CN203443958U

CN203443958U - 一种超临界co2-水-岩石反应实验装置

Info

Publication number: CN203443958U
Application number: CN201320545160.5U
Authority: CN
Inventors: 陈昌照; 王万福; 李兴春; 陈宏坤; 候岳; 唐丹; 阳波
Original assignee: China Petroleum and Natural Gas Co Ltd
Current assignee: China Petroleum and Natural Gas Co Ltd
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2023-09-03

Abstract

本实用新型提供了一种超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，该超临界CO₂-水-岩石反应实验装置包括反应釜，反应釜内设有搅拌装置，反应釜上部设有进液口、取样口以及排气口，反应釜底部设有排液口；进液口通过管路依次串接CO₂入口阀、活塞容器、中间容器、CO₂气瓶，其中所述活塞容器与中间容器置于CO₂冷却液化装置中；取样口通过管路依次串接取样阀、取样室，其中取样室连接设置手摇泵、量筒；排气口通过管路依次串接排气阀、真空泵；排液口连接设置有放液阀。

Description

一种超临界CO2-水-岩石反应实验装置

技术领域

本实用新型是关于一种集成的CO₂-咸水-岩石地球化学反应全流程实验的装置，可模拟地层温度、压力、水（咸水）组分和浓度、超临界态CO₂等条件，开展CO₂、水和岩石三者的地球化学反应，分析反应前后的水岩变化，研究矿物封存机理及水岩反应特征。

背景技术

工业革命以来，二氧化碳的大量排放引发了“温室效应”和“全球气候异常”等环境问题，全球各国政府和科研机构逐渐加大了对二氧化碳减排的关注和投入。CCS（Carbon Capture and Storage）技术是一种将二氧化碳（CO₂）捕获和封存的技术，其主要通过碳捕捉技术，将工业和有关能源产业所生产的二氧化碳分离出来，再通过碳储存手段，将其输送并封存到海底或地下等与大气隔绝的地方，该技术作为目前减排潜力最大的单项技术得到了越来越多的关注，科学界从上个世纪80年开始对CO₂地质封存的各个方面开展了研究。

地质封存方式根据机理的不同，可分为构造（圈闭）封存、残余气封存、溶解封存和矿化封存，四种机理随时间按顺序分别占主导地位。其中，矿化封存是安全性最强的封存方式，也是地质封存最终演化结果。开展对矿化封存过程的超临界CO₂、地层咸水和岩石之间的地球化学变化研究，能更好的揭示封存作用机理，评估封存潜力，指导工程选址和安全环境影响评价。

现有技术中已报道有各种开展相关研究的装置。例如，文献“CO₂流体与储层砂岩相互作用机理实验”（张凤君、王怀远、王广华等，吉林大学学报（地球科学版），2012，42(3):821-826）公开了对CO₂流体与储层砂岩相互作用机理的实验研究，实验所用设备为FYX型高压反应釜(大连通产高压釜容器制造有限公司)，其具有恒温恒压控制及搅拌速度可调节功能，最高工作压力为30MPa、温度为350℃；设有进气口和出气口及反应釜底部液体取样装置，可进行分时段连续取样分析。文献“CO₂流体-石千峰组砂岩相互作用的实验研究”（王怀远，硕士学位论文，吉林大学，2012）公开了一种利用高压反应釜模拟地下环境进行的水-岩-气相互作用实验和计算机数值模拟，其中的装置能开展CO₂流体对储层岩石的溶蚀、溶解作用以及新生成的矿物形成对CO₂的捕获的研究。CN102565273A公开了一种CO₂地质封存中水岩反应的批式实验装置，所述装置包括有：一反应釜，其釜头与釜体以可拆卸的环封连接，釜体置于加热器中，该釜体内装有水和岩石样品；一CO₂气瓶，通过第一气阀连接至釜体内；一进水管，通过进水阀连接至釜体内；一第一排气阀，连接至釜体内；该装置可以满足CO₂-水-岩反应的温度、压力要求，可使CO₂-水-岩反应实验可以加入足够量的水、岩、气样品、加气过程中不带入空气、反应过程中维持恒定压力。文献“Experimental evaluation of interactions in supercritical CO₂/water/rock minerals systemunder geologic CO₂sequestration conditions”（HONGFEI LIN;FUJII Takashi;TAKISAWA Reisuke;etc.Journal of materials science,2008,43(7):2307-2315）公开了利用热液高压釜实验模拟100℃高温下CO₂-水-岩石矿物反应。

