一种超临界CO2封存与损伤监测试验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种超临界CO2封存与损伤监测试验系统及方法，包括实现CO2由气态向超临界相态转变的超临界CO2制备系统、模拟深部原位储层温压环境的三轴岩心夹持器系统、回压系统、渗透率测试系统、调节管线与夹持器温度的温度控制系统、调节注入压力与夹持器轴围压的压力控制系统、真空系统、监测封存前后试样损伤程度的数据监测与采集系统与尾气处理系统；超临界CO2经恒速恒压泵注入夹持器内的试样中，通过渗透率测试系统与数据监测与采集系统从多角度实时监测超临界CO2不同封存条件下试样损伤的时空演变过程，并基于监测结果评价封存的安全性；本发明专利技术能模拟超临界CO2封存对储层的损伤作用，研究封存损伤机制，确定封存最优参数，获得封存最佳效果。获得封存最佳效果。获得封存最佳效果。

【技术实现步骤摘要】
一种超临界CO2封存与损伤监测试验系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种超临界CO2封存与损伤监测试验系统及方法，属于超临界CO2地质封存


技术介绍

[0002]CO2作为温室气体的一种，对地球热量平衡具有重要影响。自工业革命后，其含量急剧增加并引发严重的温室效应，如海洋酸化、全球变暖和海平面上升等问题，被认为是导致全球气候变暖的主要元凶之一。因此，减缓CO2排放与减少空气中CO2含量成为当前亟待解决的关键问题。目前，世界各国普遍认可的减碳措施除了减少化石燃料的使用，发展清洁能源外，还包括将CO2封存于结构完整的地下储层中，例如深部不可开采煤层、深部咸水层与废弃油储层。然而，CO2气体密度小，在封存过程中具有较强的逸散性，而超临界CO2介于气体与液体之间，既具有类似气体的高扩散性及液体的高密度与溶解能力，同时又兼具低粘度、低表面张力的特性，能够迅速渗透进行储层微孔隙中。因此，超临界CO2的地质储层是当前研究的重点。
[0003]在目前的研究中，CO2在储层中的吸附效应是超临界CO2地质封存的主要研究点，但是目前针对超临界CO2封存对储层的损伤作用以及地质封存的安全性研究极少，因此对于超临界CO2封存对储层的损伤机制认识不足，尚未提出能够应用于现场的最优封存参数，因此，如何提供一种系统及方法，使其能定量评价超临界CO2封存对储层的损伤作用，并基于测试结果获得最优封存参数，为现场实施提供数据支撑，是本行业的研究方向。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种超临界CO2封存与损伤监测试验系统及方法，能够实时监测超临界CO2封存的全过程，基于获得的数据得出表征储层损伤的各参数的变化规律，进而确定超临界CO2封存的最优封存参数，为现场实施提供数据支撑。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种超临界CO2封存与损伤监测试验系统，包括超临界CO2制备系统、三轴岩心夹持器系统、回压系统、渗透率测试系统、温度控制系统、压力控制系统、真空系统和尾气处理系统；
[0006]所述超临界CO2制备系统包括CO2气瓶、安全阀、高压活塞容器、高压储罐、恒速恒压泵、四通阀和制冷机，CO2气瓶与高压活塞容器的进气口通过管路连接，增压泵一与高压活塞容器连接，用于将储存在高压活塞容器内的CO2气体压力增至P1值以上，使其发生相变，由气态转变为液态CO2，并通过管路将其注入高压储罐中，高压储罐外部被保温夹套包裹，保温夹套与制冷机连接，设定制冷机温度为T1，并通过保温夹套使高压储罐保持温度，防止高压储罐内的液态CO2发生相变，维持液态CO2的稳定性；高压储罐与恒速恒压泵通过管路连接，高压储罐中的液态CO2通过恒速恒压泵作用，能实现恒压或恒流注入；
