CN115656440B - 深盐水层二氧化碳埋存模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及深盐水层二氧化碳埋存模拟装置，包括CO2气源、阀门一、阀门二、加压泵一、加压泵二、压力表一、压力表二、压力表三、储水罐、模拟箱体、流量表、气液分离装置、回收罐、微型计算机及显示器、构造板、岩心夹持器、注入管线、连接管线、构造板挡板、压力计、流量计、加热器、升降器、岩心夹持器主体、岩心夹持器盖和声波测井装置。其特征在于：CO2气源、阀门一、加压泵一和压力表一组成气体注入管线；储水罐、加压泵二、压力表二组成深盐水注入管线；阀门二、压力表三、流量表、气液分离装置、回收罐组成产出管线；模拟箱体内部放置升降器、构造板、构造板挡板、岩心夹持器、连接管线、加热器、声波测井装置和注入管线。
Description
技术领域
本发明涉及一种深盐水层二氧化碳埋存模拟装置，属温室气体控制排放与节能减排中二氧化碳埋存领域。
背景技术
从工业化以来，人类活动向大气中排放的CO2等温室气体越来越多，最终导致全球变暖，全球温室效应显著。全球化石燃料的燃烧是全球CO2排放的主要来源，同时它也是全球最主要的能量供给方式，未来十几年内不能被彻底改变。如果全球的CO2排放不收控制的继续增长，2050年时总排放量将超过500亿吨/年，同比2001年增加50％。因此，有必要采取必要的措施开展全球性的节能减排工作，并进行CO2埋存，为人类创建一个美好的未来。
CCS技术是指将捕捉到的CO2进行永久性的埋存，这是区别于自然固碳的手段，人类采用工业化成熟的手段将捕捉到的CO2长时间或永久的固定到地下。其中供选择的固定地点有油气藏、深盐水层、深海和不可开采的煤层。CCS技术有许多优势，例如能高效、长期的封存CO2,和高容量性，其中CCS需要重视的封存后CO2的泄漏风险。表1概述了几种地点封存CO2的优缺点。
表1几种地点封存CO2的优缺点
在几种封存地点中，深盐水层封存受到越来越多人的关注，这主要是它有着高存储量、广泛分布和封存难度小。目前开展深盐水层CO2封存的深度普遍在1000～2000m，深度太浅容易造成地表水系污染，过深对封存技术提出的要求过高，此时注入的CO2由于高温高压处于临界状态，既有气体的性质；也有液体流动的能力。由于超临界CO2的低密度(水密度的0.6倍)和低粘度(水粘度的0.05～0.1倍)，在注入到储层后上浮并聚集在顶部盖层。最终，超临界CO2在羽状流的作用下积聚在盖层之下，出现粘性指进和重力分异效果。当其浮力大于孔隙中的毛管力时，注入的CO2进入盖层孔隙，长时间后容易造成盖层封闭性减弱，发生泄漏风险。
目前，国内外已经开展深盐水层二氧化碳捕集、埋存实验项目，包括法国诺德项目，国内的神华碳捕集与封存项目等。其中神华碳捕集项目已经形成了国内首个10万吨/年规模的CCS试点项目，注入运行时间近3年。但国内在深盐水层埋存二氧化碳领域仍然缺少相关的研究手段。在深盐水层埋存过程过模拟并监测二氧化碳在地层中的运移和封闭情况是稳定埋存的重点，本装置将全程模拟二氧化碳注入深盐水层后所发生构造封存、溶解封存和矿化封存等过程。
本发明的目的是提供一种定量化、模块化装置用以研究深盐水层二氧化碳埋存及监测设备。
发明内容