然而，上述所报道的装置都是将实验流程的各部分设备简单拼接，实验过程中需要人员进行具体手工的操作，未见能形成实验过程一体化集成，即：抽真空、超临界CO₂注入、温度压力调控、数据采集和处理等过程实现自动化。另外，这些现有技术的装置均未能实现注入效率较高的CO₂液态注入。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种CO₂-水-岩石地球化学反应全流程实验的集成一体化装置，能开展矿化封存过程的超临界CO₂、地层咸水和岩石之间的地球化学变化定性定量实验，简化实验流程，在CO₂进入反应釜前实现液化，提高注入效率和稳定性。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，该超临界CO₂-水-岩石反应实验装置包括反应釜，反应釜内设有搅拌装置，反应釜上部设有进液口、取样口以及排气口，反应釜底部设有排液口；

进液口通过管路依次串接CO₂入口阀、活塞容器、中间容器、CO₂气瓶，其中所述活塞容器与中间容器置于CO₂冷却液化装置中；

取样口通过管路依次串接取样阀、取样室；其中所述取样室连接设置手摇泵、量筒；

排气口通过管路依次串接排气阀、真空泵；

排液口连接设置有放液阀。

本实用新型的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置中，所述反应釜是用以提供进行CO₂、水（咸水）和岩石三者的地球化学反应的场所，能够模拟地层温度、压力、水组分和浓度、超临界态CO₂等条件。反应釜内可安装15mm×15mm×1～3mm薄片状岩心切片或ф25×5mm柱状岩心。反应釜内设有搅拌装置，通过搅拌电机带动可搅拌釜内混合气液以加速反应过程。

根据本实用新型的具体实施方案，本实用新型的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置中，所述反应釜还可进一步设有安全阀。在釜内压力达到安全阀设定压力时，能够自动泄压，保证釜内压力在临界安全压力值以下。

根据本实用新型的具体实施方案，本实用新型的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置中，所述反应釜还可设有用于监测釜内压力的压力表。

根据本实用新型的具体实施方案，本实用新型的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置中，所述反应釜还可设有用于监测釜内温度的温度计。

根据本实用新型的具体实施方案，本实用新型的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置中，所述反应釜为耐受压力0～40Mpa、温度能于室温～250℃调控的反应釜。

根据本实用新型的具体实施方案，本实用新型的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置中，所述反应釜为耐腐蚀316L钢材制成的反应釜。

根据本实用新型的具体实施方案，本实用新型的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置中，进液口通过管路依次串接的CO₂入口阀、活塞容器、中间容器、CO₂气瓶以及容置所述活塞容器与中间容器的CO₂冷却液化装置组成注入系统，注入系统可以将气体CO₂通过CO₂冷却液化装置进行液化、增压，储存在中间容器中，并可根据需求设定注入速率（利用高精度注入泵注入CO₂），提高二氧化碳注入效率。

根据本实用新型的具体实施方案，本实用新型的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置中，所述活塞容器连接设置有用于将活塞容器内的CO₂注入反应釜并给反应釜内加压的平流泵。

根据本实用新型的具体实施方案，本实用新型的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置中，取样口通过管路依次串接的取样阀、取样室，以及取样室连接设置的手摇泵、量筒组成取样系统，通过打开取样阀并摇动手摇泵使反应釜中液体慢慢吸入到取样室中，通过关闭取样阀并反向摇动手摇泵使取样室内的液体转移到量筒中。

根据本实用新型的具体实施方案，本实用新型的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置中，排气口通过管路依次串接排气阀、真空泵组成抽真空系统，可对反应釜进行抽真空，保证实验前去除反应釜内空气中氮气、二氧化碳、氧气等对实验的干扰，提高实验精度，提高科学性。

