CN115655909A - 一种co2注入过程中相变地层响应的模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种CO₂注入过程中相变地层响应的模拟装置及方法，其中模拟装置包括放置容器以及用于套在岩石试样外的密封套，放置容器内设有腔体，腔体内设有流经有油的空心盘旋弯管，空心盘旋弯管的进出口端分别通过进油管和出油管连通有温度调节组件，温度调节组件均电连接控制器；腔体连通有超临界CO₂注入系统，超临界CO₂注入系统的注入端延伸至岩石试样的预留竖直孔中；腔体还连通有围压加载系统，围压加载系统电连接控制器；放置容器的上端开口处可拆卸连接有用于压紧岩石试样的上盖；腔体内还设有电连接控制器的声发射探头。本发明能够模拟真实CO₂相变过程地层响应的情况，并实现控制任意途径的CO₂相变过程；确定超临界CO₂封存的最优封存参数。

Description

一种CO2注入过程中相变地层响应的模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及CO₂地质封存岩土工程技术领域，特别涉及一种CO₂注入过程中相变地层响应的模拟装置及方法。

背景技术

CO₂地质封存过程中，是将超临界CO₂通过CO₂注入井注入咸水层中进行封存，这种方法已被广泛应用于世界各地的CO₂咸水层封存。但是目前CO₂咸水层封存基本没有经济效益，而且CO₂咸水层封存实施费用巨大，除非补贴或相关减免政策，否则企业不会快速推荐。随着油气开采的不断进行，早期油气开采井已经临近枯竭，而这些枯竭的油气井可以作为CO₂的注入井来封存 CO₂。通过有关现场实测资料，这些枯竭油气井的井底压力相比于未开采油气前的地层压力降低30％至90％，这些降低程度依赖于地层特性。因此在超临界CO₂注入这些枯竭油气藏的封存过程中，由于枯竭油气藏的井底压力较低，超临界 CO₂在压力降低时候会急剧相变，超临界状态相变到液态或者气态，瞬间体积增大，产生较大压力，对注入CO₂井的稳定性和周围岩层产生影响，岩层的响应程度决定了注入的策略选择。目前基于CO₂注入过程中相变对地层的损伤影响多基于数值模拟，但是缺少模拟真实CO₂相变过程地层响应的实验装置，本发明正是基于这一背景来进行CO₂注入过程中相变地层的响应研究，来优化最优注入策略。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题之一，为此，本发明提出一种CO₂注入过程中相变地层响应的模拟装置，该装置能够模拟真实CO₂相变过程地层响应的情况，并可实现控制任意途径的CO₂相变过程；得到CO₂不同相变过程地层响应的情况，确定超临界CO₂封存的最优封存参数，为将超临界CO₂注入油气井进行封存提供数据支撑。

本发明还提出一种应用上述装置进行模拟实验的方法。

根据本发明的第一方面实施例的一种CO₂注入过程中相变地层响应的模拟装置，包括放置容器以及用于套在岩石试样外的密封套，所述放置容器内设置有用于放置岩石试样的腔体，所述腔体内设置有用于环绕在岩石试样外侧的空心盘旋弯管，所述空心盘旋弯管内流经有油，所述空心盘旋弯管的进出口端分别通过进油管和出油管连通有用于升降温的温度调节组件，所述进油管上设置有进口温度传感器，所述进口温度传感器电连接有控制器，所述出油管上设置有出口温度传感器，所述出口温度传感器和所述温度调节组件均电连接所述控制器；所述腔体连通有超临界CO₂注入系统，所述超临界CO₂注入系统的注入端延伸至岩石试样的预留竖直孔中；所述腔体还连通有围压加载系统，所述围压加载系统电连接所述控制器；所述放置容器的上端开口处可拆卸连接有用于压紧岩石试样的上盖；所述腔体内还设置有电连接所述控制器的声发射探头。

