CN115655969A - 一种二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳分布监测模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳分布监测模拟系统，包括甲烷钢瓶、二氧化碳钢瓶、煤储层模拟系统、气体注入系统和气体监测系统，煤储层模拟系统内设置有煤储层，甲烷钢瓶和二氧化碳钢瓶的出气端均通过气体注入系统与煤储层模拟系统的进气端连接，气体注入系统分别将甲烷和二氧化碳注入到煤储层中，气体监测系统的监测端插设在煤储层中，气体监测系统实时监测煤储层中气体浓度和压力变化。本发明能够模拟真实的煤储层条件，实现不同注入压力和注入流量条件下监测二氧化碳在煤储层中分布规律，为现场二氧化碳煤层封存提供依据。

Description

一种二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳分布监测模拟系统

技术领域

本发明涉及二氧化碳地质封存技术领域，具体的说，涉及一种二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳分布监测模拟系统。

背景技术

近年来，由于二氧化碳过度排放造成的温室效应日益严重，引起冰川融化、海平面上升等一系列环境问题，亟待采取积极措施促使温室气体实现“净零排放”，即人为移除与人为排放之间实现平衡，也称为“碳中和（Carbon Neutrality）”。煤层CO₂地质存储与CH₄强化开采（CO₂-ECBM）通过将二氧化碳注入煤层，驱替煤层中的甲烷，具有经济和环境双重效益，受到国内外广泛关注。

二氧化碳注入煤层后，二氧化碳在煤层中如何分布，不同的注入压力等条件如何影响二氧化碳的分布，人们不能给予比较客观的评价，如何实现二氧化碳在煤层中的分布监测，成为人们亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳分布监测模拟系统，本发明能够模拟真实的煤储层条件，实现不同注入压力和注入流量条件下监测二氧化碳在煤储层中分布规律，即监测二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳在煤储层中的扩散情况，降低投资风险，为现场二氧化碳煤层封存提供依据。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳分布监测模拟系统，包括甲烷钢瓶、二氧化碳钢瓶、煤储层模拟系统、气体注入系统和气体监测系统，煤储层模拟系统内设置有煤储层，甲烷钢瓶和二氧化碳钢瓶的出气端均通过气体注入系统与煤储层模拟系统的进气端连接，气体注入系统分别将甲烷和二氧化碳注入到煤储层中，气体监测系统的监测端插设在煤储层中，气体监测系统实时监测煤储层中气体浓度和压力变化。

煤储层模拟系统包括箱体、水箱、注水泵和温度控制器，箱体的前侧敞口，箱体的前侧口左右滑动设置有推拉门，箱体和推拉门均采用钢化玻璃制成，箱体内由下至上依次铺设有煤层底板、煤储层、若干层不同类型的煤层顶板、均压钢板和加压囊袋，加压囊袋的顶部与箱体顶板内壁接触，水箱和注水泵均设置在箱体外部，水箱的出水口与注水泵的进水口通过出水管连接，注水泵的出水口连接有注水管，注水管的出水口穿过箱体的侧板上侧部并伸入到箱体内，注水管的出水口与加压囊袋的侧部进水口连接，箱体的内壁设置有电加热夹层，温度控制器与电加热夹层信号连接。

气体注入系统包括第一注气管，甲烷钢瓶的顶部出气端与第一注气管的进气端连接，第一注气管的出气端同中心竖直向下穿过箱体的顶板、加压囊袋、均压钢板和各层煤层顶板并插入到煤储层中，第一注气管上沿气体流动方向依次设置有第一阀门、第一注入泵、流量传感器、第二阀门和第一气体压力传感器，二氧化碳钢瓶的顶部出气端连接有第二注气管，第二注气管的出气端连接在第一注入泵和流量传感器之间的第一注气管上，第二注气管上沿气体流动方向依次设置有第三阀门和第二注入泵。

气体监测系统包括计算机、若干根色谱取样管和若干根压力取样管，各根色谱取样管和各根压力取样管均呈若干个同心圆均匀排列竖直贯穿煤层底板布置，位于同一圆周上的色谱取样管和压力取样管在圆周方向上间隔布置，各根色谱取样管和各根压力取样管的上端均插入到煤储层中，各根色谱取样管的下端均连接有气相色谱仪，各根压力取样管的下端均连接有第二气体压力传感器，计算机分别与第一气体压力传感器、气相色谱仪和各个第二气体压力传感器信号连接。

采用上述技术方案，一种二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳分布监测模拟方法，具体包括以下步骤：