根据本实用新型的具体实施方案，本实用新型的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，还可进一步包括对反应釜进行降温的冷却液循环系统。冷却液循环系统通过金属传导温度，能实现釜体的迅速降温，方便实验操作。

根据本实用新型的具体实施方案，本实用新型的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，还可进一步包括自动记录实验过程中反应釜内温度、压力等数据的计算机数据采集处理系统，可实现温度压力的实时采集，可以实现远程监控，并且在无人值守的情况下，记录设备的运行记录，实现计算机和机器的自动化操作。

本实用新型的有益效果：

本实用新型提供了一种超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，集液态CO₂制备、超临界CO₂恒温或恒速注入、高温高压反应、取样和分离等整套流程于一套装置中，且简化实验流程，在CO₂进入反应釜前实现液化，提高注入效率和稳定性。本实用新型的装置可模拟地层温度、压力、咸水组分和浓度、超临界态CO₂等条件，开展CO₂、咸水和岩石三者的地球化学反应，分析反应前后的水岩变化，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，为开展规模化CO₂地质封存提供基础支持。研究成果可在油田区块推广，特别是能作为封存场地的枯竭油气藏，可从地质封存的选址评价、潜力评估、运移模拟等方面指导工程实施。

附图说明

图1为本实用新型的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本实用新型的实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

参见图1所示，本实施例的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置包括反应釜6，反应釜6内设有搅拌装置（通过搅拌电机10带动搅拌），反应釜6上部设有进液口、取样口以及排气口，反应釜底部设有排液口；进液口通过管路依次串接CO₂入口阀12、活塞容器4、中间容器3、CO₂气瓶1，其中所述活塞容器4与中间容器3置于CO₂冷却液化装置2中；取样口通过管路依次串接取样阀11、取样室15；其中所述取样室15连接设置手摇泵13、量筒16；排气口通过管路依次串接排气阀7、真空泵8；排液口连接设置有放液阀9（用于排放釜内液体）。其中，所述活塞容器4连接设置有用于将活塞容器内的CO₂注入反应釜并给反应釜内加压的平流泵5。

该超临界CO₂-水-岩石反应实验装置中，所述反应釜6是用以提供进行CO₂、水（咸水）和岩石三者的地球化学反应的场所，能够模拟地层温度、压力、水组分和浓度、超临界态CO₂等条件。反应釜内可安装15mm×15mm×1～3mm薄片状岩心切片或ф25×5mm柱状岩心。该反应釜还可设有用于监测釜内压力的压力表14。此外，该反应釜还进一步设有用于监测釜内温度的温度计（图中未显示），并设有安全阀（图中未显示），在釜内压力达到安全阀设定压力时，能够自动泄压，保证釜内压力在临界安全压力值以下。

本实施例的反应釜为耐腐蚀316L钢材制成的反应釜，能耐受压力0～40Mpa、温度能于室温～250℃调控。取样室15为钢制取样室。

本实施例的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置中，进液口通过管路依次串接的CO₂入口阀、活塞容器、中间容器、CO₂气瓶以及容置所述活塞容器与中间容器的CO₂冷却液化装置组成注入系统，注入系统可以将气体CO₂通过CO₂冷却液化装置进行液化、增压，储存在中间容器中，并可根据需求设定注入速率（利用高精度注入泵注入CO₂），提高二氧化碳注入效率。

本实施例的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置还可进一步包括对反应釜进行降温的冷却液循环系统。冷却液循环系统通过金属传导温度，能实现釜体的迅速降温，方便实验操作。

本实施例的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置还进一步包括自动记录实验过程中反应釜内温度、压力等数据的计算机数据采集处理系统，可实现温度压力的实时采集，记录设备的运行记录，实现计算机和机器的自动化操作。

利用本实施例的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，于50℃、10Mpa条件下，进行CO₂、去离子水、岩石3天实验反应研究。具体操作如下：

