CN117990555B - 一种评价岩石对超临界co2吸附效果的实验装置和实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及CO₂地质封存效果模拟实验技术领域，主要公开了一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置和实验方法，该装置通过将CO₂气瓶与注气泵连通，注气泵通过注气三通分别与着色容器和可视化反应釜连通，着色容器通过流体泵与可视化反应釜连通，着色容器上设置有染料投放口，着色容器上还设有压力检测装置和温度检测装置，可视化反应釜内设置有与注气泵和流体泵连通的分级式疏散流体穴道，可视化反应釜内质量检测装置，可视化反应釜的外部还设置有颜色检测装置、温度检测装置和压力检测装置，通过该装置及实验方法能够模拟地质温压环境条件下，实现岩石对超临界CO₂吸附效果定性和定量评价，为评价超临界CO₂地质埋存效果提供实验方案。

Description

一种评价岩石对超临界CO2吸附效果的实验装置和实验方法

技术领域

本发明涉及CO₂地质封存效果模拟实验技术领域，具体是一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置和实验方法。

背景技术

作为可实现化石能源大规模低碳利用的重要技术途径，将工业源捕集的CO₂注入至地下800~3500米深度范围内的地质构造中，进而将CO₂封存在地质体中，已成为当下研究热点，注入时CO₂一般处于超临界状态，当CO₂的温度大于31.26℃且压力大于73.8atm时，CO₂将达到超临界状态，超临界CO₂性质介于气体和液体之间，既有气体的低粘度和易扩散性，也有液体的高密度和溶解性好的特点，具有超强的流动、渗透和传递性能。超临界CO₂的地质埋存主要机理在于其与地质体发生的物理吸附与化学吸附反应。

现有技术中，中国实用新型专利CN203443958U公开了一种超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，通过将超临界CO₂注入至反应釜内，在反应釜内安装岩石，反应釜模拟地层温度、压力、咸水组分和浓度、超临界CO₂等条件，并通过反应釜内的搅拌装置搅拌混合气液加速反应过程，分析反应前后CO₂、咸水和岩石之间的水岩变化，开展二氧化碳地质封存的机理及水岩反应特征研究，进行揭示封存作用机理，评估封存潜力，指导工程选址和安全环境影响评价等方面的研究。现有技术中存在地层岩石对CO₂吸附效果难以实现定性和定量评价的问题，过去研究方式主要通过记录温度、压力变化，基于状态方程计算，进而评定岩石对二氧化碳的吸附效果，缺点在于：数据结果不够直观，难以准确实现岩石对二氧化碳吸附效果的量化评价，一方面，单纯依赖温度压力定性评价岩石对超临界二氧化碳吸附效果的干扰因素较多，如岩石的吸附反应产生热量对温度和压力变化会影响温度压力监控设备对超临界二氧化碳检测数据的准确性；另一方面，依赖状态方程定量分析超临界二氧化碳的体积变化准确性较低，因为目前对超临界二氧化碳的状态方程计算多依赖于经验公式，且经验公式并不具有普适性。

近年来，随着超临界CO₂染色技术成熟以及对于超临界CO₂性质的认识不断加深，基于超临界状态下的CO₂具有高溶解性和高扩散性等特征，将超临界CO₂和染色剂分别视为“溶液”和“溶质”，为实现有效评价超临界CO₂地质封存影响效果提供了理论基础，然而，亟需一种能够模拟地质温压环境条件下，实现岩石对超临界CO₂吸附效果定性和定量评价的实验装备。

发明内容

本发明的目的是提供了一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置和实验方法，以解决现有技术中地层岩石对CO₂封存效果难以实现定性和定量评价的问题。

实现本发明的技术方案为：

一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置，包括CO₂气瓶、注气泵、注气三通、着色容器、流体泵、可视化反应釜，所述的CO₂气瓶与注气泵连通，所述的注气泵通过注气三通分别与着色容器和可视化反应釜内部连通，CO₂气瓶用以提供气源，注气泵将CO₂气瓶的CO₂气体分别或同时注入着色容器和可视化反应釜内，所述的着色容器内部还通过流体泵与可视化反应釜内部连通，所述的着色容器上设置有供染色剂投入的可密封的染料投放口，所述的着色容器上还设有获取着色容器内部压力的压力检测装置和获取着色容器内部温度的温度检测装置，所述的着色容器外设置有控制着色容器内腔温度的加热装置，所述的可视化反应釜内设置有分级式疏散流体穴道，所述的注气泵和流体泵都与分级式疏散流体穴道连接，所述的可视化反应釜内还设置有用以控制可视化反应釜温度的加热装置，可视化反应釜内设置有检测岩石质量的质量检测装置，可视化反应釜的外部还设置有获取可视化反应釜内部流体颜色及颜色RGB数值的颜色检测装置、获取可视化反应釜内部温度的温度检测装置、获取可视化反应釜内部压力的压力检测装置。

本发明进一步的方案在于，所述的着色容器上的压力检测装置为容器压力表，着色容器内上温度检测装置为容器温度计，设置在着色容器的外部的加热装置为外侧加热套，设置在可视化反应釜内加热装置为螺旋形加热电丝，质量检测装置为质量传感器，颜色检测装置为色标传感器，可视化反应釜上的温度检测装置为反应釜温度计、可视化反应釜上的压力检测装置的为反应釜压力表。

本发明进一步的方案在于，所述的质量传感器通过质量传感器线路与质量显示设备连接，通过质量显示设备实时显示可视化反应釜内岩石的质量，所述的外侧加热套通过线路与温控设备电连接，所述的螺旋形加热电丝通过温控设备线路与温控设备电连接，通过温控设备控制外侧加热套和螺旋形加热电丝的加热温度。

所述的色标传感器为RGB颜色传感器，该RGB颜色传感器使用红、绿、蓝三种颜色的光源，将反射回来的光与RGB三原色进行比较，从而识别物体的颜色通过显示屏显示RGB值，并通过LED灯显示相应的颜色，这种传感器可以检测多种颜色的物体，且对颜色的分辨率比较高。