本发明的目的是：提供一种定量化、模块化装置用以研究深盐水层二氧化碳埋存及监测设备。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：深盐水层二氧化碳埋存模拟装置，包括CO2气源、阀门一、阀门二、加压泵一、加压泵二、压力表一、压力表二、压力表三、储水罐、模拟箱体、流量表、气液分离装置、回收罐、微型计算机及显示器、构造板、岩心夹持器、注入管线、连接管线、构造板挡板、压力计、流量计、加热器、升降器、岩心夹持器主体、岩心夹持器盖和声波测井装置；其特征在于：CO2气源、阀门一、加压泵一和压力表一安装在同一条管线上，形成气体注入管线；储水罐、加压泵二、压力表二安装在同一条管线上，形成深盐水层注水管线；阀门二、压力表三、流量表、气液分离装置、回收罐安装在同一条管线上，形成产出管线；模拟箱体位于压力表一、压力表二和阀门二之间，处于气体注入管线、深盐水层注水管线和产出管线的交汇点，微型计算机及显示器外接模拟箱体；微型计算机及显示器外接模拟箱体，用以保存和监测加压泵注入量、压力计、流量计和加热器的数值；构造板、构造板挡板、加热器、升降器、声波测井装置直接安装在模拟箱体内，形成形态和温度稳的背斜构造，并监测气-水界面运移情况；构造板上放置岩心夹持器、连接管线和注入管线，依靠构造板挡板固定岩心夹持器，形成具有稳定背斜构造的储层形态；构造板、构造板挡板和升降器共同作用形成了深盐水层储层构造，且具备调节能力，可模拟多种构造形态；注入管线与岩心夹持器间的连接管线直接相连，用于在深盐水层顶部注入二氧化碳气体；岩心夹持器间的连接管线上安装有压力计和流量计，用于监测多个岩心夹持器间的气-水流动；岩心夹持器由岩心夹持器主体和岩心夹持器盖组成，其中岩心夹持器一端不可拆卸与连接管线相连，另一端具有三芯夹持岩心的特征，通过螺纹与岩心夹持器盖组合；岩心夹持器和连接管线相互连通的形成统一的压力体，左侧与深盐水层注水管线相连，用于保持岩心夹持器内压力稳定，右侧与产出管线相连，用于实验结束后放出模拟箱体内气体和液体；阀门二、压力表三、流量表、气液分离装置、回收罐安装在同一条管线上，用于分离和回收模拟箱体内产出的流体；
作为本方案的进一步优化，本发明所述的岩心夹持器是一种分体式柱状岩心夹持器，其中岩心夹持器主体一端具有三芯夹持岩心特征，岩心夹持器主体与岩心夹持器盖通过螺纹紧固；岩心夹持器通过连接管线与其他岩心夹持器、压力计、流量计、注入管线相连。
作为本方案的进一步优化，本发明所述的构造板与升降器相互配合可形成多种形态的地层构造，升降器独立工作，对构造板进行举升，配和构造板挡板可以将岩心夹持器形成多种构造形态。
作为本方案的进一步优化，本发明所述的连接管线上的压力计和流量计监测构造板上不同位置处岩心夹持器内压力变化和流体流动，压力和流量数据实时展示在微型计算机及显示器中，并通过模拟箱体上的声波测井装置测定不同时刻下岩心夹持器内部气液界面位置和注入CO2构造封存全过程中扩散-对流路径与范围。
作为本方案的进一步优化，本发明所述的深盐水层二氧化碳埋存模拟装置可通过岩心夹持器内气-水界面位置和CO2累计注入量计算CO2在岩心夹持器中游离气的体积，进一步计算出溶解于水中CO2体积。
作为本方案的进一步优化，本发明所述的深盐水层二氧化碳埋存模拟装置可以将实验结束后的岩心取出，对岩心进行干燥、称重，可以确定岩心中矿物与CO2反应的发生溶解的体积，通过岩心重量减少值，确定岩心中矿物捕集在整个深盐水层CO2埋存中的贡献。
作为本方案的进一步优化，本发明所述的岩心夹持器、压力计、流量计通过连接管线相连，放置在构造板上，模拟具有背斜特征的深盐水层储层。
作为本方案的进一步优化，本发明所述的深盐水层注入管线与岩心夹持器和连接管线直接相连，通过储水罐、加压泵二、压力表二向岩心夹持器和连接管线持续供液，保证岩心夹持器内部压力恒定。
作为本方案的进一步优化，本发明所述的产出管线直接与模拟箱体内右侧的岩心夹持器和连接管线相连，在岩心饱和水时阀门二开启；开始实验时，关闭阀门二，使装置压力恒定；结束实验后开启阀门二，放出装置内的流体。
作为本方案的进一步优化，本发明所述的深盐水层二氧化碳埋存模拟装置中采用模拟箱体放置升降器、构造板、构造板挡板、岩心夹持器、连接管线、加热器、声波测井装置和注入管线。模拟箱体由构造板、升降器形成背斜构造，放置岩心夹持器和连接管线，模拟深盐水层中二氧化碳埋存的构造封存。
