CN115078102A - 一种地质封存co2泄漏通道愈合能力评价***与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价***和方法，评价***包括：第一岩心夹持器和第二岩心夹持器，第一岩心夹持器适配储层岩样，第二岩心夹持器适配含裂缝盖层/水泥岩样；第一注入装置，与第一岩心夹持器、第二岩心夹持器分别相连通，配置为向第一岩心夹持器和第二岩心夹持器两者中的至少一者中注入模拟地层水或者饱和CO2地层水或者饱和水超临界CO2；第二注入装置，分别与第一岩心夹持器和第二岩心夹持器相连通，配置为同时或者独立向第一岩心夹持器和第二岩心夹持器施加围压；差压传感器，配置为检测所述第二岩心夹持器两侧的压力差；压力传感器，配置为检测所述第二岩心夹持器远离所述第一岩心夹持器一侧的压力。
Description
技术领域
本发明涉及CO2地质封存与利用技术领域，尤其涉及一种地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价***与方法。
背景技术
CO2过度排放导致的温室效应是全球面临的重大挑战之一，而碳减排是解决上述挑战的必由之路。CO2地质封存作为目前最经济、最有效的碳减排途径，是指将CO2输送至咸水层、煤层、衰竭油气藏等地质体中，通过矿化封存、溶解封存、束缚封存以及构造封存方式实现 CO2长期、安全封存的目的。然而，CO2地质封存也面临诸多弊端和不足，尤其是CO2的泄漏问题，CO2一旦泄漏进入地下水及大气中，会对生态环境及人体健康造成严重危害。
CO2在地质体中的泄漏途径包括盖层、水泥环和井筒，其中水泥环是阻止井筒泄漏的屏障。盖层及水泥环的基质孔隙属于纳米孔，CO2在其中的突破压力可达数兆帕，对CO2具有较好的封闭作用。然而，盖层及水泥环中赋存有原生弱面，如断层、裂缝等；另外，注CO2导致的应力扰动以及CO2与岩石间的化学反应，可能会诱发盖层/水泥环破裂产生次生弱面。这些弱面的尺寸通常为微米至毫米级，CO2在其中的突破压力仅为数十千帕，极易发生CO2泄漏。当CO2侵入弱面时，会诱发矿物溶蚀/沉淀、微粒运移、黏土膨胀及润湿性变化；在上述因素综合作用下，泄漏通道可能会逐渐愈合，从而对CO2泄漏起到一定抑制作用。
公知技术(可参阅Liteanu and Spiers,2011,Chem.Geol.,281:195-210；Elliset al.,2013, Environ.Eng.Sci.,30:187-193；Cao et al.,2015,Water Resour.Res.,51:4684-4701)通过对比饱和CO2水溶液驱替或浸泡前后盖层岩样/水泥岩样渗透率的变化，对盖层/水泥环中CO2泄漏通道的愈合能力进行评价。然而，现有技术尚存在以下两个方面的不足：
(1)现有技术未考虑储层产出微粒对盖层/水泥环中CO2泄漏行为的影响，CO2在进入盖层/水泥环之前，已与储层岩石发生物理化学反应，导致大量的微粒产生，这些微粒极易被流体携带进入盖层/水泥环中，并对泄漏通道造成堵塞，从而加速泄漏通道的愈合；
(2)CO2在泄漏过程中会在通道内形成CO2溶解区(即饱和CO2地层水单相流区)以及CO2-地层水两相流区，泄漏通道先后与饱和CO2地层水单相流和CO2-地层水两相流发生反应，现有技术仅考虑了饱和CO2地层水单相流对泄漏通道愈合行为的影响，而忽略了CO2- 地层水两相流的作用。
鉴于此，本专利提出一种地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价***与方法，该发明采用串联的储层岩样和盖层/水泥岩样模拟储层-盖层/水泥环的空间配置关系，通过向饱和地层水岩样中先后注入饱和CO2地层水和饱和水超临界CO2模拟CO2泄漏过程，并采用渗透率和 CO2突破压力的变化表征泄漏通道愈合能力。该发明考虑了储层产出微粒、饱和CO2地层水单相流以及CO2-地层水两相流对泄漏通道愈合行为的综合影响，可实现CO2泄漏通道愈合能力的快速、准确表征。该发明对于CO2泄漏风险评价及泄漏防控具有重要指导意义。
发明内容
本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价***与方法，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。
本发明的一个目的在于提出一种地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价***，包括：
依次串联连通的第一岩心夹持器和第二岩心夹持器，其中所述第一岩心夹持器适配储层岩样，所述第二岩心夹持器适配含裂缝盖层/水泥岩样；
第一注入装置，与第一岩心夹持器、第二岩心夹持器分别相连通，配置为向第一岩心夹持器和第二岩心夹持器两者中的至少一者中注入模拟地层水或者饱和CO2地层水或者饱和水超临界CO2；
第二注入装置，分别与第一岩心夹持器和第二岩心夹持器相连通，配置为同时或者独立向所述第一岩心夹持器内的储层岩样和所述第二岩心夹持器内的含裂缝盖层/水泥岩样施加围压；
差压传感器，设置在所述第二岩心夹持器的两侧，配置为检测所述第二岩心夹持器两侧的压力差；
