CN116165125A - 一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置，结构为反应釜盖、反应釜体、反应釜壳和温压控制组件，所述反应釜盖上设有安全阀、泄压阀、预留接口和圆形提手，反应釜盖与反应釜体通过六角螺栓、六角螺母和密封圈固定连接，所述反应釜体与反应釜壳间设有加热装置，反应釜壳外部套有保温层和隔温层，所述温压控制组件由温度控制组件和压力控制组件组成，反应釜体内部设有用于放置岩石试件的可升降实验托盘，反应釜体一侧连接有带注入阀的注入管，底盘底部设有可移动组件。本发明可突破现有装置的温度和压力上限，灵活地控制温度和压力，保证高温高压下长时间的完整密封，确保温度和压力长期的恒定以及长期使用的耐腐蚀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种浸泡储层岩石的实验装置，特别涉及一种针对深部地热开采储层模拟实验需求，通过调节高温度和高压力，实现超临界二氧化碳长时间浸泡地热储层花岗岩试件的实验装置。
背景技术
减少碳排放和寻找清洁、绿色、可再生能源是未来世界能源发展的方向，因此二氧化碳的利用与封存成为了国内外关注的热点和研究前沿。由于超临界二氧化碳具有密度小、粘度低、更高的压缩性和膨胀性，以及几乎为零的表面张力性质，使其能够作为传热工质显著提高干热岩型地热能提取产量，同时，可以在对流传热过程中将工业燃烧产生的二氧化碳封存于深部地层中，因此，超临界二氧化碳增强型地热系统开发被认为是地热开采和二氧化碳地质封存的关键技术。超临界二氧化碳与地热储层花岗岩之间的相互作用机理，与地热储层物理特征、力学性质和携热流动过程变化紧密相关，直接影响地热能的有效提取，是超临界二氧化碳增强型地热系统开发的重要科学问题，因此，急需开展一系列二氧化碳-储层岩石化学反应、储层岩石力学特性、储层物理性质和微细观结构的实验研究。
干热岩地热资源通常位于地表以下3～10km，地热储层多为致密花岗岩。目前，国内外关于二氧化碳-岩石化学反应、岩石力学特性、物理性质和微细观结构方面的实验研究，大多是在常规温度和压力(2km以内浅埋深)环境下开展的，这与干热岩地热储层所处实际工况不符。因此，国内外专家学者们长期致力于将干热岩储层置于类似深部岩体的高温、高压和高盐地层水的环境下，进行花岗岩的物理、化学和力学实验。由于二氧化碳增强地热系统的研究在国际社会上尚处于初期探索阶段，相关花岗岩浸泡装置的研发仍处于空白阶段，目前，国内外学者的普遍做法是直接使用现有的“超临界二氧化碳浸泡页岩装置”来对花岗岩进行浸泡，以达到模拟超临界二氧化碳与干热岩地层相互作用环境。然而，“超临界二氧化碳浸泡页岩装置”是针对页岩气开采所设计的，难以达到干热岩储层所处3000米～10000米埋深的环境条件(温度180～650℃、压力75～250MPa)，不能满足真正意义上干热岩地热开采环境的需求。同时，受高温和高压作用的影响，装置的长期密封性也是急需解决的问题。目前的这些难题对于二氧化碳-岩石化学反应、岩石力学特性、物理性质和微细观结构的实验研究十分不利。
因此，开发一种可调节的耐高温、耐高压和耐腐蚀的超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置，突破现有温度和压力的限制，实现真实干热岩地热储层环境(温度180～650℃、压力75～250MPa)的模拟，对于提高二氧化碳增强型地热系统开发技术十分重要。同时，该浸泡装置还必须具备在高温高压下完整的密封性能，从而实现长期稳定干热岩地层环境的模拟，以及有利于开展相关岩石力学实验(单轴抗压、巴西劈裂和剪切等实验)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是设计并制作一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩的实验装置，不仅能够突破现有装置的温度和压力上限，实现真实干热岩地热开采环境的还原，而且还必须保证灵活的控制温度和压力，重点保证高温高压下长时间的完整密封，确保温度和压力长期恒定，以及确保装置长期使用的耐腐蚀性。