作为本方案的进一步优化，本发明所述的微型计算机及显示器与模拟箱体内的压力计和流量计相连，用于显示和存储压力计和流量计的读数。
本发明具有以下有益效果：(1)可以监测二氧化碳因地质构造封存于深盐水层中二氧化碳的聚集形态和运移途径，可以根据流量计和压力计获得各岩心夹持器间的流体流动，岩心夹持器内的气-水界面可以利用声波测井装置得到；(2)构造板和升降器的灵活组合可以形成多种地质构造形态，模拟不同地层倾角下二氧化碳地质封存效果；(3)岩心夹持器采用真实岩心饱和地层水，二氧化碳在与深盐水层的流动和溶解与地下一致，实验真实可靠。
附图说明
图1为本发明流程图。
图2为本发明模拟箱体内二氧化碳埋存装置图。
图3为本发明二氧化碳埋存渗流平面图。
图4为本发明模拟箱体内部剖面图。
图5为本发明岩心夹持器主体构造图。
图6为本发明岩心夹持器配合图。
图中：CO2气源1、阀门一2a、阀门二2b、加压泵一3a、加压泵二3b、压力表一4a、压力表二4b、压力表三4c、储水罐5、模拟箱体6、流量表7、气液分离装置8、回收罐9、微型计算机及显示器10、构造板11、岩心夹持器12、注入管线13、连接管线14、构造板挡板15、压力计16、流量计17、加热器18、升降器19、岩心夹持器主体20、岩心夹持器盖21和声波测井装置22。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细说明。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，深盐水层二氧化碳埋存模拟装置，包括CO2气源1、阀门一2a、阀门二2b、加压泵一3a、加压泵二3b、压力表一4a、压力表二4b、压力表三4c、储水罐5、模拟箱体6、流量表7、气液分离装置8、回收罐9、微型计算机及显示器10、构造板11、岩心夹持器12、注入管线13、连接管线14、构造板挡板15、压力计16、流量计17、加热器18、升降器19、岩心夹持器主体20、岩心夹持器盖21和声波测井装置22；其特征在于：CO2气源1、阀门一2a、加压泵一3a和压力表一4a安装在同一条管线上，形成气体注入管线；储水罐5、加压泵二3b、压力表二4b安装在同一条管线上，形成深盐水层注水管线；阀门二2b、压力表三4c、流量表7、气液分离装置8、回收罐9安装在同一条管线上，形成产出管线；模拟箱体6位于压力表一4a、压力表二4b和阀门二2b之间，处于气体注入管线、深盐水层注水管线和产出管线的交汇点，微型计算机及显示器10外接模拟箱体6；微型计算机及显示器10外接模拟箱体6，用以保存和显示加压泵一3a注入量、压力计16、流量计17和加热器18的数值；构造板11、构造板挡板15、加热器18、升降器19、声波测井装置22直接安装在模拟箱体6内，构成形态和温度稳定的背斜形态储层，并监测气-水界面移动；构造板11上放置岩心夹持器12、连接管线14和注入管线13，依靠构造板挡板15固定岩心夹持器12，升降器19举升构造板11共同形成具有稳定背斜构造的储层形态，且升降器19具备独立调节能力，可模拟多种构造形态；注入管线13与岩心夹持器12间的连接管线14直接相连，用于在深盐水层顶部注入二氧化碳气体；岩心夹持器12间的连接管线14上安装有压力计16和流量计17，用于监测各岩心夹持器12间的气-水流动；岩心夹持器12由岩心夹持器主体20和岩心夹持器盖21组成，其中岩心夹持器主体20一端不可拆卸与连接管线14相连，另一端具有三芯夹持岩心的特征，通过螺纹与岩心夹持器盖21组合；岩心夹持器12和连接管线14相互连通，使多个岩心夹持器12具有统一压力系统，模拟箱体6左侧与深盐水层注水管线相连，用于保持岩心夹持器12内压力稳定，模拟箱体6右侧与产出管线相连，用于实验结束后放出模拟箱体6内气体和液体；阀门二2b、压力表三4c、流量表7、气液分离装置8、回收罐9安装在同一条管线上，用于分离和回收模拟箱体6内产出的流体；
