CN117130070A - 模拟co2地质封存全过程多参数监测装置、方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于CO2地质封存领域，提出一种模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置、方法及应用。研制大尺度高压釜体，模拟深度800‑3000米地质储层；研发模块化内置模型装置，开发多类型、变结构储层重塑技术，可实现各模块互相耦合。该装置采用压力釜和内置样品模型分离的设计思想，其围压、孔隙压、温度梯度和轴向载荷可以分别通过控温机构和加载机构独立控制，实现储层原位状态的还原。采用新型“热‑压‑力‑声‑光‑电”多手段联合测试方法，实现CO2地质封存储层精细刻画，构建大尺度多维度CO2地质封存模拟实验装置。为规模化CO2地质封存选址、封存量预测以及安全评价提供重要装备、方法和技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于CO2地质封存领域，涉及一种模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置、方法及在CO2封存中的应用。
背景技术
随着全球经济的快速发展和化石能源的大量消耗，温室气体排放量逐年增加，导致全球变暖并造成一系列生态环境问题。2021年我国化石能源占总能源供给的83.4％，燃烧排放CO2占总量80％以上。虽然近年来新能源，零碳能源占比有所提高，但能源绿色转型是一个长期过程。CO2捕集、利用与封存技术(Carbon dioxide Capture Utilization andStorage,CCUS)不仅是我国保障能源安全的战略选择，而且是构建生态文明和实现可持续发展的重要手段。CO2地质封存是CCUS的主要环节，也是我国应对气候变化最有效的途径之一。CO2封存过程涉及多相，多组分，多维度复杂物理化学过程，国际上通常采用物理实验装置模拟地质封存过程，通过监测模拟对象中发生的现象来揭示CO2封存机制。目前传统小型反应釜因为体积较小受到边界效应影响大，而且不能全维度地反映储层状态，所述边界效应指小尺寸反应釜内因为气水运移和热量传递的距离相对较短，因此反应速率可能更快，传质和传热效率更高；此外，小尺度反应釜的表面积相对较大，可能导致更多的表面反应和更高的表面反应速率，导致反应釜内模拟的封存状态与实际储层相差较大。与此相反，在大尺度反应釜中，由于尺寸较大，气水运移和热量传递的距离较长，需要更长的时间来达到平衡。此外，大尺度反应釜的体积较大，也会限制气水与物质的接触范围，降低反应速率。所以，构建大尺度模拟反应釜可以更真实的刻画地质封存过程中实际储层。但大尺度反应釜制造困难，使用时效性低，又很难模拟储层围压轴压全方位的压力变化。为了解决上述困难，亟需开发能够根据实际情况配合独立的功能模块，既能满足大的模拟尺度需求，又能多维度灵活模拟储层复杂地质结构，同时集成多物理场多维度探测技术、优化布置分布式传感器，准确获取模拟实验过程压力场、温度场、流场、应力场等参数，具有“热-压-力-声-光-电”多维度监测的大尺度高压反应釜装置。
发明内容
为了克服现有技术中存在的难题，本发明提出了一种模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置、方法及应用。该装置采用大尺度压力釜和内置样品模型分离的设计思想，其围压、孔隙压、温度梯度和轴向载荷分别通过控温机构和加载机构独立控制，以达到各模块互相耦合的效果。该装置能够实现储层原位应力的还原，以及采用新型“热-压-力-声-光-电”多手段联合测试方法，得到在CO2封存过程中储层内部各参数的实时变化，从多角度多维度实时评价封存储层特性，为CO2实地封存提供更加详细的理论指导。
本发明的技术方案为：
模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置，包括高压反应釜、温度控制系统、流体注入系统和多物理场探测系统；
所述温度控制系统，用于控制所述高压反应釜周围环境温度和内部温度；
所述流体注入系统，用于向所述高压反应釜内注入不同种类的流体；
所述高压反应釜，包括釜盖、釜体、围压胶桶、堵头组件；其中，釜盖盖于釜体上方，釜盖与釜体外部连接处通过卡环固定；围压胶桶为上下开口的桶状结构，置于釜体内部，围压胶桶上边沿与釜盖下端密封连接，围压胶桶下边沿与堵头组件密封连接；所述围压胶桶、堵头组件与釜体之间形成围压腔室；
所述多物理场探测系统，包括布置在釜盖、釜体、围压胶桶上的不同种类的传感器，用于实现多维度探测。
进一步地，所述堵头组件包括堵头油缸、堵头活塞总成；所述围压胶桶下边沿套于堵头油缸外周，二者密封连接；所述堵头活塞总成内置于堵头油缸上部，且外壁紧贴堵头油缸内壁密封连接，堵头活塞总成的下方与堵头油缸之间形成液压油空腔，用于充填液压油；所述堵头油缸底部装有活塞液压接口，通过轴压跟踪泵控制轴向应力加载；堵头活塞总成上设有与流体注入系统联通的管道，用于向围压胶桶内注入模拟CO2地质封存所需的流体。
进一步地，所述堵头活塞总成的上方具有空腔，空腔上方由下至上依次铺设覆盖整个围压胶桶底部截面的多孔堵板和滤板，所述多孔堵板上均匀开钻孔，用于支承内部多孔介质；所述滤板的孔径防止多孔介质从多孔堵板漏出；所述空腔内铺设加热循环管，用于地温梯度控制；空腔底部与多孔堵板之间设有支承立柱，防止填砂样品破坏加热循环管。
