在盐水池20和盐水缓冲池23的壁面上覆盖10cm 的防渗漏水泥(CGM灌砂浆)，形成第一层防透水层；然后，放置2cm厚的不锈钢钢板贴近第一层防渗漏水泥，形成第二层防透水层；最后，贴近第二层防透水层再次覆盖5cm的防渗漏水泥(CGM灌砂浆)，形成第三层防透水层。通过不锈钢钢板和防透水层防止盐水池20内的盐水和CO2在高压条件下向盐水池20 外渗透；
(3)打孔贯通。在盐水池20各个壁面正中位置下方15m(即距地面45m)处打孔贯通盐水缓冲池23，孔道直径100mm，在孔道内部设置高压水管24，高压水管24伸入盐水池20内20cm，在盐水缓冲池23内高压水管24管口处，安装定压出水阀22；在盐水池20、盐水缓冲池23与高压水管24连接处，依据中华人民共和国石油天然气行业标准《固井质量评价方法》(SY/T6592-2004)第10-19 页5.9节“常规密度水泥固井质量评价”内容进行防透水加强处理；
(4)搭建水平围压施加装置。在4个盐水缓冲池23内设置液压支架 14(ZF3200/16.5/25)，液压支架14的底部固定在盐水缓冲池23的底面，液压支架14的顶部固定在盐水缓冲池23的侧面(该侧面指与盐水池20打孔贯通的那一侧面)，液压支架14间隔10m分布设置；
(5)加工盐水层19。在盐水池20内部用HEMC改性水泥砂浆充填形成一个高度为55m的盐水层19(HEMC改性水泥砂浆中的泥砂质量比为3∶7，其中砂为40～70目和70～100目的石英砂按1∶2的质量比例均匀混合而成，另外在水泥砂浆中掺入纤维素醚增大孔隙直径，纤维素醚质量为水泥质量的0.3％)，盐水层19的孔隙体积计算见式(1)：
Figure BDA0003557689110000101
式中，Vα为孔隙体积，Vy为盐水层体积，m1为石英砂质量，ρ1为石英砂密度，m2为水泥质量，ρ2为水泥密度；
在盐水层19中，按照间隔0.2km、10行×12列的方式设置120根注采管 17，注采管17长55.02m、直径108mm，注采管17伸入盐水层19中50m(即高于盐水层19顶面5.02m)，注采管17底端设置CO2传感器18(In Pro 5000i 12/220) 和LCB-QA28型流体压力传感器11；盐水层19四周壁面上每5m2设置一个位移传感器16和一个PLD610型压力传感器25；注采管17与盐水层19的交接处按照中华人民共和国石油天然气行业标准《固井质量评价方法》(SY/T6592-2004) 第10-19页5.9节“常规密度水泥固井质量评价”内容进行密封处理，防止封存在盐水层19的CO2沿注采管17泄漏；
(6)加工盖层21。在盐水池20顶部设置5m厚的盖层21，盖层21由普通水泥和防渗漏水泥交替设置共十层，每层普通水泥厚0.5m，每层防渗漏水泥厚 0.5m；加工后的盖层21包含有间隔0.2km、10行×12列的120个直径108mm 的注采管17，每根注采管17在盖层21顶面的管口位置处设置一个高压可控阀门15；通过注采管17向盐水层19内注入盐水，盐水注入体积占孔隙体积Vα(见式1)的40％，盐水为6％的NaCl溶液；在加工好的盖层21顶部固定2cm厚的承压钢板13，所用承压钢板13需在高压可控阀门15位置处预留直径108mm的孔径；
(7)搭建滑道。在高压可控阀门15上部连接高压短管28，实现高压短管28 和注采管17连接；横向滑道3和轴向滑道12搭建在承压钢板13上，横向滑道 3和轴向滑道12中部镂空，根据高压可控阀门15的分布方式设置10个横向滑道3和12个轴向滑道12，横向滑道3和轴向滑道12以轨道相交的方式连接，使每一行、列的高压短管28均位于滑道的镂空位置处；参考车轨-车厢滑动方式，在横向滑道3和轴向滑道12上安装若干个金属圆筒2和滑动底盘4的组合体，滑动底盘4上的滚轮52可在滑道内滑动，实现滑动底盘4在滑道上的滑动；