根据本发明实施例的一种CO₂注入过程中相变地层响应的模拟装置，至少具有如下技术效果：1、通过采用带有预留竖直孔的岩石作为试样，在进行模拟实验的过程中，预留竖直孔相当于油气井，启动超临界CO₂注入系统通过预留竖直孔注入岩石试样中，更加真实的还原实际工程中超临界CO₂通过油气井注入地下岩层进行封存，更加真实的再现CO₂注入油气井处相变过程地层响应的情况，确保实验的精度。2、通过设置有与腔体连通的围压加载系统和在岩石试样外侧环绕有空心盘旋弯管，并且空心盘旋弯管循环连通有温度调节组件，在进行实验前，通过围压加载系统向腔体内加载液压油至岩石试样的承受的围压达到设定值，随后再通过温度调节组件将空心盘旋弯管内的油抽出进行加热再循环回送到空心盘旋弯管与岩石试样进行热交换，使得岩石试样的内部温度达到设定值；在进行实验的工程中，通过超临界CO₂注入系统向预留竖直孔注入设定量的超临界CO₂后，根据所需模拟的CO₂相变情况，可以选择任意路径的 CO₂相变过程(既可以选择保持腔体围压不变，通过温度调节组件对岩石试样进行降温的方式或选择保持岩石试样温度不变，通过围压加载系统降低腔体围压的方式或同时进行降温降压的方式)，得到CO₂不同相变过程地层响应的情况，确定超临界CO₂封存的最优封存参数，为将超临界CO₂注入油气井进行封存提供数据支撑。3、在实验的过程中，还能通过控制器控制温度调节组件的降温速度或调节围压加载系统的降压速度，从而可以控制任意途径的CO₂相变速率，进而模拟CO₂注入油气井近端和远端相变过程地层响应的情况。4、在进行实验的过程中，可以在岩石试样的上下两端分别设置一对声发射探头以及在岩石试样的外侧壁沿周向布置有四对声发射探头；从而可以在CO₂注入油气井处相变过程实时监测声发射探头的数据，可以得到压缩波(P波)和剪切波(S波)的波速信息，这些波速用来计算岩石动弹性常数，如泊松比、杨氏模量(E)、体积模量(K)和剪切模量(G)，能连续、实时地监测相变过程中载荷作用下岩石材料内部微裂纹的产生和扩展，并实现对其破坏位置的定位。5、通过在岩石试样外套接有密封套，密封套将岩石试样紧紧套住密封，防止其与腔体液体发生相互连通。

根据本发明的一些实施例，所述超临界CO₂注入系统包括有超临界CO₂存储罐，所述超临界CO₂存储罐的出口通过注入泵连通有注入管，所述注入管背离所述注入泵的一端延伸至岩石试样的预留竖直孔中；所述注入管上背离所述注入泵的一侧依次设置有第一阀门、背压阀和第一压力传感器；所述第一压力传感器背离所述背压阀的一侧依次设置有第二阀门和第二压力传感器，所述第一压力传感器与所述第二压力传感器均用于监测岩石试样的预留竖直孔中的 CO₂压力。

根据本发明的一些实施例，所述背压阀朝向所述第一压力传感器的一端依次设置有缓冲容器和第三阀门。

根据本发明的一些实施例，所述第三阀门背离所述缓冲容器的一端依次设置有第三压力传感器、预加热器和第四阀门。

根据本发明的一些实施例，所述围压加载系统包括有电连接所述控制器的围压加载泵，所述围压加载泵的出口端通过第一管连通所述腔体，所述第一管上设置有油压输送阀门。

根据本发明的一些实施例，所述腔体的内底壁中间设置有用于承载岩石试样的底座，所述底座内沿竖向贯穿有第一通孔，所述第一通孔连通有孔隙压力加载系统，所述孔隙压力加载系统包括有间隙压力加载泵，所述间隙压力加载泵的出口端通过第二管连通所述第一通孔，所述第二管上沿背离所述间隙压力加载泵的方向依次设置有水压开关阀门和间隙水压力传感器。

根据本发明的一些实施例，所述温度调节组件包括有加热罐和冷却罐，所述加热罐内设置有加热电阻，所述加热电阻电连接所述控制器，所述加热罐的出口设置有电连接所述控制器的第一输送泵；所述冷却罐内设置有冷却弯管以及吹向所述冷却弯管的冷却风机，所述冷却风机电连接所述控制器，所述冷却罐的出口设置有电连接所述控制器的第二输送泵。

根据本发明的一些实施例，所述上盖上沿上下方向贯穿有第二通孔，所述第二通孔内插接有用于监测所述腔体内温度的第三温度监测传感器，所述第三温度监测传感器电连接所述控制器。

根据本发明的一些实施例，所述放置容器的左右两侧对称设置有螺杆，所述上盖上对应所述螺杆的位置设置有第三通孔，安装时，所述螺杆上螺纹连接有紧固螺母，所述紧固螺母压紧所述上盖。

根据本发明第二方面实施例提供一种应用上述任一实施例的装置进行模拟实验的方法，包括以下步骤：步骤A：制作岩石试样，实验前根据所要模拟的地层含水量、饱和度选取岩石种类，将确定种类的岩石加工成所需的尺寸，并且在岩石的上端中部开设有预留竖直孔得到岩石试样；