岩心夹持器12是一种分体式柱状夹持器，其中岩心夹持器主体20一端具有三芯夹持岩心特征，岩心夹持器主体20与岩心夹持器盖21通过螺纹装配；岩心夹持器12通过连接管线14与其他岩心夹持器12、压力计16、流量计17、注入管线13相连。
构造板11与升降器19相互配合可形成多种形态的地层构造，升降器19独立工作，对构造板11进行举升，配和构造板挡板15可以将岩心夹持器12固定在构造板11上。
连接管线14上的压力计16和流量计17监测构造板上不同位置处岩心夹持器12内压力变化和流体流动，压力和流量数据实时展示在微型计算机及显示器10中，并通过模拟箱体6上的声波测井装置22测定不同时刻下岩心夹持器12内部气液界面位置和注入CO2构造封存全过程中扩散-对流路径与范围。
深盐水层二氧化碳埋存模拟装置可通过岩心夹持器12内气-水界面位置和CO2累计注入量计算CO2在岩心夹持器12中游离气的体积，进一步计算出溶解于水中CO2体积。
深盐水层二氧化碳埋存模拟装置可以将实验结束后的岩心取出，对岩心进行干燥、称重，可以确定岩心中矿物与CO2反应的发生溶解的体积，通过岩心重量减少值，确定岩心中矿物捕集在整个深盐水层CO2埋存中的贡献。
岩心夹持器12、压力计16、流量计17通过连接管线14相连，放置在构造板11上，构成具有背斜特征的深盐水层储层。
注入管线13与岩心夹持器12和连接管线14直接相连，通过储水罐5、加压泵二3b、压力表二4b向岩心夹持器12和连接管线14持续供液，保证岩心夹持器12内部压力系统恒定。
产出管线直接与模拟箱体6右侧的岩心夹持器12和连接管线14相连，在岩心饱和水时阀门二2b开启；开始实验时，阀门二2b处于关闭状态，使模拟箱体6中压力恒定；结束实验后开启阀门二2b，放出模拟箱体6内的流体。
深盐水层二氧化碳埋存模拟装置中采用模拟箱体6放置升降器19、构造板11、构造板挡板15、岩心夹持器12、连接管线14、加热器18、声波测井装置22和注入管线13。模拟箱体6由构造板11、升降器19形成背斜构造，放置岩心夹持器12和连接管线14，模拟深盐水层中二氧化碳埋存的构造封存。
微型计算机及显示器10与模拟箱体6内的压力计16和流量计17相连，用于显示压力计16和流量计17的读数，并存储于微型计算机及显示器10内。
Claims (7)
1.一种深盐水层二氧化碳埋存模拟装置，包括CO2气源(1)、阀门一(2a)、阀门二(2b)、加压泵一(3a)、加压泵二(3b)、压力表一(4a)、压力表二(4b)、压力表三(4c)、储水罐(5)、模拟箱体(6)、流量表(7)、气液分离装置(8)、回收罐(9)、微型计算机及显示器(10)、构造板(11)、岩心夹持器(12)、注入管线(13)、连接管线(14)、构造板挡板(15)、压力计(16)、流量计(17)、加热器(18)、升降器(19)、岩心夹持器主体(20)、岩心夹持器盖(21)和声波测井装置(22)；其特征在于：CO2气源(1)、阀门一(2a)、加压泵一(3a)和压力表一(4a)安装在同一条管线上，形成气体注入管线；储水罐(5)、加压泵二(3b)、压力表二(4b)安装在同一条管线上，形成深盐水层注水管线；阀门二(2b)、压力表三(4c)、流量表(7)、气液分离装置(8)、回收罐(9)安装在同一条管线上，形成产出管线；模拟箱体(6)位于压力表一(4a)、压力表二(4b)和阀门二(2b)之间，处于气体注入管线、深盐水层注水管线和产出管线的交汇点，微型计算机及显示器(10)外接模拟箱体(6)，用以保存和显示加压泵一(3a)注入量、压力计(16)、流量计(17)和加热器(18)的数值；