CN115753540A - 咸水层地质埋存定量研究实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种咸水层地质埋存定量研究实验装置及方法，该装置包括中间容器组件、回压组件、计量组件和用于放置岩样的高温高压反应釜；中间容器组件包括CO2中间容器和地层水中间容器，地层水中间容器向高温高压反应釜内注入模拟地层水，CO2中间容器用于向高温高压反应釜内通入CO2，以使CO2和模拟地层水饱和接触反应；回压组件包括对CO2中间容器和地层水中间容器施加驱替压力的第一回压泵、从底部对高温高压反应釜施加压力的第二回压泵以及从顶部对高温高压反应釜施加压力的第三回压泵；计量组件用于计量CO2和模拟地层水的初始量和反应后的产出量。该装置能够实现CO2地质埋存过程中埋存机制及其潜力的定量计算，模拟精度高，保证了实验的准确性。
Description
技术领域
本发明属于二氧化碳地质埋存技术领域，尤其涉及一种咸水层地质埋存定量研究实验装置及方法。
背景技术
CO2地质埋存技术是指将捕集到的CO2经过处理后注入到地层中，从而减少向大气中的排放，被视为是一种直接、有效的减排手段。目前，适宜CO2地质埋存的主要场所有深部煤层、咸水层和枯竭的油气藏。其中，咸水层由于分布面积广、厚度大、储存容量巨大，且咸水层多是矿化度较高的咸水，没有其他用途，用于CO2地质埋存不会引起其他不良后果，被认为是最具有潜力的CO2地质埋存储体，受到越来越多的关注。
CO2地质埋存过程中会发生复杂的化学反应，咸水层埋存机制包括构造地层埋存、残余气埋存、溶解埋存和矿化埋存等。目前，针对CO2咸水层埋存的模拟研究已经较为丰富，然而，针对咸水层埋存的室内实验研究较少，尤其缺乏关于定量研究咸水层埋存机制及其潜力的研究，因此，构建一种咸水层地质埋存机制及其潜力定量研究实验装置及方法尤为重要。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种咸水层地质埋存定量研究实验装置及方法，旨在解决现有技术中中缺乏定量研究咸水层埋存机制的技术问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种咸水层地质埋存定量研究实验装置，包括：
高温高压反应釜，用于放置岩样；
中间容器组件，包括CO2中间容器和地层水中间容器，所述地层水中间容器向所述高温高压反应釜内注入模拟地层水，所述CO2中间容器用于向所述高温高压反应釜内通入CO2，以使CO2和模拟地层水饱和接触反应；
回压组件，包括对所述CO2中间容器和地层水中间容器施加驱替压力的第一回压泵、从底部对所述高温高压反应釜施加压力的第二回压泵以及从顶部对所述高温高压反应釜施加压力的第三回压泵；和
计量组件，用于计量CO2和模拟地层水的初始量和反应后的产出量。
在本发明的实施例中，所述第一回压泵和所述中间容器组件的底部之间通过第一管路连通，所述第一管路上设有控制通断的第一多通阀，所述高温高压反应釜的顶部通过第三管路分别与所述中间容器组件的顶部和所述第三回压泵连接，所述第三管路上设有控制通断的第三多通阀，所述CO2中间容器和地层水中间容器的顶部之间通过第二管路连通，所述第二管路上设有第二多通阀，所述第二多通阀的其中两个阀口分别连接所述CO2中间容器和地层水中间容器的顶部，所述第二多通阀的另外一个阀口连接所述第三多通阀。
在本发明的实施例中，所述计量组件包括计量试管和气量计，所述计量试管与所述高温高压反应釜的出液端连接以收集反应后的液体，所述气量计通过管道伸入所述计量试管内并计量反应后的液体内排出的CO2气体。
在本发明的实施例中，所述回压组件还包括设于所述第三多通阀和所述第三回压泵之间的管路上的回压阀和压力计。
在本发明的实施例中，所述咸水层地质埋存定量研究实验装置还包括用于放置所述高温高压反应釜的恒温箱。
在本发明的实施例中，还提出一种咸水层地质埋存定量研究实验方法，采用如上所述的咸水层地质埋存定量研究实验装置中，所述咸水层地质埋存定量研究实验方法包括：
步骤S1：选取目标区块地层的真实岩样；
步骤S2：根据目标区块的地层水信息配置地层水样品；
