CN109444378A - 一种模拟co2-水-岩相互作用的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种模拟CO2‑水‑岩相互作用的实验装置及方法，包括反应罐、CO2活塞容器、恒速恒压泵和恒温箱，其中，反应罐的内腔中下半部填充有地层水，其上半部填充有超临界CO2，其底部放置有岩样，所述岩样包覆在地层水内；反应罐放置在恒温箱内，反应罐上的液体CO2注入孔连接CO2活塞容器的CO2出口，反应罐上的地层水注入孔连接地层水供给管道；CO2活塞容器的上半部注入有液体CO2，其下半部注入有蒸馏水；CO2活塞容器的CO2入口连接液体CO2供给装置，CO2活塞容器的底部连接恒速恒压泵；该结构简单，克服了现有的模拟装置在拆卸取样时存在的安全隐患问题。
Description
技术领域
本发明属于煤炭领域，具体涉及一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验装置及方法。
背景技术
CO2压裂液注入地层后，溶解到地层水形成碳酸后，与储层岩石相互作用，可以溶蚀储层岩石中的不稳定矿物(如方解石、白云石等)，从而对岩石性质(如矿物组成、孔隙结构、孔渗和力学性质等)产生影响，而岩石性质的变化会影响压裂效果，进而影响到油气井的产量。因而，研究CO2-水-岩作用对岩石性质的影响，对于研究CO2压裂增产机理有重要意义。为模拟CO2压裂液注入地层后与储层岩石相互作用过程，有必要发明一种模拟CO2-水-岩作用的实验装置及方法。
现有的装置一般通过与釜体螺纹连接的紧固盖，来限制密封盖在轴向上的滑动实现密封。拆卸时，需通过向腔体内加压取出密封盖；通过高压手动计量泵将加压介质注入反应釜的加压腔内，加压介质推动活塞将CO2加压。这类装置在拆卸时，存在憋压将密封盖顶出的安全隐患；反应釜内活塞的密封部件容易被高温高压CO2腐蚀损坏，失去密封性能；且未对岩样伤害实验过程进行阐述。因此，发明一种安全高效的模拟CO2-水-岩作用的实验装置及方法，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验装置及方法，解决了现有的模拟CO2-水-岩作用的实验装置在拆卸时，存在安全隐患的问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验装置，包括反应罐、CO2活塞容器、恒速恒压泵和恒温箱，其中，反应罐的内腔中下半部填充有地层水，其上半部填充有超临界CO2，其底部放置有岩样，所述岩样包覆在地层水内；
反应罐放置在恒温箱内，反应罐上的液体CO2注入孔连接CO2活塞容器的CO2出口，反应罐上的地层水注入孔连接地层水供给管道；
CO2活塞容器的上半部注入有液体CO2，其下半部注入有蒸馏水；CO2活塞容器的CO2入口连接液体CO2供给装置，CO2活塞容器的底部连接恒速恒压泵。
优选地，液体CO2供给装置包括低温浴槽和CO2钢瓶，其中，CO2活塞容器的CO2入口与低温浴槽的液体CO2出口连接，低温浴槽的CO2气体进口连接CO2钢瓶的CO2气体出口。
优选地，CO2活塞容器通过第二管道连接低温浴槽，所述第二管道上设置有第二温度传感器、第二压力传感器和第二阀门；其中，第二一温度传感器连接有第二温度表；第二压力传感器连接有第二压力表。
优选地，低温浴槽通过第三管道连接CO2钢瓶，所述第三管道上设置有第三阀门。
优选地，反应罐和CO2活塞容器之间通过第一管道连接，所述该第一管道上设置有第一温度传感器、第一压力传感器和第一阀门；其中，第一温度传感器连接有第一温度表；第一压力传感器连接有第一压力表。
优选地，CO2活塞容器的底部通过第四管道连接有恒速恒压泵，所述第四管道上设置有第四阀门。
优选地，反应罐的地层水注入管道上设置有第三温度传感器和第五阀门，其中，第三温度传感器连接有第三温度表。
优选地，反应罐上的开口端上安装有盖体，所述盖体为台阶轴结构，其小端装卡在反应罐的开口端。
优选地，盖体的小端上开设有环形槽，所述环形槽内安装有含氟橡胶圈。
一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验方法，基于一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验装置，包括以下步骤：
将一定体积的地层水装入反应罐中，并将反应罐、和岩样和CO2活塞容器放入恒温箱中加热到试验模拟的地层温度为止；之后，将岩样置于反应罐内；然后，用恒速恒压泵将CO2活塞容器中的超临界CO2注入至反应罐内，直至达到实验需要模拟的地层压力；待CO2水溶液浸泡岩样实验所需时间后，将反应罐从恒温箱中取出，放出反应罐内CO2，取出岩样，实验结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验装置及方法，利用恒温箱对注入有地层水的反应罐、岩样进行加热，再对注入有液体CO2的CO2活塞容器进行加热，使得CO2形成超临界CO2，将超临界CO2注入到反应罐中，能够对CO2压裂液注入地层后与储层岩石的相互作用进行模拟；同时，通过恒温箱和恒速恒压泵对模拟所需的真实地层温度、压力及地层水环境进行控制，该装置充分考虑了CO2压裂施工过程中CO2压裂液与储层岩石的相互作用过程；且在拆卸取样时，放出二氧化碳，反应罐降温，取出岩样；该结构简单，克服了现有的模拟装置在拆卸取样时存在的安全隐患问题。