根据目前国内外“超临界二氧化碳增强型地热系统开发”的研究需要，本发明设计了一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩的实验装置，该装置采用耐高温、耐高压和耐腐蚀的哈氏合金钢材质。将增压后的超临界二氧化碳注入高温高压反应釜后，采用加热装置对浸泡中的花岗岩和二氧化碳进行加热，以保证高温高压反应釜容器内二氧化碳为超临界二氧化碳状态。该设备可根据干热岩储层所处高温高压环境，灵活调整花岗岩浸泡的温度和压力，真实模拟干热岩储层受到超临界二氧化碳作用的过程。同时，在反应釜内设置耐高温高压可升降实验托盘，可调整升降高度，并可同时进行多组浸泡实验。还采用由石墨材料制成的密封圈，结合环形硅酸铝陶瓷纤维板保温层，可对花岗岩进行时间长达几个月或几年的浸泡实验。当浸泡花岗岩达到预定时间后，取出岩石试件，立刻进行花岗岩化学反应相关实验、岩石物理与力学特性测试实验，以及岩石微细观结构观测实验。
本发明主要完成高温高压(温度180～650℃、压力75～250MPa)下超临界二氧化碳长时间浸泡花岗岩的实验，涉及对花岗岩浸泡环境的加热、增压、完整密封，以及保温、稳压、安全泄压功能。
为了解决上述技术难题本发明采用的技术方案是：
一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩的实验装置，结构为反应釜盖、反应釜体、反应釜壳和温压控制组件，其特征在于：所述反应釜盖上设有安全阀、泄压阀、预留接口和圆形提手，反应釜盖与反应釜体通过六角螺栓、六角螺母和密封圈固定连接，所述反应釜体与反应釜壳间设有加热装置，所述反应釜壳外部套有保温层和隔温层，所述温压控制组件由温度控制组件和压力控制组件组成，反应釜体内部设有用于放置岩石试件的可升降实验托盘，反应釜体一侧连接有带注入阀的注入管，反应釜壳一端固定有温控仪，底盘底部设有可移动组件。
作为改进，所述反应釜盖设有安全阀、泄压阀、三个预留接口和圆形提手。
作为改进，所述反应釜盖上设有八个中心对称、角度相等的贯穿式螺栓孔，反应釜体上设有配合螺栓孔的内螺纹孔，所述反应釜盖与反应釜体通过套设有六角螺栓贯穿螺栓孔和内螺栓孔，并在螺栓底部套有六角螺母。
作为改进，所述反应釜盖和反应釜体之间设有密封圈，所述密封圈由耐高温、耐高压和耐腐蚀的石墨材料制成。
作为改进，所述反应釜体与反应釜壳间设有加热装置，所述加热装置由陶瓷筒和若干根碳纤维电加热管组成，所述陶瓷筒设有与碳纤维电加热管数量相同的通孔，所述碳纤维电加热管均匀分布，并通过通孔贯穿陶瓷筒并在底部通过导线进行串联。所述加热装置可实现温度650℃范围内的加热。
作为改进，所述反应釜壳外部套有保温层和隔温层，所述保温层为环形硅酸铝陶瓷纤维板，所述隔温层为气凝胶毡。
作为改进，所述反应釜盖、反应釜体和反应釜壳均采用哈氏合金钢材质，具有耐高温、耐高压和耐腐蚀性能，设计温度上限为650℃、压力为250MPa，所述反应釜体内腔容积为3L，直径为160mm，高度为150mm。
作为改进，所述可升降实验托盘由托盘和升降杆制成，所述托盘和升降杆均由耐高温、耐高压和耐二氧化碳腐蚀的哈氏合金钢制成，升降杆固定在反应釜体底部，升降杆的升降高度范围为30mm～110mm，托盘的直径为140mm。
作为改进，所述反应釜体一侧连接设有注入阀的注入管，且注入管与注入阀均由耐高温、耐高压和耐腐蚀的哈氏合金钢制成。
作为改进，所述底盘底部设有可移动组件，所述可移动组件由四根支撑柱和四个滑轮组成，所述支撑柱和滑轮均由耐高温、耐高压和耐二氧化碳腐蚀的哈氏合金钢材料制成，四根支撑柱的顶端分别与底盘底端连接，连接部位关于底盘中心对称且角度相等，支撑柱的底端与滑轮连接。
本发明的有益效果为：
1.与目前超临界二氧化碳浸泡岩石的设备相比，本发明的超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置可实现温度为180～650℃、压力75～200MPa的干热岩储层所有埋深(3～10km)的浸泡环境要求，突破现有温度和压力的限制，可以更加真实的模拟二氧化碳增强干热岩系统工况中储层花岗岩所处温度和压力环境。
