多场耦合条件下二氧化碳煤层封存模拟试验方法技术

本发明专利技术公开了一种多场耦合条件下二氧化碳煤层封存模拟试验方法，通过在试件箱内利用煤样和相似材料模拟煤层和岩层，并在箱体内设置与模拟煤层一一对应的透气板和气流通道，以便于对各个模拟煤层进行抽真空和甲烷吸附，然后通过注气管对选定的注气煤层进行二氧化碳注入封存，最后通过三相应力加载系统，对型煤进行应力循环加载，以模拟外界扰动造成的地应力循环变化，并监控各个传感器的参数变化，从而为研究二氧化碳煤层封存提供了试验基础。

【技术实现步骤摘要】
多场耦合条件下二氧化碳煤层封存模拟试验方法
本专利技术属于二氧化碳地质封存
，具体地讲，特别涉及一种多场耦合条件下二氧化碳煤层封存模拟试验方法。
技术介绍
目前，尽管各国都在积极开发太阳能、核能、风能、水能、潮汐能、生物质能等新能源，但这些新能源所占比例较有限，以煤、石油、天然气为主的化石能源仍将在21世纪人类能源消费结构中占主体地位。这就意味着本世纪直接消耗化石燃料所产生的温室气体排放量将持续增加，如不采取措施加以遏制，由此引发的全球气候变暖、环境恶化状况将继续加剧。为避免全球气候变暖给人类和整个地球环境系统带来的灾难性后果，积极采取减缓全球气候变暖和地球环境恶化的措施迫在眉睫。二氧化碳地质封存(CCS)，简称碳封存，是一项重要的节能减排措施，在全球清洁能源创新形势下，该技术的重要性日益凸显，成熟度逐渐提高。CCS技术是指将从大型燃煤电厂、煤化工企业等大型排放点源收集的二氧化碳集中注入到深部咸水层、枯竭的油气藏等地下储层中。二氧化碳地质封存实质上就是把二氧化碳这一主要的温室气体注入到地下深处具有适当封闭条件的地层中进行长期安全(千年至万年尺度)的封存和隔离。其目的是在一段时间内减少大气中二氧化碳排放量，减缓全球变暖与地球环境恶化，为开发新的可再生清洁能源利用技术提供充足的缓冲时间。现有的二氧化碳地质封存主要有以下四中方式：咸水层封存、废弃油气田封存、不可开采的煤田封存、海洋封存。二氧化碳地质封存通常具备以下几个特征：①封存的规模大，工业上二氧化碳的单井注入量通常在百万吨量级上；②封存的时间跨度长，封存年限设计通常考虑数百年；③涉及到温度、渗流、力学和化学反应多场耦合问题(HTMC)。大量的二氧化碳注入地层容易引起若干安全问题：气体泄露、地表隆起变形、降低盖层力学完整性和诱发地震等。而目前对于二氧化碳地质封存的研究多集中在咸水层方面，且以现场示范和数值模拟手段为主，存在以下不足：①对于二氧化碳煤层地质封存的研究较少；②现场示范花费极高，且一般示范期限只有几年，难以长期进行深入持续地研究；③数值模拟手段在一定程度上简化了现场地质条件，且基于一些假设的基础上开展，难以真实、全面地反应现场真实情况。良好的盖层是实现二氧化碳有效封存的必要条件，也是二氧化碳地质封存选址的关键指标之一。因此，有必要提出一种可在室内开展的二氧化碳煤层封存模拟试验方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种多场耦合条件下二氧化碳煤层封存模拟试验方法，用于模拟二氧化碳的煤层封存，为二氧化碳煤层封存的研究提供试验基础。本专利技术的技术方案如下：一种多场耦合条件下二氧化碳煤层封存模拟试验方法，包括以下步骤，步骤1、试验准备1a)将煤样破碎筛分备用，准备相似材料备用，所述相似材料用于模拟煤层之间的岩层，对传感器进行编号备用；1b)型煤成型，在试件箱内对煤样和相似材料进行成型，使试件箱内形成至少两个模拟煤层和间隔在模拟煤层之间的模拟岩层，并在试件箱内埋入注气管和传感器；所述试件箱包括箱体和箱盖，在所述箱体沿长度方向的一端插装有第一水平压头，所述第一水平压头的内端固定有位于箱体内的竖向的第一压板，在所述箱体沿宽度方向的一侧插装有至少两个第二水平压头，所述第二水平压头沿箱体的长度方向均匀布置，在每一所述第二水平压头的内端均固定有竖向的第二压板，在所述箱盖上插装有与第二水平压头一一对应的竖向压头，在每一所述竖向压头的内端均固定有位于箱体内的水平的第三压板；所述模拟煤层和模拟岩层均与第一压板平行布置，并且选定至少一个模拟煤层为注气煤层，在所述箱体内底设有与模拟煤层一一对应的透气板，在每一所述透气板下方设有气流通道，所述气流通道的一端通过透气板与对应的模拟煤层连通，气流通道的另一端贯穿箱体外壁并连接有管接头，在每一所述管接头上