1.保证反应釜6和管路中无压力，并且无高温流体的情况下，拆下反应釜6的反应釜法兰；

2.依据实验方案在反应釜6中放入28.70g岩心样品和100ml去离子水，将搅拌电机10放置在釜体上并安装法兰。；

3.关闭CO₂入口阀12、排气阀7、取样阀11、放液阀9，连接管线，接通电源线，打开开关；

4.实验开始前首先开启碳封存静态反应装置的软件系统，开始监测和实时记录压力温度时间的实验数据；通过软件界面可以生成压力温度-时间的EXCEL表格和曲线图，在界面上设置实验名称、数据采集周期、设定温度；

5.向中注入冷却液至筒体高度的4/5处；

6.打开排气阀7，开启真空泵8，将釜内及管路抽真空；

7.打开CO₂冷却液化装置2制冷，使得中间容器3、活塞容器4中的CO₂液化；当水浴控温上显示温度达到4℃时，打开CO₂气瓶，再缓慢匀速的打开CO₂入口阀12，阀只要打开到1/3处，观察釜内压力表14，达到6MPa左右后，再次缓慢的关闭CO₂入口阀；

8.通过平流泵5给釜内加压：

1)打开平流泵5电源开关，在平流泵5的显示界面上调节平流泵的注入压力和注入流量，设定注入最高压力10MPa，注入流量为5.0ml/min；

2)缓慢匀速的打开面板上的CO₂阀12至1/3处，通过平流泵5加压将液态CO₂注入到反应釜内；

9.启动加热系统，设置釜内温度上限温度50℃。设定加热丝温度为53℃；

10.打开搅拌电机10搅拌，设定转速30r/min，使CO₂与吸收溶剂充分混合，确保系统达到平衡状态。

11.打开取样阀11，逆时针转动手摇泵13减压，使釜中液体慢慢吸入到钢制取样室15中，关闭取样阀11，顺时针转动手摇泵13，将吸出的反应液转移到量筒16中。

12.实验时间为3天，使用计算机自动采集软件时时采集温度压力变化；实验结束后，关闭所有搅拌、加热、水浴、电源的开关；

13.打开排气阀17，放空气体直至釜内压力为0MPa，再在釜底的放液阀9排空液体；拆卸法兰，取下搅拌电机10；

14.待反应釜釜体降到室温后，清洗釜体，整理工作台。

Claims

1.一种超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，其特征在于：

该超临界CO₂-水-岩石反应实验装置包括反应釜，反应釜内设有搅拌装置，反应釜上部设有进液口、取样口以及排气口，反应釜底部设有排液口；

取样口通过管路依次串接取样阀、取样室，其中所述取样室连接设置手摇泵、量筒；

排气口通过管路依次串接排气阀、真空泵；

排液口连接设置有放液阀。

2.根据权利要求1所述的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，其特征在于，反应釜内安装15mm×15mm×1～3mm薄片状岩心切片或ф25×5mm柱状岩心。

3.根据权利要求1所述的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，其特征在于，所述反应釜还设有安全阀。

4.根据权利要求1所述的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，其特征在于，所述反应釜还可设有用于监测釜内压力的压力表。

5.根据权利要求1所述的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，其特征在于，所述反应釜还可设有用于监测釜内温度的温度计。

6.根据权利要求1所述的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，其特征在于，所述反应釜为耐受压力0～40Mpa、温度能于室温～250℃调控的反应釜。

7.根据权利要求1所述的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，其特征在于，所述反应釜为耐腐蚀316L钢材制成的反应釜。

8.根据权利要求1所述的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，其特征在于，所述活塞容器连接设置有用于将活塞容器内的CO₂注入反应釜并给反应釜内加压的平流泵。

9.根据权利要求1所述的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，其特征在于，该超临界CO₂-水-岩石反应实验装置还包括对反应釜进行降温的冷却液循环系统。

10.根据权利要求1所述的超临界CO₂-水-岩石反应实验装置，其特征在于，该超临界CO₂-水-岩石反应实验装置还包括自动记录实验过程中反应釜内温度、压力的计算机数据采集处理系统。