进一步地，所述堵头组件还包括铜套耐磨环，所述铜套耐磨环套嵌于堵头活塞总成的外壁面凹槽内，铜套耐磨环的外周设有导向凹槽，为了防止堵头活塞总成与堵头油缸相对移动时发生偏移，滤板发生偏心，导致堵头活塞总成的挡板发生卡拌。
进一步地，所述堵头活塞总成的上方空腔内设置注气立柱，所述堵头活塞总成的下方空腔内设置气体注入转接管，气体注入转接管一端连接注气立柱，另一端连接流体注入系统中的气体注入模块，用于储层内气体注入；所述堵头活塞总成的下方空腔内还设有注热循环转接管，注热循环转接管一端连接加热循环管，另一端连接控温水浴，用于地温梯度模拟和垂直温度梯度控制。
进一步地，所述气体注入转接管和注热循环转接管皆为螺旋状，防止在位移过程中对管路造成损害。
进一步地，所述堵头油缸与堵头活塞总成之间以及所述围压胶桶下边沿与堵头油缸外周之间分别通过活塞密封组件密封连接；预紧拉杆一端安装在堵头油缸上，另一端与釜盖连接，防止内置模型从内置模型翻转机构中取出时各部件掉落，所述内置模型主要包括釜盖、围压胶桶、堵头组件；所述活塞密封组件为双承托环加O形密封圈形式，用于防止液压油缸中的液压油在工作时发生泄漏；所述多孔堵板下方，围压胶桶、堵头油缸与堵头活塞总成三者围成的区域内设有U形密封圈，用于防止多孔介质漏入缝隙中。
进一步地，由于全尺寸井管在釜盖上接口较大，可进行多种功能拓展。将所述全尺寸井管替换为静力触探压头，用于标定不同程度的CO2封存后储层的贯入阻力、锥尖阻力特性；所述全尺寸井管替换为小型钻机，用于研究储层封存CO2后的钻井特性。
进一步地，所述多物理场探测系统，包括压力传感器测柱、温度传感器测柱、声偶极子传感器、电阻层析传感器、光纤传感器、围压压力传感器中的一种或多种；所述各个传感器的数据采集线缆穿过釜盖与外部的数据采集系统连接；
所述压力传感器测柱、温度传感器测柱采用“一孔多管”、“一管多线”布置方式，即所述釜盖上开设测柱孔，每一个测柱孔处插入一个密封套，内部分别装有多根压力或温度传感器导管，导管与密封套通过银焊焊接组成压力传感器测柱或温度传感器测柱，测柱与釜盖用压帽紧固连接，其中温度传感器测柱需在密封套内加注导热油脂，提高测温精度；以上设计可大幅减少传感器布置数量，减少对储层的人为破坏；同时测柱方便更换，可在反应釜密闭状态下进行随时更换。
所述光纤传感器分布式布置在围压胶桶、全尺寸井管四周，用于监测储层、井管变形以及温-压-力演化特征；
所述声偶极子传感器与模拟储层内对称分布式布置的声偶极子连接，通过声学特征变化研究流体流动过程赋存形态与分布规律；
所述围压压力传感器设置于围压跟踪泵与围压腔室之间连接的管路上，用于监测围压腔室内压力变化；
所述电阻层析传感器与多个电阻率电极连接，用于电阻率层析成像，获得CO2地质封存过程釜体内流体三维空间分布及迁移规律，实现对高压密闭釜内流体运移规律的三维成像；所述电阻率电极为一体结构分为电极片与螺柱两部分，螺柱垂直于电极片中心，电极片表面为与围压胶桶内表面等同曲率半径的弧面，且嵌入于围压胶桶内壁预先挖的孔中，保证整个围压胶桶内表面光滑平整，避免封存过程电极片对于沉积物变形、运移的影响；所述螺柱的光杆处为凹凸状密封R弧，螺柱光杆过盈插入围压胶桶，再用垫圈和螺母压紧，实现自密封避免内部沉积物及流体从电极片处泄漏；螺柱上设置接线螺母与电阻率采集仪连接。
进一步地，所述釜体密封采用自紧式密封结构，在釜盖与釜体之间的水平接触面与竖直接触面分别通过O形密封圈组和密封圈密封；耐化学介质及气体腐蚀、抗挤出、抗气爆，釜盖与釜体对正后靠釜盖自重即可装入。釜体内壁堆焊316不锈钢防腐涂层；釜体及釜盖上开孔处设有防腐套件，钻大孔镶嵌焊接316不锈钢棒材再钻小孔的方式加工，防止实验过程海水、CO2等酸性介质腐蚀。釜体外侧与釜体翻转机构连接，通过电机控制整个釜体0～180°任意角度固定，实现模拟水平、垂直以及不同角度重力场条件。
进一步地，所述温度控制系统，包括釜体控温系统与釜体外壁加装的循环水套结构连接，用于控制高压反应釜内部温度；还包括步进式低温恒温室，釜体置于其中，通过风冷系统控制整个反应釜周围环境温度。
进一步地，还包括辅助功能系统，工业行吊、气体监测装置、防爆通风装置、仪表电气控制柜、内置模型翻转机构；其中，所述工业行吊用于在釜体和内置模型翻转机构之间，转运吊装内置模型；所述气体监测装置用于检测环境中气体浓度；所述防爆通风装置用于环境通风；所述仪表电气控制柜用于集成控制所述的CO2地质封存全过程多参数监测装置整体运行；所述内置模型翻转机构用于实现内置模型在釜外完成拆卸或装配。
本发明的第二方面，应用任一所述模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置模拟CO2地质封存，监测储层内部物理参数随着封存的进行以及不同方向应力加载下的变化；包括以下步骤：
步骤1：根据天然储层物性参数的差异制备多种储层；制备储层过程中，声偶极子预埋在储层内部，预埋的高度与电阻率电极的高度一致，光纤传感器预埋在制备的储层中；
步骤2：打开温度控制系统和流体注入系统，对整个装置进行气密性检查，利用流体注入系统向反应釜内部充入氮气，直至反应釜内部压力达到目标压力；之后关闭高压反应釜上的各阀门，打开围压跟踪泵、轴压跟踪泵，还原储层原位应力条件，控制围压胶桶内外压差在1～3MPa之间，防止围压胶桶损坏观察压力的变化，压降满足0.01MPa/h说明装置气密性良好，进行后续的实验；