所述的容器温度计、容器压力表、反应釜温度计和反应釜压力表可以为可获取相应数据的数据采集传感器，容器温度计、容器压力表、反应釜温度计和反应釜压力表、质量传感器、色标传感器都与计算机数据采集系统连接，用以接收上述传感器的数据并将数据实时采集记录。

本发明进一步的方案在于，所述分级式疏散流体穴道包括穴道进口，所述穴道进口下部与一级穴道相通，所述一级穴道的底部侧面连通有四个均布的一级扩散通道，所述一级扩散通道向下连通于二级穴道，所述二级穴道的底部侧面连通有四个均布的二级扩散通道，所述二级扩散通道向下连通于三级穴道，所述三级穴道的底部侧面连通有四个均布的三级扩散通道，所述三级扩散通道向下连通于四级穴道，所述四级穴道的底部侧面连通有四个均布的四级扩散通道，所述四级扩散通道向下连通于多个流体疏散孔。分级式疏散流体穴道的各级穴道与各级扩散通道的尺寸按照递进关系依次减小，最终实现流体层流效果，使超临界二氧化碳均匀注入。

本发明进一步的方案在于，所述的注气泵包括注气泵本体、注气泵进口和注气泵出口，CO₂气瓶与注气泵进口相通，注气三通包括注气三通第一端、注气三通第二端和注气三通第三端，注气三通第一端、注气三通第二端和注气三通第三端上分别依次安装第一阀门、第二阀门和第三阀门，通过控制注气三通各个阀门开闭进而实现控制CO₂气体的注入压力，注气泵出口与注气三通第一端相通，注气三通第二端与着色容器连通，注气三通第三端与可视化反应釜连通。

本发明进一步的方案在于，所述的着色容器包括容器腔体，容器腔体内部为容器内腔，外侧加热套设置在容器腔体的外周，容器腔体上方开口处设置有可拆卸的容器上盖，所述的容器腔体的上方设置有夹层卡槽，夹层卡槽的外壁上设置有容器内嵌螺纹，所述的容器上盖的底部外周设置有容器上盖凸起螺纹，容器内嵌螺纹与容器上盖凸起螺纹啮合；所述的可视化反应釜包括反应釜腔体，反应釜腔体的内部为反应釜内腔，反应釜腔体的上方开口处设置有可拆卸的反应釜上盖，反应釜上盖包括反应釜上盖本体，所述的反应釜腔体的上方设置有夹层卡槽，夹层卡槽的外壁上设置有反应釜内嵌螺纹，所述的反应釜上盖本体的底部外周设置有反应釜上盖凸起螺纹，反应釜上盖凸起螺纹与反应釜内嵌螺纹啮合。

所述的容器腔体上方与容器上盖底部之间的内周和外周分别设置有容器内密封圈与容器外密封圈；所述的反应釜腔体上方与反应釜上盖底部之间的内周和外周分别设置有反应釜内密封圈和反应釜外密封圈，进一步实现着色容器和可视化反应釜的密封。

本发明进一步的方案在于，所述的染料投放口贯穿设置在容器上盖上，染料投放口的内部为投放通道，染料投放口的上方外周设置有通道外螺纹，密封套内部设置有密封螺纹套筒，通道外螺纹咬合密封螺纹套筒形成密封；所述的容器上盖上还设置有容器进口和出口三通，容器进口贯通于容器上盖并连通于容器内腔，注气三通第二端连通于容器进口，出口三通包括出口三通第一端、出口三通第二端和出口三通第三端，出口三通第一端连通于容器上盖，出口三通第二端连接容器压力表，用以监控容器内腔的压力，出口三通第三端上方设置有三通出口阀门，通过控制三通出口阀门的开闭实现着色超临界CO₂的输出与否；所述的容器温度计设置在容器上盖上，容器温度计用以监控容器内腔的温度，外侧加热套用以保证容器温度计达到模拟地层温度T（T≥31.26℃），即保证容器内腔中二氧化碳达到超临界温度。

本发明进一步的方案在于，所述的容器上盖中心下端固定电机，电机外周设置有电机外罩，电机外罩为圆柱状，电机驱动搅拌风扇转动，促使超临界CO₂染色剂溶解于超临界CO₂中，通过电机外罩保护电机内部原件不被CO₂腐蚀。

本发明进一步的方案在于，流体泵包括流体泵本体、流体泵进口和流体泵出口，流体泵用于驱动着色后的超临界CO₂注入可视化反应釜，出口三通第三端与流体泵进口相通。

所述的反应釜上盖本体上方设置有用于与反应釜内腔连通的五通，所述的五通包括五通第一进口、五通第二进口和五通出口，五通第一进口上方设置有五通第一阀门，五通第二进口的上方设置有五通第二阀门，五通的上方和下方分别与反应釜压力表和五通注入端连通，注气三通第三端与五通第一进口相通，流体泵出口与五通第二进口相通，五通注入端连通于反应釜上盖本体，分级式疏散流体穴道与五通注入端贯穿于反应釜上盖本体并相互连通，分级式疏散流体穴道的作用是稳定疏散着色后的超临界CO₂流体均匀注入反应釜上盖下方的反应釜腔体；所述的反应釜温度计设置在反应釜上盖本体上方，通过反应釜温度计63显示温度反应釜内腔641中在恒温加热条件下温度的动态变化。

本发明进一步的方案在于，所述的螺旋形加热电丝竖向设置在反应釜内腔中，所述的质量传感器设置在反应釜内腔的底部，所述的反应釜腔体底部设置有密封性外接通道，所述的质量传感器线路和温控设备线路通过密封性外接通道后分别与质量传感器和螺旋形加热电丝电连接。所述的可视化反应釜的底部设置有反应釜底座，所述的反应釜底座上安装有色标传感器支柱，所述的色标传感器设置在色标传感器支柱上。

