一种深部地层环境二氧化碳地质储存模拟实验系统

摘要

本发明提供了一种深部地层环境二氧化碳地质储存模拟实验系统，包括恒温箱，声波接收器，设于所述恒温箱中的温度压力流动应力耦合岩心装置，气液注入装置，气液排出装置，以及围压气液注入装置；温度压力流动应力耦合岩心装置包括筒状且两端开口的岩心夹持器，用于密封包裹实验岩心的密封胶套，与所述岩心夹持器两端开口适配的上、下应力传递连接头，上、下压力机传力柱，上、下声波发射与接收探头，所述岩心夹持器的筒身上设有围压气液注入接口。本发明客观再造了地层岩心样品在深部地层的原位环境中的流动实验，真实模拟二氧化碳在深部地下岩体孔隙中的运移方式，能实时获取精确的实验数据参数。

说明书

技术领域

本发明属于二氧化碳地质储存技术研究装置领域，尤其涉及一种深部地层环境二氧化碳地质储存模拟实验系统。

背景技术

环境和能源是人类社会可持续发展所关注的两大主题，也是影响我国国民经济发展的两大因素。近年来，气候变化问题已被列为全球首要的环境问题，并且日益成为国际社会关注的焦点。2009年12月7日至12月19日，世界192个国家在哥本哈根召开联合国气候会议，商讨应对气候变化的对策和措施。我国政府对气候变化问题高度重视，承诺到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，我国面临的二氧化碳减排压力巨大。

目前，国际上提出了许多应对全球变化的新方法和新技术，二氧化碳地质储存（CGS）作为一种直接、有效的减排手段，是目前国际社会公认的应对气候变化的重要对策，该技术既可满足世界日益增长的能源需求，又不会对地球气候造成威胁。CO₂地质储存（CO₂GeologicalSequestration），即将固定点源（多数为发电厂或类似的工业点源）所产生的CO₂通过收集，长期储存于相对封闭的地质构造中，从而阻止或显著减少CO₂向大气中的人为排放。CO₂地质储存技术引起了各国政府和科学家们的高度重视，欧美发达国家已经走在了前面，开展了大量的可行性研究、室内实验研究和计算机模拟研究，并在此基础之上进行了相关实际工程示范，取得了显著的效果，一些关键技术已逐渐成熟。

前期的研究和工程实践表明，二氧化碳地质储存的过程，涉及一系列的重大经济、社会问题、科学技术问题和环境、安全问题。实现科学、有效、经济、环保的二氧化碳地质储存，需要多学科科学和技术人员的共同努力和合作。

我国在二氧化碳地质储存领域的研究刚刚起步，中国地质调查局于2010年实施了我国第一个二氧化碳地质储存的计划项目：全国二氧化碳地质储存潜力评价与示范工程。研究二氧化碳在地质储层中的空间运移的手段包括数值模拟、井下监测、地面地震、室内实验等。室内模拟实验是研究二氧化碳在储层运移演化以及获取相关参数的重要方法和技术手段。由于二氧化碳地质储存在我国目前处于起步阶段，因此，亟需开发相关的实验装置，用于科学研究和工程实验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种深部地层环境二氧化碳地质储存模拟实验系统，旨在解决现有二氧化碳地质储存技术研究装置不能客观表征实验岩心所处的原位环境条件下的温度压力流动应力耦合问题，通过本发明的研发装置，实现客观模拟和表征真实的地下原位环境条件，使得获取的岩石物性参数和流体运移特征数据更加科学合理。

本发明是这样实现的，一种深部地层环境二氧化碳地质储存模拟实验系统，包括恒温箱，声波接收器，设于所述恒温箱中的温度压力流动应力耦合岩心装置，气液注入装置，气液排出装置，以及围压气液注入装置；其中，所述温度压力流动应力耦合岩心装置包括筒状且两端开口的岩心夹持器，用于密封包裹实验岩心的密封胶套，与所述岩心夹持器两端开口适配的上、下应力传递连接头，上、下压力机传力柱，上声波发射探头，下声波接收探头，中心设有与所述上、下应力传递连接头适配通孔的上、下密封堵头，所述岩心夹持器的筒身上设有围压气液注入接口；其中，