步骤3：将高压反应釜内部的氮气释放，利用流体注入系统向内置模型系统内部注入去离子水或多组分的不同浓度的盐溶液，维持压力保证储层中的孔隙都被去离子水所填充；之后利用流体注入系统以恒定速率向内置模型系统内部注入CO2气体直到目标压力；与此同时，使用电阻层析传感器监测储层内部电阻率的变化，以及计算CO2的溶解度；得到CO2封存初始时刻储层内部物理化学性质；保证釜内与釜外温度达到目标要求温度，使用电阻层析传感器实时监测反应釜内部CO2的运移路径以及分布规律，光纤传感器监测储层每个位置的力学变化；所述光纤传感器与所述电阻率电极高度一样，用于实时得到储层的力学特性随着CO2封存过程的变化特性；通过轴压跟踪泵监测储层轴向变形情况；
步骤4：CO2大量封存时，模型内部压降速率很大，实时调节围压，防止围压胶桶变形，待储层内部的压降小于0.05MPa/12h时，认为封存结束。
生成过程中，实时监测电阻率层析成像系统、光纤应变传感器系统、声偶极子系统变化，监测模型内部CO2分布状态与迁移行为，获得大型高压系统内CO2封存过程各相组分演化规律、气-水-砂特性、储层变形特性等重要特征。通过储层特征真实再现、模块化内置模型及样品重塑、多物理场参数原位实时多维度监测等，使得储层类型、结构特征、边界条件等精确可控，获得的实验结果与数值模拟结果可以互相验证。通过该系统获得的关键储层特征参数，更易于通过数值模拟系统放大到实际储层尺度，有效弥补了传统实验系统在尺度、储层再现度、探测手段、功能拓展性等方面的不足。
本发明的第三方面，提供了所述模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置的装配方法，包括步骤如下：
步骤1：在釜盖上布置不同类型的井以及传感器，在围压胶桶四周布置相应的传感器，检查各测点传感器安装是否牢固或遗漏，测量各测点插入深度是否满足要求；
步骤2：翻转所述釜盖将其底部朝上，将所述围压胶桶对正安装于釜盖上，向围压胶桶内逐层装填多孔介质，并按照目标要求夯实；
步骤3：填装完成后，在围压胶桶上端布置安装所述温度控制系统、流体注入系统的部分组件以及堵头组件，并将釜盖与堵头组件预紧固定形成内置模型；将内置模型再次翻转180度，使釜盖顶部朝上；
步骤4：将所述内置模型吊装到釜体内，合拢并锁紧卡环，即模拟反应釜装配结束。
本发明的有益效果为，开发了一套模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置，能够还原封存过程中真实地层的原位应力变化，同时在封存过程中，实时监测电阻率层析成像系统和光纤应变传感器系统的变化，监测模型内部CO2的分布状态与轴向应力加载过程中储层的力学变化特性。同时可以实时监测封存过程中“热-压-声-光-电”各项参数变化的装置。也可以获得不同地质环境下的CO2封存特性，为不同地区的CO2地质封存提供理论依据。从模拟真实的封存过程中面临的一系列问题。利用层析电阻率成像和光纤应变传感器对生成和封存过程中储层内部各参数进行实时监测、储层特性分析。
附图说明
图1为模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置组成示意图。
图2为模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置装配完成示意图。
图3位模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置轴向应力加载装置示意图。
图4为铜套耐磨环结构示意图。
图5为全尺寸井管结构放大示意图。
图6为电阻层析传感器结构放大示意图。
图中：1卡环；2釜盖；3防腐套件；4O形密封圈组；5釜体；6釜体内壁；7压力传感器测柱；8温度传感器测柱；9声偶极子传感器；10电阻层析传感器；11光纤传感器；12电阻率电极；13声偶极子；14围压胶桶；15密封圈；16围压跟踪泵；17围压压力传感器；18堵头组件；19滤板；20多孔堵板；21气体注入转接管；22支承立柱；23注热循环转接管；24活塞密封组件；25铜套耐磨环；26加热循环管；27注气立柱；28堵头活塞总成；29液压油空腔；30堵头油缸；31U形密封圈；32导向凹槽；33活塞液压接口；34轴压跟踪泵；35步进式低温恒温室；36釜体控温系统；37气体注入模块；38液体注入模块；39水平井；40垂直井；41全尺寸井管；42气体回收装置；43三相分离器；44井孔；45高压内窥成像系统；46沉砂高度检测装置；47螺柱；48凹凸状密封R弧；49垫圈；50压紧螺母；51接线螺母；52工业行吊；53气体监测装置；54防爆通风装置；55仪表电气控制柜；56内置模型翻转机构；57釜体翻转机构；58预紧拉杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
如图2所示，模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置，包括高压反应釜、温度控制系统、流体注入系统、模拟封存系统和多物理场探测系统；
所述温度控制系统，用于控制所述高压反应釜周围环境温度和内部温度；所述温度控制系统，包括釜体控温系统36与釜体5外壁加装的循环水套结构连接，用于控制高压反应釜内部温度；还包括步进式低温恒温室35，釜体5置于其中，通过风冷系统控制整个反应釜周围环境温度。
所述流体注入系统，用于向所述高压反应釜内注入不同种类的流体；以模拟不同组分环境对CO2封存效率的影响。