一、组装该二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳分布监测模拟系统；

二、根据真实煤层顶板类型，通过煤储层模拟系统制备煤储层和煤层顶板，并模拟真实顶板压力；

三、通过气体注入系统将甲烷注入到煤储层中，甲烷在煤储层中扩散，直至达到设计压力；

四、通过气体注入系统将二氧化碳注入到煤储层中，二氧化碳开始进入煤储层中扩散并驱替甲烷，直至达到设计压力；

五、在二氧化碳注入过程中，通过气体监测系统实时监测煤储层中不同位置的气体浓度变化和压力变化，根据监测结果，分析二氧化碳在煤储层中分布规律；

六、改变气体注入压力、注入流量和顶板压力，模拟不同煤储层条件，重复以上实验步骤，分析气体注入压力、注入流量和顶板压力对煤储层中二氧化碳分布的影响。

步骤（二）具体为：打开推拉门，根据真实煤层顶板类型，按照相似比，将煤层底板、煤储层、各层煤层顶板、均压钢板和加压囊袋由下至上依次铺设在箱体内部，在铺设煤层底板和煤储层的过程中，将各根色谱取样管和各根压力取样管均呈若干个同心圆均匀排列竖直贯穿煤层底板布置，各根色谱取样管和各根压力取样管的上端均插入到煤储层中，然后第一注气管的出气端同中心竖直向下穿过箱体的顶板、加压囊袋、均压钢板和各层煤层顶板并插入到煤储层中，关闭推拉门，再通过温度控制器调节电加热夹层，使箱体内部温度调至设计温度，模拟地下不同地层温度，启动注水泵，注水泵将水箱中的水通过注水管注入到加压囊袋中，使加压囊袋向下施压，模拟真实煤层压力。

步骤（三）具体为：打开第一阀门和第二阀门，启动第一注入泵，第一注入泵将甲烷钢瓶中的甲烷通过第一注气管注入到煤储层中，通过流量传感器实时监测甲烷的注入流量，通过第一气体压力传感器实时监测甲烷的注入压力，当达到设计压力时，关闭第一阀门、第二阀门和第一注入泵，停止注入甲烷。

步骤（四）具体为：打开第二阀门和第三阀门，启动第二注入泵，第二注入泵将二氧化碳钢瓶中的二氧化碳通过第二注气管和第一注气管注入到煤储层中，则二氧化碳开始进入煤储层中扩散并驱替甲烷，通过流量传感器实时监测二氧化碳的注入流量，通过第一气体压力传感器实时监测二氧化碳的注入压力，当达到设计压力时，关闭第二阀门、第三阀门和第二注入泵，停止注入二氧化碳。

步骤（五）具体为：在二氧化碳注入过程中，各个气相色谱仪分别通过相应的各根色谱取样管实时监测煤储层中不同位置的气体浓度变化，即分别得到煤储层不同位置的二氧化碳浓度和甲烷浓度，同时各个第二气体压力传感器分别通过相应的各根压力取样管实时监测煤储层中不同位置的气体压力变化，计算机记录各个气相色谱仪和各个第二气体压力传感器监测的数据，并根据监测结果，那么，在煤储层不同位置的二氧化碳的压力和甲烷压力均能计算得到，由此得出二氧化碳在煤储层中不同位置的分布规律。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体地说，本发明能够模拟真实的煤储层条件，实现不同注入压力和注入流量条件下监测二氧化碳在煤储层中分布规律，即监测二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳在煤储层中的扩散情况，降低投资风险，为现场二氧化碳煤层封存提供依据。

箱体和推拉门均采用钢化玻璃制成，钢化玻璃不但能够承受一定的压力，而且可以观测箱体内部煤储层和煤层顶板情况。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的煤储层模拟系统的结构示意图。

图3是本发明的第一注气管、各根色谱取样管和各根压力取样管在煤储层中的分布示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明的实施例。

如图1-3所示，一种二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳分布监测模拟系统，包括甲烷钢瓶13、二氧化碳钢瓶14、煤储层模拟系统、气体注入系统和气体监测系统，煤储层模拟系统内设置有煤储层1，甲烷钢瓶13和二氧化碳钢瓶14的出气端均通过气体注入系统与煤储层模拟系统的进气端连接，气体注入系统分别将甲烷和二氧化碳注入到煤储层1中，气体监测系统的监测端插设在煤储层1中，气体监测系统实时监测煤储层1中气体浓度和压力变化。