(8)搭建垂向压力施加装置。在横向滑道3和轴向滑道12所占空间以外的承压钢板13上设置配重块，配重块将重力传递给承压钢板13，承压钢板13将压力均匀化后传递给盐水层19，实现盐水层19的垂向压力施加；承压钢板13 底面每5m2设置一个PLD610型压力传感器25，监测盐水层19的垂向压力；
(9)连接管道。输气管8连接CO2气罐10、气泵9和超临界装置7，高压注入管6连接超临界装置7和高压短管28；
步骤2：确定井网布设方式
(1)CO2注入井的布设。试验开始前首先确定井网布设方式，依据井网布设方式确定CO2注入井的位置，然后在该位置上通过上固定器26和下固定器27 连接高压短管28和高压注入管6，实现CO2注入井的布设。
(2)盐水抽采井的布设。控制滑动底盘4下部的可伸缩支架51选择合适的滑道，然后通过滑动底盘4将各个金属圆筒2移动到盐水抽采井的位置，最后在该位置上通过上固定器26、下固定器27和高压短管28固定连接金属圆筒2 和注采管17，实现盐水抽采井的布设。
步骤3：启动各类监测装置
启动CO2传感器18(In Pro 5000i 12/220)、LCB-QA28型流体压力传感器11，监测各注采管底部的CO2浓度和流体压力；启动位移传感器16和PLD610型压力传感器25，监测盐水层19的变形、盐水层19的水平围压及垂向压力；设置定压出水阀22的压力值为初始地层压力(即初始孔隙压力)，确保盐水池20边界上的压力为初始地层压力；设置盐水层19的临界地层压力，临界地层压力按照最大拉应力准则计算，见下式(2)：
Figure BDA0003557689110000121
式中，σh和σH为最小和最大主应力，通过步骤1中施加的水平围压获得， MPa；Pp为地层压力，等于定压出水阀22的压力值，MPa；σt为岩石抗拉强度，通过开展水泥砂浆的巴西劈裂试验获得抗拉强度，MPa；α为比奥特系数，一般为0.85；n为安全系数，可结合工程经验设定；
步骤4：注入超临界CO2
打开高压注入管6与注采管17连接处的高压可控阀门15；打开气泵9将气罐14中的CO2通过输气管8输送至超临界装置7，超临界装置7将CO2加工为超临界状态，然后通过高压注入管6、注采管17注入盐水层19中。
步骤5：打开盐水抽采模块
打开金属圆筒2与注采管17连接处的高压可控阀门15；同时打开变量水泵 29，利用变量水泵29以固定速度通过注采管17将盐水从盐水层19中抽出，模拟盐水井抽采过程；抽出的盐水存储到盐水缓冲池23中。
步骤6：记录监测数据
记录CO2传感器18和LCB-QA28型流体压力传感器11的监测数据，当盐水抽采位置处的CO2浓度不为零或者地层压力达到临界地层压力时停止注入超临界CO2，记录时间T。
步骤7：开展定量分析试验
(1)确定CO2地质封存单一工程参数最佳值
①保持CO2注入速度和盐水抽采速度不变，改变井网布设方式，重复步骤 1-6，通过对比CO2注入量获取最佳的井网布设方式；
②保持井网布设方式和盐水抽采速度不变，改变CO2注入速度，重复步骤 1-6，通过对比CO2注入量获取CO2注入速度的最佳值；
③保持井网布设方式和CO2注入速度不变，改变盐水抽采速度，重复步骤 1-6，通过对比CO2注入量获取盐水抽采速度的最佳值；
(2)确定CO2地质封存工程参数最优组合
同步改变井网布设方式、CO2注入速度、盐水抽采速度，重复步骤1-6，通过对比CO2注入量获取井网布设方式、CO2注入速度、盐水抽采速度三者之间的最优组合。
CO2注入量见下式：
Q＝qT (3)
式中，Q为CO2注入量；q为CO2注入速度；T为CO2注入时间。
井网布设方式有很多种情况，常用的包括三点井网、五点井网、七点井网、九点井网。以下通过实施例1和2分别给出五点井网和九点井网的布设方式。
实施例1：
