CN117491502A - 一种不同co2饱和度岩石物理测试装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置及实验方法，包括：波速测试模块、液岩反应模块、液体施加模块、数据采集模块。其中，波速测试模块包括探头、波速测试主机，液岩反应模块包括反应釜、密封盖，反应釜外壁中预置加热电阻丝，液体施加模块包括超临界CO2施加液路、水施加液路。所述探头与波速测试主机相连，所述波速测试主机连接至数据采集模块；所述液体施加模块为两个单独的液路，通过液体进出通道与所述反应釜相连。本不同CO2饱和度岩石物理测试装置，能测试不同CO2、水饱和度岩石样品的P波速、S波速，为二氧化碳地质封存运移监测提供试验依据。
Description
技术领域
本发明涉及CO2地质封存技术领域，尤其涉及一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置及实验方法。
背景技术
积极稳妥推进碳达峰碳中和，加强煤炭清洁高效利用，与应对气候变化具有至关重要的作用。CO2捕获、利用和封存技术(CCUS)是实现碳达峰、碳中和的重要手段和托底技术，从固碳端改善生态环境，降低人类活动对自然环境的影响，可最大程度上实现人与自然和谐共生的目标。在CO2地质封存工程中，对CO2地质封存的安全监测至关重要，不仅可以及时掌握CO2的波及区域，及时调整驱替方案，还可以监测CO2是否发生泄漏。
垂直地震剖面法(VSP)是监测CO2地质封存运移的主要手段之一。这种方法的核心是利用地震波场在不同CO2饱和度地层中的响应特征，进而反演CO2的波及区域及运移路径。可见，测试不同CO2饱和度岩石的地震波(P波、S波)对于支撑CO2地质封存监测至关重要。因此，开发不同CO2饱和度岩石物理测试方法也就成了室内研究中必须要解决的关键问题。目前对于测试岩石P波、S波的方法较为常见，且以往研究多是针对CO2全饱和样品或是CO2非饱和样品进行测试，但对于不同CO2饱和度岩石，尤其是CO2-水饱和度的研究较少，需要从室内实验装置对其进行突破。
发明内容
由于目前缺乏对于不同CO2饱和度岩石测试的装置，本发明的主要目的在于提供一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置及实验方法，旨在测试不同CO2饱和度条件下岩石的地震波响应，如P波、S波速度响应。
为实现上述目的，本发明提供一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置，包括：波速测试模块、液岩反应模块、液体施加模块、数据采集模块；
所述波速测试模块包括探头、波速测试主机，所述探头与波速测试主机相连，所述波速测试主机连接至数据采集模块，所述探头还与所述液岩反应模块中的反应釜上端面及下端面贴着；
所述液岩反应模块包括反应釜、密封盖，反应釜外壁中预置加热电阻丝，所述反应釜中用于放置要测试的岩心，所述反应釜顶部盖有所述密封盖，且所述密封盖与所述岩心的上端面接触；
所述液体施加模块包括超临界CO2施加液路、水施加液路，所述超临界CO2施加液路、水施加液路均与所述反应釜连接；
所述电阻丝用于将反应釜加热至地层温度，超临界CO2施加液路用于向反应釜中注入超临界CO2，水施加液路用于向反应釜中注入水，通过控制反应釜内超临界CO2和水的添加量，以使岩心达到某一CO2/水饱和程度，波速测试模块用于测试不同CO2/水饱和度岩心的波速，所述数据采集模块用于显示和存***速数据。
优选的，所述波速测试模块为P/S波速测试模块，所述探头包括P波探头和/或S波探头，P波探头用于获取P波，S波探头用于获取S波，所述P/S波速测试模块用于测试不同CO2/水饱和度岩心的P波速、S波速，所述数据采集模块用于显示和存储P波速、S波速数据。
优选的，所述P波探头、S波探头为两对探头，每对探头均包括一个信号发射探头，一个信号接收探头，需要测试P波时波速测试主机安装P波探头，需要测试S波时则波速测试主机安装S波探头。