步骤B：实验前将岩石试样进行CT扫描，获取岩石试样内部结构图像；

步骤C：将所述密封套套在岩石试样外，随后将岩石试样穿过所述空心盘旋弯管放入到所述放置容器的所述腔体内；

步骤D：装置组装，将所述声发射探头与岩石试样连接，随后将所述上盖连接在所述放置容器的上端，对岩石试样进行固定的同时将所述腔体进行密封；将所述超临界CO₂注入系统的注入端与所述腔体连通并延伸至岩石试样的预留竖直孔中；测试实验装置的气密性；

步骤E：根据所模拟地层压力，通过所述围压加载系统开始对腔体的内部进行加载至岩石试样的承受的围压达到设定值；根据所模拟地层温度，通过所述温度调节组件对油进行加热并输送到所述空心盘旋弯管内与岩石试样进行热交换，使得岩石试样的内部温度达到设定值；通过超临界CO₂注入系统向岩石试样的预留竖直孔注入超临界CO₂至预留竖直孔内的压力与岩石试样的承受的围压相等；

步骤F：开始模拟CO₂相变过程，根据所需模拟的CO₂相变情况，设定相变路径，监测相变过程岩石试样的预留竖直孔内压力变化以及通过所述声发射探头监测岩石试样在受力变形破裂过程中发射出的压缩波(P波)和剪切波(S 波)的波速信息；

步骤G：实验分析，反应结束后将装置逐渐降温至常温，取出岩石试样进行CT扫描，观察相变对岩石结构的影响，并与所述步骤B中得到的岩石试样内部结构图像进行比较，定量评价相变过程中地层的响应特征。

根据本发明实施例的一种模拟实验的方法，至少具有如下技术效果：1、通过采用带有预留竖直孔的岩石作为试样，在进行模拟实验的过程中，预留竖直孔相当于油气井，启动超临界CO₂注入系统通过预留竖直孔注入岩石试样中，更加真实的还原实际工程中超临界CO₂通过油气井注入地下岩层进行封存，更加真实的再现CO₂注入油气井处相变过程地层响应的情况，以便选择最优注入策略。2、在进行实验的工程中，通过超临界CO₂注入系统向预留竖直孔注入设定量的超临界CO₂后，根据所需模拟的CO₂相变情况，可以选择任意路径的CO₂相变过程，得到CO₂不同相变过程地层响应的情况，确定超临界CO₂封存的最优封存策略，为将超临界CO₂注入油气井进行封存提供数据支撑。3、在实验的过程中，还能通过控制器控制温度调节组件的降温速度或调节围压加载系统的降压速度，从而可以控制任意途径的CO₂相变速率，进而模拟CO₂注入油气井近端和远端相变过程地层响应的情况。4、在进行实验的过程中，可以在CO₂注入油气井处相变过程实时监测声发射探头的数据，可以得到压缩波(P波)和剪切波(S波)的波速信息，这些波速用来计算岩石动弹性常数，如泊松比、杨氏模量(E)、体积模量(K)和剪切模量(G)，能连续、实时地监测相变过程中载荷作用下岩石材料内部微裂纹的产生和扩展，并实现对其破坏位置的定位。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例中温度调节组件的结构示意图；

图3为CO₂相态变化示意图。

附图标记：

100放置容器、110密封套、120腔体、130上盖、140声发射探头、150底座、160螺杆、170紧固螺母；

210空心盘旋弯管、220进油管、221进口温度传感器、230出油管、231出口温度传感器、240温度调节组件、241加热罐、242冷却罐、243第一输送泵、 244第二输送泵、250第三温度监测传感器；

300岩石试样、310预留竖直孔；

410注入泵、420注入管、430第一阀门、440背压阀、450第一压力传感器、 461第二阀门、462第二压力传感器、471缓冲容器、472第三阀门、481第三压力传感器、482预加热器、483第四阀门；

510围压加载泵、520第一管、530油压输送阀；

610间隙压力加载泵、620第二管、630水压开关阀门、640间隙水压力传感器。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果有描述到“第一”、“第二”等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参见图1所示，根据本发明第一方面实施例提供的一种CO₂注入过程中相变地层响应的模拟装置，包括放置容器100以及用于套在岩石试样300外的密封套110，所述放置容器100内设置有用于放置岩石试样300的腔体120，所述腔体120内设置有用于环绕在岩石试样300外侧的空心盘旋弯管210，所述空心盘旋弯管210内流经有油，所述空心盘旋弯管210的进出口端分别通过进油管 220和出油管230连通有用于升降温的温度调节组件240，所述温度调节组件240 电连接有控制器，所述进油管220上设置有进口温度传感器221，所述出油管230 上设置有出口温度传感器231，所述出口温度传感器231和所述进口温度传感器 221均电连接所述控制器；所述腔体120连通有超临界CO₂注入系统，所述超临界CO₂注入系统的注入端延伸至岩石试样300的预留竖直孔310中；所述腔体 120还连通有围压加载系统，所述围压加载系统电连接所述控制器；所述放置容器100的上端开口处可拆卸连接有用于压紧岩石试样300的上盖130；所述腔体 120内还设置有电连接所述控制器的声发射探头140。可以理解的是，控制器内设置有数据采集系统，具体的将控制器选取为电脑。