所述高压反应釜，包括釜盖2、釜体5、围压胶桶14、堵头组件18；其中，釜盖2盖于釜体5上方，釜盖2与釜体5外部连接处通过卡环1固定；围压胶桶14为上下开口的桶状结构，置于釜体5内部，围压胶桶14上边沿与釜盖2下端密封连接，围压胶桶14下边沿与堵头组件18密封连接；所述围压胶桶14可根据实验要求采用模块化安装方案，具有圆柱形、立方体、扇柱形等多种形状，分别与釜盖上对应的凸台进行密封配合。所述围压胶桶14、堵头组件18与釜体5之间形成围压腔室；所述釜体采用单层厚壁圆柱形筒体容器结构，耐压35MPa，模拟3500米水深的储层。所述釜体5采用高强度合金钢20MnMoNbIV，抗拉强度530～700σb/MPa，内腔尺寸为φ800×1500mm。自带制冷系统，制冷速率为4小时内可以使高压反应器从室温降低至-20℃；反应釜为立式安装形式，釜底可用于底座联接支承，故釜体与圆柱形筒体为整体式结构。
所述多物理场探测系统，包括布置在釜盖2、釜体5、围压胶桶14上的不同种类的传感器，用于实现多维度探测。
还包括辅助功能系统，工业行吊52、气体监测装置53、防爆通风装置54、仪表电气控制柜55、内置模型翻转机构56；其中，所述工业行吊52用于在釜体5和内置模型翻转机构56之间，转运吊装内置模型；所述气体监测装置53用于检测环境中气体浓度；所述防爆通风装置54用于环境通风；所述仪表电气控制柜55用于集成控制地CO2地质封存全过程多参数监测装置整体运行；所述内置模型翻转机构56用于实现内置模型在釜外完成拆卸或装配。
所述釜体密封采用自紧式密封结构，在釜盖2与釜体5之间的水平接触面与竖直接触面分别通过O形密封圈组4和密封圈15密封；釜体内壁6堆焊316不锈钢防腐涂层；釜体及釜盖上开孔处设有防腐套件3；釜体5外侧与釜体翻转机构57连接，通过电机控制整个釜体0～180°任意角度固定，实现模拟水平、垂直以及不同角度重力场条件。
如图3所示，所述堵头组件18包括堵头油缸30、堵头活塞总成28；所述围压胶桶14下边沿套于堵头油缸30外周，二者密封连接；所述堵头活塞总成28内置于堵头油缸30上部，且外壁紧贴堵头油缸30内壁密封连接，堵头活塞总成28的下方与堵头油缸30之间形成液压油空腔29，用于充填液压油；所述堵头油缸30底部装有活塞液压接口33，通过轴压跟踪泵34控制轴向应力加载；堵头活塞总成28上设有与流体注入系统联通的管道，用于向围压胶桶14内注入CO2地质封存所需的流体。
所述堵头活塞总成28的上方具有空腔，空腔上方由下至上依次铺设覆盖整个围压胶桶14底部截面的多孔堵板20和滤板19；多孔堵板上均匀开孔，通过注气立柱27向围压胶筒内部注入气体，防止多孔介质从多孔堵板20漏出，在多孔堵板上安装不锈钢烧结滤板19；所述空腔内铺设加热循环管26，用于模拟地温梯度的同时形成下伏气空间；地温梯度模拟垂直温度梯度控制：最大温差5℃，控温精度±0.5℃；本装置还可做地温梯度模拟实验，在内置模型系统顶部加装温控加热盘管或者在填砂作业时在物理模型中间预埋温控加热盘管，实现上中下三层控温模式；空腔底部与多孔堵板20之间设有支承立柱22，防止填砂样品破坏加热循环管。所述堵头组件18还包括铜套耐磨环25，所述铜套耐磨环25套嵌于堵头活塞总成28的外壁面凹槽内，如图4所示，铜套耐磨环25的外周设有导向凹槽32，为了防止堵头活塞总成28与堵头油缸30相对移动时发生偏移。
所述堵头活塞总成28的上方空腔内设置注气立柱27，所述堵头活塞总成28的下方空腔内设置气体注入转接管21，气体注入转接管21一端连接注气立柱27，另一端连接流体注入系统中的气体注入模块37，用于储层内气体注入；所述堵头活塞总成28的下方空腔内还设有注热循环转接管23，注热循环转接管23一端连接加热循环管26，另一端连接控温水浴，用于地温梯度模拟和垂直温度梯度控制。所述气体注入转接管21和注热循环转接管23皆为螺旋状，防止在位移过程中对管路造成损害。
由此可见所述堵头组件18有模拟地层温度梯度、轴向应力加载两个主要的功能；
所述堵头油缸30与堵头活塞总成28之间以及所述围压胶桶14下边沿与堵头油缸30外周之间分别通过活塞密封组件24密封连接；预紧拉杆58一端安装在堵头油缸30上，另一端与釜盖2连接，防止内置模型从内置模型翻转机构56中取出时各部件掉落，所述内置模型主要包括釜盖2、围压胶桶14、堵头组件18；所述活塞密封组件24为双承托环加O形密封圈形式，用于防止液压油缸中的液压油在工作时发生泄漏；所述多孔堵板20下方，围压胶桶14、堵头油缸30与堵头活塞总成28三者围成的区域内设有U形密封圈31，用于防止砂粒泄露入缝隙中。定期清理U形密封圈31凹槽中的微粒。
向内置模型内部充气过程中，为了防止围压胶桶14发生变形；充气之前应该先注入围压，注入围压的压力要高于注气压力的1～3MPa，注入同时使用围压跟踪泵16调节围压大小；
所述轴向加载压力是以液压加载压力大于内置模型内部的实验压差决定的。轴向应力加载衡量指标：
轴向加载压差指标：ΔP轴＝P液压-P试验
轴向加载推力指标：
式中单位：F-N，P-MPa，D-mm
轴向应力加载衡量指标计算实例，按照内置模型内部最大压力30MPa计算，P液压＝31MPa：以上式计算轴向压力大约为301907N，约30806Kgf。内置模型中填充石英砂，密度大约为2.5g/cm3计算，重量为995Kg。加上最大孔隙水393Kg的重量。内置模型中最大的重量为1388Kg。远小于1MPa压差产生的推力，可以实现轴向应力的加载。
所述多物理场探测系统，包括压力传感器测柱7、温度传感器测柱8、声偶极子传感器9、电阻层析传感器10、光纤传感器11、围压压力传感器17中的一种或多种；所述各个传感器的数据采集线缆穿过釜盖2与外部的数据采集系统连接；