通过上述技术方案，CO₂气体注入着色容器的流程为：打开第一阀门和第二阀门，CO₂气体通过注气泵驱动，依次流经注气三通第一端、注气三通第二端和容器进口，到达容器腔体。当容器压力表压力达到P₁后，关闭第一阀门和第二阀门；

CO₂气体注入可视化反应釜的流程为：打开第一阀门、第三阀门、五通第一阀门，CO₂气体通过注气泵驱动，依次流经注气三通第一端、注气三通第三端、五通第一进口、五通注入端、分级式疏散流体穴道，最后到达反应釜内腔。当反应釜压力表压力达到P₂后，关闭第一阀门、第三阀门、五通第一阀门；

本发明的一项重要指标在于保持CO₂的超临界态。即：当CO₂在注入着色容器与可视化反应釜后，应当保证CO₂处于超临界态的临界压力，基本压力关系为：P₃＞P₂≥P₁≥73.8atm，其中P₃为模拟地层压力。

可视化反应釜内实现上述功能的流程和原理为：打开三通出口阀门、五通第二阀门，着色超临界CO₂通过流体泵驱动，依次流经出口三通第三端、五通第二进口、五通注入端、分级式疏散流体穴道，最后到达反应釜内腔，着色超临界CO₂注入可视化反应釜的流程为：通过反应釜压力表监控模拟地层压力达到P₃后，停止流体泵，关闭三通出口阀门、五通第二阀门；反应釜内腔的内部环周设置有螺旋形加热电丝，通过螺旋形加热电丝提高流体加热效率，使反应釜温度计达到模拟地层温度T，其中T≥31.26℃。反应釜内腔底部中心处设置有密封性外接通道，该通道对外连通，对反应釜内腔密封，密封性外接通道上方密封固定有质量传感器，从而监测反应釜内岩石质量的动态变化。反应釜腔体底部固定于反应釜底座，反应釜底座固定有色标传感器支柱，色标传感器支柱上设置有色标传感器，色标传感器用于监测反应釜内腔中着色超临界CO₂颜色的动态变化。

着色超临界CO₂混匀与反应原理：反应釜内腔中混匀后的着色超临界CO₂颜色发生变化的原理在于：超临界CO₂具有液体的溶解能力，即超临界CO₂为溶剂，而超临界CO₂染色剂则为溶质，此外超临界CO₂具有高溶解性和高扩散性等特征，使得着色超临界CO₂易于形成均匀而稳定的分散体系。当岩石与超临界CO₂发生反应后，超临界CO₂含量现相对降低，而超临界CO₂染色剂的含量相对升高，即溶液中溶质占比相对升高，表征现象为反应釜内腔颜色加深，因此可以通过色标传感器进行识别。此外，反应过程中，也会引起岩石质量和反应釜内腔温度变化，故而会引起质量显示设备和反应釜温度计示数变化。

一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置的实验方法，包括以下步骤：

S1、卸下染料投放口的密封套，向投放通道内放入超临界CO₂染色剂后，安装密封套。将地层岩石放置于可视化反应釜的质量传感器上，再密封可视化反应釜；

S2、控制第一阀门、第二阀门、第三阀门和五通第一阀门，通过注气泵将CO₂气瓶中的CO₂气体分别注入着色容器和可视化反应釜，当容器压力表达到临界压力P₁后关闭第一阀门、第二阀门；当反应釜压力表达到临界压力P₂后关闭第三阀门和五通第一阀门；

S3、通过外侧加热套对着色容器进行加热，通过温控设备控制螺旋形加热电丝对可视化反应釜进行加热，使容器温度计和反应釜温度计达到并稳定维持在模拟地层温度T，其中T≥31.26℃，此时着色容器与可视化反应釜内CO₂达到超临界态；

S4、打开三通出口阀门、五通第二阀门，通过流体泵将着色后的超临界CO₂从着色容器注入可视化反应釜，当反应釜压力表达到模拟地层压力P₃时，关闭三通出口阀门、五通第二阀门以及流体泵，其中P₃＞P₂≥P₁≥73.8atm；通过分级式疏散流体穴道使着色后的超临界CO₂快速均匀疏散于可视化反应釜中，进而使着色后的超临界CO₂与可视化反应釜中原本存在的超临界CO₂快速均匀混合并加热；

S5、将质量显示设备清零，并开始记录反应变化：通过质量显示设备实时记录地层岩石质量动态变化，通过色标传感器实时记录反应釜内腔中混匀后的着色超临界CO₂颜色动态变化，通过反应釜温度计记录反应釜内腔中温度的实时变化，通过反应釜压力表记录反应釜内腔中压力的实时变化；基于上述监控数据，实现地层岩石对超临界CO₂吸附效果的综合表征；

S6、实验结束关闭温控设备，通过五通出口排出废弃流体。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明基于超临界CO₂染色技术走向应用，通过表征一定温度压力条件下着色超临界CO₂的颜色变化进而实现地层岩石对超临界CO₂的吸附效果定性评价。通过重量、压力、颜色的动态变化记录，综合表征岩石对超临界CO₂吸附效果，并进一步实现动态的定性和定量评价，为阶段性吸附效果评价提供可靠数据。引入岩石质量变化检测能够直观评价岩石吸附超临界二氧化碳过程中岩石质量变化，其针对的对象是岩石，通过引入颜色动态变化指标可以直观的评价试验过程中二氧化碳的变化，其有益之处还包括通过量化标准可以优化超临界态二氧化碳状态方程经验公式。

2.为实现超临界CO₂高效混匀与加热，进一步设计了分级式疏散流体穴道和螺旋形加热电丝，相对于搅拌装置，其设计为岩石、螺旋形加热电丝以及质量检测装置的设计节省了空间，此外也避免了超临界二氧化碳单通道通入对样本岩石造成的冲击，可以模拟实际的地层温压条件，结合上述动态数据分析，有利于提高对于CO₂地质埋存效率、机理以及影响等方面的认识。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置整体结构示意图；