所述上、下密封堵头分别与岩心夹持器开口两端对接闭合，所述岩心夹持器内置密封胶套；所述上应力传递连接头一端穿过上密封堵头的通孔后顶持在密封胶套内部的岩心上，且所述上应力传递连接头另一端顶持在上压力机传力柱上，所述上应力传递连接头与上压力机传力柱之间设有上声波发射探头；所述下应力传递连接头一端穿过下密封堵头的通孔后顶持在密封胶套内部的岩心上，且所述下应力传递连接头另一端顶持在下压力机传力柱上，所述下应力传递连接头与下压力机传力柱之间设有下声波接收探头；

所述声波接收器分别与上声波发射探头以及下声波接收探头通过数据线连接；

所述上应力传递连接头内设有与岩心夹持器内部导通的气液排出接口，所述下应力传递连接头内设有与岩心夹持器内部导通的气液注入接口；所述气液注入装置通过管道与所述气液注入接口连接，所述气液排出装置通过管道与所述气液排出接口连接；

所述岩心夹持器、密封胶套、上密封堵头以及下密封堵头之间形成一环形密封腔，所述环形密封腔与围压气液注入接口相通，所述围压气液注入接口与围压气液注入装置通过管道连接。

优选地，所述气液注入装置包括注入压力传感器，增压泵，储气罐，调压阀，进气阀，出气阀，用于盛放增压后的高压气体容器A，用于盛放实验过程中需要注入的液体的容器B，以及注入泵；其中，所述进气阀、增压泵、储气罐、调压阀、出气阀以及气液注入接口依次通过管道连接；

所述注入泵分别通过管道与容器A和容器B的输入端连接，所述容器A和容器B的输出端设于所述出气阀和气液注入接口之间的连接管道；

所述注入压力传感器设于出气阀和气液注入接口之间的连接管道上，且所述注入压力传感器位于出气阀和容器A之间。

优选地，所述注入压力传感器包括量程规格分别为10MPa、70MPa、40MPa的第一、第二以及第三压力传感器，F1阀及F2阀；其中，

所述第一压力传感器与F1阀的输入端连接，所述第三压力传感器与F2阀的输入端连接，所述F1阀的输出端、第二压力传感器以及F2阀的输出端汇聚在第一支管一端，所述第一支管另一端连接在出气阀和气液注入接口之间的连接管道上。

优选地，所述深部地层环境二氧化碳地质储存模拟实验系统还包括上、下压紧环，上、下大帽；所述上压紧环以及上大帽的轴心处均设有与所述上应力传递连接头适配的通孔，所述下压紧环以及下大帽的轴心处均设有与所述下应力传递连接头适配的通孔；其中，

所述上大帽通过内螺纹旋紧在岩心夹持器一端，所述上大帽内的上压紧环顶紧在上密封堵头远离岩心夹持器方向一端上；

所述下大帽通过内螺纹旋紧在岩心夹持器另一端，所述下大帽内的下压紧环顶紧在下密封堵头远离岩心夹持器方向一端上。

优选地，所述气液排出装置包括F3～F5阀，排出压力传感器，回压传感器，回压阀，缓冲罐，回压泵，液体盛放器，气液分离器，以及流量计；其中，所述回压阀上设有第一、第二以及第三回压连接端口，所述回压阀的第一和第二管道连接端口分别与所述气液排出口通过管道连接，所述气液分离器上设有第一、第二以及第三气液分离连接端口；其中，

所述第一回压连接端口与气液排出口的连接管道上设有F3阀，所述排出压力传感器通过管道连接在第一管道连接端口与F3阀之间的管道上；

所述第二回压连接端口与第一气液分离连接端口通过管道连接，所述第二气液分离连接端口的液体输出端置于液体盛放器上方，所述第三气液分离连接端口与所述气液排出口通过管道连接，所述第三气液分离连接端口与气液排出口之间的管道上依次设有F5阀、流量计以及F4阀；

所述回压泵与第三回压连接端口之间通过管道连接，所述回压泵与第三回压连接端口之间的管道上连接第二支管一端，所述缓冲罐与回压传感器通过管道连接，所述第二支管另一端连接在缓冲罐与回压传感器之间的管道上。