所述釜盖2上开设测柱孔，每一个测柱孔处插入一个密封套，内部分别装有多根压力或温度传感器导管，导管与密封套通过银焊焊接组成压力传感器测柱7或温度传感器测柱8，测柱与釜盖用压帽紧固连接，其中温度传感器测柱8需在密封套内加注导热油脂，提高测温精度；
所述压力传感器测柱7，纵向垂直伸入沉积层面布置，结构为测管式组件，插入模型3个层面，分别内置模型内部顶壁300mm、600mm、900mm；压力测试柱设计为“一孔三管”组件，密封套插入3根压力导管，各压力导管头部包裹筛网用螺纹固定；压力测柱与釜盖用M27×2压帽紧固联接。
所述温度传感器测柱8，采用集成套装的形式，4个PT100A级温度传感器按照不同高度装入1根316不锈钢φ10mm钢管中，测量内置模型中不同位置的温度；套装管中插入温度传感器之前，填入导热油或者导热脂，使其能更加精确的测量储层内部的温度值；套装管内的温度传感器插入模型4个层面，分别距物理模型顶部150mm、450mm、750mm、1050mm；本实施例共装有12根套装温度测柱，共12×4＝48路温度数据；分别以平顶釜盖的轴线为中心，距离分别为200mm矩阵式排列；套装管表面喷涂绝热源涂层，并做表面粗糙化处理，防止气液沿壁串流、热量损失；表面的绝缘涂料减少金属对电阻率成像的影响。
所述光纤传感器11分布式布置在围压胶桶14、全尺寸井管41四周，用于监测储层、井管变形；所述光纤传感器11，用于监测CO2生成过程中储层和全尺寸井管41的变形检测；制备储层时把光纤传感器布置在储层内部和全尺寸井管41上，监测实时封存过程中储层内部以及全尺寸井管受到的应力；模拟CO2地质封存的同时向液压油管注入液压油，堵头活塞总成28在压差的作用下会沿着导向凹槽32位移，对内置模型系统中形成一个轴向压力；通过光纤传感器11检测储层内部和全尺寸井管41的形变问题；所述电阻率电极12用于监测CO2封存程度；
所述声偶极子传感器9与模拟储层内对称分布式布置的声偶极子13连接，通过声学特征变化研究流体流动过程赋存形态与分布规律；
所述围压压力传感器17设置于围压跟踪泵16与围压腔室之间连接的管路上，用于监测围压腔室内压力变化；
所述电阻层析传感器10与多个电阻率电极12连接，用于电阻率层析成像；所述电阻率电极12为一体结构分为电极片与螺柱47两部分，螺柱垂直于电极片中心，电极片表面为与围压胶桶14内表面等同曲率半径的弧面，且嵌入于围压胶桶14内壁预先挖的孔中，保证整个围压胶桶14内表面光滑平整，避免封存过程电极片对于沉积物变形、运移的影响；电极直接与胶桶内的储层紧密接触，避免电信号在高压金属釜体内绕流。所述螺柱的光杆处为凹凸状密封R弧48，螺柱光杆过盈插入围压胶桶14，再用垫圈49和螺母50压紧，实现自密封避免内部沉积物及流体从电极片处泄漏；螺柱上设置接线螺母51与电阻率采集仪连接。在胶桶垂直方向分8层布置，每层16个电极；电极可根据所测试介质的阻值调整电极板尺寸，测量时，将固定电流注入其中一个电极，获得其与其他15个电极间的电信号，测量沿循环序列旋转，每个片层共可获得120个切片数据，8个片层共960个片层数据，通过对干岩心、饱和盐水岩心、不同含水率岩心等进行基础电阻率标定，形成电阻率数据解析与反演算法，获得CO2地质封存过程中釜体内流体三维空间分布及迁移规律，实现对高压密闭釜内流体运移规律的三维成像。
所述模拟封存系统包括垂直井40、水平井39、全尺寸井管41；其中，釜盖2中间装有全尺寸井管41，包括全尺寸井管，以及高压内窥成像系统45、沉砂高度检测系统46、加热循环管中的一种或多种；所述全尺寸井管井壁上开设井孔44，全尺寸井管下方设有排水孔，用于排出井内多余的水分，排水口处包裹不锈钢筛网，用于防止排水时出砂损伤管阀件，排水口处还安装阻尼盘管，用于釜内高压排水时稳流不易喷射；所述加热循环管置于全尺寸井管内，用于防止模拟低温高压封存CO2时井筒内部生成水合物，影响井筒内照明及观测；所述高压内窥成像系统45置于全尺寸井管内，用于观测井管内多孔介质流入情况；沉砂高度检测系统46置于全尺寸井管底部，用于监测全尺寸井管内多孔介质的堆积程度；所述垂直井40、水平井39在釜体5内部分别按照垂直于釜盖2和垂直于釜体5壁面布设；所述垂直井40、水平井39可以通过外接管路与液体注入模块38连接。储层制备时，所述全尺寸井管41四周也布置光纤传感器11，用于监测井管变形；所述模拟封存系统中，产气出口加装三相分离器43和气体回收装置42对尾气进行处理。
所述水平井39与垂直井40，可以进行垂直井、水平井多井模拟。满足反五点、七点、九点多井的CO2以及不同的流体注入方式的模拟；从内置的物理模型优选四层每层高度等分300mm，垂直井网按方形布置，安装在连接内置物理模型的高压反应釜平顶盖上；深入模型内部的垂直井共为9组，水平井网按方形布置。
所述流体注入系统包括气体注入模块37、液体注入模块38；气体注入模块主要由气源气瓶组、空压机、增压泵、高压缓冲罐、压力调节器、气体过滤器、气体流量计、管线等组成；注气模块可以为整个反应釜内置模型提供稳定压力与流量的CO2，置换时向反应釜定量注入稳定压力与流量置换气体如CO2等；所述液体注入模块38，主要由液体容器、电子磅秤、高压注入泵、加热容器、压力表及压力传感器、温度传感器、安全阀、过滤器、截止阀、管线等组成；用于向反应釜内置模型定量注入液体，满足不同流体注入的需求。