构造板(11)、构造板挡板(15)、加热器(18)、升降器(19)、声波测井装置(22)直接安装在模拟箱体(6)内，构成形态和温度稳定的背斜形态储层，并监测气-水界面移动；构造板(11)上放置岩心夹持器(12)、连接管线(14)和注入管线(13)，依靠构造板挡板(15)固定岩心夹持器(12)，升降器(19)举升构造板(11)共同形成具有稳定背斜构造的储层形态，且升降器(19)具备独立调节能力，模拟多种构造形态；注入管线(13)与岩心夹持器(12)间的连接管线(14)直接相连，用于在深盐水层顶部注入二氧化碳气体；岩心夹持器(12)间的连接管线(14)上安装有压力计(16)和流量计(17)，用于监测各岩心夹持器(12)间的气-水流动；岩心夹持器(12)由岩心夹持器主体(20)和岩心夹持器盖(21)组成，其中岩心夹持器主体(20)一端不可拆卸与连接管线(14)相连，另一端具有三芯夹持岩心的特征，通过螺纹与岩心夹持器盖(21)组合；岩心夹持器(12)和连接管线(14)相互连通，使多个岩心夹持器(12)具有统一压力系统，模拟箱体(6)左侧与深盐水层注水管线相连，用于保持岩心夹持器(12)内压力稳定，模拟箱体(6)右侧与产出管线相连，用于实验结束后放出模拟箱体(6)内气体和液体；阀门二(2b)、压力表三(4c)、流量表(7)、气液分离装置(8)、回收罐(9)安装在同一条管线上，用于分离和回收模拟箱体(6)内产出的流体。
2.根据权利要求1所述的一种深盐水层二氧化碳埋存模拟装置，其特征在于：岩心夹持器(12)是一种分体式柱状夹持器，其中岩心夹持器主体(20)一端具有三芯夹持岩心特征，岩心夹持器主体(20)与岩心夹持器盖(21)通过螺纹装配；岩心夹持器(12)之间通过连接管线(14)连接、压力计(16)、流量计(17)、注入管线(13)相连。
3.根据权利要求1所述的一种深盐水层二氧化碳埋存模拟装置，其特征在于：构造板(11)与升降器(19)相互配合形成多种形态的地层构造，升降器(19)独立工作，对构造板(11)进行举升，配和构造板挡板(15)将岩心夹持器(12)固定在构造板(11)上。
4.根据权利要求1所述的一种深盐水层二氧化碳埋存模拟装置，其特征在于：采用连接管线(14)上的压力计(16)和流量计(17)监测构造板上不同位置处岩心夹持器(12)内压力变化和流体流动，压力和流量数据实时展示在微型计算机及显示器(10)中，并通过模拟箱体(6)上的声波测井装置(22)测定不同时刻下岩心夹持器(12)内部气液界面位置和监测注入CO2构造封存全过程中扩散-对流路径与范围。
5.根据权利要求1所述的一种深盐水层二氧化碳埋存模拟装置，其特征在于：一种深盐水层二氧化碳埋存模拟装置通过岩心夹持器(12)内气-水界面位置和CO2累计注入量计算CO2在岩心夹持器(12)中游离气的体积，进一步计算出溶解于水中CO2体积。
6.根据权利要求1所述的一种深盐水层二氧化碳埋存模拟装置，其特征在于：注入管线(13)与岩心夹持器(12)和连接管线(14)直接相连，通过储水罐(5)、加压泵二(3b)、压力表二(4b)向岩心夹持器(12)和连接管线(14)持续供液，保证岩心夹持器(12)内部压力系统恒定。
7.根据权利要求1所述的一种深盐水层二氧化碳埋存模拟装置，其特征在于：一种深盐水层二氧化碳埋存模拟装置中采用模拟箱体(6)放置升降器(19)、构造板(11)、构造板挡板(15)、岩心夹持器(12)、连接管线(14)、加热器(18)、声波测井装置(22)和注入管线(13)，模拟箱体(6)由构造板(11)、升降器(19)形成背斜构造，放置岩心夹持器(12)和连接管线(14)，模拟深盐水层中二氧化碳埋存的构造封存。
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