优选地，所述排出压力传感器包括量程分别为40MPa、10MPa的第四、第五压力传感以及F6阀；所述第四压力传感器与F6阀的输入端连接，所述F6阀的输出端和第五压力传感器汇聚在第三支管上，所述第三支管的另一端连接在第一回压连接端口与气液排出口的连接管道上。

优选地，所述流量计包括量程分别为10SCCM、100SCCM、1000SCCM的第一、第二以及第三流量计，以及用于根据管道流量大小自动切换相应量程的流量计进行工作的V1～V3自动控制阀；其中，所述第三流量计与V1自动控制阀输入端连接，所述第二流量计与V2自动控制阀的输入端连接，所述第一流量计与V3自动控制阀的输入端连接，所述V1～V3的输出端汇聚在第四支管的一端，且所述第四支管的另一端连接在F5阀与F4阀之间的连接管道上。

优选地，所述围压气液注入装置包括围压泵以及围压传感器，其中，所述围压泵与岩心夹持器通过管道连接，所述围压传感器连接在围压泵与岩心夹持器之间的管道上。

本发明克服现有技术的不足，提供一种深部地层环境二氧化碳地质储存模拟实验系统，基于相关领域渗流研究的现状，采用将温度控制、流体压力控制、地层应力控制、流量计量与声波采集相结合，客观再造了地层岩心样品在深部地层的原位环境中的流动实验，为客观模拟二氧化碳在地下岩体孔隙中的运移提供了可行的技术保障，为获取更加科学客观的实验数据和相关的岩石孔隙流体流动参数提供了设备条件。

附图说明

图1是本发明的深部地层环境二氧化碳地质储存模拟实验系统一实施例的结构示意图；

图2是图1中温度压力流动应力耦合岩心装置的A-A剖面结构示意图；

图3是图1中气液注入装置的结构示意图；

图4是图1中气液排出装置的结构示意图；

图5是图1中围压气液注入装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1至5所示，其中，图1是本发明的深部地层环境二氧化碳地质储存模拟实验系统一实施例的结构示意图；图2是图1中温度压力流动应力耦合岩心装置的A-A剖面结构示意图；图3是图1中气液注入装置的结构示意图；图4是图1中气液排出装置的结构示意图；图5是图1中围压气液注入装置的结构示意图。

一种深部地层环境二氧化碳地质储存模拟实验系统，包括恒温箱1，声波接收器2，设于所述恒温箱1中的温度压力流动应力耦合岩心装置3，气液注入装置4，气液排出装置5，以及围压气体液注入装置6；其中，所述温度压力流动应力耦合岩心装置3包括筒状且两端开口的岩心夹持器31，用于密封包裹实验岩心的密封胶套321，与所述岩心夹持器31两端开口适配的上、下应力传递连接头331、332，上、下压力机传力柱341、342，上声波发射探头351，下声波接收探头352，中心设有与所述上、下应力传递连接头331、332适配通孔的上322、下密封堵头323，所述岩心夹持器31的筒身上设有围压气液注入接口36；其中，

所述上、下密封堵头322、323分别与岩心夹持器31开口两端对接闭合，所述岩心夹持器31内置密封胶套321；所述上应力传递连接头331一端穿过上密封堵头322的通孔后顶持在密封胶套321内部的岩心7上，且所述上应力传递连接头331另一端顶持在上压力机传力柱341上，所述上应力传递连接头331与上压力机传力柱341之间设有上声波发射探头351；所述下应力传递连接头332一端穿过下密封堵头323的通孔后顶持在密封胶套321内部的岩心7上，且所述下应力传递连接头332另一端顶持在下压力机传力柱342上，所述下应力传递连接头332与下压力机传力柱342之间设有下声波接收探头352；

所述声波接收器2分别与上声波发射探头351以及下声波接收探头352通过数据线连接；

所述上应力传递连接头331内设有与岩心夹持器31内部导通的气液排出接口324，所述下应力传递连接头332内设有与岩心夹持器31内部导通的气液注入接口325；所述气液注入装置4通过管道与所述气液注入接口325连接，所述气液排出装置5通过管道与所述气液排出接口324连接；