步骤S3：测定初始条件下岩样的性能参数和未加入岩样前CO2在地层水中的溶解度；
步骤S4：将所述岩样放置于所述高温高压反应釜中，注入配置好的地层水以饱和岩样和CO2，以使CO2和岩样内的地层水充分反应；
步骤S5：测定反应后的岩样的孔隙度、矿物含量变化以及埋存潜力。
在本发明的实施例中，测定初始条件下岩样的性能参数的步骤包括：
清洗岩样，选取岩样中的样品并研磨成细粉；
采用X射线衍射仪测定岩样细粉的矿物组成；
测量岩样的尺寸和重量。
在本发明的实施例中，未加入岩样前CO2在地层水中的溶解度的步骤包括：
将配置好的地层水注入到高温高压反应釜中，并将恒温箱的温度调至地层温度；
采用第一回压泵将CO2驱替注入到高温高压反应釜内的地层水中，通过第二回压泵将所述高温高压反应釜提升至预设目标压力，并恒温恒压预设时间，以使CO2在地层水充分接触溶解；
通过第三回压泵将所述高温高压反应釜中未溶解的CO2排出；
打开第二回压泵和第三回压泵，恒压将饱和后的地层水排出高温高压反应釜，同时计量试管内液体的体积和产出CO2的体积。
在本发明的实施例中，所述步骤S4包括：
将岩样切成岩样片并烘干称重；
将岩样放入高温高压反应釜，注入配置好的地层水并没过岩样，并对所述高温高压反应釜抽真空，并将温度升至地层温度；
饱和预设时间后，将岩样取出，测量岩样的有效孔隙度；
恒压注入CO2并通过第二回压泵将高温高压反应釜压力提升至目标压力，并维持目标压力和温度条件反应预设时间；
反应预设时间后，断开所述第一管路和所述第二管路，打开回压阀，使所述高温高压反应釜内饱和的地层水排出到计量试管内。
在本发明的实施例中，所述埋存潜力包括矿化埋存量、CO2溶解埋存量、束缚埋存量、构造埋存量。
通过上述技术方案，本发明实施例所提供的咸水层地质埋存定量研究实验装置具有如下的有益效果：
将岩样放置于高温高压反应釜内，在第一回压泵的驱替作用下，地层水中间容器向高温高压反应釜的岩样内注入模拟地层水，CO2中间容器用于向高温高压反应釜内通入CO2，以使CO2和岩样内的模拟地层水饱和接触反应；通过计量组件计量CO2和模拟地层水的初始量和反应后的产出量，从而可以定量分析CO2咸水层埋存过程中不同埋存机制及其埋存潜力的大小。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明一实施例中咸水层地质埋存定量研究实验装置的流程示意图。
附图标记说明
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
下面参考附图描述根据本发明的咸水层地质埋存定量研究实验装置及方法。
如图1所示，在本发明的实施例中，提供一种咸水层地质埋存定量研究实验装置，包括：
高温高压反应釜10，用于放置岩样；
中间容器组件，包括为实验提供埋存所需气源的CO2中间容器20和为实验模拟地层条件提供模拟地层水的地层水中间容器21，地层水中间容器21向高温高压反应釜10内注入模拟地层水，CO2中间容器20用于向高温高压反应釜10内通入CO2，以使CO2和模拟地层水饱和接触反应；
回压组件，用于保持输出端压力平衡并包括对CO2中间容器20和地层水中间容器21施加驱替压力的第一回压泵30、从底部对高温高压反应釜10施加压力的第二回压泵31以及从顶部对高温高压反应釜10施加压力的第三回压泵32；
计量组件，用于计量CO2和模拟地层水的初始量和反应后的产出量。
该装置借助不同计量组件可实现CO2地质埋存过程中埋存机制及其潜力的定量计算，模拟精度高，保证了实验的准确性，解决了目前实验研究中无法准确计量埋存机制及其潜力的问题。
在本发明的实施例中，第一回压泵30和中间容器组件的底部之间通过第一管路36连通，第一管路36上设有控制通断的第一多通阀33，第一多通阀33的三个阀口分别与第一回压泵30、CO2中间容器20的底部以及地层水中间容器21的底部连接，高温高压反应釜10的顶部通过第三管路60分别与中间容器组件的顶部和第三回压泵32连接，第三管路60上设有控制通断的第三多通阀35，第三多通阀35的其中两个阀口分别与第二多通阀34的一个阀口和第三回压泵32连接，第三多通阀35的另一个阀口与高温高压反应釜10的顶部连接，CO2中间容器20和地层水中间容器21的顶部之间通过第二管路37连通，第二管路37上设有第二多通阀34，第二多通阀34的其中两个阀口分别连接CO2中间容器20和地层水中间容器21的顶部，第二多通阀34的另外一个阀口连接第三多通阀35。其中，第一多通阀33和第二多通阀34、第三多通阀35均优选为三通阀，以用来控制整个系统液体的流通，并且，各个阀门要求为不锈钢材质，以使得实验过程中保证密封性要求。