优选地，首先应测定岩心孔隙度和渗透率，之后将岩心置于反应釜中再将密封盖通过螺纹盖在所述反应釜上，开启加热电阻丝将反应釜加热至地层温度，再之后根据实验设计的不同CO2饱和度向反应釜中注入超临界CO2或水，通过流量计一核定要注入的超临界CO2液体质量，通过流量计二核定要注入的水质量，以使岩心达到某一CO2/水饱和程度，最后开启P/S波速测试模块的波速测试主机，根据探头的属性测试不同CO2/水饱和度岩心的P波速、S波速。实验结束后关闭所述波速测试主机、开启反应釜出液口单向阀排出废液、取出岩心。
优选的，所述超临界CO2施加液路为管道一，管道一的一端依连接超临界CO2容器和柱塞泵，超临界CO2容器上连接柱塞泵，管道一上位于超临界CO2容器与反应釜之间的位置安装CO2施加液路单向阀，CO2施加液路单向阀控制超临界CO2向反应釜的方向注入；
水施加液路为管道二，管道二的一端依次连接注入泵和水容器，管道二位于注入泵与反应釜之间的位置安装水施加液路单向阀，水施加液路单向阀控制水向反应釜的方向注入。
优选的，所述反应釜上设置进液口和出液通道，管道一的另一端与管道二的另一端汇流到管道三的一端，管道三的另一端与反应釜的进液口连接，所述反应釜的出液通道与废液回收装置相连，所述反应釜的出液通道上安装有反应釜出液口单向阀。
优选地，所述岩心为标准尺寸岩心，尺寸为高度100mm，岩性为可作为CO2地质封存的岩石，一般为砂岩。
优选地，反应釜内壁和岩心间需留有5～10mm的间距，以保证CO2/水与岩石充分作用。
优选地，所述反应釜电阻丝加热温度范围为0～80℃，覆盖CO2饱地质封存吸收层温度范围。
本发明还提供了一种不同CO2饱和度岩石物理测试实验方法，包括：
测定岩心孔隙度和渗透率，将此作为注液量的依据；
将岩心置于反应釜中再将密封盖通过螺纹盖在所述反应釜上，开启加热电阻丝将反应釜加热至地层温度；
向反应釜中注入超临界CO2或水，形成CO2/水体系，以使岩心达到某一CO2/水饱和程度；
开启P/S波速测试模块的波速测试主机，根据探头的属性测试不同CO2/水饱和度岩心的P波速和/或S波速。
优选地，所述液体施加模块是通过向反应釜中注入所述CO2/水，通过所述CO2/水体系覆没岩心的高度来衡量岩心的饱和比例，全饱和则将反应釜注满，半饱和则将所述CO2/水体系注至所述反应釜的一半，使岩心实现半饱和并以此类推。
优选地，为了保证注入的CO2/水充分流入岩心的孔隙裂隙，需要对注入速度进行限制，超临界CO2注入速度0～5ml/min，水的注入速度0～10ml/min。
优选地，CO2和水可交替注入，多重流体饱和条件下会呈现出不同的波速响应。
本发明的有益效果是：提出的一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置及实验方法，能够对不同含CO2和水饱和度的岩心测试P波速、S波速；且针对目前岩石物理实验机无法测试不同饱和度岩石样品的难题，本发明通过含CO2和水与岩石作用不同高度来实现不同饱和度，为开展CO2地质封存安全监测提供了理论和试验依据，进行大量的实验可指导实际生产，避免实际生产的盲目操作，提高了生产效率。另外，本发明提供的不同CO2饱和度岩石物理测试装置具有模块化操作，集成控制的优点。
附图说明
图1为本发明一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置的结构示意图；
图2为本发明反应釜模块的主视结构图。
图3为图2的A-A剖视图。
图中，1-波速测试主机、1-1-探头、1-2-传感信号线，2-反应釜、2-1-密封盖、2-2-岩心、2-3-加热电阻丝，3-液体施加模块、3-1-柱塞泵、3-2-超临界CO2容器、3-3-流量计一、3-4-水容器、3-5-注入泵、3-6-水施加液路单向阀、3-7-反应釜进液口单向阀、3-8-反应釜出液口单向阀、3-9-废液回收装置，3-10-流量计二，4-数据采集模块。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
实施例1
参照图1至图2，本优选实施例中，一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置，包括：P/S波速测试模块、液岩反应模块、液体施加模块3、数据采集模块4。
所述P/S波速测试模块包括探头1-1和波速测试主机1，探头1-1用于获取地震波的P波和S波。所述探头1-1包括信号传输端和接触端，探头1-1的信号传输端与波速测试主机1相连，所述波速测试主机1通过传感信号线1-2连接至数据采集模块4。液岩反应模块包括反应釜2，所述探头1-1的接触端通过耦合剂与所述反应釜2的上端面、下端面贴合或紧贴。