压力传感器，设置在所述第二岩心夹持器远离所述第一岩心夹持器的一侧，配置为检测所述第二岩心夹持器远离所述第一岩心夹持器一侧的压力；
其中，所述第一注入装置与所述第一岩心夹持器、所述第二岩心夹持器之间分别配置有第一通断阀和第二通断阀；所述第一岩心夹持器、所述第二岩心夹持器之间设置有第三通断阀；所述第二岩心夹持器远离所述第一岩心夹持器的一端配置有第四通断阀。
在本发明的一个示例中，所述第一注入装置包括：
第一注入泵；
依次并联连接的三个第一中间容器，每个所述第一中间容器包括容器本体和可移动地配置在所述容器本体内活塞，其中，由所述活塞将所述容器本体分割形成两个腔室，其中一个腔室与所述第一注入泵相连通，其中另一个腔室分别用于存放模拟地层水或者饱和CO2地层水或者饱和水超临界CO2并与第一岩心夹持器、第二岩心夹持器分别相连通。
在本发明的一个示例中，每个所述第一中间容器的两端分别设置有第五通断阀，配置为调节所述第一中间容器与所述第一注入泵、第一岩心夹持器和第二岩心夹持器的通断。
在本发明的一个示例中，所述第二注入装置包括：
第二注入泵；
两个第六通断阀，分别配置在所述第二注入泵与第一岩心夹持器或第二岩心夹持器之间，配置为通断由所述第二注入泵朝向所述第一岩心夹持器或者所述第二岩心夹持器的压力。
在本发明的一个示例中，还包括：第一气/液分离器，
配置在所述第二岩心夹持器远离所述第一岩心夹持器的一侧，用于收集产出液中的CO2和模拟地层水。
在本发明的一个示例中，还包括：第一回压调节器，
配置在所述第一气/液分离器与所述压力传感器之间，用于为所述第二岩心夹持器内的含裂缝盖层/水泥岩样提供回压。
本发明的另一个目的在于提出一种如上述所述的地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价方法，包括如下步骤：
S10：对制备的储层岩样、含裂缝盖层/水泥岩样抽真空饱和模拟地层水在预定时间以上，然后将储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样分别放置于第一岩心夹持器和第二岩心夹持器中，打开第二注入装置，对储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样施加一定的围压，并开启第一回压调节器和第一恒温箱，将回压及***温度分别设定至预定值；
S20：打开第一注入装置，向含裂缝盖层/水泥岩样中注入模拟地层水，直至岩样两端的压差保持恒定为止，并通过达西定律计算泄漏前含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率；
S30：向含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和水超临界CO2，直至出口端有气泡产出为止，然后关闭第二岩心夹持器上下游的第二通断阀、第三通断阀和第四通断阀，使得其上游压力逐渐衰减，其下游压力不断增大，直至压力达到平衡为止，记录平衡时的上下游压力差，即为泄漏前含裂缝盖层/水泥岩样的CO2突破压力；
S40：向串联的储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和CO2地层水，直至压力达到平衡为止，随后再向串联的储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和水超临界CO2，直至压力达到平衡为止，该步骤的目的为模拟CO2的泄漏过程；
S50：重复步骤S20和S30，确定泄漏后含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率及CO2突破压力；
S60：对比泄漏前后含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率及CO2突破压力，计算含裂缝盖层/ 水泥岩样的渗透率下降率以及突破压力增加率，综合评价CO2泄漏通道的愈合能力。
在本发明的一个示例中，所述第二通断阀、所述第三通断阀与所述第二岩心夹持器内的岩心入口端面之间的空间形成上游容器，所述第四通断阀与所述第二岩心夹持器内的岩心出口端面之间的空间形成下游容器，且所述上游容器、所述下游容器的体积为 2.0～3.0mL。
在本发明的一个示例中，在步骤S60中，所述渗透率下降率和所述突破压力增加率通过如下公式进行计算：
式中：Rk为岩样的渗透率下降率，％；Rb为岩样的突破压力增加率，％；ka0和ka分别为泄漏前后的岩样渗透率，mD；pb0和pb分别为泄漏前后的岩样CO2突破压力，MPa。
在本发明的一个示例中，在步骤S20中，注入模拟地层水的流量为0.3～0.5mL/min；在步骤S30、S40中，注入饱和CO2地层水和饱和水超临界CO2的流量均为3.0～5.0mL/min。
下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。
相较于现有技术，本发明的地质封存CO2泄漏通道自愈能力评价***与方法，具有如下有益效果：
(1)本发明采用串联的储层岩样与含裂缝盖层/水泥岩样，开展CO2泄漏通道愈合能力评价实验，考虑了CO2泄漏过程中储层产出微粒对泄漏通道愈合行为的影响；