各自连接有进气管路；所述注气管沿箱体长度方向布置，在注气管内设有与注气煤层一一对应的注气通道，所述注气通道的内端与对应的注气煤层连通，注气通道的外端各自通过注气管连接有二氧化碳气源；1c)检查密封效果；1d)连接传感器和电脑，将所有的进气管路均与真空泵连接；步骤2、加载应力开启应力加载及数据采集系统，通过各个压头施加试验设定的预应力；步骤3、甲烷吸附关闭注气管，启动真空泵进行抽真空排出空气杂质，抽真空完成后关闭真空泵和进气管路，将进气管路与各自的甲烷气瓶连接，打开甲烷气瓶和进气管路进行充气，按照试验设定的吸附平衡气压对各个模拟煤层进行充分吸附；步骤4、注入二氧化碳关闭进气甲烷气瓶和进气管路，打开注气管向注气煤层注入二氧化碳，直到注气煤层的气压达到试验设定值；步骤5、地应力循环加卸载先第一水平压头、第二水平压头和竖向压头同步从试验设定的低压力值逐渐加载到试验设定的高压力值，然后对第一水平压头、第二水平压头和竖向压头同步从试验设定的高压力值逐渐卸载到试验设定的低压力值，并按照试验设定循环多次，以模拟外界扰动造成的地应力变化，并实时监控各传感器的参数变化；步骤6、同组其他试验改变模拟煤层与模拟岩层的布置方式，或者选定其他模拟煤层为注气煤层，或者改变甲烷吸附的平衡气压，或者改变注入二氧化碳的气压值，或者改变地应力循环加卸载的低压力值与高压力值，重复进行试验。本专利技术通过在试件箱内利用煤样和相似材料模拟煤层和岩层，并在箱体内设置与模拟煤层一一对应的透气板和气流通道，以便于对各个模拟煤层进行抽真空和甲烷吸附，然后通过注气管对选定的注气煤层进行二氧化碳注入封存，最后通过三相应力加载系统，对型煤进行应力循环加载，以模拟外界扰动造成的地应力循环变化，并监控各个传感器的参数变化，从而为研究二氧化碳煤层封存提供了试验基础。在所述步骤1进行型煤成型时，对型煤沿竖直方向分四次铺设和加压成型，即先在箱体底部相应位置铺设煤样和相似材料，同时在煤样内埋入传感器，然后加压成型；接着进行第二次煤样和相似材料的铺设和加压成型，然后安装注气管；再进行第三次、第四次铺设和加压成型，并埋入相应位置的传感器。这样分四次对型煤进行压制成型，一方面使型煤的成型更加密实，另一方面便于传感器和注气管的布置。步骤1中型煤成型在压制平台上进行，所述压制平台包括长条形的底座，在所述底座上通过四个支撑柱安装有左右两个反力座，所述支撑柱的下端与底座固定，所述反力座的前后两端各自固套在支撑柱上，并且在底座上还固定有竖向的支撑螺杆，在所述支撑螺杆上套装有支撑螺母，所述反力座活套在支撑螺杆上并通过支撑螺母支撑，在底座上安装有两根滑轨，所述滑轨位于两个反力座之间，所述试件箱的底部与滑轨配合；在每一反力座上均插装有至少两个夹紧杆，所述夹紧杆与反力座螺纹配合，夹紧杆的内端与试件箱侧壁抵紧，夹紧杆的外端固定有手轮。这样设置压制平台进行型煤成型，通过夹紧杆抵紧试件箱侧壁，有效地避免了成型过程中压力导致试件箱变形，一方面使试验数据更加准确可靠，另一方面有利于延长试件箱的使用寿命。并且反力座活套在支撑螺杆上并通过螺母支撑，便于通过螺母调节反力座的高度。所述传感器包括气体压力传感器、声发射探头和二氧化碳浓度传感器，其中气体压力传感器在各个模拟煤层内分布有多个，所述声发射探头布置在与注气煤层接界的模拟岩层的顶部，并且声发射探头在对应的模拟岩层顶部均匀布置有多个，所述二氧化碳浓度传感器在各个模拟煤层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多场耦合条件下二氧化碳煤层封存模拟试验方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1、试验准备1a)将煤样破碎筛分备用，准备相似材料备用，所述相似材料用于模拟煤层之间的岩层，对传感器进行编号备用；1b)型煤成型，在试件箱内对煤样和相似材料进行成型，使试件箱内形成至少两个模拟煤层和间隔在模拟煤层之间的模拟岩层，并在试件箱内埋入注气管和多个传感器；所述试件箱包括箱体和箱盖，在所述箱体沿长度方向的一端插装有第一水平压头，所述第一水平压头的内端固定有位于箱体内的竖向的第一压板，在所述箱体沿宽度方向的一侧插装有至少两个第二水平压头，所述第二水平压头沿箱体的长度方向均匀布置，在每一所述第二水平压头的内端均固定有竖向的第二压板，在所述箱盖上插装有与第二水平压头一一对