[0007]所述三轴岩心夹持器系统包括三轴岩心夹持器、左侧堵头、右侧堵头、声波传导杆、导电接头、弹簧与样品室，样品室置于三轴岩心夹持器内部，用于存放试样；压力跟踪泵
通过管路与样品室连接，能跟踪调节三轴岩心夹持器的轴压与围压用于实现深部原位储层的压力条件；左侧堵头与右侧堵头分别置于三轴岩心夹持器两端，且内部中空，左侧堵头与右侧堵头内部分别放置超声波发射传感器与接收传感器，超声波发射传感器与接收传感器各自接线端通过弹簧分别与各自所处堵头远离样品室端连接，在弹簧弹力作用下，超声波发射传感器发射端与接收传感器接收端通过耦合剂分别与各自所处堵头靠近样品室端紧密贴合，数据传导线穿过左侧堵头与右侧堵头使发射传感器和接收传感器均与采集仪，左侧堵头与右侧堵头外侧分别布置导电接头，实现试样电阻率的监测；声波传导杆穿过加热套及三轴岩心夹持器，其一端与试样表面紧密贴合，另一端与声发射传感器连接；
[0008]所述回压系统包括储罐和回压阀，回压阀连接注液管路与储罐一端，回压泵与储罐另一端连接，用于调节压力维持超临界CO2的稳定性；
[0009]所述渗透率测试系统包括He气瓶、气体质量流量计、背压阀二、入口压力传感器、出口压力传感器、出口质量流量计，增压泵二一端与He气瓶连接，另一端依次通过管路与气体质量流量计、背压阀二和三轴岩心夹持器连接，增压泵二对气瓶内的He气体具有增压作用，使气体压力超过背压阀二的开启压力，将气体通过注液管路输送至三轴岩心夹持器的样品室内，注入样品室内气体的质量流量与压力通过气体质量流量计与入口压力传感器测量；出液管路一端与样品室相连，另一端穿过右侧堵头依次通过管路与出口质量流量计、出口压力传感器和尾气处理系统相连，从出液管路流出的气体质量与压力分别通过出口质量流量计与出口压力传感器测量；
[0010]所述温度控制系统包括加热包、预热器和加热套，高压储罐出液口与三轴岩心夹持器进液口之间的连接管路外部包裹加热包，设置加热温度T2，加热包使流经管路的液态CO2升温相变，由液相转变为超临界相态；加热套包裹在三轴岩心夹持器外部，用于模拟深部原位储层的温度条件，预热器为加热包与加热套提供热源，调节管路与三轴岩心夹持器的温度；
[0011]所述压力控制系统包括恒速恒压泵、增压泵一、增压泵二、回压泵和压力跟踪泵；
[0012]所述真空系统由真空泵组成，能够对整个管线以及三轴岩心夹持器系统抽真空，提供真空环境；
[0013]所述尾气处理系统由尾气吸收装置组成，用于吸收实验过程中排出的CO2气体，防止其排入大气中。
[0014]进一步，还包括数据监测与采集系统，其包括数据采集客户端、声发射采集仪、声发射前置放大器、声发射传感器、应变采集仪、应变片、温度采集仪、热电偶线、PH测定仪、超声波发射传感器、超声波接收传感器、超声波采集仪、电阻钳与电阻率测试仪，应变采集仪与温度采集仪一端通过数据传导线连接数据采集客户端，应变采集仪与温度采集仪另一端分别通过数据传导线穿过堵头与粘贴在试样表面的应变片和布置在试样内部的热电偶线相连，用于测试超临界CO2封存过程中试样的应变与温度变化规律；电阻率测试仪通过夹在导电接头上的电阻钳测试试样封存过程中的电阻率变化情况；数据传导线一端与PH测定仪连接，另一端穿过左侧堵头与数据采集客户端连接，测试超临界CO2对试样的腐蚀性；超声波采集仪通过数据传导线分别穿过左侧堵头与右侧堵头与超声波发射传感器和超声波接收传感器相连，测试封存过程中试样的损伤程度；声发射采集仪通过声发射放大器与紧密贴合在声波传导杆的声发射传感器连接，监测试样内部损伤状态，反映内部裂隙演化过程；