在本发明的实施例中，计量组件包括计量试管50和气量计51，计量试管50与高温高压反应釜10的出液端连接以收集反应后的液体，气量计51通过管道伸入计量试管50内并计量反应后的液体内排出的CO2气体。
此外，高温高压反应釜10的下游至气量计51之间的中间管线应尽可能的减小长度，这样能够减少气体产量在管线上的损失，以保证实验的精确性和准确性。
为了保证高温高压反应釜10输出端的压力平衡，回压组件还包括设于第三多通阀35和第三回压泵32之间的管路上的回压阀38和压力计39。
为保证实验系统维持在储层温度条件下，将高温高压反应釜10位于恒温箱40内，恒温箱40为高温高压反应釜10提供实验所需要的温度，反应温度范围为0℃至120℃，且高温高压反应釜10设置有耐高温、耐高压的防腐胶圈，防腐胶圈为氟胶材质。
此外，为了保证整个实验能够在高温高压环境下顺利进行，该装置中各个管线均是采用耐高温耐高压的管线进行连接。
在本发明的实施例中，还提出一种咸水层地质埋存定量研究实验方法，采用如上的咸水层地质埋存定量研究实验装置中，咸水层地质埋存定量研究实验方法包括：
步骤S1：选取目标区块地层的真实岩样；
步骤S2：根据目标区块的地层水信息配置地层水样品；
步骤S3：测定初始条件下岩样的性能参数和未加入岩样前CO2在地层水中的溶解度；
对于岩样的初始参数的测定主要采用如下方法：借助高温高压孔渗仪或核磁共振仪测定岩样初始条件下的孔渗，首先，使用蒸馏水对岩样进行清洗，清洗后放在恒温箱40中烘干，将岩样样品磨成细粉，并借助X射线衍射仪定性、定量的鉴定岩样的矿物组成，然后借助游标卡尺测量岩样直径和长度，借助电子天平测量岩样质量，具体地，岩样的初始物性参数如下表所示：
表1岩样初始物性测试结果
| 直径,cm | 长度,cm | 孔隙度,％ | 渗透率,mD | 质量,g |
| 2.48 | 5.22 | 20.8 | 195.2 | 55.15 |
表2岩样初始矿物含量测试结果
步骤S4：将岩样放置于高温高压反应釜10中，注入配置好的地层水以饱和岩样和CO2，以使CO2和岩样内的地层水充分反应；
步骤S5：测定反应后的岩样的孔隙度、矿物含量变化以及埋存潜力。
本发明通过质量守恒定律计算反应前后矿物种类及含量变化、地层水中阴阳离子种类及含量变化、地层水中CO2溶解度变化、岩心孔渗变化、岩心质量损失、岩心吸附量大小，从而能够定量研究咸水层CO2地质埋存机制及其埋存量大小。
在本发明的实施例中，未加入岩样前CO2在地层水中的溶解度的步骤包括：
根据实际储层地层水资料配置模拟的地层水，将配置好的地层水注入到高温高压反应釜10中，并将恒温箱40的温度调至地层温度；
采用第一回压泵30将CO2驱替注入到高温高压反应釜10内的地层水中，通过第二回压泵31将高温高压反应釜10分段提升至预设目标压力，并恒温恒压预设时间，以使CO2在地层水充分接触溶解；
充分溶解48H后，通过第三回压泵32将高温高压反应釜10中未溶解的CO2排出；
打开第二回压泵31和第三回压泵32，恒压缓慢将饱和后的地层水排出高温高压反应釜10，同时通过高温高压PH仪测量高温高压反应釜10内的溶液PH值，并且计量试管50内液体的体积和产出CO2的体积。
本实施例通过对比试验获取未加入岩样前CO2在模拟的地层水中的溶解度，能够与后续的静态反应实验形成对比，为后续的静态反应实验提供相应的对比数据，减少了数据分析的误差。
在本发明的实施例中，步骤S4包括：
将岩样切成岩样片，实验前进行岩样烘干称重；
将岩样放入高温高压反应釜10，注入配置好的地层水并没过岩样，并对高温高压反应釜10抽真空，并将温度升至地层温度，饱和足够长时间(大于48小时)后，将岩样取出，测湿重，明确饱和水量和有效孔隙度；