将所述全尺寸井管替换为静力触探压头，用于标定封存后储层的贯入阻力、锥尖阻力特性；或者将所述全尺寸井管替换为小型钻机，用于研究CO2封存后储层的钻井特性。
实施例2：
所述模拟CO2地质封存，监测储层内部物理参数随着封存的进行以及不同方向应力加载下的变化；包括以下步骤：
步骤1：根据天然储层物性参数的差异制备多种储层；制备储层过程中，声偶极子预埋在储层内部，预埋的高度与电阻率电极的高度一致，光纤传感器布置在全尺寸井管上；
步骤2：打开温度控制系统和流体注入系统，对整个装置进行气密性检查，利用流体注入系统向反应釜内部充入氮气，直至反应釜内部压力达到目标压力；之后关闭高压反应釜上的各阀门，打开围压跟踪泵、轴压跟踪泵，还原储层原位应力条件，控制围压胶桶14内外压差在1～3MPa之间，防止围压胶桶14损坏观察压力的变化，压降满足0.01MPa/h说明装置气密性良好，进行后续的实验；
步骤3：将高压反应釜内部的氮气释放，利用流体注入系统向内置模型系统内部注入去离子水或多组分的不同浓度的盐溶液，维持压力保证储层中的孔隙都被去离子水所填充；之后利用流体注入系统以恒定速率向内置模型系统内部注入CO2气体直到目标压力；与此同时，使用电阻层析传感器10监测储层内部电阻率的变化，以及计算CO2的溶解度；得到储层初始的物理化学性质；保证釜内与釜外温度达到目标要求温度，使用电阻层析传感器10实时监测反应釜内部CO2的三维分布状态，光纤传感器11监测储层每个位置的力学变化；所述光纤传感器与所述电阻率电极高度一样，用于实时得到储层的力学特性随着封存过程的变化特性；通过轴压跟踪泵34监测储层轴向变形情况；
步骤4：CO2大量封存过程中，模型内部压降速率很大，实时调节围压，防止围压胶桶14变形，待储层内部的压降小于0.05MPa/12h时，认为封存过程结束。
生成过程中，实时监测电阻率层析成像系统、光纤应变传感器系统、声偶极子系统变化，监测模型内部CO2封存量与轴向应力加载过程中储层的力学变化特性，获得大型反应系统内CO2封存过程各相组分演化规律、气-水-砂特性、储层变形特性等重要特征，通过储层特征真实再现、模块化内置模型及样品重塑、多物理场参数原位实时多维度监测等，使得储层类型、结构特征、边界条件等精确可控，与数值模拟系统保持一致，获得的实验结果与数值模拟结果可以互相验证，通过该系统获得的关键储层特征参数，更易于通过数值模拟系统放大到实际储层尺度，有效弥补了传统实验系统在尺度、储层再现度、探测手段、功能拓展性等方面的不足。
实施例3：
提供了所述CO2地质封存全过程多参数监测装置的装配方法，包括步骤如下：
步骤1：在釜盖2上布置不同类型的井以及传感器，在围压胶桶14四周布置相应的传感器，检查各测点传感器安装是否牢固或遗漏，测量各测点插入深度是否满足要求；其中，将电阻率测点通过螺柱47等配件固定在围压胶桶14上，共128个测点，放置待用。
步骤2：釜盖2安装检查合格后，将内置模型翻转机构56旋转180°倒立，即釜盖2至下方，并锁紧安全定位销。吊装围压胶桶14，对正安装于釜盖上。开始逐层装填多孔介质，并按照实验要求夯实。装填过程中根据设计要求依次从胶桶预留的水平井孔插入水平井39，每层3根，外露端与卡套接头连接引出至釜盖外部。同时按照设计高度预埋声偶极子传感器9。
步骤3：填装完成后，在围压胶桶14上端布置安装所述温度控制系统、流体注入系统的部分组件以及堵头组件18，其中，依次装入不锈钢烧结滤板19、多孔堵板20、堵头组件18。围压胶桶14外围安装光纤应变传感器，并用高压多芯水密连接器转接，引出釜盖外面。16根预紧拉杆58将釜盖2和堵头组件18连接，预紧固定形成内置模型；连接各类传感器信号引出线，注气管路，以及地温模拟加热循环管，并利用平顶釜盖2转接于釜外。拆掉定位销，将内置模型再次翻转180度，使釜盖2顶部朝上，再插入定位销轴。检查各信号线、气/液管线连接是否牢固或遗漏，并试压检漏，准备吊装。
步骤4：将釜盖卡环1开口打至最大，开动工业行吊52，对反应釜将内置模型组装于反应釜内。合拢卡环，用螺栓将卡环锁紧，即模拟反应釜装配结束。连接釜外井管、压力传感器、声偶极子、温度传感器信号线等，进入下一步实验阶段。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (13)
1.模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置，其特征在于，包括高压反应釜、温度控制系统、流体注入系统和多物理场探测系统；
所述温度控制系统，用于控制所述高压反应釜周围环境温度和内部温度；
所述流体注入系统，用于向所述高压反应釜内注入不同种类的流体；
所述高压反应釜，包括釜盖(2)、釜体(5)、围压胶桶(14)、堵头组件(18)；其中，釜盖(2)盖于釜体(5)上方，釜盖(2)与釜体(5)外部连接处通过卡环(1)固定；围压胶桶(14)为上下开口的桶状结构，置于釜体(5)内部，围压胶桶(14)上边沿与釜盖(2)下端密封连接，围压胶桶(14)下边沿与堵头组件(18)密封连接；所述围压胶桶(14)、堵头组件(18)与釜体(5)之间形成围压腔室；
所述多物理场探测系统，包括布置在釜盖(2)、釜体(5)、围压胶桶(14)上的不同种类的传感器，用于实现多维度探测。