所述岩心夹持器31、密封胶套321、上密封堵头322以及下密封堵头323之间形成一环形密封腔，所述环形密封腔与围压气液注入接口36相通，所述围压气液注入接口36与围压气液注入装置6通过管道连接。

在本发明实施例中，为了保证温度压力流动应力耦合岩心装置3的拆装方便以及良好的密封性，所述深部地层环境二氧化碳地质储存模拟实验系统还包括上、下压紧环326、327，上、下大帽328、329；所述上压紧环326以及上大帽328的轴心处均设有与所述上应力传递连接头331适配的通孔，所述下压紧环327以及下大帽329的轴心处均设有与所述下应力传递连接头332适配的通孔；其中，所述上大帽328通过内螺纹旋紧在岩心夹持器31一端，所述上大帽328内的上压紧环326顶紧在上密封堵头322远离岩心夹持器31方向一端上；所述下大帽329通过内螺纹旋紧在岩心夹持器32另一端，所述下大帽329内的下压紧环327顶紧在下密封堵头323远离岩心夹持器31方向一端上。

在本发明的实施例中，更具体的，所述气液注入装置4包括注入压力传感器41，增压泵42，储气罐43，调压阀44，进气阀45，出气阀46，用于盛放增压后的高压气体容器A47，用于盛放实验过程中需要注入的液体的容器B48，以及注入泵49；其中，所述进气阀45、增压泵42、储气罐43、调压阀44、出气阀46以及气液注入接口依次通过管道连接；

所述注入泵分别通过管道与容器A47和容器B48的输入端连接，所述容器A47和容器B48的输出端设于所述出气阀46和气液注入接口之间的连接管道；

所述注入压力传感器41设于出气阀46和气液注入接口之间的连接管道上，且所述注入压力传感器41位于出气阀46和容器A47之间。

更具体的，所述注入压力传感器41包括量程规格分别为10MPa、40MPa、70MPa第一、第二以及第三压力传感器411、412、413，F1阀，以及F2阀；其中，

所述第一压力传感器411与F1阀的输入端连接，所述第三压力传感器413与F2阀的输入端连接，所述F1阀的输出端、第二压力传感器412以及F2阀的输出端汇聚在第一支管414一端，所述第一支管414另一端连接在出气阀46和气液注入接口之间的连接管道上。

更具体的，所述气液排出装置5包括F3～F5阀，排出压力传感器51，回压传感器52，回压阀53，缓冲罐54，回压泵55，液体盛放器56，气液分离器57，以及流量计58；其中，所述回压阀53上设有第一、第二以及第三回压连接端口，所述回压阀53的第一和第二管道连接端口分别与所述气液排出口通过管道连接，所述气液分离器57上设有第一、第二以及第三气液分离连接端口；其中，

所述第一回压连接端口与气液排出口的连接管道上设有F3阀，所述排出压力传感器51通过管道连接在第一管道连接端口与F3阀之间的管道上；

所述第二回压连接端口与第一气液分离连接端口通过管道连接，所述第二气液分离连接端口的液体输出端置于液体盛放器56上方，所述第三气液分离连接端口与所述气液排出口通过管道连接，所述第三气液分离连接端口与气液排出口之间的管道上依次设有F5阀、流量计58以及F4阀；

所述回压泵55与第三回压连接端口之间通过管道连接，所述回压泵55与第三回压连接端口之间的管道上连接第二支管59一端，所述缓冲罐54与回压传感器52通过管道连接，所述第二支管59另一端连接在缓冲罐54与回压传感器52之间的管道上。

更具体的，所述排出压力传感器51包括量程分别为40MPa、10MPa的第四、第五压力传感511、512以及F6阀；所述第四压力传感器511与F6阀的输入端连接，所述F6阀的输出端和第五压力传感器512汇聚在第三支管513上，所述第三支管513的另一端连接在第一回压连接端口与气液排出口的连接管道上。

更具体的，所述流量计58包括量程分别为10SCCM、100SCCM、1000SCCM的第一、第二以及第三流量计581、582、583，以及用于根据管道流量大小自动切换相应量程的流量计进行工作的V1～V3自动控制阀；其中，所述第三流量计583与V1自动控制阀输入端连接，所述第二流量计582与V2自动控制阀的输入端连接，所述第一流量计581与V3自动控制阀的输入端连接，所述V1～V3的输出端汇聚在第四支管584的一端，且所述第四支管584的另一端连接在F5阀与F4阀之间的连接管道上。