示例性的，所述探头1-1包括P波探头和/或S波探头，P波探头用于获取P波，S波探头用于获取S波。所述P波探头、S波探头为两对外观相同的探头，每对探头均包括一个信号发射探头和一个信号接收探头。进一步地，所述P波探头和S波探头为单独的两对探头，需要测试P波时波速测试主机1安装P波探头，此时探头1-1就是P波探头，需要测试S波时则波速测试主机1安装S波探头，此时探头1-1就是S波探头。
示例性的，所述波速测试主机1采用WAVE3000波速测试仪、波速仪、锤击法波速仪等能够测试P波、S波波速的主机均可。
示例性的，传感信号线1-2采用能传递信号的信号线型号均可。
示例性的，耦合剂采用凡士林、黄油或真空脂等，以利于P波、S波获取。
所述液岩反应模块包括反应釜2、进液口、出液通道、密封盖2-1，反应釜2外壁中预置加热电阻丝2-3，为了方便操作，加热电阻丝2-3的开关设置在反应釜2的外壁上。所述反应釜2为空心圆柱体，实验时所述反应釜2内放置要测试的岩心2-2，所述岩心2-2为标准岩心圆柱，所述岩心2-2的其中一个端面贴着所述反应釜2的下端面，放置所述岩心2-2后，将所述密封盖2-1通过螺纹盖紧在反应釜2上端，所述密封盖2-1内顶面贴着所述岩心2-2的上端面。所述探头1-1在反应釜2上的安装方式为：信号发射探头贴着所述反应釜2上端面的外侧，信号接收探头贴着所述反应釜2下端面的外侧；或者，所述信号发射探头贴着所述反应釜2下端面的外侧，信号接收探头贴着所述反应釜2上端面的外侧。
所述液体施加模块3包括超临界CO2施加液路、水施加液路，由于在实际CO2地质封存过程中，CO2与水是交替注入，且CO2进入地层后会呈现超临界状态，因此本发明设置所述超临界CO2施加液路与水施加液路。由于所述超临界CO2施加液路需要对超临界CO2保温保压，故所述超临界CO2施加液路采用柱塞泵3-1配合超临界CO2容器3-2向所述反应釜2注入，而水施加液路则仅需要注入泵3-5实现向所述反应釜2注入即可。
示例性的，所述超临界CO2施加液路为管道一，管道一的一端依次设置超临界CO2容器3-2和柱塞泵3-1，其中，管道一的一端连接超临界CO2容器3-2，超临界CO2容器3-2为存储或制造超临界CO2的设备，超临界CO2容器3-2上连接柱塞泵3-1，管道一上位于超临界CO2容器3-2与反应釜2之间的位置安装CO2施加液路单向阀，CO2施加液路单向阀控制超临界CO2向反应釜2的方向注入。如CO2施加液路单向阀采用的是现有技术的单向阀结构。
示例性的，管道一上位于超临界CO2容器3-2与反应釜2之间的位置还安装流量计一3-3，用于检测超临界CO2流量。
示例性的，水施加液路为管道二，管道二的一端连接注入泵3-5，泵3-5连接水容器3-4，水容器3-4内盛放水，管道二位于注入泵3-5与反应釜2之间的位置安装水施加液路单向阀3-6，水施加液路单向阀3-6控制水向反应釜2的方向注入。如水施加液路单向阀3-6采用的是现有技术的单向阀结构。
示例性的，管道二位于注入泵3-5与反应釜2之间的位置还安装流量计二3-10，用于检测水流量。
参见图1，管道一的另一端与管道二的另一端汇流到管道三的一端，管道三的另一端与反应釜2的进液口连接，所述反应釜2的出液通道与废液回收装置3-9相连，所述反应釜2的出液通道上安装有反应釜出液口单向阀3-8，反应釜出液口单向阀3-8用于控制液体向废液回收装置3-9内流动。管道三上还安装有反应釜进液口单向阀3-7，如反应釜进液口单向阀3-7、反应釜出液口单向阀3-8采用的是现有技术的单向阀结构。废液回收装置3-9为箱体或者罐体。
示例性的，管道一、管道二、管道三之间通过三通连接。管道一、管道二、管道三为钢管。
所述数据采集模块4为能显示测试数据的计算机，可将不同CO2饱和度条件下岩心的P波速、S波速在计算机中显示并保存。
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置的工作原理，如下：首先测定岩心2-2孔隙度和渗透率，之后将岩心2-2置于反应釜2中再将密封盖2-1通过螺纹盖在所述反应釜2上，开启加热电阻丝2-3将反应釜2加热至地层温度，再之后根据实验设计的不同CO2饱和度向反应釜2中注入超临界CO2或水，通过流量计一3-3核定要注入的超临界CO2液体质量，通过流量计二3-10核定要注入的水质量，以使岩心2-2达到某一CO2饱和程度，也指CO2/水饱和程度；最后开启P/S波速测试模块的波速测试主机1，根据探头1-1的属性测试不同CO2/水饱和度岩心的P波速、S波速。实验结束后关闭所述波速测试主机1、开启反应釜出液口单向阀3-8排出废液、取出岩心。