与现有技术相比，本发明实施例首先通过采用带有预留竖直孔310的岩石作为试样，在进行模拟实验的过程中，预留竖直孔310起到模拟油气井的作用，启动超临界CO₂注入系统通过预留竖直孔310注入岩石试样300中，更加真实的还原实际工程中超临界CO₂通过油气井注入地下岩层进行封存的情况，更加真实的再现CO₂注入油气井处相变过程地层响应的情况，确保实验的精度，以便选择最优注入策略。其次通过设置有与腔体120连通的围压加载系统和在岩石试样300外侧环绕有空心盘旋弯管210，并且空心盘旋弯管210循环连通有温度调节组件240，在进行实验前，通过围压加载系统向腔体120内加载液压油至岩石试样300的承受的围压达到设定值，随后再通过温度调节组件240将空心盘旋弯管210内的油抽出进行加热再循环回送到空心盘旋弯管210与岩石试样 300进行热交换，使得岩石试样300的内部温度达到设定值；在进行实验的工程中，通过超临界CO₂注入系统向预留竖直孔310注入设定量的超临界CO₂后，根据所需模拟的CO₂相变情况，如图3所示，可以选择任意路径的CO₂相变过程(既可以选择保持腔体120围压不变，通过温度调节组件240对岩石试样300 进行降温的方式或选择保持岩石试样300温度不变，通过围压加载系统降低腔体120围压的方式或同时进行降温降压的方式)，得到CO₂不同相变过程地层响应的情况，确定超临界CO₂封存的最优封存参数，为将超临界CO₂注入油气井进行封存提供数据支撑。再者在实验的过程中，还能通过控制器控制温度调节组件240的降温速度或调节围压加载系统的降压速度，从而可以控制任意途径的CO₂相变速率，进而模拟CO₂注入油气井近端和远端相变过程地层响应的情况。同时在进行实验的过程中，可以在岩石试样300的上下两端分别设置一对声发射探头140以及在岩石试样300的外侧壁沿周向布置有四对声发射探头 140；从而可以在CO₂注入油气井处相变过程实时监测声发射探头140的数据，可以得到压缩波(P波)和剪切波(S波)的波速信息，这些波速用来计算岩石动弹性常数，如泊松比、杨氏模量(E)、体积模量(K)和剪切模量(G)，能连续、实时地监测CO₂相变过程中载荷作用下岩石材料内部微裂纹的产生和扩展，并实现对其破坏位置的定位。通过在岩石试样300外套接有密封套110，密封套110将岩石试样300紧紧套住密封，防止其与腔体120液体发生相互连通。还通过在进油管220上设置有进口温度传感器221以及在出油管230上设置有出口温度传感器231，在对岩石试样300进行加热的过程中，当温度调节组件240和空心盘旋弯管210协同对岩石试样300加热至出口温度传感器231监测到的温度值与进口温度传感器221监测到的温度值相等即可，此时岩石试样 300的内部温度达到设定值。通过电脑上的显示屏可以实时的观察出口温度传感器231监测到的温度值和进口温度传感器221监测到的温度值，从而较为准确的判定岩石试样300的内部温度是否达到设定值。

具体地，为了避免腔体120内部的热量散失，在放置容器100外设置有保温层，提高实验的精度。

具体地，考虑到CO₂有酸性和实验高温环境，岩石容器采用耐高温高压和防腐蚀的哈氏合金材料。

如图1所示，优选地，所述超临界CO₂注入系统包括有超临界CO₂存储罐，所述超临界CO₂存储罐的出口通过注入泵410连通有注入管420，所述注入管420 背离所述注入泵410的一端延伸至岩石试样300的预留竖直孔310中；所述注入管420上背离所述注入泵410的一侧依次设置有第一阀门430、背压阀440和第一压力传感器450；所述第一压力传感器450背离所述背压阀440的一侧依次设置有第二阀门461和第二压力传感器462，所述第一压力传感器450与所述第二压力传感器462均用于监测岩石试样300的预留竖直孔310中的CO₂压力。通过第一压力传感器450和第二压力传感器462均可对预留竖直孔310内的CO₂压力进行实时监测，并反馈给电脑，当监测到预留竖直孔310内的CO₂压力与岩石试样300的承受的围压相等时，即可停止向预留竖直孔310内注入CO₂，确保预留竖直孔310内的CO₂压力与岩石试样300的承受的围压相等，提高实验的精度；还可以通过第一压力传感器450对预留竖直孔310内的CO₂压力值进行实时监测，以便调节背压阀440压力值，使其低于第一压力传感器450的读数值且高于注入泵410的压力值，使得超临界CO₂注入系统按梯度增加的方式向预留竖直孔310内注入设定压力的CO₂；同时在注入超临界CO₂至预留竖直孔310内的CO₂压力达到设定值以后，关闭第一阀门430、第二阀门461和注入泵410，此时第二压力传感器462还能继续监测预留竖直孔310中的CO₂压力，从而可以通过第二压力传感器462观测预留竖直孔310内的压力在相变过程的变化。