图2为本发明三通的结构示意图；

图3为本发明着色容器的剖视图；

图4为本发明容器上盖和容器腔体接触细节图；

图5为本发明可视化反应釜的剖视图；

图6为可视化反应釜中分级式疏散流体穴道示意图；

图7为可视化反应釜中分级式疏散流体穴道具体结构示意图；

图8为可视化反应釜中分级式疏散流体穴道底部流体疏散孔示意图；

图9为实验例中可视化反应釜中温度变化曲线示意图；

图10为实验例中可视化反应釜中压力变化曲线示意图；

图11为实验例中可视化反应釜中颜色数值变化曲线示意图；

图12为实验例中可视化反应釜中质量变化曲线示意图。

附图标记：1-CO₂气瓶，2-注气泵，21-注气泵本体，22-注气泵进口，23-注气泵出口，3-注气三通，31-注气三通第一端，32-注气三通第二端，33-注气三通第三端，311-第一阀门，321-第二阀门，331-第三阀门，4-着色容器，41-容器上盖，411-上盖本体，412-容器上盖凸起螺纹，413-电机，414-电机外罩，415-搅拌风扇，42-容器腔体，421-容器内密封圈，422-容器外密封圈，423-容器内腔，424-外侧加热套，425-容器内嵌螺纹，43-容器进口，44-染料投放口，441-投放通道，442-通道外螺纹，443-密封套，444-密封螺纹套筒，45-容器温度计，46-出口三通，461-出口三通第一端，462-出口三通第二端，463-容器压力表，464-出口三通第三端，465-三通出口阀门，5-流体泵，51-流体泵本体，52-流体泵进口，53-流体泵出口，6-可视化反应釜，61-五通，611-五通第一进口，612-五通第一阀门，613-五通第二进口，614-五通第二阀门，615-反应釜压力表，616-五通出口，617-五通出口阀门，618-五通注入端，62-反应釜上盖，621-反应釜上盖本体，622-分级式疏散流体穴道，6220-穴道进口，6221-一级穴道，6222-一级扩散通道，6223-二级穴道，6224-二级扩散通道，6225-三级穴道，6226-三级扩散通道，6227-四级穴道，6228-四级扩散通道，6229-流体疏散孔，623-反应釜上盖凸起螺纹，63-反应釜温度计，64-反应釜腔体，641-反应釜内腔，642-反应釜内密封圈，643-反应釜外密封圈，644-反应釜内嵌螺纹，645-密封性外接通道，646-质量传感器，647-螺旋形加热电丝，648-质量传感器线路，649-温控设备线路，65-质量显示设备，66-温控设备，67-反应釜底座，68-色标传感器支柱，69-色标传感器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置，包括CO₂气瓶1、注气泵2、注气三通3、着色容器4、流体泵5、可视化反应釜6，所述的CO₂气瓶1与注气泵2连通，所述的注气泵2通过注气三通3分别与着色容器4和可视化反应釜6内部连通，CO₂气瓶1用以提供气源，注气泵2将CO₂气瓶1的CO₂气体分别或同时注入着色容器4和可视化反应釜6内，所述的着色容器4内部还通过流体泵5与可视化反应釜6内部连通，所述的着色容器4上设置有供染色剂投入的可密封的染料投放口44，所述的着色容器4上还设有获取着色容器4内部压力的压力检测装置和获取着色容器4内部温度的温度检测装置，所述的着色容器4外设置有控制着色容器4内部温度的加热装置，所述的可视化反应釜6内设置有分级式疏散流体穴道622，所述的注气泵2和流体泵5都与分级式疏散流体穴道622连通，所述的可视化反应釜6内还设置有用以控制可视化反应釜6温度的加热装置，可视化反应釜6内设置有检测岩石质量的质量检测装置，质量检测装置上方放置岩石，放置地层岩石是为了监控地层岩石对相应温度压力条件下的对超临界二氧化碳的吸附效果，进而实现对二氧化地质封存的定性和定量评价。可视化反应釜6的外部还设置有获取可视化反应釜6内部流体颜色及颜色RGB数值的颜色检测装置、获取可视化反应釜6内部温度的温度检测装置、获取可视化反应釜6内部压力的压力检测装置。

实现各数据采集的具体方案为，所述的着色容器4上的压力检测装置为容器压力表463，着色容器4内上温度检测装置为容器温度计45，设置在着色容器4的外部的加热装置为外侧加热套424，设置在可视化反应釜6内加热装置为螺旋形加热电丝647，质量检测装置为质量传感器646，地层岩石放置在反应釜内腔的质量传感器646上方。颜色检测装置为色标传感器69，可视化反应釜6上的温度检测装置为反应釜温度计63、可视化反应釜6上的压力检测装置的为反应釜压力表615。所述的色标传感器69为RGB颜色传感器，RGB颜色传感器为现有技术，具体型号为TCS34725颜色传感器，其结构、电路及工作原理为本领域技术人员所熟知的，该RGB颜色传感器使用红、绿、蓝三种颜色的光源，将反射回来的光与RGB三原色进行比较，从而识别物体的颜色通过显示屏显示RGB值，并通过LED灯显示相应的颜色，这种传感器可以检测多种颜色的物体，且对颜色的分辨率比较高。质量传感器646通过质量传感器线路648与质量显示设备65连接，通过质量显示设备65实时显示可视化反应釜6内岩石的质量，所述的外侧加热套424通过线路与温控设备66电连接，所述的螺旋形加热电丝647通过温控设备线路649与温控设备66电连接，通过温控设备66控制外侧加热套424和螺旋形加热电丝647的加热温度。