应的竖向压头，在每一所述竖向压头的内端均固定有位于箱体内的水平的第三压板；所述模拟煤层和模拟岩层均与第一压板平行布置，并且选定其中至少一个模拟煤层为注气煤层，在所述箱体内底设有与模拟煤层一一对应的透气板，在每一所述透气板下方设有气流通道，所述气流通道的一端通过透气板与对应的模拟煤层连通，气流通道的另一端贯穿箱体外壁并连接有管接头，在每一所述管接头上各自连接有进气管路；所述注气管沿箱体长度方向布置，在注气管内设有与注气煤层一一对应的注气通道，所述注气通道的内端与对应的注气煤层连通，注气通道的外端各自通过注气管连接有二氧化碳气源；1c)检查密封效果；1d)连接传感器和电脑，将所有的进气管路均与真空泵连接；步骤2、加载应力开启应力加载及数据采集系统，通过各个压头施加试验设定的预应力；步骤3、甲烷吸附关闭注气管，启动真空泵进行抽真空排出空气杂质，抽真空完成后关闭真空泵和进气管路，将进气管路与各自的甲烷气瓶连接，打开甲烷气瓶和进气管路进行充气，按照试验设定的吸附平衡气压对各个模拟煤层进行充分吸附；步骤4、注入二氧化碳关闭进气甲烷气瓶和进气管路，打开注气管向注气煤层注入二氧化碳，直到注气煤层的气压达到试验设定值；步骤5、地应力循环加卸载先对第一水平压头、第二水平压头和竖向压头同步从试验设定的低压力值逐渐加载到试验设定的高压力值，然后对第一水平压头、第二水平压头和竖向压头同步从试验设定的高压力值逐渐卸载到试验设定的低压力值，并按照试验设定循环加载和卸载多次，并实时监控各传感器的参数变化；步骤6、同组其他试验改变模拟煤层与模拟岩层的布置方式，或者选定其他模拟煤层为注气煤层，或者改变甲烷吸附的平衡气压，或者改变注入二氧化碳的气压值，或者改变地应力循环加卸载的低压力值与高压力值，重复进行试验。...

【技术特征摘要】
1.一种多场耦合条件下二氧化碳煤层封存模拟试验方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤1、试验准备1a)将煤样破碎筛分备用，准备相似材料备用，所述相似材料用于模拟煤层之间的岩层，对传感器进行编号备用；1b)型煤成型，在试件箱内对煤样和相似材料进行成型，使试件箱内形成至少两个模拟煤层和间隔在模拟煤层之间的模拟岩层，并在试件箱内埋入注气管和多个传感器；所述试件箱包括箱体和箱盖，在所述箱体沿长度方向的一端插装有第一水平压头，所述第一水平压头的内端固定有位于箱体内的竖向的第一压板，在所述箱体沿宽度方向的一侧插装有至少两个第二水平压头，所述第二水平压头沿箱体的长度方向均匀布置，在每一所述第二水平压头的内端均固定有竖向的第二压板，在所述箱盖上插装有与第二水平压头一一对应的竖向压头，在每一所述竖向压头的内端均固定有位于箱体内的水平的第三压板；所述模拟煤层和模拟岩层均与第一压板平行布置，并且选定其中至少一个模拟煤层为注气煤层，在所述箱体内底设有与模拟煤层一一对应的透气板，在每一所述透气板下方设有气流通道，所述气流通道的一端通过透气板与对应的模拟煤层连通，气流通道的另一端贯穿箱体外壁并连接有管接头，在每一所述管接头上各自连接有进气管路；所述注气管沿箱体长度方向布置，在注气管内设有与注气煤层一一对应的注气通道，所述注气通道的内端与对应的注气煤层连通，注气通道的外端各自通过注气管连接有二氧化碳气源；1c)检查密封效果；1d)连接传感器和电脑，将所有的进气管路均与真空泵连接；步骤2、加载应力开启应力加载及数据采集系统，通过各个压头施加试验设定的预应力；步骤3、甲烷吸附关闭注气管，启动真空泵进行抽真空排出空气杂质，抽真空完成后关闭真空泵和进气管路，将进气管路与各自的甲烷气瓶连接，打开甲烷气瓶和进气管路进行充气，按照试验设定的吸附平衡气压对各个模拟煤层进行充分吸附；步骤4、注入二氧化碳关闭进气甲烷气瓶和进气管路，打开注气管向注气煤层注入二氧化碳，直到注气煤层的气压达到试验设定值；步骤5、地应力循环加卸载先对第一水平压头、第二水平压头和竖向压头同步从试验设定的低压力值逐渐加载到试验设定的高压力值，...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭守建，尹光志，张小蕾，刘义鑫，许江，张超林，耿加波，冯丹，唐勖培，陈月霞，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50