进一步地，所述岩心2-2为标准尺寸岩心，尺寸为高度100mm，岩性是可作为CO2地质封存的岩石，一般为砂岩。
进一步地，反应釜2内壁和岩心2-2间需留有5～10mm的间距，以保证CO2/水与岩石充分作用。优选的，岩心2-2的中轴线与反应釜2的中轴线重合。
进一步地，所述加热电阻丝2-3的加热温度范围为0～80℃，覆盖CO2饱地质封存吸收层温度范围。
进一步地，所述液体施加模块3是通过向反应釜2中注入所述超临界CO2和水，形成CO2/水体系，通过所述CO2/水体系覆没岩心2-2的高度来衡量岩心2-2的饱和比例，全饱和则将反应釜2注满，半饱和则将所述CO2/水注至所述反应釜2的一半，使岩心2-2实现半饱和并以此类推。
进一步地，为了保证注入的CO2/水充分流入岩心的孔隙裂隙，需要对注入速度进行限制，超临界CO2注入速度0～5ml/min，水的注入速度0～10ml/min。
进一步地，因为实际开展CO2地质封存的过程中是CO2和水交替注入，所以CO2和水可交替注入，多重流体饱和条件下会呈现出不同的波速响应。
实施例2
利用实施例1的一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置通过以下步骤进行测试实验：
步骤一，测定岩心2-2孔隙度和渗透率，将此作为注液量的依据。
步骤二，将岩心2-2置于反应釜2中再将密封盖2-1通过螺纹盖在所述反应釜2上，开启加热电阻丝2-3将反应釜2加热至地层温度。
步骤三，根据实验设计向反应釜2中注入超临界CO2或水，通过流量计一3-3核定要注入的超临界CO2液体质量，通过流量计二3-6核定要注入的水质量，以使岩心2-2达到某一CO2/水饱和程度。其中，通过所述CO2/水体系覆没岩心2-2的高度来衡量岩心2-2的饱和比例，全饱和则将反应釜2注满，半饱和则将所述CO2/水注至所述反应釜2的一半，使岩心2-2实现半饱和并以此类推。
步骤四，最后开启P/S波速测试模块的波速测试主机1，根据探头1-1的属性测试不同CO2/水饱和度岩心的P波速、S波速；所述探头1-1包括P波探头和S波探头，P波探头用于获取P波，S波探头用于获取S波。所述P波探头、S波探头为两对外观相同的探头，每对探头均包括一个信号发射探头，一个信号接收探头。进一步地，所述P波探头和S波探头为单独的两对探头，需要测试P波时安装P波探头，需要测试S波时则安装S波探头。
步骤五，实验结束后关闭所述波速测试主机1，开启反应釜出液口单向阀3-8排出废液，取出岩心2-2。表1中，“干燥”是指不注入任何物料，“饱水”是指注入的物料是水；“饱CO2”是指注入的物料CO2；“CO2半饱和”是指交替注入CO2和水，模拟实际CO2地质封存的过程；“CO21/4饱和”是指交替注入CO2和水，模拟实际CO2地质封存的过程；“CO2与水各占一半”是指先注入CO2后注入水。
表1是不同CO2测试的P波速度和S波速度
| 条件 | 饱和度 | P波速度(m/s) | S波速度(m/s) |
| 干燥 | 0 | 4880 | 3672 |
| 饱水 | 全饱和 | 5347 | 4084 |
| 饱CO2 | 全饱和 | 4997 | 3976 |
| CO2半饱和 | 半饱和 | 4899 | 3702 |
| CO21/4饱和 | 1/4饱和 | 4901 | 3593 |
| CO2与水各占一半 | 全饱和 | 5236 | 4025 |
从表1可以看出，本发明提出的一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置及实验方法，能够对不同含CO2和水饱和度的岩心测试P波速、S波速，针对目前岩石物理实验机无法测试不同饱和度岩石样品的难题，本发明通过在反应釜2中含CO2和水与岩石(岩心2-2)作用不同高度来实现不同饱和度，为开展CO2地质封存安全监测提供了理论和试验依据，进行大量的实验可指导实际生产，避免实际生产的盲目操作，提高了生产效率。另外，本不同CO2饱和度岩石物理测试装置具有模块化操作，集成控制的优点。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置，其特征在于，包括：波速测试模块、液岩反应模块、液体施加模块、数据采集模块；