最终实现整个实验过程中温度、压力、流量、应变、电阻率、超声波、声发射、PH数据的自动采集和储存。
[0015]进一步，所述压力控制系统还包括压力表一、压力表二、压力表三、压力表四、压力表五、压力表六、压力表七、入口压力传感器、出口压力传感器、压力传感器一、压力传感器二和压力传感器三，CO2气瓶与高压活塞容器间布置压力表一与管路阀门一，增压泵一与高压活塞容器间布置安全阀、阀门二与压力传感器一，压力表二与高压活塞容器连接，高压活塞容器与高压储罐间布置阀门三与阀门四，恒速恒压泵与高压储罐间布置四通阀，压力表三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超临界CO2封存与损伤监测试验系统，其特征在于，包括超临界CO2制备系统、三轴岩心夹持器系统、回压系统、渗透率测试系统、温度控制系统、压力控制系统、真空系统和尾气处理系统；所述超临界CO2制备系统包括CO2气瓶、安全阀、高压活塞容器、高压储罐、恒速恒压泵、四通阀和制冷机，CO2气瓶与高压活塞容器的进气口通过管路连接，增压泵一与高压活塞容器连接，用于将储存在高压活塞容器内的CO2气体压力增至P1值以上，使其发生相变，由气态转变为液态CO2，并通过管路将其注入高压储罐中，高压储罐外部被保温夹套包裹，保温夹套与制冷机连接，设定制冷机温度为T1，并通过保温夹套使高压储罐保持温度，防止高压储罐内的液态CO2发生相变，维持液态CO2的稳定性；高压储罐与恒速恒压泵通过管路连接，高压储罐中的液态CO2通过恒速恒压泵作用，能实现恒压或恒流注入；所述三轴岩心夹持器系统包括三轴岩心夹持器、左侧堵头、右侧堵头、声波传导杆、导电接头、弹簧与样品室，样品室置于三轴岩心夹持器内部，用于存放试样；压力跟踪泵通过管路与样品室连接，能跟踪调节三轴岩心夹持器的轴压与围压用于实现深部原位储层的压力条件；左侧堵头与右侧堵头分别置于三轴岩心夹持器两端，且内部中空，左侧堵头与右侧堵头内部分别放置超声波发射传感器与接收传感器，超声波发射传感器与接收传感器各自接线端通过弹簧分别与各自所处堵头远离样品室端连接，在弹簧弹力作用下，超声波发射传感器发射端与接收传感器接收端通过耦合剂分别与各自所处堵头靠近样品室端紧密贴合，数据传导线穿过左侧堵头与右侧堵头使发射传感器和接收传感器均与采集仪，左侧堵头与右侧堵头外侧分别布置导电接头，实现试样电阻率的监测；声波传导杆穿过加热套及三轴岩心夹持器，其一端与试样表面紧密贴合，另一端与声发射传感器连接；所述回压系统包括储罐和回压阀，回压阀连接注液管路与储罐一端，回压泵与储罐另一端连接，用于调节压力维持超临界CO2的稳定性；所述渗透率测试系统包括He气瓶、气体质量流量计、背压阀二、入口压力传感器、出口压力传感器、出口质量流量计，增压泵二一端与He气瓶连接，另一端依次通过管路与气体质量流量计、背压阀二和三轴岩心夹持器连接，增压泵二对气瓶内的He气体具有增压作用，使气体压力超过背压阀二的开启压力，将气体通过注液管路输送至三轴岩心夹持器的样品室内，注入样品室内气体的质量流量与压力通过气体质量流量计与入口压力传感器测量；出液管路一端与样品室相连，另一端穿过右侧堵头依次通过管路与出口质量流量计、出口压力传感器和尾气处理系统相连，从出液管路流出的气体质量与压力分别通过出口质量流量计与出口压力传感器测量；所述温度控制系统包括加热包、预热器和加热套，高压储罐出液口与三轴岩心夹持器进液口之间的连接管路外部包裹加热包，设置加热温度T2，加热包使流经管路的液态CO2升温相变，由液相转变为超临界相态；加热套包裹在三轴岩心夹持器外部，用于模拟深部原位储层的温度条件，预热器为加热包与加热套提供热源，调节管路与三轴岩心夹持器的温度；所述压力控制系统包括恒速恒压泵、增压泵一、增压泵二、回压泵和压力跟踪泵；所述真空系统由真空泵组成，能够对整个管线以及三轴岩心夹持器系统抽真空，提供真空环境；所述尾气处理系统由尾气吸收装置组成，用于吸收实验过程中排出的CO2气体，防止其排入大气中。