2.本发明的超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置，可实现高温高压下的完整密封，可对花岗岩试样进行时间长达几个月或几年的完整密封浸泡，这大大保证了实验的精确性，以及减少了实验操作次数，降低了实验误差，提高了实验效率。
3.目前岩石浸泡中的二氧化碳由于温度和压力调节的限制，多处在低温低压状态。本发明的超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置的加热设计和材质，能够灵活的实现压力和温度的精确调节，可以真正实现干热岩在3～10km埋深范围内的任一真实温度和压力的超临界二氧化碳中浸泡。
4.本发明的超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置具有长期耐腐蚀性，在时间长达几个月或几年的浸泡过程中，能够消除因为反应釜材质腐蚀造成的对花岗岩物理力学性能的影响，提高了实验准确性。
5.与目前真空容器浸泡岩石的设备相比，超临界二氧化碳浸泡花岗岩装置的可升降实验托盘，能够实现岩样的多面积均匀浸泡，并可根据升降调节可实现各种形态岩样一次同时浸泡。这提高了实验的精确性，也大大降低了按照岩样形态类型分别浸泡所造成的高时间成本，提高了实验效率。同时也避免了常规浸泡设备中多次单独浸泡花岗岩力学性能差异。
附图说明
图1为一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置的正等轴测图。
图2为一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置的全剖视图。
图3为一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置的分解视图。
图4为一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置的加热装置分解视图。
图中：1-反应釜盖，2-反应釜体，3-反应釜壳，4-安全阀，5-泄压阀，6-预留接口，7-圆形提手，8-六角螺栓，9-六角螺母，10-密封圈，11-加热装置，12-保温层，13-隔温层，14-岩石试件，15-注入阀，16-注入管，17-温控仪，18-底盘，19-陶瓷筒，20-碳纤维电加热管，21-温度传感器，22-温度计，23-压力传感器，24-压力计，25-托盘，26-升降杆，27-支撑柱，28-滑轮，29-导线，30-通孔。
具体实施方式
如图1、图2所示，一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩的实验装置，结构为反应釜盖1、反应釜体2、反应釜壳3和温压控制组件，其特征在于：所述反应釜盖1上设有安全阀4、泄压阀5、预留接口6和圆形提手7，反应釜盖1与反应釜体2通过六角螺栓8、六角螺母9和密封圈10固定连接，所述反应釜体2与反应釜壳3间套有加热装置11，反应釜壳3外部套有保温层12和隔温层13，所述温压控制组件由温度控制组件和压力控制组件组成，反应釜体2内部设有用于放置岩石试件14的可升降实验托盘，反应釜体2一侧连接有带注入阀15的注入管16，反应釜壳一端固定有温控仪17，底盘18底部设有可移动组件。
如图1、图2和图3所示，所述反应釜盖1设有通过管道连接的安全阀4，当反应釜体内部存在气体堆积并且无法得到释放时，安全阀4收到信号自动打开，以免高温高压导致装置爆炸。
如图1、图2和图3所示，所述反应釜盖1上设有泄压阀5，利于气体排出，当浸泡岩石试件到达预设时间后，打开泄压阀5，缓慢降低反应釜内部压力,可防止由于压力突变的发生导致岩石试件17的物理结构发生改变，保证试件的稳定性。
如图1和图3所示，所述反应釜盖1上设有三个预留接口6，可在超临界二氧化碳浸泡花岗岩的同时，注入其他介质如水，便于开展超临界二氧化碳和其它介质共同作用下花岗岩浸泡实验。
如图1和图3所示，所述反应釜盖1上设有便于提携反应釜盖1的圆形提手7。
如图3所示，所述反应釜盖1上设有八个中心对称、角度相等的贯穿式螺栓孔，反应釜体2的边缘设有配合螺栓孔的内螺纹孔，反应釜盖与反应釜体通过套设有六角螺栓8贯穿螺栓孔和内螺栓孔，并在螺栓底部套有六角螺母9，将反应釜盖1和反应釜体2连接为一体，达到密封装置的效果。
