CN115788578B - 深盐水层二氧化碳埋存泄漏风险模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及深盐水层二氧化碳埋存泄漏风险模拟装置，包括CO₂气源、阀门一、阀门二、加压泵一、加压泵二、加压泵三、压力表一、压力表二、压力表三、压力表四、压力表五、储水罐一、储水罐二、模拟箱体、流量表一、流量表二、气液分离器一、气液分离器二、储液罐一、储液罐二、微型计算机及显示器、岩心夹持器、连接管线、盖层密封器、注入管线、升降器、构造板、加热器、压力计、流量计、盖层密封器主体、盖层密封器盖和螺钉；其特征在于：模拟箱体具有纵向三层设计，顶部放置上部流动含水层，中部放置盖层密封器，下部放置下部CO₂埋存含水层并通过连接管线相连，模拟CO₂埋存过程中下部含水层压力升高导致盖层密封器内岩石破裂的CO₂泄漏风险。

Description

深盐水层二氧化碳埋存泄漏风险模拟装置

技术领域

本发明涉及一种深盐水层二氧化碳埋存泄漏风险模拟装置，属二氧化碳埋存与利用领域。

背景技术

工业化以来化石燃料供应了全球大部分能源消耗，但二氧化碳排放量的增加远远大于了自然界天然固碳的能力。目前全球科研机构对二氧化碳封存展开了大量研究，我国提出的“碳达峰、碳中和”理念正在推动国内在人工固碳的路上开展更多的研究。将二氧化碳通过人工的方法长时间或永久封存于地下的地点主要包括正在开发的油藏、废弃气藏和深盐水层等。其中深盐水层因构造稳定、埋存量大、泄漏风险低成为人工封存二氧化碳的理想场所。但深盐水层封存二氧化碳依旧面临着井筒腐蚀、水泥环密封性差、水泥塞密封性差、盖层存在薄弱点等泄漏风险。本发明对深盐水层二氧化碳埋存过程中可能出现的盖层薄弱点引发二氧化碳泄漏进行模拟，模拟深盐水层上部盖层存在薄弱点时，因深盐水层封存大量二氧化碳而压力升高，导致盖层在薄弱点处受剪切应力发生破坏，并发生二氧化碳从埋存含水层逃逸到上部流动含水层的过程。

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盖层薄弱点泄漏风险。

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盖层薄弱点泄漏风险。

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泄漏风险模拟装置，包括CO₂气源、阀门一、阀门二、加压泵一、加压泵二、加压泵三、压力表一、压力表二、压力表三、压力表四、压力表五、储水罐一、储水罐二、模拟箱体、流量表一、流量表二、气液分离器一、气液分离器二、储液罐一、储液罐二、微型计算机及显示器、岩心夹持器、连接管线、盖层密封器、注入管线、升降器、构造板、加热器、压力计、流量计、盖层密封器主体、盖层密封器盖和螺钉；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，组成气体注入管线；储水罐一、加压泵二和压力表二安装在同一条管线上，组成上部流动含水层注水管线；储水罐二、加压泵三和压力表三安装在同一条管线上，组成下部CO₂埋存含水层注水管线；压力表四、流量表一、气液分离器一和储液罐一安装在一条管线上，构成上部流动含水层产出管线；阀门二、压力表五、流量表二、气液分离器二和储液罐二安装在一条管线上，构成下部CO₂埋存含水层产出管线；模拟箱体位于压力表一、压力表二、压力表三、压力表四、阀门二和微型计算机及显示器之间，介于气体注入管线、上部流动含水层注水管线、下部CO₂埋存含水层注水管线、上部流动含水层产出管线和下部CO₂埋存含水层产出管线之间；微型计算机及显示器外接模拟箱体，用于显示和存储加压泵一、加压泵二、加压泵三、加热器、压力计、流量计的读数；岩心夹持器通过连接管线相互连接，并与注入管线一起放置在模拟箱体下层，构成下部CO₂埋存含水层；岩心夹持器与连接管线相互连接放置在模拟箱体顶层，构成上部流动含水层；上部流动含水层和下部CO₂埋存含水层通过盖层密封器和连接管线相连接，模拟两套含水层之间通过盖层隔开；盖层密封器连接上下两套含水层，内部岩心为盖层薄弱处岩石，通过下部含水层注入并封存CO₂引起盖层密封器两端压力差异，并最终造成岩石破裂、CO₂逸散到上部储层；下部CO₂埋存含水层以构造板、升降器托举，构成具背斜构造的岩心储集空间；加热器放置在模拟箱体内侧，用于控制模拟箱体温度；岩心夹持器和连通管线相互连接组成上部流动含水层，左侧与上部流动含水层注水管线相连，右侧于上部流动含水层产出管线相连；上部流动含水层的连通管线与盖层密封器相连的位置安装压力计和流量计，监测上部流动含水层内流体和压力数值的变化，与盖层密封器出口相连的连接管线上安装有流量计，用于监测盖层密封器内岩心是否破裂；下部CO₂埋存含水层包括岩心夹持器、连接管线、压力计、流量计和注入管线，下部CO₂埋存含水层左右分别与下部CO₂埋存含水层注入管线和下部CO₂埋存含水层产出管线相连；盖层密封器由盖层密封器主体、盖层密封器盖和螺钉组成，盖层密封器主体内部有放置岩心的空间，并通过螺纹与盖层密封器盖配合，最后采用螺钉进行紧固；