五点井网布设方式的实施例，如图7所示，1号井为CO2注入井、2-5号井为盐水抽采井，根据步骤2-3调节可伸缩支架51，收起或放下轴向平行设置和横向平行设置的滚轮52，控制金属圆筒2选择合适的滑道，然后移动4个金属圆筒2到2、3、4、5号盐水抽采井位置，完成抽采井布设；在1号井位置处，通过高压短管28和高压注入管6连接高压可控阀门15，完成CO2注入井布设；设置定压出水阀22的压力为10MPa、地层临界压力为28.5MPa；根据步骤4-5设定初始CO2注入速度和盐水抽采速度；根据步骤6记录CO2注入时间T；根据步骤7中的(2)开展确定CO2地质封存工程参数最优组合的试验，然后根据(2) 的试验要求同步改变五点井网布设间距、盐水抽采速度和CO2注入速度重复试验，计算每次试验的CO2注入量，对比并选择CO2注入量最大时的五点井网布设间距、盐水抽采速度和CO2注入速度作为五点井网布设条件下的工程参数最优组合。
实施例2：
九点井网布设方式的实施例，如图8所示，1号井为CO2注入井、2-9号井为抽采井，根据步骤2-3调节可伸缩支架51，收起或放下轴向平行设置和横向平行设置的滚轮52，控制金属圆筒2选择合适的滑道，然后移动8个金属圆筒 2到2、3、4、5、6、7、8、9号盐水抽采井位置，完成抽采井布设；在1号井位置处，通过高压短管28和高压注入管6连接高压可控阀门15，完成CO2注入井布设；设置定压出水阀的压力为10MPa、地层临界压力为28.5MPa；根据步骤4-5设定初始CO2注入速度，盐水抽采速度设为1kg/s；根据步骤6记录CO2注入时间T；根据步骤7中的(1)开展确定CO2地质封存单一工程参数最佳值的试验，然后根据(1)中的第②条试验要求保持盐水抽采速度不变、改变CO2注入速度重复试验，计算每次试验的CO2注入量，对比并选择CO2注入量最大时的 CO2注入速度作为九点井网布设且盐水抽采速度1kg/s条件下的单一工程参数最佳值。

Claims (10)

1.一种确定CO2地质封存关键工程参数的场地试验装置，其特征在于，所述装置包括盐水层模块、CO2注入模块、井网布设模块、盐水抽采模块、初始地层压力模块和三向围压施加模块；
所述盐水层模块主要负责模拟实际地下环境中的盐水储层，由盐水缓冲池、高压水管、定压出水阀、盐水池、盐水层、注采管、高压可控阀门、盖层、CO2传感器、LCB-QA28型流体压力传感器、位移传感器和PLD610型压力传感器构成；
所述CO2注入模块负责实现超临界CO2的注入，CO2注入模块与盖层上设置的一个高压可控阀门相连，CO2注入模块由CO2气罐、气泵、输气管、超临界装置、高压注入管、高压短管构成；
所述井网布设模块负责实现不同井位置、井数量、井间距的随机改变，设置在盐水层模块顶部，由横向滑道、轴向滑道和滑动滚轮模块构成；所述滑动滚轮模块配合井网布设模块完成其功能；
所述盐水抽采模块负责实现从盐水层抽取盐水的功能，由金属圆筒、下固定器、高压短管、上固定器、变量水泵构成；
所述初始地层压力模块负责向盐水层施加初始地层压力，设置于盖层顶部，由液体增压器、高压水管和高压可控阀门构成；
所述三向围压施加模块实现盐水层水平围压和垂向压力的施加，由液压支架、承压钢板、配重块构成。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述盐水层模块中，盐水池顶部设置有盖层，盖层顶面至少按照12×10排列设置高压可控阀门；每个高压可控阀门下连接有注采管，部分高压可控阀门上通过高压短管与金属圆筒连接，注采管伸入盐水层内部，模拟CO2注入和盐水抽采功能；盐水池内部填充满盐水层，盐水池四侧通过高压水管连接盐水缓冲池，高压水管和盐水缓冲池连接处设置有定压出水阀，确保盐水池边界上的压力为实际封存地层的初始地层压力。