如图3所示，所述反应釜盖1与反应釜体2之间连接的密封面之间配合设置密封圈10，提高反应釜盖1和反应釜体2的密封性，所述密封圈10由耐高温、耐高压和耐腐蚀的石墨材料制成，提高装置的密封效果。
如图2、图3和图4所示，所述反应釜体2与反应釜壳3间设有加热装置11，加热装置11与反应釜体2套装，且与反应釜体2外壁紧密结合，可对反应釜体2均匀加热，所述加热装置11由陶瓷筒19和若干根碳纤维电加热管20组成，所述陶瓷筒19设有与碳纤维电加热管20数量相同的通孔30，所述碳纤维电加热管20均匀分布，并通过通孔30贯穿陶瓷筒19并在底部通过导线29进行串联，然后与温控仪17连接，可实现对装置长期的均匀加热。
如图2所示，所述反应釜壳3外部套有保温层12和隔温层13，所述保温层12为环形硅酸铝陶瓷纤维板，具有优良的保温性能，减少反应釜体2上的热量散失，所述隔温层13为气凝胶毡，具有优良的隔温效果。
如图2所示，所述反应釜盖1、反应釜体2和反应釜壳3均采用哈氏合金钢材质，具有优良的耐高温、耐高压和耐腐蚀性能，设计温度上限为650℃、压力为250MPa，确保装置反应釜内长期保持高温和高压状态，所述反应釜体2内腔容积为3L，直径为160mm，高度为150mm。
如图1和图2所示，所述温压控制组件包括温度控制组件和压力控制组件，所述温度控制组件由温度传感器21、温度计22和温控仪17组成，所述温控仪17与串联后的碳纤维电加热管20相连接，所述压力控制组件由压力传感器23、压力计24组成，所述温度传感器21和压力传感器23均为高灵敏度的传感器。
如图2和图3所示，所述可升降实验托盘由托盘和升降杆制成，所述托盘25和升降杆26均由耐高温、耐高压、耐腐蚀哈氏合金钢制成，托盘25上设有凹槽，便于放置岩石试件14，托盘25的直径为140mm，升降杆26固定在反应釜体2底部，升降杆26的升降高度范围为30mm～110mm。
如图3所示，所述反应釜体2一侧连接有注入管16，注入管16上设有密封性能好的注入阀15，所述注入管16和注入阀15均由耐高温、耐高压和耐腐蚀的哈氏合金钢制成。
花岗岩浸泡压力调节范围多为0～250MPa，所述反应釜盖1、反应釜体2和反应釜壳3均采用耐高温、耐高压和耐腐蚀的哈氏合金钢制成，所述反应釜体2内腔容积为3L，直径为160mm，高度为150mm，满足浸泡实验需求。
如图3所示，所述底盘18底部设有可移动组件，所述可移动组件由四根支撑柱27和四个滑轮28组成，所述支撑柱27和滑轮28均由耐高温、耐高压和耐腐蚀的哈氏合金钢制成，四根支撑柱27的顶端分别与底盘18底端连接，连接部位关于底盘18中心对称且角度相等，所述支撑柱27的底端与滑轮28连接，支撑柱27和滑轮28不仅可对反应釜起到支撑作用，而且便于反应釜的移动，增加了装置的稳定性。
设备在工作前，关闭泄压阀5；然后进行气密性检查，将反应釜盖1盖在反应釜体2上，并上紧六角螺栓8和六角螺母9，进行容器的密封；接着打开注入阀15，向反应釜内通入氮气，同时进行加热，当达到目标压力和温度后，保温、保压一定时间，稳定后，然后关闭注入阀15，打开泄压阀5，逐步降低压力至大气压。若装置气密性异常，需进行维修，直至不泄漏为止。当一切正常之后，卸掉所有压力，装置检查工作完成。
设备工作过程中，首先打开反应釜盖1，将岩石试件14放置于托盘25上，一并放入反应釜中，同时记录下试样放置位置和编号，盖上反应釜盖1并上紧六角螺栓8和六角螺母9，使用真空泵对反应釜进行抽真空，使反应釜和气体管道间形成真空环境。抽气完毕后，打开注入阀15，设定目标温度和压力。向反应釜内通入超临界态二氧化碳，当反应釜容器达到实验所需温度和压力时，保温保压稳定后，关闭注入阀18，停止通气。
在设备处于工作状态时，温度控制组件和压力控制组件时刻监控反应釜内的温度和压力，同时，反应釜盖1设有通过管道连接的安全阀4，当反应釜内存在气体堆积并且无法得到释放时，安全阀4收到信号自动打开，降低反应釜内部压力，以免由于高温高压引起装置爆炸。
设备加热过程中，加热装置11与反应釜体2套装，加热装置11内部的碳纤维电加热管20均匀分布，可对反应釜均匀加热，同时结合保温层12，保温层12与反应釜壳3紧密结合，将反应釜体2与外界相隔离，减少反应釜体2上的热量散失，提高加热、保温效果。此外，反应釜壳3外部的隔温层13将高温高压反应釜与外界相隔离。