进一步优选地，为了更加真实的模拟超临界CO₂注入油气井的过程，在所述背压阀440朝向所述第一压力传感器450的一端依次设置有缓冲容器471和第三阀门472。缓冲容器471能够对超临界CO₂进行缓冲，以更加真实的模拟超临界CO₂注入油气井的过程。可以理解的是，为了使得缓冲容器471内的超临界CO₂顺利人注入到预留竖直孔310，将缓冲容器471中的CO₂压力要大于预留竖直孔310的CO₂压力。

进一步优选地，所述第三阀门472背离所述缓冲容器471的一端依次设置有第三压力传感器481、预加热器482和第四阀门483。通过第三压力传感器481 可以实时监测缓冲容器471内的CO₂压力；同时通过预加热器482对待注入预留竖直孔310的CO₂进行预加热至与岩石试样300的内部温度基本相等，可以防止冷的CO₂注入预留竖直孔310内引起岩石试样300的温度变化。

优选地，所述围压加载系统包括有电连接所述控制器的围压加载泵510，所述围压加载泵510的出口端通过第一管520连通所述腔体120，所述第一管520 上设置有油压输送阀门530。在向预留竖直孔310内注入超临界CO₂之前，打开油压输送阀门530并启动围压加载泵510向腔体120内加载液压油至岩石试样 300的承受的围压达到设定值；在进行模拟CO₂相变变化的过程中，可以通过调节围压加载泵510的加载压力，使得岩石试样300的承受的围压下降，使得CO₂相变。通过控制围压加载泵510的加载压力的下降梯度，可以调节CO₂相变速率，进而模拟CO₂注入油气井近端和远端相变过程地层响应的情况。

优选地，所述腔体120的内底壁中间设置有用于承载岩石试样300的底座 150，所述底座150内沿竖向贯穿有第一通孔，所述第一通孔连通有电连接控制器的孔隙压力加载系统，所述孔隙压力加载系统包括有间隙压力加载泵610，所述间隙压力加载泵610的出口端通过第二管620连通所述第一通孔，所述第二管620上沿背离所述间隙压力加载泵610的方向依次设置有水压开关阀门630 和间隙水压力传感器640。当岩石试样300为干燥试样，不满足所要模拟的地层含水量，可以打开水压开关阀门630和启动间隙压力加载泵610，从而将无离子水注入到岩石试样300内至间隙水压力传感器640监测到岩石试样300内的间隙水压力达到设定值(岩石试样300的含水量与所要模拟的地层含水量基本相同)，确保实验的精度。在实验过程中关闭水压开关阀门630和间隙压力加载泵610，通过间隙水压力传感器640监测岩石试样300在CO₂相变过程中的孔隙水压力变化。

如图2所示，优选地，所述温度调节组件240包括有加热罐241和冷却罐 242，所述加热罐241内设置有加热电阻，所述加热电阻电连接所述控制器，所述加热罐241的出口设置有电连接所述控制器的第一输送泵243；所述冷却罐 242内设置有冷却弯管以及吹向所述冷却弯管的冷却风机，所述冷却风机电连接所述控制器，所述冷却罐242的出口设置有电连接所述控制器的第二输送泵 244。在围压加载系统向腔体120内加载压力至岩石试样300的承受的围压达到设定值之后向预留竖直孔310内注入超临界CO₂之前，启动第一输送泵243将空心盘旋弯管210的油抽到加热罐241内进行加热再循环回送到空心盘旋弯管 210与岩石试样300进行热交换，使得岩石试样300的内部温度上升至设定值；在进行模拟CO₂相变的过程中，启动第二输送泵244将空心盘旋弯管210的油抽到冷却罐242中冷却降温再循环回送到空心盘旋弯管210与岩石试样300进行热交换，使得岩石试样300的内部温度下降，从而使得CO₂发生相变；通过控制冷却风机的功率，可以调节CO₂相变速率，进而模拟CO₂注入油气井近端和远端相变过程地层响应的情况。