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述盐水池大小为2.4km×2km×60m，在距离盐水池四周10m位置处建造100m×100m×60m大小的盐水缓冲池；在盐水池各个壁面正中位置下方15m处打孔贯通盐水缓冲池，孔道直径100mm，在孔道内部设置高压水管，高压水管伸入盐水池内20cm；注采管长55.02m、直径108mm，注采管伸入盐水层中50m；盖层由普通水泥和防渗漏水泥交替设置共十层，每层普通水泥厚0.5m，每层防渗漏水泥厚0.5m；盐水层由HEMC改性水泥砂浆充填形成，高度为55m；
优选的，HEMC改性水泥砂浆中的泥砂比为3∶7，其中砂为40～70目和70～100目的石英砂按1∶2的比例均匀混合而成，另外在水泥砂浆中掺入纤维素醚增大孔隙直径，纤维素醚质量为水泥质量的0.3％。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述注采管底部连接有CO2传感器和LCB-QA28型流体压力传感器，负责实时监测各注采管底部的CO2浓度和流体压力，根据各注采管下端CO2浓度大小确定CO2扩散位置；盐水层四周壁面上每5m2设置一个位移传感器和一个PLD610型压力传感器，分别监测盐水层的变形和盐水层的水平围压；承压钢板底面每5m2设置一个PLD610型压力传感器，监测盐水层的垂向压力。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述CO2注入模块中，通过高压短管连接高压可控阀门和高压注入管，高压注入管连接超临界装置，超临界装置实现常温常压CO2向超临界CO2的转换，高压注入管将超临界CO2通过注采管注入盐水层中；输气管串联CO2气罐、气泵和超临界装置，负责向超临界装置内注入CO2；
优选的，所述CO2注入模块与盖层上位于中心的高压可控阀门相连。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述井网布设模块中，根据高压可控阀门的排列方式相应的设置轴向滑道和横向滑道，轴向滑道和横向滑道之间以轨道相交的方式连接；金属圆筒模拟盐水抽采井，金属圆筒底部固定滑动底盘，滑动底盘依靠滚轮在轴向滑道和横向滑道上移动形成不同的盐水抽采井布设方式；通过上固定器和下固定器连接高压短管和CO2注入模块内的高压注入管，实现CO2注入井的布设；
所述滑动滚轮模块由滑动底盘和滚轮结构构成，滑动底盘通过滚轮结构放置于滑道上，滑动底盘底部设置四个滚轮结构，按照横向和轴向分为两组，滚轮结构包括滚轮和可伸缩支架，通过可伸缩支架控制滚轮收起或放下。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述盐水抽采模块中，金属圆筒底部通过高压短管与注采管连通，通过注采管将盐水层中的盐水抽出，实现盐水的抽采；金属圆筒和滑动底盘连接处设置有变量水泵，负责控制盐水的抽采速度；在滑动底盘和高压可控阀门之间通过上固定器和下固定器固定高压短管。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述初始地层压力模块中，高压水管连接高压可控阀门和液体增压器，高压可控阀门连接注采管；液体增压器通过高压水管和注采管将盐水层内的低压盐水抽出，增压后再次通过高压水管和注采管回注到盐水层内，直至预设的初始地层压力，即定压出水阀设定的压力值；
所述三向围压施加模块中，液压支架设置在盐水缓冲池内，液压支架的底部固定在盐水缓冲池的底面，液压支架的顶部固定在盐水缓冲池与盐水池打孔贯通的侧面，通过液压支架给盐水层施加水平围压；依靠盖层上方设置的承压钢板及承压钢板上的配重块给盐水层施加均匀垂向压力。