设备浸泡花岗岩结束后，首先切断电源，停止加热，接着打开泄压阀5，逐步降低反应釜内部压力至外界环境，温度降至室温，然后逐步对称泄松六角螺栓8，打开反应釜，取出岩石试件14，立即进行岩石物理力学实验。
Claims (9)
1.一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩的实验装置，结构为反应釜盖、反应釜体、反应釜壳和温压控制组件，其特征在于：所述反应釜盖上设有安全阀、泄压阀、预留接口和圆形提手，反应釜盖与反应釜体通过六角螺栓、六角螺母和密封圈固定连接，所述反应釜体与反应釜壳间设有加热装置，反应釜壳外部套有保温层和隔温层，所述温压控制组件由温度控制组件和压力控制组件组成，反应釜体内部设有用于放置岩石试件的可升降实验托盘，反应釜体一侧连接有带注入阀的注入管，反应釜壳一端固定有温控仪，底盘底部设有可移动组件。
2.根据权利要求1所述一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置，其特征在于：所述反应釜盖上设有安全阀、泄压阀、三个预留接口和圆形提手。
3.根据权利要求1所述一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置，其特征在于：所述反应釜盖上设有八个中心对称、角度相等的贯穿式螺栓孔，反应釜体上设有配合螺栓孔的内螺纹孔，所述反应釜盖与反应釜体通过套设有六角螺栓贯穿螺栓孔和内螺栓孔，并在螺栓底部套有六角螺母；所述反应釜盖和反应釜体之间设有密封圈，所述密封圈由耐高温、耐高压和耐二氧化碳腐蚀的石墨材料制成。
4.根据权利要求1所述一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置，其特征在于：所述反应釜体与反应釜壳间设有加热装置，所述加热装置由陶瓷筒和若干根碳纤维电加热管组成，所述陶瓷筒设有与碳纤维电加热管数量相同的通孔，所述碳纤维电加热管通过通孔贯穿陶瓷筒并在底部串联，然后通过导线与温控仪连接。
5.根据权利要求1所述一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置，其特征在于：所述反应釜盖、反应釜体和反应釜壳均采用哈氏合金钢材质，设计温度上限为650℃、压力为250MPa，所述反应釜体内腔容积为3L，直径为160mm，高度为150mm。
6.根据权利要求1所述一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置，其特征在于：所述反应釜壳外部套有保温层和隔温层，所述保温层为环形硅酸铝陶瓷纤维板，所述隔温层为气凝胶毡。
7.根据权利要求1所述一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置，其特征在于：所述温压控制组件，包括温度控制组件和压力控制组件，所述温度控制组件由温度传感器、温度计和温控仪组成，所述温控仪与串联后的碳纤维电加热管连接，所述压力控制组件由压力传感器和压力计组成，所述温度传感器和压力传感器为高灵敏度的传感器。
8.根据权利要求1所述一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置，其特征在于：所述可升降实验托盘由托盘和升降杆制成，所述托盘和升降杆均由耐高温、耐高压、耐腐蚀的哈氏合金钢制成，托盘上设有凹槽，便于放置岩石试件，升降杆固定在反应釜体底部，升降杆的升降高度范围为30mm～110mm，托盘的直径为140mm。
9.根据权利要求1所述一种超临界二氧化碳浸泡花岗岩实验装置，其特征在于：所述底盘底部设有可移动组件，所述可移动组件由四根支撑柱和四个滑轮组成，所述支撑柱和滑轮均由耐高温、高压哈氏合金钢材料制成，四根支撑柱的顶端分别与底盘底端连接，连接部位关于底盘中心对称且角度相等，所述支撑柱的底端与滑轮连接。
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