附图说明
图1是本发明的实验装置结构示意图；
图2是反应罐和盖体之间装配图；
图3是盖体的俯视图；
其中，1、反应罐 2、地层水 3、岩样 4、超临界CO25a、第一阀门 6a、第一温度传感器 7a、第一压力传感器 5b、第二阀门 6b、第二温度传感器 7b、第二压力传感器 5c、第三阀门 6c、第三温度传感器 5d、第四阀门 5e、第五阀门 8、CO2活塞容器 9、蒸馏水 10、低温浴槽 11、CO2钢瓶 12、恒速恒压泵 13、恒温箱 14、第一螺纹孔 15、盖体 16、含氟橡胶圈17、地层水注入孔 18、液体CO2注入孔 19、第二螺纹孔。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1至图3所示，本发明提供的一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验装置，用于对CO2压裂液注入地层后与储层岩石的相互作用进行模拟。
包括反应罐1、地层水2、岩样3、CO2液体4、第一阀门5a、第一温度传感器6a、第一压力传感器7a、第二阀门5b、第二温度传感器6b、第二压力传感器7b、第三阀门5c、第三温度传感器6c、第四阀门6d、第五阀门6e、CO2活塞容器8、蒸馏水9、低温浴槽10、CO2钢瓶 11、恒速恒压泵12、恒温箱13、第一螺纹孔14、盖体15、含氟橡胶圈16、地层水注入孔17、 CO2液体注入孔18和第二螺纹孔19，其中，
反应罐1和CO2活塞容器8均放置在恒温箱13中，其中，反应罐1和CO2活塞容器8之间通过第一管道连接，所述该第一管道上设置有第一温度传感器6a、第一压力传感器7a和第一阀门5a；
CO2活塞容器8通过第二管道连接低温浴槽10，所述第二管道上设置有第二温度传感器6b、第二压力传感器7b和第二阀门5b；
低温浴槽10通过第三管道连接CO2钢瓶11，所述第三管道上设置有第三阀门5c。
CO2活塞容器8的底部通过第四管道连接有恒速恒压泵12，所述第四管道上设置有第四阀门5d。
反应罐1内注入有地层水2，所述岩样3放置在反应罐1的底部，且封存在地层水2内；反应罐1的上半部注入有CO2液体4。
反应罐1的地层水注入管道上设置有第三温度传感器和第五阀门5e。
CO2活塞容器8的下半部注入有蒸馏水9，其上半部注入有CO2液体4。
反应罐1上的开口端设置有外沿101，所述外沿101上沿其周向方向开设有若干个第一螺纹孔14。
反应罐1上的开口端上安装有盖体15，所述盖体15为台阶轴结构，其小端装卡在反应罐 1的开口端；其大端上开设有沿其周向方向开设有与第一螺纹孔个数相等且相通的第二螺纹孔 19。
盖体15的小端上开设有环形槽，所述环形槽内安装有含氟橡胶圈16。
所述盖体15上开设有地层水注入孔17和CO2液体注入孔18。
反应罐1为哈氏合金材质，具有很强的耐酸性能；低温浴槽10可将CO2转变为液态；恒温箱13用于模拟地层温度；恒速恒压泵12用于给CO2加压，并实时跟踪反应罐1内CO2压力，以维持反应罐1内压力恒定，从而模拟地层压力；CO2活塞容器8用于储集实验所需CO2；CO2钢瓶11用于提供实验所需CO2。
反应罐1的最高工作压力为70MPa。
反应罐1尺寸可以根据需要灵活设计，一般推荐尺寸内腔直径为5cm，深度为8cm，容积为157cm3。
低温浴槽10最低工作温度为零下10℃，可将CO2完全转变为液态。
恒温箱13最高温度大于200℃，用于模拟地层温度。
恒速恒压泵12最大工作压力为70MPa。
第一温度传感器6a、第二温度传感器6b和第三温度传感器分别连接第一温度表、第二温度表和第三温度表。
第一压力传感器7a和第二压力传感器7b分别连接第一压力表和第二压力表。
工作过程：
A、将一定量地层水2装入反应罐1中，并将反应罐1和岩样3放入设定好温度的恒温箱 13中加热一定时间，岩样一般为直径25mm、长度为50mm的标准岩样，岩样尺寸可以灵活设计；
B、启动低温浴槽10，将低温浴槽10制冷温度设定为0℃或0℃以下，一般约30min后，打开第三阀门5c，将CO2从CO2钢瓶11导入低温浴槽10，约0.5小时后CO2为液态；此时打开第二阀门5b，将液体CO2送至CO2活塞容器8中。
C、将CO2活塞容器8放入恒温箱13内，设定好恒温箱13的温度，将装满CO2的活塞容器 8加热一定时间，使CO2成为超临界态；
D、将岩样3置于反应罐1内，将盖体小端装配到反应罐1的开口处，然后将螺钉19对准螺纹孔14，并拧紧螺钉19，最后将反应罐1置于恒温箱13中；