(2)本发明通过向饱和地层水岩样中先后注入饱和CO2地层水以及饱和水超临界CO2的方法，模拟CO2泄漏过程，可评价饱和CO2地层水单相流以及CO2-地层水两相流对泄漏通道愈合行为的综合影响；
(3)本发明可在模拟原地条件下，分析盖层/水泥环内不同类型、不同尺寸泄漏通道的愈合行为，并通过泄漏前后的渗透率及CO2突破压力的变化综合表征泄露通道的愈合能力，可为现场CO2泄漏风险评价以及选择针对性的泄漏防控措施提供技术指导；
(4)本发明采用压力衰减法测试CO2的突破压力，操作简便，测试速度快，准确度高，且压力衰减法可模拟CO2泄漏从发生至停止时的压力演化过程，更符合实际情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。
图1为根据本发明实施例的地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价***的结构原理图；
图2为根据本发明实施例的配置饱和水超临界CO2和饱和CO2地层水的配置装置结构示意图；
图3为根据本发明实施例的地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价方法流程图。
附图标记列表：
评价***1000；
第一岩心夹持器10；
第二岩心夹持器20；
第一注入装置30；
第一注入泵31；
第一中间容器32；
第五通断阀33；
第二注入装置40；
第二注入泵41；
第六通断阀42；
差压传感器50；
压力传感器60；
第一通断阀70；
第二通断阀80；
第三通断阀90；
第四通断阀100；
第一气/液分离器110；
第一回压调节器120；
第一恒温箱130；
配制装置200；
第二中间容器210；
高压CO2气瓶220；
地层水泵230；
液压油泵240；
第二回压调节器250；
第二气/液分离器260；
第二恒温箱270。
具体实施方式
为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
根据本发明第一方面的一种地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价***1000，如图1所示，包括：
依次串联连通的第一岩心夹持器10和第二岩心夹持器20，其中所述第一岩心夹持器10适配储层岩样，所述第二岩心夹持器20适配含裂缝盖层/水泥岩样；
第一注入装置30，与第一岩心夹持器10、第二岩心夹持器20分别相连通，配置为向第一岩心夹持器10和第二岩心夹持器20两者中的至少一者中注入模拟地层水或者饱和CO2地层水或者饱和水超临界CO2；
第二注入装置40，分别与第一岩心夹持器10和第二岩心夹持器20相连通，配置为同时或者独立向所述第一岩心夹持器10内的储层岩样和所述第二岩心夹持器20内的含裂缝盖层/水泥岩样施加围压；
差压传感器50，设置在所述第二岩心夹持器20的两侧，配置为检测所述第二岩心夹持器20两侧的压力差；
压力传感器60，设置在所述第二岩心夹持器20远离所述第一岩心夹持器10的一侧，配置为检测所述第二岩心夹持器20远离所述第一岩心夹持器10一侧的压力；
其中，所述第一注入装置30与所述第一岩心夹持器10、所述第二岩心夹持器20 之间分别配置有第一通断阀70和第二通断阀80；所述第一岩心夹持器10、所述第二岩心夹持器20之间设置有第三通断阀90；所述第二岩心夹持器20远离所述第一岩心夹持器10的一端配置有第四通断阀100。
首先，对制备的储层岩样、含裂缝盖层/水泥岩样抽真空饱和模拟地层水在预定时间以上，然后将其分别放置于第一岩心夹持器10和第二岩心夹持器20中，打开第二注入装置41和两个第六通断阀42，对储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样施加一定的围压，并开启第一回压调节器120和第一恒温箱130，将回压及***温度分别设定至预定值；其次，打开第一注入装置30、含有模拟地层水的第一中间容器32两端的第五通断阀33以及第二通断阀80、第四通断阀100，向含裂缝盖层/水泥岩样中注入模拟地层水，直至岩样两端的压差保持恒定为止，并通过达西定律计算泄漏前含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率；然后，切换至含有饱和水超临界CO2的第一中间容器32，打开其两端的第五通断阀33，向含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和水超临界CO2，直至出口端有气泡产出为止，然后关闭第二岩心夹持器20上下游的第二通断阀80和第四通断阀100，使得其上游压力逐渐衰减，其下游压力不断增大，直至压力达到平衡为止，记录平衡时的上下游压力差，即为泄漏前含裂缝盖层/水泥岩样的CO2突破压力；接着，切换至含有饱和CO2地层水的第一中间容器32，打开其两端的第五通断阀33、第一通断阀70、第三通断阀90和第四通断阀100，向串联的储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和CO2地层水，直至压力达到平衡为止，随后切换至含有饱和水超临界CO2的第一中间容器32，打开其两端的第五通断阀33，再向串联的储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和水超临界CO2，直至压力达到平衡为止，该步骤的目的为模拟CO2的泄漏过程；再次，切换至含有模拟地层水的第一中间容器32，打开其两端的第五通断阀 