煤储层1模拟系统包括箱体3、水箱4、注水泵5和温度控制器6，箱体3的前侧敞口，箱体3的前侧口左右滑动设置有推拉门7，箱体3和推拉门7均采用钢化玻璃制成，箱体3内由下至上依次铺设有煤层底板8、煤储层1、若干层不同类型的煤层顶板2、均压钢板9和加压囊袋10，加压囊袋10的顶部与箱体3顶板内壁接触，水箱4和注水泵5均设置在箱体3外部，水箱4的出水口与注水泵5的进水口通过出水管11连接，注水泵5的出水口连接有注水管12，注水管12的出水口穿过箱体3的侧板上侧部并伸入到箱体3内，注水管12的出水口与加压囊袋10的侧部进水口连接，箱体3的内壁设置有电加热夹层（图未示），温度控制器6与电加热夹层信号连接。

气体注入系统包括第一注气管15，甲烷钢瓶13的顶部出气端与第一注气管15的进气端连接，第一注气管15的出气端同中心竖直向下穿过箱体3的顶板、加压囊袋10、均压钢板9和各层煤层顶板2并插入到煤储层1中，第一注气管15上沿气体流动方向依次设置有第一阀门16、第一注入泵17、流量传感器18、第二阀门19和第一气体压力传感器20，二氧化碳钢瓶14的顶部出气端连接有第二注气管21，第二注气管的出气端连接在第一注入泵17和流量传感器18之间的第一注气管15上，第二注气管上沿气体流动方向依次设置有第三阀门22和第二注入泵23。

气体监测系统包括计算机24、若干根色谱取样管25和若干根压力取样管26，各根色谱取样管25和各根压力取样管26均呈若干个同心圆均匀排列竖直贯穿煤层底板8布置，位于同一圆周上的色谱取样管25和压力取样管26在圆周方向上间隔布置，各根色谱取样管25和各根压力取样管26的上端均插入到煤储层1中，各根色谱取样管25的下端均连接有气相色谱仪27，各根压力取样管26的下端均连接有第二气体压力传感器28，计算机24分别与第一气体压力传感器20、气相色谱仪27和各个第二气体压力传感器28信号连接。

采用上述技术方案，一种二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳分布监测模拟方法，具体包括以下步骤：

一、组装该二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳分布监测模拟系统；

二、根据真实煤层顶板类型，通过煤储层模拟系统制备煤储层1和煤层顶板2，并模拟真实顶板压力；

三、通过气体注入系统将甲烷注入到煤储层1中，甲烷在煤储层1中扩散，直至达到设计压力；

四、通过气体注入系统将二氧化碳注入到煤储层1中，二氧化碳开始进入煤储层1中扩散并驱替甲烷，直至达到设计压力；

五、在二氧化碳注入过程中，通过气体监测系统实时监测煤储层1中不同位置的气体浓度变化和压力变化，根据监测结果，分析二氧化碳在煤储层1中分布规律；

六、改变气体注入压力、注入流量和顶板压力，模拟不同煤储层1条件，重复以上实验步骤，分析气体注入压力、注入流量和顶板压力对煤储层1中二氧化碳分布的影响。

步骤（二）具体为：打开推拉门7，根据真实煤层顶板类型，按照相似比，将煤层底板8、煤储层1、各层煤层顶板2、均压钢板9和加压囊袋10由下至上依次铺设在箱体3内部，在铺设煤层底板8和煤储层1的过程中，将各根色谱取样管25和各根压力取样管26均呈若干个同心圆均匀排列竖直贯穿煤层底板8布置，各根色谱取样管25和各根压力取样管26的上端均插入到煤储层1中，然后第一注气管15的出气端同中心竖直向下穿过箱体3的顶板、加压囊袋10、均压钢板9和各层煤层顶板2并插入到煤储层1中，关闭推拉门7，再通过温度控制器6调节电加热夹层，使箱体3内部温度调至设计温度，模拟地下不同地层温度，启动注水泵5，注水泵5将水箱4中的水通过注水管12注入到加压囊袋10中，使加压囊袋10向下施压，模拟真实煤层压力。

步骤（三）具体为：打开第一阀门16和第二阀门19，启动第一注入泵17，第一注入泵17将甲烷钢瓶13中的甲烷通过第一注气管15注入到煤储层1中，通过流量传感器18实时监测甲烷的注入流量，通过第一气体压力传感器20实时监测甲烷的注入压力，当达到设计压力时，关闭第一阀门16、第二阀门19和第一注入泵17，停止注入甲烷。

步骤（四）具体为：打开第二阀门19和第三阀门22，启动第二注入泵23，第二注入泵23将二氧化碳钢瓶14中的二氧化碳通过第二注气管和第一注气管15注入到煤储层1中，则二氧化碳开始进入煤储层1中扩散并驱替甲烷，通过流量传感器18实时监测二氧化碳的注入流量，通过第一气体压力传感器20实时监测二氧化碳的注入压力，当达到设计压力时，关闭第二阀门19、第三阀门22和第二注入泵23，停止注入二氧化碳。