优选地，所述上盖130上沿上下方向贯穿有第二通孔，所述第二通孔内插接有用于监测所述腔体120内温度的第三温度监测传感器250，所述第三温度监测传感器250电连接所述控制器。通过第三温度监测传感器250实时的监测腔体120内的温度，当第三温度监测传感器250、出口温度传感器231与进口温度传感器221三者监测到的温度值相等时，即可说明岩石试样300内部和腔体120 温度均达到设定值，更加准确的判定岩石试样300内部温度达到设定值，进一步提高实验的精度。

优选地，所述放置容器100的左右两侧对称设置有螺杆160，所述上盖130 上对应所述螺杆160的位置设置有第三通孔，安装时，将上盖130穿过螺杆160 罩在放置容器100的上端开口处，随后在螺杆160上旋紧紧固螺母170，紧固螺母170压紧上盖130，使得上盖130在将放置容器100的上端开口进行密封的同时可以将岩石试样300进行固定。

参照图1至3所示，根据本发明第二方面实施例的一种应用第一方面实施例的装置进行模拟实验的方法，包括以下步骤：步骤A：制作岩石试样300，实验前根据所要模拟的地层含水量、饱和度选取岩石种类，将确定种类的岩石加工成直径为100毫米，高为150毫米的圆柱体，并且在圆柱体的上端中部开设置有直径为5毫米的预留竖直孔310得到岩石试样300，预留竖直孔310的深度选取为岩石试样300高度的1/3至1/2。

步骤B：实验前将岩石试样300进行CT扫描，获取岩石试样300内部结构图像；

步骤C：将所述密封套110套在岩石试样300外，随后将岩石试样300穿过所述空心盘旋弯管210放入到所述放置容器100的所述腔体120内；

步骤D：装置组装，选取六对声发射探头140，其中在岩石试样300的上下两端分别设置有一对声发射探头140以及在岩石试样300的外侧壁沿周向布置有四对声发射探头140，在腔体120内安装第三温度监测传感器250，将上盖130 穿过螺杆160罩在放置容器100的上端开口处，将紧固螺母170拧紧使得上盖130 在将放置容器100的上端开口进行密封的同时可以将岩石试样300进行固定，将所述超临界CO₂注入系统的注入端穿过上盖130延伸至岩石试样300的预留竖直孔310中；测试实验装置的气密性；

步骤E：根据所模拟地层压力确定岩石试样300所需承受的围压为50Mpa，打开围压加载系统，设定加载压力为50Mpa，开始向腔体120内加载液压油至腔体120至岩石试样300的承受的围压达到50Mpa；根据所模拟地层温度确定岩石试样300内部温度为40℃，打开温度调节组件240，设定加载温度为40℃，通过所述温度调节组件240对油进行加热并输送到所述空心盘旋弯管210内与岩石试样300进行热交换至出口温度传感器231和进口温度传感器221两者监测到的温度值相等并保持在40℃，说明岩石试样300内部和腔体120温度均达到了40℃；由于制备的岩石试样300含有一定含水量(不饱和)因此不需要启动孔隙压力加载系统给岩石试样300注入一定的孔隙水(无离子水)，此时保持水压开关阀门630关闭；如果放置的是干燥试样，可以通过间隙压力加载泵610 注入一定量的孔隙水，孔隙水加载系统既可以设定加载压力，也可以量测水进入或流出其体积，如果知道干燥试样的质量就可以估算其注入后岩石试样300 的含水量；当岩石试样300内部温度和承受的围压均稳定后，启动超临界CO₂注入系统向岩石试样300的预留竖直孔310注入超临界CO₂；具体地，CO₂注入首先由注入泵410注入超临界CO₂，注入一定量的CO₂通过背压阀440来调节缓冲容器471中的CO₂压力，考虑CO₂注入到预留竖直孔310中，此时缓冲容器47124中的CO₂压力要大于预留竖直孔310的CO₂压力，此时开启第三阀门472，并通过第三压力传感器481实时监测缓冲容器471中的CO₂的压力，此时CO₂均为室温，为放置冷的CO₂注入预留竖直孔310引起岩石试样300的温度变化，因此在注入前，CO₂经过一个预加热器482，将管路中CO₂加热到与岩石试样300内部温度相近的温度，此时打开第四阀门483和第二阀门461，CO₂顺利注入预留竖直孔310中，通过第二压力传感器462可实时监测预留竖直孔310中的CO₂压力，重复以上步骤，直至第二压力传感器462的读数与围压一致，停止注入CO₂，并关闭注入泵410和各个阀门，此时整个岩石试样300和预留竖直孔310中的 CO₂均达到相同的温度、压力。可以理解的是，在向预留竖直孔310注入CO₂以前，可以将注入管420抽真空。