实现气体连通的具体方案为，如图1所示，所述的注气泵2包括注气泵本体21、注气泵进口22和注气泵出口23，CO₂气瓶1与注气泵进口22相通，如图2所示，注气三通3包括注气三通第一端31、注气三通第二端32和注气三通第三端33，注气三通第一端31、注气三通第二端32和注气三通第三端33上分别依次安装第一阀门311、第二阀门321和第三阀门331，通过控制注气三通3各个阀门开闭进而实现控制CO₂气体的注入压力，注气泵出口23与注气三通第一端31相通，注气三通第二端32与着色容器4连通，注气三通第三端33与可视化反应釜6连通。

所述的着色容器4包括容器腔体42，容器腔体42内部为容器内腔423，外侧加热套424设置在容器腔体42的外周，容器腔体42上方开口处设置有可拆卸的容器上盖41；所述的可视化反应釜6包括反应釜腔体64，反应釜腔体64的内部为反应釜内腔641，反应釜腔体64的上方开口处设置有可拆卸的反应釜上盖62，反应釜上盖62包括反应釜上盖本体621。

如图3所示，染料投放口44贯穿设置在容器上盖41上，染料投放口44的内部为投放通道441，染料投放口44的上方外周设置有通道外螺纹442，密封套443内部设置有密封螺纹套筒444，通道外螺纹442咬合密封螺纹套筒444形成密封；所述的容器上盖41上还设置有容器进口43和出口三通46，容器进口43贯通于容器上盖41并连通于容器内腔423，注气三通第二端32连通于容器进口43，出口三通46包括出口三通第一端461、出口三通第二端462和出口三通第三端464，出口三通第一端461连通于容器上盖41，出口三通第二端462连接容器压力表463，用以监控容器内腔423的压力，出口三通第三端464上方设置有三通出口阀门465，通过控制三通出口阀门465的开闭实现着色超临界CO₂的输出与否；所述的容器温度计45设置在容器上盖41上，容器温度计45用以监控容器内腔423的温度，外侧加热套424用以保证容器温度计45维持模拟地层温度T，且保证容器内腔423中二氧化碳达到超临界温度，即：T≥31.26℃。

如图1所示，流体泵5包括流体泵本体51、流体泵进口52和流体泵出口53，流体泵5用于驱动着色后的超临界CO₂注入可视化反应釜6，出口三通第三端464与流体泵进口52相通。

如图5所示，反应釜上盖本体621上方设置有用于与反应釜内腔641连通的五通61，所述的五通61包括五通第一进口611、五通第二进口613和五通出口616，五通第一进口611上方设置有五通第一阀门612，五通第二进口613的上方设置有五通第二阀门614，五通61的上方和下方分别与反应釜压力表615和五通注入端618连通，注气三通第三端33与五通第一进口611相通，流体泵出口53与五通第二进口613相通，五通注入端618连通于反应釜上盖本体621，分级式疏散流体穴道622与五通注入端618贯穿于反应釜上盖本体621并相互连通，分级式疏散流体穴道622的作用是稳定疏散着色后的超临界CO₂流体均匀注入反应釜上盖62下方的反应釜腔体64；所述的反应釜温度计63设置在反应釜上盖本体621上方，通过反应釜温度计63显示温度反应釜内腔641中在恒温加热条件下温度的动态变化。

通过上述技术方案，CO₂气体注入着色容器4的流程为：打开第一阀门311和第二阀门321，CO₂气体通过注气泵2驱动，依次流经注气三通第一端31、注气三通第二端32和容器进口43，到达容器腔体42。当容器压力表463压力达到P₁后，关闭第一阀门311和第二阀门321；

CO₂气体注入可视化反应釜6的流程为：打开第一阀门311、第三阀门331、五通第一阀门612，CO₂气体通过注气泵2驱动，依次流经注气三通第一端31、注气三通第三端33、五通第一进口611、五通注入端618、分级式疏散流体穴道622，最后到达反应釜内腔641。当反应釜压力表615压力达到P₂后，关闭第一阀门311、第三阀门331、五通第一阀门612；

本发明的一项重要指标在于保持CO₂的超临界态，且地层压力一般大于CO₂的临界压力。即：当CO₂在注入着色容器4与可视化反应釜6后，应当保证气体处于超临界态的临界压力，基本压力关系为：P₃＞P₂≥P₁≥73.8atm，其中P₃为模拟地层压力。

作为可替代方案，当可视化反应釜6中所需要模拟的P₃＞P₁且P₃较P₁差距小于3MPa时，可以同时将CO₂注入着色容器4与可视化反应釜6，以节省步骤与能源。

可视化反应釜6内实现上述功能的流程和原理为：打开三通出口阀门465、五通第二阀门614，着色超临界CO₂通过流体泵5驱动，依次流经出口三通第三端464、五通第二进口613、五通注入端618、分级式疏散流体穴道622，最后到达反应釜内腔641，着色超临界CO₂注入可视化反应釜6的流程为：通过反应釜压力表615监控模拟地层达到P₃后，停止流体泵5，关闭三通出口阀门465、五通第二阀门614；反应釜内腔641的内部环周设置有螺旋形加热电丝647，通过螺旋形加热电丝647提高流体加热效率，使反应釜温度计63达到模拟地层温度T。反应釜内腔641底部中心处设置有密封性外接通道645，该通道对外连通，对反应釜内腔641密封，密封性外接通道645上方密封固定有质量传感器646，从而监测可视化反应釜内岩石质量的动态变化。

着色超临界CO₂混匀与反应原理：反应釜内腔641中混匀后的着色超临界CO₂颜色发生变化的原理在于：超临界CO₂具有液体的溶解能力，即超临界CO₂为溶剂，而超临界CO₂染色剂则为溶质，此外超临界CO₂具有高溶解性和高扩散性等特征，使得着色超临界CO₂易于形成均匀而稳定的分散体系。当岩石与超临界CO₂发生反应后，超临界CO₂含量现相对降低，而超临界CO₂染色剂的含量相对升高，即溶液中溶质占比相对升高，表征现象为反应釜内腔641颜色加深，因此可以通过色标传感器69进行识别。此外，反应过程中，也会引起岩石质量和反应釜内腔641温度变化，故而会引起质量显示设备和反应釜温度计63示数变化。