2.根据权利要求1所述的模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置，其特征在于，所述堵头组件(18)包括堵头油缸(30)、堵头活塞总成(28)；所述围压胶桶(14)下边沿套于堵头油缸(30)外周，二者密封连接；所述堵头活塞总成(28)内置于堵头油缸(30)上部，且外壁紧贴堵头油缸(30)内壁密封连接，堵头活塞总成(28)的下方与堵头油缸(30)之间形成液压油空腔(29)，用于充填液压油；所述堵头油缸(30)底部装有活塞液压接口(33)，通过轴压跟踪泵(34)控制轴向应力加载；堵头活塞总成(28)上设有与流体注入系统联通的管道，用于向围压胶桶(14)内注入模拟CO2地质封存所需的流体。
3.根据权利要求2所述的模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置，其特征在于，所述堵头活塞总成(28)的上方具有空腔，空腔上方由下至上依次铺设覆盖整个围压胶桶(14)底部截面的多孔堵板(20)和滤板(19)；所述多孔堵板(20)上均匀开钻孔，用于支撑内部多孔介质；所述滤板(19)的孔径防止多孔介质从多孔堵板漏出；所述空腔内铺设加热循环管(26)，用于地温梯度控制；空腔底部与多孔堵板(20)之间设有支承立柱(22)，防止填砂样品破坏加热循环管。
4.根据权利要求3所述的模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置，其特征在于，所述堵头组件(18)还包括铜套耐磨环(25)，所述铜套耐磨环(25)套嵌于堵头活塞总成(28)的外壁面凹槽内，铜套耐磨环(25)的外周设有导向凹槽(32)，为了防止堵头活塞总成(28)与堵头油缸(30)相对移动时发生偏移。
5.根据权利要求3所述的模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置，其特征在于，所述堵头活塞总成(28)的上方空腔内设置注气立柱(27)，所述堵头活塞总成(28)的下方空腔内设置气体注入转接管(21)，气体注入转接管(21)一端连接注气立柱(27)，另一端连接流体注入系统中的气体注入模块(37)，用于储层内气体注入；所述堵头活塞总成(28)的下方空腔内还设有注热循环转接管(23)，注热循环转接管(23)一端连接加热循环管(26)，另一端连接控温水浴，用于地温梯度模拟和垂直温度梯度控制；所述气体注入转接管(21)和注热循环转接管(23)皆为螺旋状，防止在位移过程中对管路造成损害。
6.根据权利要求5所述的模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置，其特征在于，所述多物理场探测系统，包括压力传感器测柱(7)、温度传感器测柱(8)、声偶极子传感器(9)、电阻层析传感器(10)、光纤传感器(11)、围压压力传感器(17)中的一种或多种；所述各个传感器的数据采集线缆穿过釜盖(2)与外部的数据采集系统连接；
所述釜盖(2)上开设测柱孔，每一个测柱孔处插入一个密封套，内部分别装有多根压力或温度传感器导管，导管与密封套通过银焊焊接组成压力传感器测柱(7)或温度传感器测柱(8)，测柱与釜盖用压帽紧固连接，其中温度传感器测柱(8)需在密封套内加注导热油脂，提高测温精度；
所述光纤传感器(11)分布式布置在围压胶桶(14)四周，用于监测储层变形；
所述声偶极子传感器(9)与模拟储层内对称分布式布置的声偶极子(13)连接，通过声学特征变化研究流体流动过程赋存形态与分布规律；
所述围压压力传感器(17)设置于围压跟踪泵(16)与围压腔室之间连接的管路上，用于监测围压腔室内压力变化；
所述电阻层析传感器(10)与多个电阻率电极(12)连接，用于电阻率层析成像；所述电阻率电极(12)为一体结构分为电极片与螺柱(47)两部分，螺柱垂直于电极片中心，电极片表面为与围压胶桶(14)内表面等同曲率半径的弧面，且嵌入于围压胶桶(14)内壁预先挖的凹槽中，保证整个围压胶桶(14)内表面光滑平整，避免封存过程电极片对于沉积物变形、运移的影响；所述螺柱的光杆处为凹凸状密封R弧(48)，螺柱光杆过盈插入围压胶桶(14)，再用垫圈(49)和螺母(50)压紧，实现自密封避免内部沉积物及流体从电极片处泄漏；螺柱上设置接线螺母(51)与电阻率采集仪连接。
7.根据权利要求1所述的模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置，其特征在于，所述釜体密封采用自紧式密封结构，在釜盖(2)与釜体(5)之间的水平接触面与竖直接触面分别通过O形密封圈组(4)和密封圈(15)密封；釜体内壁(6)堆焊316不锈钢防腐涂层；釜体及釜盖上开孔处设有防腐套件(3)；釜体(5)外侧与釜体翻转机构(57)连接，通过电机控制整个釜体0～180°任意角度固定，实现模拟水平、垂直以及不同角度重力场条件。
8.根据权利要求1所述的模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置，其特征在于，所述温度控制系统，包括釜体控温系统(36)与釜体(5)外壁加装的循环水套结构连接，用于控制高压反应釜内部温度；还包括步进式低温恒温室(35)，釜体(5)置于其中，通过风冷系统控制整个反应釜周围环境温度。
9.根据权利要求1所述的模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置，其特征在于，还包括辅助功能系统，工业行吊(52)、气体监测装置(53)、防爆通风装置(54)、仪表电气控制柜(55)、内置模型翻转机构(56)；其中，所述工业行吊(52)用于在釜体(5)和内置模型翻转机构(56)之间，转运吊装内置模型；所述气体监测装置(53)用于检测环境中气体浓度；所述防爆通风装置(54)用于环境通风；所述仪表电气控制柜(55)用于集成控制所述的CO2地质封存全过程多参数监测装置整体运行；所述内置模型翻转机构(56)用于实现内置模型在釜外完成拆卸或装配。