步骤F：开始模拟CO₂相变过程，CO₂相态变化图如下图3所示，右上角的点为实验状态(温度为40℃，围压为50Mpa)，从图3可以看出CO₂相变过程包括有从超临界状态变到气态或从超临界状态变到液态，如果要发生以上相变过程需要降低温度降低压力，本装置可以实现任意路径，如保持压力不变即保持围压加载系统不变，降温过程，调节温度调节组件240，如图3中①路径所示；如保持温度不变即保持温度调节组件240不变，降压过程，调节围压加载系统，如图3中④路径所示；可以同时降压降压即同时调节围压加载系统和温度调节组件240，如图3中②路径或③路径所示；根据所需模拟的CO₂相变情况，选用其中一种相态变化路径，通过调节温度或压力的下调速度，达到急剧相变或者渐进相变的目的，进而模拟CO₂注入油气井近端和远端相变过程地层响应的情况；在CO₂相变过程中，CO₂体积可迅速增大，预留竖直孔310附近压力急剧增大，岩石声发射是岩石在受力变形破裂过程中发射出声波或超声波的现象。实时监测六对声发射探头140的数据，可以得到压缩波(P波)和剪切波(S波) 的波速信息，这些波速用来计算岩石动弹性常数，如泊松比、杨氏模量(E)、体积模量(K)和剪切模量(G)；能连续、实时地监测相变过程中载荷作用下岩石材料内部微裂纹的产生和扩展，并实现对其破坏位置的定位，通过间隙水压力传感器640的读数可以获得相变过程中岩石试样300的孔隙水压力的变化

步骤G：实验分析，反应结束后调整围压为零且将装置逐渐降温至常温后拆解装置，取出岩石试样300进行CT扫描，观察相变对岩石结构的影响，并与所述步骤B中得到的岩石试样300内部结构图像进行比较，定量评价相变过程中地层的响应特征。

与现有技术相比，本发明实施例的方法通过采用带有预留竖直孔310的岩石作为试样，在进行模拟实验的过程中，预留竖直孔310可以模拟实际工程中的油气井，启动超临界CO₂注入系统通过预留竖直孔310注入岩石试样300中，更加真实的还原实际工程中超临界CO₂通过油气井注入地下岩层进行封存，更加真实的再现CO₂注入油气井处相变过程地层响应的情况，以便选择最优注入策略。在进行实验的工程中，通过超临界CO₂注入系统向预留竖直孔310注入设定量的超临界CO₂后，根据所需模拟的CO₂相变情况，可以选择任意路径的 CO₂相变过程，得到CO₂不同相变过程地层响应的情况，通过对比分析，确定超临界CO₂封存的最优封存策略，为将超临界CO₂注入油气井进行封存提供数据支撑。同时在实验的过程中，还能通过控制器控制温度调节组件240的降温速度或调节围压加载系统的降压速度，从而可以控制任意途径的CO₂相变速率，进而模拟CO₂注入油气井近端和远端相变过程地层响应的情况。还可以在CO₂注入油气井处相变过程实时监测声发射探头140的数据，得到压缩波(P波)和剪切波(S波)的波速信息，这些波速用来计算岩石动弹性常数，如泊松比、杨氏模量(E)、体积模量(K)和剪切模量(G)，能连续、实时地监测相变过程中载荷作用下岩石材料内部微裂纹的产生和扩展，并实现对其破坏位置的定位，更加真实的再现CO₂注入油气井处相变过程地层响应的情况，以便选择最优注入策略。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种CO₂注入过程中相变地层响应的模拟装置，其特征在于，包括放置容器以及用于套在岩石试样外的密封套，所述放置容器内设置有用于放置岩石试样的腔体，所述腔体内设置有用于环绕在岩石试样外侧的空心盘旋弯管，所述空心盘旋弯管内流经有油，所述空心盘旋弯管的进出口端分别通过进油管和出油管连通有用于升降温的温度调节组件，所述进油管上设置有进口温度传感器，所述进口温度传感器电连接有控制器，所述出油管上设置有出口温度传感器，所述出口温度传感器和所述温度调节组件均电连接所述控制器；所述腔体连通有超临界CO₂注入系统，所述超临界CO₂注入系统的注入端延伸至岩石试样的预留竖直孔中；所述腔体还连通有围压加载系统，所述围压加载系统电连接所述控制器；所述放置容器的上端开口处可拆卸连接有用于压紧岩石试样的上盖；所述腔体内还设置有电连接所述控制器的声发射探头。