一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置的实验方法，包括以下步骤：

S1、卸下染料投放口44的密封套443，向投放通道441内放入超临界CO₂染色剂后，安装密封套443。将地层岩石放置于可视化反应釜6的质量传感器646上；

S2、控制第一阀门311、第二阀门321、第三阀门331和五通第一阀门612，通过注气泵2将CO₂气瓶1中的CO₂气体分别注入着色容器4和可视化反应釜6，使容器压力表463达到临界压力P₁，反应釜压力表615达到临界压力P₂后，完成实验后关闭第一阀门311、第二阀门321、第三阀门331和五通第一阀门612；

S3、通过外侧加热套424对着色容器4进行加热，至容器温度计45达到模拟地层温度T，T≥31.26℃，通过螺旋形加热电丝647对可视化反应釜6对进行加热，至反应釜温度计63达到模拟地层温度T，此时着色容器4与可视化反应釜6内CO₂达到超临界态；

S4、打开三通出口阀门465、五通第二阀门614，通过流体泵5将着色后的超临界CO₂从着色容器4注入可视化反应釜6，同时通过螺旋形加热电丝647对超临界CO₂进行加热，当反应釜压力表615达到模拟地层压力P₃，其中P₃＞P₂≥P₁≥73.8atm时，关闭三通出口阀门465、五通第二阀门614以及流体泵5，利用超临界CO₂扩散性高的优势，通过分级式疏散流体穴道622和螺旋形加热电丝647使得超临界CO₂快速均匀混合并加热；

S5、待着色超临界CO₂混合均匀后，开始记录反应变化：通过质量显示设备实时记录地层岩石质量动态变化，通过色标传感器69实时记录反应釜内腔641中混匀后的着色超临界CO₂颜色动态变化，通过反应釜温度计63记录反应釜内腔641中温度的实时变化；

S6、实验结束关闭温控设备66，通过五通出口616排出废弃流体。

实施例2

本实施例以实施例1为基础，

为了实现数据的自动化采集和处理，所述的容器温度计45、容器压力表463、反应釜温度计63和反应釜压力表615可以为可获取相应数据的数据采集传感器，并结合质量传感器646、色标传感器69都与计算机数据采集系统连接，用以接收上述传感器的数据并将数据实时采集记录。

实施例3

本实施例以上述实施例为基础，

为了实现流体层流效果，使超临界二氧化碳均匀注入，本发明进一步的方案在于，如图7-8所示，所述分级式疏散流体穴道622包括穴道进口6220，所述穴道进口6220下部与一级穴道6221相通，所述一级穴道6221的底部侧面连通有四个均布的一级扩散通道6222，所述一级扩散通道6222向下连通于二级穴道6223，所述二级穴道6223的底部侧面连通有四个均布的二级扩散通道6224，所述二级扩散通道6224向下连通于三级穴道6225，所述三级穴道6225的底部侧面连通有四个均布的三级扩散通道6226，所述三级扩散通道6226向下连通于四级穴道6227，所述四级穴道6227的底部侧面连通有四个均布的四级扩散通道6228，所述四级扩散通道6228向下连通于底部均布的多个流体疏散孔6229。分级式疏散流体穴道622的各级穴道与各级扩散通道的尺寸按照递进关系依次减小。

实施例4

本实施例以上述实施例为基础，

为了实现着色容器4和可视化反应釜的可拆卸密封，本发明进一步的方案在于，如图4所示，所述的容器腔体42的上方设置有夹层卡槽，夹层卡槽的外壁上设置有容器内嵌螺纹425，所述的容器上盖41的底部外周设置有容器上盖凸起螺纹412，容器内嵌螺纹425与容器上盖凸起螺纹412啮合；如图5、图6所示，所述的反应釜腔体64的上方设置有夹层卡槽，夹层卡槽的外壁上设置有反应釜内嵌螺纹644，所述的反应釜上盖本体621的底部外周设置有反应釜上盖凸起螺纹623，反应釜上盖凸起螺纹623与反应釜内嵌螺纹644啮合。

容器腔体42上方与容器上盖41底部之间的内周和外周分别设置有容器内密封圈421与容器外密封圈422；所述的反应釜腔体64上方与反应釜上盖62底部之间的内周和外周分别设置有反应釜内密封圈642和反应釜外密封圈643，进一步实现着色容器4和可视化反应釜6的密封。

实施例5

本实施例以上述实施例为基础，

本发明的进一步的方案还在于，如图3、图5所示，容器上盖41中心下端固定电机413，电机413外周设置有电机外罩414，电机外罩414为圆柱状，电机413驱动搅拌风扇415转动，促使超临界CO₂染色剂溶解于超临界CO₂中，通过电机外罩414保护电机413内部原件不被CO₂腐蚀。

螺旋形加热电丝647竖向设置在反应釜内腔641中，所述的质量传感器646设置在反应釜内腔641的底部，所述的反应釜腔体64底部设置有密封性外接通道645，所述的质量传感器线路648和温控设备线路649通过密封性外接通道645后分别与质量传感器646和螺旋形加热电丝647电连接。

可视化反应釜6的底部设置有反应釜底座67，所述的反应釜底座67上安装有色标传感器支柱68，所述的色标传感器69设置在色标传感器支柱68上。

实验例

采用上述实验方法中的步骤，模拟地层压力P₃=51.2MPa，模拟地层温度T=101.8℃，且取P₁为10MPa，P₂=50MPa，

S1.卸下染料投放口44的密封套443，向投放通道441内放入50g红色苯胺活性基团作为超临界CO₂染色剂后，安装密封套443。将取样地层砂岩作为实验的岩石（具有多孔状结构，孔隙率为0.18））放置于可视化反应釜6的质量传感器646上，并将质量清零；