33以及第二通断阀80，关闭第一通断阀70、第三通断阀90，向含裂缝盖层/水泥岩样中注入模拟地层水，直至岩样两端的压差保持恒定为止，并通过达西定律计算泄漏后含裂缝盖层 /水泥岩样的渗透率；切换至含有饱和水超临界CO2的第一中间容器32，打开其两端的第五通断阀33，向含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和水超临界CO2，直至出口端有气泡产出为止，然后关闭第二岩心夹持器20上下游的第二通断阀80和第四通断阀100，使得其上游压力逐渐衰减，其下游压力不断增大，直至压力达到平衡为止，记录平衡时的上下游压力差，即为泄漏后含裂缝盖层/水泥岩样的CO2突破压力；最后，对比泄漏前后含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率及CO2突破压力，计算含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率下降率以及突破压力增加率，综合评价CO2泄漏通道的愈合能力。
需要说明的是，所述第一岩心夹持器10和所述第二岩心夹持器20均为垂直放置，所述模拟地层水、饱和CO2地层水和饱和水超临界CO2均为自下而上注入所述岩心夹持器中，以形成第一岩心夹持器10或第二岩心夹持器20的上游和下游。
需要指出的是，第一岩心夹持器10、第二岩心夹持器20均为现有技术。
在本发明的一个示例中，所述第一注入装置30包括：
第一注入泵31；
依次并联连接的三个第一中间容器32，每个所述第一中间容器32包括容器本体和可移动地配置在所述容器本体内活塞，其中，由所述活塞将所述容器本体分割形成两个腔室，其中一个腔室与所述第一注入泵31相连通，其中另一个腔室分别用于存放模拟地层水或者饱和CO2地层水或者饱和水超临界CO2并与第一岩心夹持器10、第二岩心夹持器20分别相连通；
也就是说，第一中间容器32的活塞在第一注入泵31的驱动下，由靠近第一注入泵31 的一侧向背离所述第一注入泵31的一侧移动，从而活塞挤压位于腔室的模拟地层水或者饱和CO2地层水或者饱和水超临界CO2，从而使得模拟地层水或者饱和CO2地层水或者饱和水超临界CO2向第一岩心夹持器10和第二岩心夹持器20中注入，设置三个第一中间容器 32可以满足模拟地层水或者饱和CO2地层水或者饱和水超临界CO2向第一岩心夹持器10和第二岩心夹持器20注入。例如，第一注入泵31可以为液压油泵，通过向第一中间容器32 注入液压油从而推动活塞运动。
在本发明的一个示例中，每个所述第一中间容器32的两端分别设置有第五通断阀33，配置为调节所述第一中间容器32与所述第一注入泵31、第一岩心夹持器10和第二岩心夹持器20的通断；
例如，当需要注入模拟地层水时，开启其两端的第五通断阀33，其余两个第一中间容器 32两侧的第五通断阀33处于关闭状态，在第一注入泵31的驱动下，模拟地层水向第一岩心夹持器10和第二岩心夹持器20中注入。可以理解的是，当需要注入饱和CO2地层水或者饱和水超临界CO2时，操作方法与上述类似，这里不再赘述。
在本发明的一个示例中，所述第二注入装置40包括：
第二注入泵41；
两个第六通断阀42，分别配置在所述第二注入泵41与第一岩心夹持器10或第二岩心夹持器20之间，配置为通断由所述第二注入泵41朝向所述第一岩心夹持器10或者所述第二岩心夹持器20的压力；
也就是说，在第二注入泵41的驱动下，可以同时向第一岩心夹持器10和第二岩心夹持器20中施加围压(两个第五通断阀33均打开)，也可以向第一岩心夹持器10和第二岩心夹持器20两者中的一者施加围压(仅打开一个第五通断阀33)。例如，第二注入泵41可以为液压油泵，通过向第一岩心夹持器10或第二岩心夹持器20注入液压油从而使其产生围压。
在本发明的一个示例中，还包括：第一气/液分离器110，
配置在所述第二岩心夹持器20远离所述第一岩心夹持器10的一侧，用于收集产出液中的CO2和模拟地层水；
通过设置第一气/液分离器110可以收集该评价***1000产出液中的CO2和模拟地层水。
在本发明的一个示例中，还包括：第一回压调节器120，
配置在所述第一气/液分离器110与所述压力传感器60之间，用于为所述第二岩心夹持器20内的含裂缝盖层/水泥岩样提供回压。
可以理解的是，该评价***1000中的第一恒温箱130，用于调节评价***1000的温度，其中，如图1所示，除了第一气/液分离器110、第二注入泵41、第一注入泵31设置在第一恒温箱130之外，其余部件均设置在第一恒温箱130内，从而确保该评价***1000能够有效可靠模拟地质环境。
根据本发明第二方面的一种如上述所述的地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价方法，如图3所示，包括如下步骤：