作为本方案的进一步优化，本发明所述的盖层密封器是一种分体式密封器，其中盖层密封器主体采用一端挖孔放置盖层岩心，与盖层密封器盖螺纹密封，并通过螺钉紧固；盖层密封器通过连接管线与上部流动含水层、下部CO₂埋存含水层的岩心夹持器、连接管线、压力计和流量计相连。

作为本方案的进一步优化，本发明所述的模拟箱体具有纵向三层设计，顶部放置上部流动含水层，中部放置盖层密封器，下部放置下部CO₂埋存含水层并通过连接管线相连，模拟地下两套含水层夹一套盖层的构造形态。

作为本方案的进一步优化，本发明所述的上部流动含水层由岩心夹持器、连接管线、流量计和压力计构成，流量计和压力计用于监测发生CO₂逸散前后上部流动含水层内的流量和压力变化；上部流动含水层左右两侧分别与储水罐一、加压泵二、压力表二；压力表四、流量表一、气液分离器一和储液罐一相连，构成左侧注水右侧产出的循环流动模式。

作为本方案的进一步优化，本发明所述的盖层密封器与上下两套含水层通过连接管线相连，盖层密封器与上部流动含水层连接管线上安装有流量计，用于监测下部CO₂埋存含水层埋存CO₂过程中压力逐渐升高导致盖层密封器内岩石发生破裂导致CO₂气体逸散至上部流动含水储层。

作为本方案的进一步优化，本发明所述的下部CO₂埋存含水层包括岩心夹持器、连接管线、压力计、流量计和注入管线，下部CO₂埋存含水层不断注入CO₂模拟埋存过程并用来提供盖层密封器上下层位的压力差，便于研究埋存CO₂体积与盖层岩石破裂的关系。

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加压泵一、加压泵二、加压泵三、加热器、压力计和流量计相连，用于显示和存储显示和存储加压泵一、加压泵二、加压泵三、加热器、压力计、流量计的读数。

本发明具有以下有益效果：(1)可以模拟二氧化碳埋存过程中因盖层薄弱点岩石破裂引发的二氧化碳逸散，采用地层温度和压力真实模拟岩石破裂时极限CO₂埋存量；(2)上部流动含水层、盖层密封器和下部CO₂埋存含水层纵向上依次放置，模拟地下CO₂封存时，CO₂向上聚集的特性；(3)盖层密封器采用真实岩心，通过上下两套含水层的压力差造成岩石破裂，与现场CO₂埋存过程发生盖层薄弱点泄漏原理、过程一致，实验真实可靠。