S2.控制第一阀门311、第二阀门321、第三阀门331和五通第一阀门612，通过注气泵2首先将CO₂气瓶1中的CO₂气体分别注入着色容器4，使容器压力表463达到临界压力10MPa，关闭第二阀门321；然后再注入可视化反应釜6，反应釜压力表615达到临界压力50MPa后，完成实验后关闭第一阀门311、第三阀门331和五通第一阀门612；

S3.通过外侧加热套424对着色容器4进行加热，至容器温度计45达到并维持模拟地层温度T，通过温控设备66控制螺旋形加热电丝647对可视化反应釜6对进行加热，至反应釜温度计63达到并维持模拟地层温度T，此时着色容器4与可视化反应釜6内CO₂达到超临界态；

S4.打开三通出口阀门465、五通第二阀门614，通过流体泵5将着色后的超临界CO₂从着色容器4注入可视化反应釜6，同时通过螺旋形加热电丝647对超临界CO₂进行加热，当反应釜压力表615达到模拟地层压力P₃时，关闭三通出口阀门465、五通第二阀门614以及流体泵5，利用超临界CO₂扩散性高的优势，通过分级式疏散流体穴道622和螺旋形加热电丝647使得超临界CO₂快速均匀混合并加热。

S5.待着色超临界CO₂混合均匀后，开始记录反应变化：通过质量显示设备实时记录地层岩石质量动态变化，通过色标传感器69实时记录反应釜内腔641中混匀后的着色超临界CO₂颜色动态变化，通过反应釜温度计63记录反应釜内腔641中温度的实时变化；

S6、实验结束关闭温控设备66，通过五通出口616排出废弃流体。

示例一组数据结果图9-12，其中记录时间为10小时，采用记录变量分别为温度变化、压力变化、质量变化和颜色变化。温度变化、压力变化和质量变化的测量结果分别存在波动变化不稳定、变化规律性差和个别位置数据起伏不稳定等问题，而通过该装置记录的RGB颜色变化明显规律，可以总体表征为反应先快后慢。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置，其特征在于：包括CO₂气瓶（1）、注气泵（2）、注气三通（3）、着色容器（4）、流体泵（5）、可视化反应釜（6），所述的CO₂气瓶（1）与注气泵（2）连通，所述的注气泵（2）通过注气三通（3）分别与着色容器（4）和可视化反应釜（6）内部连通，所述的着色容器（4）内部还通过流体泵（5）与可视化反应釜（6）内部连通，所述的着色容器（4）上设置有供染色剂投入的可密封的染料投放口（44），所述的着色容器（4）上还设有获取着色容器（4）内部压力的压力检测装置和获取着色容器（4）内部温度的温度检测装置，所述的着色容器（4）外设置有控制着色容器（4）内部温度的加热装置，所述的可视化反应釜（6）内设置有分级式疏散流体穴道（622），所述的注气泵（2）和流体泵（5）都与分级式疏散流体穴道（622）连接，所述的可视化反应釜（6）内还设置有用以控制可视化反应釜（6）温度的加热装置，可视化反应釜（6）内设置有检测岩石质量的质量检测装置，可视化反应釜（6）的外部还设置有获取可视化反应釜（6）内部流体颜色及颜色RGB数值的颜色检测装置、获取可视化反应釜（6）内部温度的温度检测装置和获取可视化反应釜（6）内部压力的压力检测装置。

2.根据权利要求1所述的一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置，其特征在于：所述的着色容器（4）上的压力检测装置为容器压力表（463），着色容器（4）内上温度检测装置为容器温度计（45），设置在着色容器（4）的外部的加热装置为外侧加热套（424），设置在可视化反应釜（6）内加热装置为螺旋形加热电丝（647），所述的质量检测装置为质量传感器（646），所述的颜色检测装置为色标传感器（69），所述的色标传感器（69）为RGB颜色传感器，所述的可视化反应釜（6）上的温度检测装置为反应釜温度计（63），可视化反应釜（6）上的压力检测装置的为反应釜压力表（615）。

3.根据权利要求2所述的一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置，其特征在于：所述分级式疏散流体穴道（622）包括穴道进口（6220）、多个穴道和多个扩散通道，多个穴道分级设置且自上而下尺寸依次变小，穴道进口（6220）与第一级的穴道连通，每个所述的穴道上均布有多个扩散通道，上下级之间穴道之间通过扩散通道连通，下一级穴道的个数与上一级扩散通道的个数一致，末级的扩散通道底部设置有均布的流体疏散孔（6229）。

4.根据权利要求3所述的一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置，其特征在于：所述穴道进口（6220）下部与一级穴道（6221）相通，所述一级穴道（6221）的底部侧面连通有四个均布的一级扩散通道（6222），所述一级扩散通道（6222）向下连通于二级穴道（6223），所述二级穴道（6223）的底部侧面连通有四个均布的二级扩散通道（6224），所述二级扩散通道（6224）向下连通于三级穴道（6225），所述三级穴道（6225）的底部侧面连通有四个均布的三级扩散通道（6226），所述三级扩散通道（6226）向下连通于四级穴道（6227），所述四级穴道（6227）的底部侧面连通有四个均布的四级扩散通道（6228），所述四级扩散通道（6228）向下连通于底部均布的多个流体疏散孔（6229）。

5.根据权利要求2-4任一所述的一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置，其特征在于：所述的着色容器（4）包括容器腔体（42），容器腔体（42）内部为容器内腔（423），外侧加热套（424）设置在容器腔体（42）的外周，容器腔体（42）上方开口处设置有可拆卸的容器上盖（41），容器上盖（41）与容器腔体（42）上方开口螺纹连接且设置有密封结构；

所述的可视化反应釜（6）包括反应釜腔体（64），反应釜腔体（64）的内部为反应釜内腔（641），反应釜腔体（64）的上方开口处设置有可拆卸的反应釜上盖（62），反应釜上盖（62）包括反应釜上盖本体（621），反应釜上盖本体（621）上方设置有用于与反应釜内腔（641）连通的五通（61），反应釜上盖本体（621）与反应釜腔体（64）的上方开口螺纹连接且设置有密封结构；