S10：对制备的储层岩样、含裂缝盖层/水泥岩样抽真空饱和模拟地层水在预定时间以上，然后将储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样分别放置于第一岩心夹持器10和第二岩心夹持器20 中，打开第二注入装置41，对储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样施加一定的围压，并开启第一回压调节器120和第一恒温箱130，将回压及***温度分别设定至预定值；
S20：打开第一注入装置30，向含裂缝盖层/水泥岩样中注入模拟地层水，直至岩样两端的压差保持恒定为止，并通过达西定律计算泄漏前含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率；
S30：向含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和水超临界CO2，直至出口端有气泡产出为止，然后关闭第二岩心夹持器20上下游的第二通断阀80、第三通断阀90和第四通断阀100，使得其上游压力逐渐衰减，其下游压力不断增大，直至压力达到平衡为止，记录平衡时的上下游压力差，即为泄漏前含裂缝盖层/水泥岩样的CO2突破压力；
S40：向串联的储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和CO2地层水，直至压力达到平衡为止，随后再向串联的储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和水超临界CO2，直至压力达到平衡为止，该步骤的目的为模拟CO2的泄漏过程；
S50：重复步骤S20和S30，确定泄漏后含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率及CO2突破压力；
S60：对比泄漏前后含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率及CO2突破压力，计算含裂缝盖层/ 水泥岩样的渗透率下降率以及突破压力增加率，综合评价CO2泄漏通道的愈合能力。
上述评价方法的具体过程如下：
对制备的储层岩样、含裂缝盖层/水泥岩样抽真空饱和模拟地层水在预定时间以上，然后将其分别放置于第一岩心夹持器10和第二岩心夹持器20中，打开第二注入装置41和两个第六通断阀42，对储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样施加一定的围压，并开启第一回压调节器120和第一恒温箱130，将回压及***温度分别设定至预定值；
打开第一注入装置30、含有模拟地层水的第一中间容器32两端的第五通断阀33以及第二通断阀80、第四通断阀100，向含裂缝盖层/水泥岩样中注入模拟地层水，直至岩样两端的压差保持恒定为止，并通过达西定律计算泄漏前含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率；
切换至含有饱和水超临界CO2的第一中间容器32，打开其两端的第五通断阀33，向含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和水超临界CO2，直至出口端有气泡产出为止，然后关闭第二岩心夹持器20上下游的第二通断阀80和第四通断阀100，使得其上游压力逐渐衰减，其下游压力不断增大，直至压力达到平衡为止，记录平衡时的上下游压力差，即为泄漏前含裂缝盖层/水泥岩样的CO2突破压力；
切换至含有饱和CO2地层水的第一中间容器32，打开其两端的第五通断阀33、第一通断阀70、第三通断阀90和第四通断阀100，向串联的储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和CO2地层水，直至压力达到平衡为止，随后切换至含有饱和水超临界CO2的第一中间容器32，打开其两端的第五通断阀33，再向串联的储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和水超临界CO2，直至压力达到平衡为止，该步骤的目的为模拟CO2的泄漏过程；
切换至含有模拟地层水的第一中间容器32，打开其两端的第五通断阀33以及第二通断阀80，关闭第一通断阀70、第三通断阀90，向含裂缝盖层/水泥岩样中注入模拟地层水，直至岩样两端的压差保持恒定为止，并通过达西定律计算泄漏后含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率；切换至含有饱和水超临界CO2的第一中间容器32，打开其两端的第五通断阀33，向含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和水超临界CO2，直至出口端有气泡产出为止，然后关闭第二岩心夹持器20上下游的第二通断阀80和第四通断阀100，使得其上游压力逐渐衰减，其下游压力不断增大，直至压力达到平衡为止，记录平衡时的上下游压力差，即为泄漏后含裂缝盖层/水泥岩样的CO2突破压力；
对比泄漏前后含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率及CO2突破压力，计算含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率下降率以及突破压力增加率，综合评价CO2泄漏通道的愈合能力。