10.根据权利要求4所述的模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置，其特征在于，所述堵头油缸(30)与堵头活塞总成(28)之间以及所述围压胶桶(14)下边沿与堵头油缸(30)外周之间分别通过活塞密封组件(24)密封连接；预紧拉杆(58)一端安装在堵头油缸(30)上，另一端与釜盖(2)连接，防止内置模型从内置模型翻转机构(56)中取出时各部件掉落，所述内置模型主要包括釜盖(2)、围压胶桶(14)、堵头组件(18)；所述活塞密封组件(24)为双承托环加O形密封圈形式，用于防止液压油缸中的液压油在工作时发生泄漏；所述多孔堵板(20)下方，围压胶桶(14)、堵头油缸(30)与堵头活塞总成(28)三者围成的区域内设有U形密封圈(31)，用于防止多孔介质漏入缝隙中。
11.根据权利要求1所述的模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置，其特征在于，该装置还包括模拟不同类型井网注入情况，所述模拟封存系统包括垂直井(40)、水平井(39)、全尺寸井管(41)；其中，釜盖(2)中间装有全尺寸井管(41)，包括全尺寸井管，以及高压内窥成像系统(45)、沉砂高度检测系统(46)、加热循环管中的一种或多种；所述全尺寸井管井壁上开设井孔(44)，全尺寸井管下方设有排水孔，用于排出井内多余的水分，排水口处包裹不锈钢筛网，用于防止排水时出砂损伤管阀件，排水口处还安装阻尼盘管，用于釜内高压排水时稳流不易喷射；所述加热循环管置于全尺寸井管内，用于防止模拟低温高压封存时井筒内生成水合物，影响井筒内照明及观测；所述高压内窥成像系统(45)置于全尺寸井管内，用于观测井管内多孔介质流入情况；沉砂高度检测系统(46)置于全尺寸井管底部，用于监测全尺寸井管内多孔介质的堆积程度；所述垂直井(40)、水平井(39)在釜体(5)内部分别按照垂直于釜盖(2)和垂直于釜体(5)壁面布设；所述垂直井(40)、水平井(39)可以通过外接管路与液体注入模块(38)连接；所述全尺寸井管(41)四周也布置光纤传感器(11)，用于监测井管变形；所述模拟封存系统中，产气出口加装三相分离器(43)和气体回收装置(42)对尾气进行处理。
12.权利要求1-11任一所述模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置的装配方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1：在釜盖(2)上布置不同类型的注入井以及传感器，在围压胶桶(14)四周布置相应的传感器，检查各测点传感器安装是否牢固或遗漏，测量各测点插入深度是否满足要求；
步骤2：翻转所述釜盖(2)将其底部朝上，将所述围压胶桶(14)对正安装于釜盖(2)上，向围压胶桶(14)内逐层装填多孔介质，并按照目标要求夯实；
步骤3：填装完成后，在围压胶桶(14)上端布置安装所述温度控制系统、流体注入系统的部分组件以及堵头组件(18)，并将釜盖(2)与堵头组件(18)预紧固定形成内置模型；将内置模型再次翻转180度，使釜盖(2)顶部朝上；
步骤4：将所述内置模型吊装到釜体(5)内，合拢并锁紧卡环(1)，即模拟反应釜装配结束。
13.应用权利要求1-11任一所述模拟CO2地质封存全过程多参数监测装置模拟CO2地质封存，监测储层内部物理参数随着CO2封存的进行以及不同方向应力加载下的变化；其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据天然储层物性参数的差异制备储层；制备储层过程中，声偶极子预埋在储层内部，预埋的高度与电阻率电极的高度一致，光纤传感器预埋在制备的储层中；
步骤2：打开温度控制系统和流体注入系统，对整个装置进行气密性检查，利用流体注入系统向反应釜内部充入氮气，直至反应釜内部压力达到目标压力；之后关闭高压反应釜上的各阀门，打开围压跟踪泵、轴压跟踪泵，还原储层原位应力条件，控制围压胶桶(14)内外压差在1～3MPa之间，防止围压胶桶(14)损坏。观察压力的变化，压降满足0.01MPa/h说明装置气密性良好，进行后续的实验；
步骤3：将高压反应釜内部的氮气释放，利用流体注入系统向内置模型系统内部注入去离子水或多组分的不同浓度的盐溶液，维持压力保证储层中的孔隙都被去离子水所填充；之后利用流体注入系统以恒定速率向内置模型系统内部注入CO2气体直到目标压力；与此同时，使用电阻层析传感器(10)监测储层内部电阻率的变化，以及计算CO2的溶解度；得到CO2封存初始时刻储层内部物理化学性质的变化情况；保证釜内与釜外温度达到目标要求温度，使用电阻层析传感器(10)实时监测反应釜内部的CO2的运移路径以及分布规律，光纤传感器(11)监测储层每个位置的力学变化；所述光纤传感器与所述电阻率电极高度一样，用于实时得到储层的力学特性随着封存过程的变化特性；通过轴压跟踪泵(34)监测储层轴向变形情况；
步骤4：实时调节围压，防止围压胶桶(14)变形，待储层内部的压降小于0.05MPa/12h时，认为封存完成。
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