2.根据权利要求1所述的一种CO₂注入过程中相变地层响应的模拟装置，其特征在于，所述超临界CO₂注入系统包括有超临界CO₂存储罐，所述超临界CO₂存储罐的出口通过注入泵连通有注入管，所述注入管背离所述注入泵的一端延伸至岩石试样的预留竖直孔中；所述注入管上背离所述注入泵的一侧依次设置有第一阀门、背压阀和第一压力传感器；所述第一压力传感器背离所述背压阀的一侧依次设置有第二阀门和第二压力传感器，所述第一压力传感器与所述第二压力传感器均用于监测岩石试样的预留竖直孔中的CO₂压力。

3.根据权利要求2所述的一种CO₂注入过程中相变地层响应的模拟装置，其特征在于，所述背压阀朝向所述第一压力传感器的一端依次设置有缓冲容器和第三阀门。

4.根据权利要求3所述的一种CO₂注入过程中相变地层响应的模拟装置，其特征在于，所述第三阀门背离所述缓冲容器的一端依次设置有第三压力传感器、预加热器和第四阀门。

5.根据权利要求1所述的一种CO₂注入过程中相变地层响应的模拟装置，其特征在于，所述围压加载系统包括有电连接所述控制器的围压加载泵，所述围压加载泵的出口端通过第一管连通所述腔体，所述第一管上设置有油压输送阀门。

6.根据权利要求1所述的一种CO₂注入过程中相变地层响应的模拟装置，其特征在于，所述腔体的内底壁中间设置有用于承载岩石试样的底座，所述底座内沿竖向贯穿有第一通孔，所述第一通孔连通有孔隙压力加载系统，所述孔隙压力加载系统包括有间隙压力加载泵，所述间隙压力加载泵的出口端通过第二管连通所述第一通孔，所述第二管上沿背离所述间隙压力加载泵的方向依次设置有水压开关阀门和间隙水压力传感器。

7.根据权利要求1所述的一种CO₂注入过程中相变地层响应的模拟装置，其特征在于，所述温度调节组件包括有加热罐和冷却罐，所述加热罐内设置有加热电阻，所述加热电阻电连接所述控制器，所述加热罐的出口设置有电连接所述控制器的第一输送泵；所述冷却罐内设置有冷却弯管以及吹向所述冷却弯管的冷却风机，所述冷却风机电连接所述控制器，所述冷却罐的出口设置有电连接所述控制器的第二输送泵。

8.根据权利要求1所述的一种CO₂注入过程中相变地层响应的模拟装置，其特征在于，所述上盖上沿上下方向贯穿有第二通孔，所述第二通孔内插接有用于监测所述腔体内温度的第三温度监测传感器，所述第三温度监测传感器电连接所述控制器。

9.根据权利要求1所述的一种CO₂注入过程中相变地层响应的模拟装置，其特征在于，所述放置容器的左右两侧对称设置有螺杆，所述上盖上对应所述螺杆的位置设置有第三通孔，安装时，所述螺杆上螺纹连接有紧固螺母，所述紧固螺母压紧所述上盖。

10.一种应用权利要求1至9任一所述的装置进行模拟实验的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：制作岩石试样，实验前根据所要模拟的地层含水量、饱和度选取岩石种类，将确定种类的岩石加工成所需的尺寸，并且在岩石的上端中部开设有预留竖直孔得到岩石试样；

步骤B：实验前将岩石试样进行CT扫描，获取岩石试样内部结构图像；

步骤C：将所述密封套套在岩石试样外，随后将岩石试样穿过所述空心盘旋弯管放入到所述放置容器的所述腔体内；

步骤D：装置组装，将所述声发射探头与岩石试样连接，随后将所述上盖连接在所述放置容器的上端，对岩石试样进行固定的同时将所述腔体进行密封；将所述超临界CO₂注入系统的注入端与所述腔体连通并延伸至岩石试样的预留竖直孔中；测试实验装置的气密性；

步骤E：根据所模拟地层压力，通过所述围压加载系统开始对腔体的内部进行加载至岩石试样的承受的围压达到设定值；根据所模拟地层温度，通过所述温度调节组件对油进行加热并输送到所述空心盘旋弯管内与岩石试样进行热交换，使得岩石试样的内部温度达到设定值；通过超临界CO₂注入系统向岩石试样的预留竖直孔注入超临界CO₂至预留竖直孔内的压力与岩石试样的承受的围压相等；

步骤F：开始模拟CO₂相变过程，根据所需模拟的CO₂相变情况，设定相变路径，监测相变过程岩石试样的预留竖直孔内压力变化以及通过所述声发射探头监测岩石试样在受力变形破裂过程中发射出的压缩波(P波)和剪切波(S波)的波速信息；

步骤G：实验分析，反应结束后将装置逐渐降温至常温，取出岩石试样进行CT扫描，观察相变对岩石结构的影响，并与所述步骤B中得到的岩石试样内部结构图像进行比较，定量评价相变过程中地层的响应特征。

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