附图说明

图1为本发明流程图。

图2为本发明模拟箱体剖面图。

图3为本发明二氧化碳封存含水层和盖层构造图。

图4为本发明盖层密封器主视图。

图5为本发明盖层密封器主体剖面图

图6为本发明盖层密封器配合图。

图中：CO₂气源1、阀门一2a、阀门二2b、加压泵一3a、加压泵二3b、加压泵三3c、压力表一4a、压力表二4b、压力表三4c、压力表四4d、压力表五4e、储水罐一5a、储水罐二5b、模拟箱体6；流量表一7a、流量表二7b、气液分离器一8a、气液分离器二8b、储液罐一9a、储液罐二9b、微型计算机及显示器10、岩心夹持器11、连接管线12、盖层密封器13、注入管线14、升降器15、构造板16、加热器17、压力计18、流量计19、盖层密封器主体20、盖层密封器盖21和螺钉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泄漏风险模拟装置，包括CO₂气源1、阀门一2a、阀门二2b、加压泵一3a、加压泵二3b、加压泵三3c、压力表一4a、压力表二4b、压力表三4c、压力表四4d、压力表五4e、储水罐一5a、储水罐二5b、模拟箱体6、流量表一7a、流量表二7b、气液分离器一8a、气液分离器二8b、储液罐一9a、储液罐二9b、微型计算机及显示器10、岩心夹持器11、连接管线12、盖层密封器13、注入管线14、升降器15、构造板16、加热器17、压力计18、流量计19、盖层密封器主体20、盖层密封器盖21和螺钉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，组成气体注入管线；储水罐一5a、加压泵二3b和压力表二4b安装在同一条管线上，组成上部流动含水层注水管线；储水罐二5b、加压泵三3c和压力表三4c安装在同一条管线上，组成下部CO₂埋存含水层注水管线；压力表四4d、流量表一7a、气液分离器一8a和储液罐一9a安装在一条管线上，构成上部流动含水层产出管线；阀门二2b、压力表五4e、流量表二7b、气液分离器二8b和储液罐二9b安装在一条管线上，构成下部CO₂埋存含水层产出管线；模拟箱体6位于压力表一4a、压力表二4b、压力表三4c、压力表四4d、阀门二2b和微型计算机及显示器10之间，介于气体注入管线、上部流动含水层注水管线、下部CO₂埋存含水层注水管线、上部流动含水层产出管线和下部CO₂埋存含水层产出管线之间；微型计算机及显示器10外接模拟箱体6，用于显示和存储加压泵一3a、加压泵二3b、加压泵三3c、加热器17、压力计18、流量计19的读数；岩心夹持器11通过连接管线12相互连接，并与注入管线14一起放置在模拟箱体6下层，构成下部CO₂埋存含水层；岩心夹持器11与连接管线12相互连接放置在模拟箱体6顶层，构成上部流动含水层；上部流动含水层和下部CO₂埋存含水层通过盖层密封器13和连接管线12相连接，模拟两套含水层之间通过盖层隔开；盖层密封器13连接上下两套含水层，内部岩心为盖层薄弱处岩石，通过下部含水层注入并封存CO₂引起盖层密封器13两端压力差异，并最终造成岩石破裂、CO₂逸散到上部储层；下部CO₂埋存含水层以构造板16、升降器15托举，构成具背斜构造的岩心储集空间；加热器17放置在模拟箱体6内侧，用于控制模拟箱体6内部温度；岩心夹持器11和连接管线12相互连接组成上部流动含水层，左侧与上部流动含水层注水管线相连，右侧与上部流动含水层产出管线相连；上部流动含水层的连接管线12与盖层密封器13相连的位置安装压力计18和流量计19，监测上部流动含水层内流体和压力数值变化，与盖层密封器13出口相连的连接管线12上安装有流量计19，用于监测盖层密封器13内岩心是否破裂；下部CO₂埋存含水层包括岩心夹持器11、连接管线12、压力计18、流量计19和注入管线14，下部CO₂埋存含水层左右分别与下部CO₂埋存含水层注入管线和下部CO₂埋存含水层产出管线相连；盖层密封器13由盖层密封器主体20、盖层密封器盖21和螺钉22组成，盖层密封器13内部有放置岩心的空间，并通过螺纹与盖层密封器盖21配合，最后采用螺钉22进行紧固；