需要说明的是，在该评价***的初始条件下所有通断阀均关闭，本方法中通断阀状态调节的逻辑顺序以打开方式为主线进行阐述。
本发明采用串联的储层岩样与含裂缝盖层/水泥岩样开展CO2泄漏通道愈合能力评价实验，考虑了储层产出微粒对泄漏通道愈合行为的影响；通过向饱和地层水岩样中先后注入饱和CO2地层水以及饱和水超临界CO2的方法模拟CO2泄漏过程，可评价饱和CO2地层水单相流以及CO2-地层水两相流对泄漏通道愈合行为的综合影响；可在模拟原地条件下分析盖层/水泥环内不同类型、不同尺寸泄漏通道的愈合行为，并通过泄漏前后的渗透率及CO2突破压力的变化综合表征泄露通道的愈合能力，可为现场CO2泄漏风险评价及泄漏防控措施提供技术指导；采用压力衰减法测试CO2的突破压力，操作简便，测试速度快，准确度高，且压力衰减法可模拟CO2泄漏从发生至停止时的压力演化过程，更符合实际情况。
在本发明的一个示例中，所述第二通断阀80、所述第三通断阀90与所述第二岩心夹持器20内的岩心入口端面之间的空间形成上游容器，所述第四通断阀100与所述第二岩心夹持器20内的岩心出口端面之间的空间形成下游容器，且所述上游容器、所述下游容器的体积为2.0～3.0mL。
在本发明的一个示例中，在步骤S60中，所述渗透率下降率和所述突破压力增加率通过如下公式进行计算：
式中：Rk为岩样的渗透率下降率，％；Rb为岩样的突破压力增加率，％；ka0和ka分别为泄漏前后的岩样渗透率，mD；pb0和pb分别为泄漏前后的岩样CO2突破压力，MPa。
在本发明的一个示例中，在步骤S20中，注入模拟地层水的流量为0.3mL/min～0.5mL/min；在步骤S30、S40中，注入饱和CO2地层水和饱和水超临界CO2的流量均为 3.0mL/min～5.0mL/min。
在本发明的一个示例中，所述制备的储层岩样和所述制备的含裂缝盖层/水泥岩样，其直径均为2.5cm，其长度分别为5.0～7.0cm和2.0～3.0cm。
具体实施例
该实施例以某盆地咸水层为分析对象。该咸水层的储层岩性为泥质粉砂岩，储层顶部埋深约为1270m，厚度为110m，初始储层压力为12.5MPa，储层温度为64℃，储层平均孔隙度介于10％～23％，渗透率介于5～298mD，地层水的主要成分如表1所示；该咸水层盖层岩性为泥岩、砂质泥岩，单层泥岩厚度达21m，盖层平均孔隙度为7.5％，平均渗透率为 3.3×10-3mD；注入井选用的固井水泥浆成分为A级普通硅酸盐水泥，水灰比为0.4。
表1某咸水层地层水成分分析及其总矿化度
| 成分类型 | NaCl | CaCl<sub>2</sub>·2H<sub>2</sub>O | MgCl<sub>2</sub>·6H<sub>2</sub>O | KCl | Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> | 合计 |
| 含量(g/L) | 139.33 | 22.00 | 5.23 | 4.12 | 0.52 | 160 |
本实施例中使用的岩样包括储层岩样、含裂缝盖层岩样和含裂缝水泥岩样，使用的流体包括模拟地层水、饱和水超临界CO2和饱和CO2地层水，其制备方法具体如下：
按照SYT5358-2010岩样制备方法，从现场采集的储层岩块和盖层岩块中分别钻取长度 6.0cm和3.0cm，直径2.5cm的岩心柱；采用A级普通硅酸盐水泥，按照水灰比0.4配置水泥浆体系，将水泥浆体系倒入岩心模具中，铸造出长度3.0cm、直径2.5cm的水泥岩样，然后在100％湿度、大气压及室温条件下，将水泥岩样养护4周；随后，采用巴西劈裂法对盖层岩样及水泥岩样进行人工造缝，获得含不同缝宽裂缝的盖层岩样和水泥岩样；待岩样清洗、烘干后，在岩样周围用胶带进行包裹，然后在胶带外测再用热塑性塑料管进行封包。
根据表1中的地层水成分，配制模拟地层水；以超临界CO2和模拟地层水为基液，配制饱和水超临界CO2和饱和CO2地层水，配制装置200如图2所示。该装置包括第二中间容器210、高压CO2气瓶220、地层水泵230、液压油泵240、第二回压调节器250、第二气/ 液分离器260及第二恒温箱270。液压油泵240与第二中间容器210的第一进液口连接，用于推动活塞移动；第二中间容器210的第二进液口通过三条分支管线分别与高压CO2气瓶 220、地层水泵230及第一回压调节器的进液口连接，第二回压调节器250的出液口与第二气/液分离器260连接；第二中间容器210体积为1000mL，放置于第二恒温箱270中。
向活塞式第二中间容器210内注入模拟地层水，注入体积为第二中间容器210体积的 1/10，然后在压力12.5MPa、温度64℃条件下，向第二中间容器210剩余体积内注入超临界CO2，待CO2与水平衡48h后，将第二中间容器210倒立，推动活塞排出多余水分，便得到饱和水超临界CO2；向第二中间容器210内注入模拟地层水，注入体积为第二中间容器 210体积的2/3，然后在压力12.5MPa、温度64℃条件下，向第二中间容器210剩余体积内注入超临界CO2，待平衡48h后，推动活塞排出多余CO2，便得到饱和CO2地层水。
本实施例中地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价方法，包括如下步骤：