饱和预设时间后，将岩样取出，测量岩样的有效孔隙度；
恒压注入CO2并通过第二回压泵31将高温高压反应釜10压力提升至目标压力，并维持目标压力和温度条件反应预设时间，记录CO2注入量，围压大小设置为入口压力的112％；
反应预设时间后，对反应后岩样进行初始条件孔渗大小测试，对岩样进行矿物种类及含量鉴定，对地层水进行阴阳离子种类及含量鉴定，测定岩心的吸附量大小，以及岩心湿重和干重；具体地：断开第一管路36和第二管路37，打开回压阀38，缓慢释放高温高压反应釜10内液体及气体，使高温高压反应釜10内饱和的地层水排出到计量试管50内，并记录产出量，取出岩样，清洗烘干，收集地层水(收集出的地层水注稀硝酸，防止CO2逸出形成碳酸盐沉淀)并进行地层水离子鉴定，计算地层水溶液中离子含量，其中，测样样品10mL，分为阴离子检测和阳离子检测，取样0.5mL，输出溶液收集到10毫升试管中，试管中含有9.5毫升1％硝酸溶液，然后对反应后的岩样进行孔渗测定，并利用吸附仪进行CO2吸附量测定；对反应后岩样进行矿物鉴定，定性、定量分析矿物含量变化。
表3实验后岩样的物性测试数据
| 孔隙度,％ | 渗透率,mD | 岩心干重,g | 岩心湿重,g | 岩心吸附量,ml |
| 29.12 | 234.24 | 53.5 | 55.64 | 1.66 |
表4实验后岩样的矿物含量测试结果
从上述表3反应后岩样的物性参数和表1中反应前的岩样物性参数相对比，可以看出，反应后岩样的孔隙度和渗透率均增加，这是因为CO2注入后会对岩样发生矿物溶蚀反应，进而导致岩样孔渗度和渗透率增加。
表5实验前后地层水测试数据
由表5可以看出，反应前后地层水内的离子浓度发生了一定的变化，这是由于由于CO2注入到岩样后，会对岩样发生矿物溶蚀和沉淀反应，当矿物发生溶解以及沉淀的生成后，从而导致地层水中离子浓度的变化。
进一步需要说明的是，埋存潜力包括矿化埋存量、CO2溶解埋存量、束缚埋存量、构造埋存量。
总埋存量等于静态实验结束时，CO2中间容器20注入的CO2总量减去此时高温高压反应釜10中地层水溶液中CO2溶解量。
溶解埋存量为反应后岩样中所含地层水中的溶解CO2量。反应后岩样中含地层水量由反应后岩样湿重与干重之差，地层水密度由静态反应实验中地层水样质量与体积之比。
矿化埋存量为实验前后X射线衍射仪定性、定量的测定样品所含矿物变化中所需要的CO2量。
束缚埋存量等于反应后吸附仪中测定岩样的吸附量。
构造埋存量为反应后岩样孔隙体积中除却地层水体积之外的孔隙空间中所存在的CO2总量与吸附埋存量之差。
通过CO2注入量和地层水中CO2溶解量，可以得出CO2溶蚀实验后的埋存潜力，具体实验结果如下表6所示：
表6 CO2溶蚀实验后埋存潜力计算
本发明所提到的实验装置及方法，可以从实验的角度明确不同反应时间条件下，CO2地质埋存过程中的CO2-盐水-岩石矿物相互作用反应微观过程机理；
并且，本发明所提到的实验装置及方法，可以较为准确的定量分析CO2咸水层埋存过程中不同埋存机制及其埋存潜力的大小，可作为数值模拟技术的实验验证；
最后，本发明所提到的实验装置，简单易懂，易于操作，可以在CO2水溶液的强腐蚀条件下保证实验的安全性和稳定性，确保了模拟咸水层CO2地质埋存实验的准确性和可行性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种咸水层地质埋存定量研究实验装置，其特征在于，包括：
高温高压反应釜(10)，用于放置岩样；
中间容器组件，包括CO2中间容器(20)和地层水中间容器(21)，所述地层水中间容器(21)向所述高温高压反应釜(10)内注入模拟地层水，所述CO2中间容器(20)用于向所述高温高压反应釜(10)内通入CO2，以使CO2和模拟地层水饱和接触反应；
回压组件，包括对所述CO2中间容器(20)和地层水中间容器(21)施加驱替压力的第一回压泵(30)、从底部对所述高温高压反应釜(10)施加压力的第二回压泵(31)以及从顶部对所述高温高压反应釜(10)施加压力的第三回压泵(32)；和
计量组件，用于计量CO2和模拟地层水的初始量和反应后的产出量。