所述波速测试模块包括探头、波速测试主机，所述探头与波速测试主机相连，所述波速测试主机连接至数据采集模块，所述探头还与所述液岩反应模块中的反应釜上端面及下端面贴着；
所述液岩反应模块包括反应釜、密封盖，反应釜外壁中预置加热电阻丝，所述反应釜中用于放置要测试的岩心，所述反应釜顶部盖有所述密封盖，且所述密封盖与所述岩心的上端面接触；
所述液体施加模块包括超临界CO2施加液路、水施加液路，所述超临界CO2施加液路、水施加液路均与所述反应釜连接；
所述电阻丝用于将反应釜加热至地层温度，超临界CO2施加液路用于向反应釜中注入超临界CO2，水施加液路用于向反应釜中注入水，通过控制反应釜内超临界CO2和水的添加量，以使岩心达到某一CO2/水饱和程度，波速测试模块用于测试不同CO2/水饱和度岩心的波速，所述数据采集模块用于显示和存***速数据。
2.如权利要求1所述的一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置，其特征在于，所述波速测试模块为P/S波速测试模块，所述探头包括P波探头和/或S波探头，P波探头用于获取P波，S波探头用于获取S波，所述P/S波速测试模块用于测试不同CO2/水饱和度岩心的P波速、S波速，所述数据采集模块用于显示和存储P波速、S波速数据。
3.如权利要求2所述的一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置，其特征在于，所述超临界CO2施加液路为管道一，管道一的一端依次连接超临界CO2容器和柱塞泵，管道一上位于超临界CO2容器与反应釜之间的位置安装CO2施加液路单向阀，CO2施加液路单向阀控制超临界CO2向反应釜的方向注入；
水施加液路为管道二，管道二的一端依次连接注入泵和水容器，管道二位于注入泵与反应釜之间的位置安装水施加液路单向阀，水施加液路单向阀控制水向反应釜的方向注入。
4.如权利要求3所述的一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置，其特征在于，所述反应釜上设置进液口和出液通道，管道一的另一端与管道二的另一端汇流到管道三的一端，管道三的另一端与反应釜的进液口连接，所述反应釜的出液通道与废液回收装置相连，所述反应釜的出液通道上安装有反应釜出液口单向阀。
5.如权利要求4所述的一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置，其特征在于，反应釜内壁和岩心间有5～10mm的间距。
6.如权利要求1所述的一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置，其特征在于，所述反应釜加热电阻丝的加热温度范围为0～80℃。
7.不同CO2饱和度岩石物理测试实验方法，其特征在于，利用权利要求1所述的装置进行实验，包括：
测定岩心孔隙度和渗透率，将此作为注液量的依据；
将岩心置于反应釜中再将密封盖通过螺纹盖在所述反应釜上，开启加热电阻丝将反应釜加热至地层温度；
向反应釜中注入超临界CO2或水，形成CO2/水体系，以使岩心达到某一CO2/水饱和程度；
开启P/S波速测试模块的波速测试主机，根据探头的属性测试不同CO2/水饱和度岩心的P波速和/或S波速。
8.根据权利要求7所述的不同CO2饱和度岩石物理测试实验方法，通过所述CO2/水体系覆没岩心的高度来衡量岩心的饱和比例，全饱和则将反应釜注满，半饱和则将所述CO2/水体系注至所述反应釜的一半，使岩心实现半饱和，并以此类推，计算其他饱和度。
9.根据权利要求8所述的不同CO2饱和度岩石物理测试实验方法，其特征在于，超临界CO2注入速度0～5ml/min，水的注入速度0～10ml/min。
10.如权利要求1所述的一种不同CO2饱和度岩石物理测试装置及实验方法，其特征在于，CO2和水交替注入。
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