2.根据权利要求1所述的一种超临界CO2封存与损伤监测试验系统，其特征在于，还包括数据监测与采集系统，其包括数据采集客户端、声发射采集仪、声发射前置放大器、声发射传感器、应变采集仪、应变片、温度采集仪、热电偶线、PH测定仪、超声波发射传感器、超声波接收传感器、超声波采集仪、电阻钳与电阻率测试仪，应变采集仪与温度采集仪一端通过数据传导线连接数据采集客户端，应变采集仪与温度采集仪另一端分别通过数据传导线穿过堵头与粘贴在试样表面的应变片和布置在试样内部的热电偶线相连，用于测试超临界CO2封存过程中试样的应变与温度变化规律；电阻率测试仪通过夹在导电接头上的电阻钳测试试样封存过程中的电阻率变化情况；数据传导线一端与PH测定仪连接，另一端穿过左侧堵头与数据采集客户端连接，测试超临界CO2对试样的腐蚀性；超声波采集仪通过数据传导线分别穿过左侧堵头与右侧堵头与超声波发射传感器和超声波接收传感器相连，测试封存过程中试样的损伤程度；声发射采集仪通过声发射放大器与紧密贴合在声波传导杆的声发射传感器连接，监测试样内部损伤状态，反映内部裂隙演化过程。3.根据权利要求1所述的一种超临界CO2封存与损伤监测试验系统，其特征在于，所述压力控制系统还包括压力表一、压力表二、压力表三、压力表四、压力表五、压力表六、压力表七、入口压力传感器、出口压力传感器、压力传感器一、压力传感器二和压力传感器三，CO2气瓶与高压活塞容器间布置压力表一与管路阀门一，增压泵一与高压活塞容器间布置安全阀、阀门二与压力传感器一，压力表二与高压活塞容器连接，高压活塞容器与高压储罐间布置阀门三与阀门四，恒速恒压泵与高压储罐间布置四通阀，压力表三与高压储罐连接；所述温度控制系统还包括温度传感器一、温度传感器二和温度表，温度传感器二置于三轴岩心夹持器内部；回压泵与储罐间布置压力表四与阀门五；在超临界CO2制备系统与回压系统间布置压力表五与调压阀，在回压系统与三轴岩心夹持器系统间布置温度传感器一、背压阀一、阀门六、阀门七、阀门八、温度表与入口压力传感器，其中；三轴岩心夹持器系统与尾气处理系统间布置阀门九、出口压力传感器与出口质量流量计；压力跟踪泵与三轴岩心夹持器间布置阀门十、压力传感器二、阀门十一与压力传感器三；所述渗透率测试系统中，He气瓶与增压泵二间布置压力表六与阀门十二，增压泵二与三轴岩心夹持器间布置压力表七与背压阀二；其中压力表一与压力表六用于监测气瓶内气体压力，防止气瓶内压力过低发生危险；所述压力表二与压力表三分别用于监测高压活塞容器与高压储罐内压力，防止容器内压力超过高压活塞容器与高压储罐所能承受的极限压力发生危险；阀门八处于支路二上与阀门六、阀门七、入口质量流量计处于支路一，支路一和支路二组成并联管路。4.根据权利要求1所述的一种超临界CO2封存与损伤监测试验系统，其特征在于，所述声波传导杆沿试样轴向布置两组，每组沿试样环向均匀布置于试样表面，环向上相邻声波传导杆间隔90
°
，...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟成，朱薪宇，徐吉钊，余旭，孙勇，丛钰洲，郑仰峰，唐伟，徐鹤翔，王帅，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：