9.一种确定CO2地质封存关键工程参数的场地试验方法，采用权利要求1-8任一所述的一种确定CO2地质封存关键工程参数的场地试验装置，其特征在于，具体操作步骤包括：
步骤1：搭建场地试验系统
开挖试验场地，形成盐水池和盐水缓冲池；建造防透水层，打孔贯通盐水池和盐水缓冲池；在盐水池内加工盐水层，构建盐水层模块；在盐水池盖层顶部表面搭建井网布设模块、初始地层压力模块、CO2注入模块和盐水抽采模块；在盐水缓冲池内搭建水平围压施加装置，盖层顶部搭建垂向压力施加装置，组成三向围压施加模块；
步骤2：确定井网布设方式
依据井网布设方式确定CO2注入井位置和盐水抽采井位置，并控制CO2注入模块和井网布设模块实现CO2注入井位置和盐水抽采井的布设；
步骤3：启动各类监测装置
启动注采管底部的CO2传感器、LCB-QA28型流体压力传感器，监测各注采管底部的CO2浓度和流体压力；启动位移传感器和PLD610型压力传感器，分别监测盐水层的变形、盐水层的水平围压及垂向压力；设置定压出水阀的压力值为初始地层压力，即初始孔隙压力，确保盐水池边界上的压力为初始地层压力；设置盐水层的临界地层压力，临界地层压力按照最大拉应力准则计算，见下式：
Figure FDA0003557689100000041
式中，σh和σH为最小和最大主应力，通过步骤1中施加的水平围压获得，MPa；Pp为地层压力，等于定压出水阀的压力值，MPa；σt为岩石抗拉强度，通过开展水泥砂浆的巴西劈裂试验获得抗拉强度，MPa；α为比奥特系数，一般为0.85；n为安全系数，可结合工程经验设定；
步骤4：注入超临界CO2
启动CO2注入模块，将常态CO2输送至超临界装置加工为超临界状态，然后注入到盐水层中，实现CO2注入过程的模拟；
步骤5：打开盐水抽采模块
启动盐水抽采模块，将盐水层内的盐水抽出，然后将抽出的盐水存储到盐水缓冲池中，实现盐水井抽采过程的模拟；
步骤6：记录监测数据
记录CO2传感器和LCB-QA28型流体压力传感器的监测数据，当盐水抽采位置处的CO2浓度不为零或者地层压力达到临界地层压力时停止注入超临界CO2，记录时间T；
步骤7：开展定量分析试验
(1)确定CO2地质封存单一工程参数最佳值
①保持CO2注入速度和盐水抽采速度不变，改变井网布设方式，重复步骤1-6，通过对比CO2注入量获取最佳的井网布设方式；
②保持井网布设方式和盐水抽采速度不变，改变CO2注入速度，重复步骤1-6，通过对比CO2注入量获取CO2注入速度的最佳值；
③保持井网布设方式和CO2注入速度不变，改变盐水抽采速度，重复步骤1-6，通过对比CO2注入量获取盐水抽采速度的最佳值；
(2)确定CO2地质封存工程参数最优组合
同步改变井网布设方式、CO2注入速度、盐水抽采速度，重复步骤1-6，通过对比CO2注入量获取井网布设方式、CO2注入速度、盐水抽采速度三者之间的最优组合；
CO2注入量见下式：
Q＝qT
式中，Q为CO2注入量；q为CO2注入速度；T为CO2注入时间。
10.根据权利要求9所述的一种确定CO2地质封存关键工程参数的场地试验方法，其特征在于，通过注采管向盐水层内注入盐水，盐水注入体积占盐水层孔隙体积的40％，盐水为6％质量浓度的NaCl溶液；
盐水层的孔隙体积计算见下式：
Figure FDA0003557689100000061
式中，Vα为孔隙体积，Vy为盐水层体积，m1为石英砂质量，ρ1为石英砂密度，m2为水泥质量，ρ2为水泥密度。
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CN116220808A (zh) * 2023-03-02 2023-06-06 中国矿业大学 一种低渗油藏co2地质封存单井注入参数优选方法

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