更具体的，所述围压气液注入装置6包括围压泵61以及围压传感器62，其中，所述围压泵61与岩心夹持器31通过管道连接，所述围压传感器62连接在围压泵61与岩心夹持器31之间的管道上

在本发明实施例的实际应用过程中，具体使用方法如下步骤所示：

（1）将准备好的岩心放入密封胶套321中，将装有岩心的密封胶套321放入岩心夹持器31；

（2）将上、下密封堵头322、323的凸出端分别塞入密封胶套321的两端；

（3）将上、下压紧环326、327分别套压在上、下密封堵头322、323的远离胶套一端；

（4）将带有内螺纹的上、下大帽328、329安装在两端分别带有适配外螺纹的岩心夹持器31上。上、下大帽328、329的旋紧压力通过上、下压紧环326、327传递到上、下密封堵头322、323上，实现上、下密封堵头322、323与岩心夹持器31密封接触。此时，在密封堵头322、323、密封胶套321和岩心夹持器31三个部件之间形成了一个环形的空腔。这个空腔通过设在岩心夹持器31侧壁的围压气液注入接口36与围压气液注入装置6相连接。在实验中，通过控制围压气液注入装置6的压力，来控制该空腔中的压力，空腔的压力通过密封胶套321传递到岩心上，进而实现了岩心水平向应力的加载；

（5）将上、下应力传递连接头331、332穿过上、下大帽328、329的中间开口，和上、下密封堵头322、323的中间开口，顶持在密封胶套321中的岩心的上、下两端；上、下应力传递连接头331、332通过上、下传力柱341、342，将实验压力机（万能试验机）的设定压力传递到实验岩心上，实现岩心的轴向应力加载；

（6）启动恒温箱1，控制岩心室的温度，启动气液注入装置4、气液排出装置5以及围压气液注入装置6，开始进行相关实验。

本发明基于相关领域渗流研究的现状，采用将温度控制、流体压力控制、地层应力控制、流量计量与声波采集相结合，客观再造了地层岩心样品在深部地层的原位环境中的流动实验，为真实模拟二氧化碳在地下岩体孔隙中的运移提供了实现方式，在本发明实施例中，具体功能如下所示：

（1）实现所指定的高温高压条件下，岩石孔隙流体驱替过程中的精确控制和计量。

（2）可对流体驱替过程中样品的声学参数进行精确测量。

（3）能够进行岩心的形变等系列力学参数测试。

（4）能够实现不同温度、压力条件下岩心的孔隙度和渗透率变化的测试。

（5）气液排出装置由压力传感器、天平和计量泵构成，完成岩心液体渗透率、含水饱和度的测量。

（6）设备能够在所设定的温、压力条件下长时间（30天）持续工作且性能稳定。

（7）样品加卸载采用顶部加卸载方式、立式且油、气、水从下端注入。

（8）计算机自动完成试验系统所涉及的轴压、围压、渗透压力、驱替压力、温度、流量、饱和度及声学参数的实时采集，并储存于数据文件，实时显示实验进程曲线，使实验人员能及时掌握实验进程和效果。

（9）试验系统所涉及的轴压、围压、渗透压力、驱替压力、温度及声学采集控制仪器仪表整合在一个控制台上，各个过程控制由计算机自动控制和处理。压力控制系统可实现三轴压力独立控制，压力控制单元整合在一个面板中。

相比与现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明采用将温度控制、流体压力控制、地层应力控制、流量计量与声波采集相结合，客观再造了地层岩心样品所处的深部地层的温度、应力、流体压力耦合的环境条件，为更加客观的模拟二氧化碳在地下岩体孔隙中的运移提供了实现方式。

（2）本发明通过将声波发射接收探头内置于上、下应力传递接头内部，实现了实验岩心在实验过程的不同阶段岩心声学参数的实时监测，通过声波信号的解译，可以为流体驱替实验和岩心二氧化碳流体的运移提供重要信息和数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。