所述的染料投放口（44）贯穿设置在容器上盖（41）上，密封套（443）与染料投放口（44）螺纹密封连接。

6.根据权利要求5所述的一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置，其特征在于：所述的注气泵（2）包括注气泵本体（21）、注气泵进口（22）和注气泵出口（23），CO₂气瓶（1）与注气泵进口（22）相通；

注气三通（3）包括注气三通第一端（31）、注气三通第二端（32）和注气三通第三端（33），注气三通第一端（31）、注气三通第二端（32）和注气三通第三端（33）上分别依次安装第一阀门（311）、第二阀门（321）和第三阀门（331），注气泵出口（23）与注气三通第一端（31）相通，注气三通第二端（32）与着色容器（4）连通，注气三通第三端（33）与可视化反应釜（6）连通；

所述的五通（61）包括五通第一进口（611）、五通第二进口（613）和五通出口（616），五通第一进口（611）上方设置有五通第一阀门（612），五通第二进口（613）的上方设置有五通第二阀门（614），五通（61）的上方和下方分别与反应釜压力表（615）和五通注入端（618）连通，注气三通第三端（33）与五通第一进口（611）相通，五通注入端（618）连通于反应釜上盖本体（621），分级式疏散流体穴道（622）与五通注入端（618）贯穿于反应釜上盖本体（621）并相互连通，所述的反应釜温度计（63）设置在反应釜上盖本体（621）上方。

7.根据权利要求6所述的一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置，其特征在于：所述的流体泵（5）包括流体泵本体（51）、流体泵进口（52）和流体泵出口（53）；

所述的容器上盖（41）上还设置有容器进口（43）和出口三通（46），容器进口（43）贯通于容器上盖（41）并连通于容器内腔（423），注气三通第二端（32）连通于容器进口（43），出口三通（46）包括出口三通第一端（461）、出口三通第二端（462）和出口三通第三端（464），出口三通第一端（461）连通于容器上盖（41），出口三通第二端（462）连接容器压力表（463），用以监控容器内腔（423）的压力，出口三通第三端（464）上方设置有三通出口阀门（465），出口三通第三端（464）与流体泵进口（52）连通，流体泵出口（53）与五通第二进口（613）相通。

8.根据权利要求1所述的一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置，其特征在于：所述的着色容器（4）内部设置有搅拌装置，所述的搅拌装置包括设置在容器上盖（41）中心下端固定电机（413）和搅拌风扇（415），电机（413）外周设置有电机外罩（414），电机（413）驱动搅拌风扇（415）转动。

9.根据权利要求6所述的一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置，其特征在于：所述的螺旋形加热电丝（647）竖向设置在反应釜内腔（641）中，所述的质量传感器（646）设置在反应釜内腔（641）的底部，所述的反应釜腔体（64）底部设置有密封性外接通道（645），质量传感器线路（648）和温控设备线路（649）穿过密封性外接通道（645），所述的质量传感器（646）通过质量传感器线路（648）与质量显示设备（65）连接，所述的螺旋形加热电丝（647）通过温控设备线路（649）与温控设备（66）电连接，所述的外侧加热套（424）通过线路也与温控设备（66）电连接，通过温控设备（66）控制外侧加热套（424）和螺旋形加热电丝（647）的加热温度；

所述的可视化反应釜（6）的底部设置有反应釜底座（67），所述的反应釜底座（67）上安装有色标传感器支柱（68），所述的色标传感器（69）设置在色标传感器支柱（68）上。

10.一种如权利要求7-9任一所述的一种评价岩石对超临界CO₂吸附效果的实验装置的实验方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、卸下染料投放口（44）的密封套（443），向投放通道（441）内放入超临界CO₂染色剂后，安装密封套（443），将地层岩石放置于可视化反应釜（6）的质量传感器（646）上，再密封可视化反应釜（6）；

S2、控制第一阀门（311）、第二阀门（321）、第三阀门（331）和五通第一阀门（612），通过注气泵（2）将CO₂气瓶（1）中的CO₂气体分别注入着色容器（4）和可视化反应釜（6），当容器压力表（463）达到临界压力P₁后关闭第一阀门（311）、第二阀门（321）；当反应釜压力表（615）达到临界压力P₂后关闭第三阀门（331）和五通第一阀门（612）；

S3、通过外侧加热套（424）对着色容器（4）进行加热，通过温控设备（66）控制螺旋形加热电丝（647）对可视化反应釜（6）进行加热，使容器温度计（45）和反应釜温度计（63）达到并稳定维持在模拟地层温度T，其中T≥31.26℃，此时着色容器（4）与可视化反应釜（6）内CO₂达到超临界态；

S4、打开三通出口阀门（465）、五通第二阀门（614），通过流体泵（5）将着色后的超临界CO₂从着色容器（4）注入可视化反应釜（6），当反应釜压力表（615）达到模拟地层压力P₃时，关闭三通出口阀门（465）、五通第二阀门（614）以及流体泵（5），其中P₃＞P₂≥P₁≥73.8atm；通过分级式疏散流体穴道（622）使着色后的超临界CO₂快速均匀疏散于可视化反应釜（6）中，进而使着色后的超临界CO₂与可视化反应釜（6）中原本存在的超临界CO₂快速均匀混合并加热；

S5、将质量显示设备（65）清零，并开始记录反应变化：通过质量显示设备（65）实时记录地层岩石质量动态变化，通过色标传感器（69）实时记录反应釜内腔（641）中混匀后的着色超临界CO₂颜色动态变化，通过反应釜温度计（63）记录反应釜内腔（641）中温度的实时变化，通过反应釜压力表（615）记录反应釜内腔（641）中压力的实时变化；

S6、实验结束关闭温控设备（66），通过五通出口（616）排出废弃流体。