E、打开第一阀门5a，将加热后的CO2导入反应罐1，此时，采用恒速恒压泵12以100mL/min 的排量恒速向CO2活塞容器下部加压腔注入蒸馏水9,直至反应罐1内压力为20MPa为止；
F、恒速恒压泵12实时跟踪反应罐1内压力，使反应罐1内压力维持在20MPa，CO2水溶液浸泡岩样一定时间后，将反应罐1从恒温箱13取出，放出反应罐1内的CO2；
G、取出岩样3，并量取一定体积的液体样品，做后续其他测试，一般包括浸泡后岩样的基础物性和力学性质，以及测试浸泡后液体样品的化学组成等。
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验装置，其特征在于，包括反应罐(1)、CO2活塞容器(8)、恒速恒压泵(12)和恒温箱(13)，其中，反应罐(1)的内腔中下半部填充有地层水(2)，其上半部填充有超临界CO2(4)，其底部放置有岩样(3)，所述岩样(3)包覆在地层水(2)内；
反应罐(1)放置在恒温箱(13)内，反应罐(1)上的液体CO2注入孔连接CO2活塞容器(8)的CO2出口，反应罐(1)上的地层水注入孔连接地层水供给管道；
CO2活塞容器(8)的上半部注入有液体CO2，其下半部注入有蒸馏水(9)；CO2活塞容器(8)的CO2入口连接液体CO2供给装置，CO2活塞容器(8)的底部连接恒速恒压泵(12)。
2.根据权利要求1所述的一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验装置，其特征在于，液体CO2供给装置包括低温浴槽(10)和CO2钢瓶(11)，其中，CO2活塞容器(8)的CO2入口与低温浴槽(10)的液体CO2出口连接，低温浴槽(10)的CO2气体进口连接CO2钢瓶(11)的CO2气体出口。
3.根据权利要求2所述的一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验装置，其特征在于，CO2活塞容器(8)通过第二管道连接低温浴槽(10)，所述第二管道上设置有第二温度传感器、第二压力传感器和第二阀门；其中，第二一温度传感器连接有第二温度表；第二压力传感器连接有第二压力表。
4.根据权利要求2所述的一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验装置，其特征在于，低温浴槽(10)通过第三管道连接CO2钢瓶(11)，所述第三管道上设置有第三阀门(5c)。
5.根据权利要求1所述的一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验装置，其特征在于，反应罐(1)和CO2活塞容器(8)之间通过第一管道连接，所述该第一管道上设置有第一温度传感器(6a)、第一压力传感器(7a)和第一阀门(5a)；其中，第一温度传感器(6a)连接有第一温度表；第一压力传感器(7a)连接有第一压力表。
6.根据权利要求1所述的一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验装置，其特征在于，CO2活塞容器(8)的底部通过第四管道连接有恒速恒压泵(12)，所述第四管道上设置有第四阀门(5d)。
7.根据权利要求1所述的一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验装置，其特征在于，反应罐(1)的地层水注入管道上设置有第三温度传感器和第五阀门(5e)，其中，第三温度传感器连接有第三温度表。
8.根据权利要求1所述的一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验装置，其特征在于，反应罐(1)上的开口端上安装有盖体(15)，所述盖体(15)为台阶轴结构，其小端装卡在反应罐(1)的开口端。
9.根据权利要求8所述的一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验装置，其特征在于，盖体(15)的小端上开设有环形槽，所述环形槽内安装有含氟橡胶圈(16)。
10.一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验方法，其特征在于，基于权利要求1所述的一种模拟CO2-水-岩相互作用的实验装置，包括以下步骤：
将一定体积的地层水(2)装入反应罐(1)中，并将反应罐(1)、和岩样(3)和CO2活塞容器(8)放入恒温箱(13)中加热到试验模拟的地层温度为止；之后，将岩样(3)置于反应罐(1)内；然后，用恒速恒压泵(12)将CO2活塞容器(8)中的超临界CO2注入至反应罐(1)内，直至达到实验需要模拟的地层压力；待CO2水溶液浸泡岩样(3)实验所需时间后，将反应罐(1)从恒温箱(13)中取出，放出反应罐(1)内CO2，取出岩样(3)，实验结束。
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