盖层密封器13是一种分体式密封器，其中盖层密封器主体20采用一端挖孔放置岩心，与盖层密封器盖21通过螺纹密封，并通过螺钉22紧固；盖层密封器13通过连接管线12与上部流动含水层、下部CO₂埋存含水层的岩心夹持器11、连接管线12、压力计18和流量计19相连。

模拟箱体6具有纵向三层设计，顶部放置上部流动含水层，中部放置盖层密封器13，下部放置下部CO₂埋存含水层并通过连接管线12相连，模拟地下两套含水层夹一套盖层的构造形态。

上部流动含水层由岩心夹持器11、连接管线12、流量计19和压力计18构成，流量计19和压力计18用于监测发生CO₂逸散前后上部流动含水层内的流量和压力变化；上部流动含水层左右两侧分别与储水罐一5a、加压泵二3b、压力表二4b；压力表四4d、流量表一7a、气液分离器一8a和储液罐一9a相连，构成左侧注水右侧产出的循环流动模式。

盖层密封器13与上下两套含水层直接相连，盖层密封器13与上部流动含水层的连接管线12上安装有流量计19，用于监测下部CO₂埋存含水层埋存CO₂过程中压力逐渐升高导致盖层密封器13内岩石发生破裂导致CO₂气体逸散至上部流动含水层。

下部CO₂埋存含水层包括岩心夹持器11、连接管线12、压力计18、流量计19和注入管线14，下部CO₂埋存含水层不断注入CO₂模拟埋存过程并用来提供盖层密封器13上下层位的压力差，研究埋存CO₂体积与盖层岩石破裂的关系。

微型计算机及显示器10与模拟箱体6内的加压泵一3a、加压泵二3b、加压泵三3c、加热器17、压力计18和流量计19相连，用于显示和存储显示和存储加压泵一3a、加压泵二3b、加压泵三3c、加热器17、压力计18、流量计19的读数。

当然上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种深盐水层二氧化碳埋存泄漏风险模拟装置，包括CO₂气源(1)、阀门一(2a)、阀门二(2b)、加压泵一(3a)、加压泵二(3b)、加压泵三(3c)、压力表一(4a)、压力表二(4b)、压力表三(4c)、压力表四(4d)、压力表五(4e)、储水罐一(5a)、储水罐二(5b)、模拟箱体(6)、流量表一(7a)、流量表二(7b)、气液分离器一(8a)、气液分离器二(8b)、储液罐一(9a)、储液罐二(9b)、微型计算机及显示器(10)、岩心夹持器(11)、连接管线(12)、盖层密封器(13)、注入管线(14)、升降器(15)、构造板(16)、加热器(17)、压力计(18)和流量计(19)；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，组成气体注入管线；储水罐一(5a)、加压泵二(3b)和压力表二(4b)安装在同一条管线上，组成上部流动含水层注水管线；储水罐二(5b)、加压泵三(3c)和压力表三(4c)安装在同一条管线上，组成下部CO₂埋存含水层注水管线；压力表四(4d)、流量表一(7a)、气液分离器一(8a)和储液罐一(9a)安装在一条管线上，构成上部流动含水层产出管线；阀门二(2b)、压力表五(4e)、流量表二(7b)、气液分离器二(8b)和储液罐二(9b)安装在一条管线上，构成下部CO₂埋存含水层产出管线；模拟箱体(6)位于压力表一(4a)、压力表二(4b)、压力表三(4c)、压力表四(4d)、阀门一(2a)和微型计算机及显示器(10)之间，介于气体注入管线、上部流动含水层注水管线、下部CO₂埋存含水层注水管线、上部流动含水层产出管线和下部CO₂埋存含水层产出管线之间；微型计算机及显示器(10)外接模拟箱体(6)，用于显示和存储加压泵一(3a)、加压泵二(3b)、加压泵三(3c)、加热器(17)、压力计(18)、流量计(19)的读数；岩心夹持器(11)通过连接管线(12)相互连接，并与注入管线(14)一起放置在模拟箱体(6)下层，构成下部CO₂埋存含水层；岩心夹持器(11)与连接管线(12)相互连接放置在模拟箱体(6)顶层，构成上部流动含水层；上部流动含水层和下部CO₂埋存含水层通过盖层密封器(13)和连接管线(12)相连接，模拟两套含水层之间通过盖层隔开；盖层密封器(13)连接上下两套含水层，内部岩心为盖层薄弱处岩石，通过下部CO₂埋存含水层注入并封存CO₂引起盖层密封器(13)两端压力差异，并最终造成岩石破裂、CO₂逸散到上部储层；下部CO₂埋存含水层以构造板(16)、升降器(15)托举，构成具背斜构造的岩心储集空间；加热器(17)放置在模拟箱体(6)内侧，用于控制模拟箱体(6)内部温度；岩心夹持器(11)和连接管线(12)相互连接组成上部流动含水层，左侧与上部流动含水层注水管线相连，右侧与上部流动含水层产出管线相连；上部流动含水层的连接管线(12)与盖层密封器(13)相连的位置安装压力计(18)和流量计(19)，监测上部流动含水层内流体和压力数值变化，与盖层密封器(13)出口相连的连接管线(12)上安装有流量计(19)，用于监测盖层密封器(13)内岩心是否破裂；下部CO₂埋存含水层包括岩心夹持器(11)、连接管线(12)、压力计(18)、流量计(19)和注入管线(14)，下部CO₂埋存含水层左右分别与下部CO₂埋存含水层注入管线和下部CO₂埋存含水层产出管线相连；盖层密封器(13)由盖层密封器主体(20)、盖层密封器盖(21)和螺钉(22)组成，盖层密封器(13)内部有放置岩心的空间，并通过螺纹与盖层密封器盖(21)配合，最后采用螺钉(22)进行紧固。