步骤1：对制备的储层岩样、含裂缝盖层/水泥岩样抽真空饱和模拟地层水48h以上，然后将储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样分别放置于第一岩心夹持器10和第二岩心夹持器20 中，打开第二注入装置41，对储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样施加25.0MPa围压，并开启第一回压调节器120和第一恒温箱130，将回压及***温度分别设定至12.5MPa和64℃；
步骤2：打开第一注入装置30，向含裂缝盖层/水泥岩样中注入模拟地层水，注入流量为0.3mL/min，直至岩样两端的压差保持恒定为止，并通过达西定律计算泄漏前含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率。
步骤3：向含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和水超临界CO2，注入流量为3.0mL/min，直至出口端有气泡产出为止，然后关闭第二岩心夹持器20上下游的第二通断阀80、第三通断阀90和第四通断阀100，使得其上游压力逐渐衰减，其下游压力不断增大，直至压力达到平衡为止，记录平衡时的上下游压力差，即为泄漏前含裂缝盖层/水泥岩样的CO2突破压力；
步骤4：向串联的储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和CO2地层水，注入流量为 3.0mL/min，直至压力达到平衡为止，随后再向串联的储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和水超临界CO2，注入流量为3.0mL/min，直至压力达到平衡为止，该步骤的目的为模拟CO2的泄漏过程；
步骤5：重复步骤S20和S30，确定泄漏后含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率及CO2突破压力；
步骤6：对比泄漏前后含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率及CO2突破压力，通过如下公式计算岩样的渗透率下降率以及突破压力增加率，综合评价CO2泄漏通道的愈合能力：
式中：Rk为岩样的渗透率下降率，％；Rb为岩样的突破压力增加率，％；ka0和ka分别为泄漏前后的岩样渗透率，mD；pb0和pb分别为泄漏前后的岩样CO2突破压力，MPa。
上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价***1000与方法的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。
Claims (10)
1.一种地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价***，其特征在于，包括：
依次串联连通的第一岩心夹持器(10)和第二岩心夹持器(20)，其中所述第一岩心夹持器(10)适配储层岩样，所述第二岩心夹持器(20)适配含裂缝盖层/水泥岩样；
第一注入装置(30)，与第一岩心夹持器(10)、第二岩心夹持器(20)分别相连通，配置为向第一岩心夹持器(10)和第二岩心夹持器(20)两者中的至少一者中注入模拟地层水或者饱和CO2地层水或者饱和水超临界CO2；
第二注入装置(40)，分别与第一岩心夹持器(10)和第二岩心夹持器(20)相连通，配置为同时或者独立向所述第一岩心夹持器(10)内的储层岩样和所述第二岩心夹持器(20)内的含裂缝盖层/水泥岩样施加围压；
差压传感器(50)，设置在所述第二岩心夹持器(20)的两侧，配置为检测所述第二岩心夹持器(20)两侧的压力差；
压力传感器(60)，设置在所述第二岩心夹持器(20)远离所述第一岩心夹持器(10)的一侧，配置为检测所述第二岩心夹持器(20)远离所述第一岩心夹持器(10)一侧的压力；
其中，所述第一注入装置(30)与所述第一岩心夹持器(10)、所述第二岩心夹持器(20)之间分别配置有第一通断阀(70)和第二通断阀(80)；所述第一岩心夹持器(10)、所述第二岩心夹持器(20)之间设置有第三通断阀(90)；所述第二岩心夹持器(20)远离所述第一岩心夹持器(10)的一端配置有第四通断阀(100)。
2.根据权利要求1所述的地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价***，其特征在于，
所述第一注入装置(30)包括：
第一注入泵(31)；
依次并联连接的三个第一中间容器(32)，每个所述第一中间容器(32)包括容器本体和可移动地配置在所述容器本体内活塞，其中，由所述活塞将所述容器本体分割形成两个腔室，其中一个腔室与所述第一注入泵(31)相连通，其中另一个腔室分别用于存放模拟地层水或者饱和CO2地层水或者饱和水超临界CO2并与第一岩心夹持器(10)、第二岩心夹持器(20)分别相连通。
3.根据权利要求2所述的地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价***，其特征在于，