2.根据权利要求1所述的咸水层地质埋存定量研究实验装置，其特征在于，所述第一回压泵(30)和所述中间容器组件的底部之间通过第一管路(36)连通，所述第一管路(36)上设有控制通断的第一多通阀(33)，所述高温高压反应釜(10)的顶部通过第三管路(60)分别与所述中间容器组件的顶部和所述第三回压泵(32)连接，所述第三管路(60)上设有控制通断的第三多通阀(35)，所述CO2中间容器(20)和地层水中间容器(21)的顶部之间通过第二管路(37)连通，所述第二管路(37)上设有第二多通阀(34)，所述第二多通阀(34)的其中两个阀口分别连接所述CO2中间容器(20)和地层水中间容器(21)的顶部，所述第二多通阀(34)的另外一个阀口连接所述第三多通阀(35)。
3.根据权利要求1所述的咸水层地质埋存定量研究实验装置，其特征在于，所述计量组件包括计量试管(50)和气量计(51)，所述计量试管(50)与所述高温高压反应釜(10)的出液端连接以收集反应后的液体，所述气量计(51)通过管道伸入所述计量试管(50)内并计量反应后的液体内排出的CO2气体。
4.根据权利要求1所述的咸水层地质埋存定量研究实验装置，其特征在于，所述回压组件还包括设于所述第三多通阀(35)和所述第三回压泵(32)之间的管路上的回压阀(38)和压力计(39)。
5.根据权利要求4所述的咸水层地质埋存定量研究实验装置，其特征在于，所述咸水层地质埋存定量研究实验装置还包括用于放置所述高温高压反应釜(10)的恒温箱(40)。
6.一种咸水层地质埋存定量研究实验方法，其特征在于，采用如权利要求1至5中任意一项所述的咸水层地质埋存定量研究实验装置中，所述咸水层地质埋存定量研究实验方法包括：
步骤S1：选取目标区块地层的真实岩样；
步骤S2：根据目标区块的地层水信息配置地层水样品；
步骤S3：测定初始条件下岩样的性能参数和未加入岩样前CO2在地层水中的溶解度；
步骤S4：将所述岩样放置于所述高温高压反应釜(10)中，注入配置好的地层水以饱和岩样和CO2，以使CO2和岩样内的地层水充分反应；
步骤S5：测定反应后的岩样的孔隙度、矿物含量变化以及埋存潜力。
7.根据权利要求6所述的咸水层地质埋存定量研究实验方法，其特征在于，测定初始条件下岩样的性能参数的步骤包括：
清洗岩样，选取岩样中的样品并研磨成细粉；
采用X射线衍射仪测定岩样细粉的矿物组成；
测量岩样的尺寸和重量。
8.根据权利要求6所述的咸水层地质埋存定量研究实验方法，其特征在于，未加入岩样前CO2在地层水中的溶解度的步骤包括：
将配置好的地层水注入到高温高压反应釜(10)中，并将恒温箱(40)的温度调至地层温度；
采用第一回压泵(30)将CO2驱替注入到高温高压反应釜(10)内的地层水中，通过第二回压泵(31)将所述高温高压反应釜(10)提升至预设目标压力，并恒温恒压预设时间，以使CO2在地层水充分接触溶解；
通过第三回压泵(32)将所述高温高压反应釜(10)中未溶解的CO2排出；
打开第二回压泵(31)和第三回压泵(32)，恒压将饱和后的地层水排出高温高压反应釜(10)，同时计量试管(50)内液体的体积和产出CO2的体积。
9.根据权利要6所述的咸水层地质埋存定量研究实验方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
将岩样切成岩样片并烘干称重；
将岩样放入高温高压反应釜(10)，注入配置好的地层水并没过岩样，并对所述高温高压反应釜(10)抽真空，并将温度升至地层温度；
饱和预设时间后，将岩样取出，测量岩样的有效孔隙度；
恒压注入CO2并通过第二回压泵(31)将高温高压反应釜(10)压力提升至目标压力，并维持目标压力和温度条件反应预设时间；
反应预设时间后，断开所述第一管路(36)和所述第二管路(37)，打开回压阀(38)，使所述高温高压反应釜(10)内饱和的地层水排出到计量试管(50)内。
10.根据权利要6所述的咸水层地质埋存定量研究实验方法，其特征在于，所述埋存潜力包括矿化埋存量、CO2溶解埋存量、束缚埋存量、构造埋存量。
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