2.根据权利要求1所述的一种深盐水层二氧化碳埋存泄漏风险模拟装置，其特征在于：盖层密封器(13)是一种分体式密封器，其中盖层密封器主体(20)采用一端挖孔放置岩心，与盖层密封器盖(21)通过螺纹密封，并通过螺钉(22)紧固；盖层密封器(13)通过连接管线(12)与上部流动含水层、下部CO₂埋存含水层的岩心夹持器(11)、连接管线(12)、压力计(18)和流量计(19)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泄漏风险模拟装置，其特征在于：模拟箱体(6)具有纵向三层设计，顶部放置上部流动含水层，中部放置盖层密封器(13)，下部放置下部CO₂埋存含水层并通过连接管线(12)相连，模拟地下两套含水层夹一套盖层的构造形态。

4.根据权利要求1所述的一种深盐水层二氧化碳埋存泄漏风险模拟装置，其特征在于：上部流动含水层由岩心夹持器(11)、连接管线(12)、流量计(19)和压力计(18)构成，流量计(19)和压力计(18)用于监测发生CO₂逸散前后上部流动含水层内的流量和压力变化；上部流动含水层左右两侧分别与储水罐一(5a)、加压泵二(3b)、压力表二(4b)；压力表四(4d)、流量表一(7a)、气液分离器一(8a)和储液罐一(9a)相连，构成左侧注水右侧产出的循环流动模式。

5.根据权利要求1所述的一种深盐水层二氧化碳埋存泄漏风险模拟装置，其特征在于：盖层密封器(13)与上下两套含水层直接相连，盖层密封器(13)与上部流动含水层的连接管线(12)上安装有流量计(19)，用于监测下部CO₂埋存含水层埋存CO₂过程中压力逐渐升高导致盖层密封器(13)内岩石发生破裂导致CO₂气体逸散至上部流动含水层。

6.根据权利要求1所述的一种深盐水层二氧化碳埋存泄漏风险模拟装置，其特征在于：下部CO₂埋存含水层包括岩心夹持器(11)、连接管线(12)、压力计(18)、流量计(19)和注入管线(14)，下部CO₂埋存含水层不断注入CO₂模拟埋存过程并用来提供盖层密封器(13)上下层位的压力差，研究CO₂埋存体积与盖层岩石破裂的关系。