每个所述第一中间容器(32)的两端分别设置有第五通断阀(33)，配置为调节所述第一中间容器(32)与所述第一注入泵(31)、第一岩心夹持器(10)和第二岩心夹持器(20)的通断。
4.根据权利要求1所述的地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价***，其特征在于，
所述第二注入装置(40)包括：
第二注入泵(41)；
两个第六通断阀(42)，分别配置在所述第二注入泵(41)与第一岩心夹持器(10)或第二岩心夹持器(20)之间，配置为通断由所述第二注入泵(41)朝向所述第一岩心夹持器(10)或者所述第二岩心夹持器(20)的压力。
5.根据权利要求1所述的地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价***，其特征在于，
还包括：第一气/液分离器(110)，
配置在所述第二岩心夹持器(20)远离所述第一岩心夹持器(10)的一侧，用于收集产出液中的CO2和模拟地层水。
6.根据权利要求4所述的地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价***，其特征在于，
还包括：第一回压调节器(120)，
配置在所述第一气/液分离器(110)与所述压力传感器(60)之间，用于为所述第二岩心夹持器(20)内的含裂缝盖层/水泥岩样提供回压。
7.一种如权利要求1至权利要求6中任意一项所述的地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价***的评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10：对制备的储层岩样、含裂缝盖层/水泥岩样抽真空饱和模拟地层水在预定时间以上，然后将储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样分别放置于第一岩心夹持器(10)和第二岩心夹持器(20)中，打开第二注入装置(41)，对储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样施加一定的围压，并开启第一回压调节器(120)和第一恒温箱(130)，将回压及***温度分别设定至预定值；
S20：打开第一注入装置(30)，向含裂缝盖层/水泥岩样中注入模拟地层水，直至岩样两端的压差保持恒定为止，并通过达西定律计算泄漏前含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率；
S30：向含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和水超临界CO2，直至出口端有气泡产出为止，然后关闭第二岩心夹持器(20)上下游的第二通断阀(80)、第三通断阀(90)和第四通断阀(100)，使得其上游压力逐渐衰减，其下游压力不断增大，直至压力达到平衡为止，记录平衡时的上下游压力差，即为泄漏前含裂缝盖层/水泥岩样的CO2突破压力；
S40：向串联的储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和CO2地层水，直至压力达到平衡为止，随后再向串联的储层岩样和含裂缝盖层/水泥岩样中注入饱和水超临界CO2，直至压力达到平衡为止，该步骤的目的为模拟CO2的泄漏过程；
S50：重复步骤S20和S30，确定泄漏后含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率及CO2突破压力；
S60：对比泄漏前后含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率及CO2突破压力，计算含裂缝盖层/水泥岩样的渗透率下降率以及突破压力增加率，综合评价CO2泄漏通道的愈合能力。
8.根据权利要求7所述的地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价方法，其特征在于，
所述第二通断阀(80)、所述第三通断阀(90)与所述第二岩心夹持器(20)内的岩心入口端面之间的空间形成上游容器，所述第四通断阀(100)与所述第二岩心夹持器(20)内的岩心出口端面之间的空间形成下游容器，且所述上游容器、所述下游容器的体积为2.0～3.0mL。
9.根据权利要求7所述的地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价方法，其特征在于，
在步骤S60中，所述渗透率下降率和所述突破压力增加率通过如下公式进行计算：
式中：Rk为岩样的渗透率下降率，％；Rb为岩样的突破压力增加率，％；ka0和ka分别为泄漏前后的岩样渗透率，mD；pb0和pb分别为泄漏前后的岩样CO2突破压力，MPa。
10.根据权利要求7所述的地质封存CO2泄漏通道愈合能力评价方法，其特征在于，
在步骤S20中，注入模拟地层水的流量为0.3～0.5mL/min；在步骤S30、S40中，注入饱和CO2地层水和饱和水超临界CO2的流量均为3.0～5.0mL/min。
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