步骤（五）具体为：在二氧化碳注入过程中，各个气相色谱仪27分别通过相应的各根色谱取样管25实时监测煤储层1中不同位置的气体浓度变化，即分别得到煤储层1不同位置的二氧化碳浓度和甲烷浓度，同时各个第二气体压力传感器28分别通过相应的各根压力取样管26实时监测煤储层1中不同位置的气体压力变化，计算机24记录各个气相色谱仪27和各个第二气体压力传感器28监测的数据，并根据监测结果，那么，在煤储层1不同位置的二氧化碳的压力和甲烷压力均能计算得到，由此得出分析二氧化碳在煤储层1中不同位置的分布规律。

例如在某位置测试得到气体压力为2MPa，二氧化碳气体浓度为25%，甲烷浓度为75%，则能够计算得出在该位置二氧化碳压力为0.5MPa，甲烷压力为1.5MPa，由此得出了不同位置二氧化碳在煤储层分布规律。

注水泵5、温度控制器6、推拉门7、电加热夹层、第一注入泵17、流量传感器18、第一气体压力传感器20、第二注入泵23、计算机24、气相色谱仪27和第二气体压力传感器28均为现有常规技术，具体构造和工作原理不再赘述。

本发明能够模拟真实的煤储层1条件，实现不同注入压力和注入流量条件下监测二氧化碳在煤储层1中分布规律，即监测二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳在煤储层1中的扩散情况，降低投资风险，为现场二氧化碳煤层封存提供依据。

箱体3和推拉门7均采用钢化玻璃制成，钢化玻璃不但能够承受一定的压力，而且可以观测箱体3内部煤储层1和煤层顶板2情况。

以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳分布监测模拟系统，其特征在于：包括甲烷钢瓶、二氧化碳钢瓶、煤储层模拟系统、气体注入系统和气体监测系统，煤储层模拟系统内设置有煤储层，甲烷钢瓶和二氧化碳钢瓶的出气端均通过气体注入系统与煤储层模拟系统的进气端连接，气体注入系统分别将甲烷和二氧化碳注入到煤储层中，气体监测系统的监测端插设在煤储层中，气体监测系统实时监测煤储层中气体浓度和压力变化。

2.根据权利要求1所述的二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳分布监测模拟系统，其特征在于：煤储层模拟系统包括箱体、水箱、注水泵和温度控制器，箱体的前侧敞口，箱体的前侧口左右滑动设置有推拉门，箱体和推拉门均采用钢化玻璃制成，箱体内由下至上依次铺设有煤层底板、煤储层、若干层不同类型的煤层顶板、均压钢板和加压囊袋，加压囊袋的顶部与箱体顶板内壁接触，水箱和注水泵均设置在箱体外部，水箱的出水口与注水泵的进水口通过出水管连接，注水泵的出水口连接有注水管，注水管的出水口穿过箱体的侧板上侧部并伸入到箱体内，注水管的出水口与加压囊袋的侧部进水口连接，箱体的内壁设置有电加热夹层，温度控制器与电加热夹层信号连接。

3.根据权利要求2所述的二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳分布监测模拟系统，其特征在于：气体注入系统包括第一注气管，甲烷钢瓶的顶部出气端与第一注气管的进气端连接，第一注气管的出气端同中心竖直向下穿过箱体的顶板、加压囊袋、均压钢板和各层煤层顶板并插入到煤储层中，第一注气管上沿气体流动方向依次设置有第一阀门、第一注入泵、流量传感器、第二阀门和第一气体压力传感器，二氧化碳钢瓶的顶部出气端连接有第二注气管，第二注气管的出气端连接在第一注入泵和流量传感器之间的第一注气管上，第二注气管上沿气体流动方向依次设置有第三阀门和第二注入泵。

4.根据权利要求3所述的二氧化碳驱替甲烷过程中二氧化碳分布监测模拟系统，其特征在于：气体监测系统包括计算机、若干根色谱取样管和若干根压力取样管，各根色谱取样管和各根压力取样管均呈若干个同心圆均匀排列竖直贯穿煤层底板布置，位于同一圆周上的色谱取样管和压力取样管在圆周方向上间隔布置，各根色谱取样管和各根压力取样管的上端均插入到煤储层中，各根色谱取样管的下端均连接有气相色谱仪，各根压力取样管的下端均连接有第二气体压力传感器，计算机分别与第一气体压力传感器、气相色谱仪和各个第二气体压力传感器信号连接。

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