CN117949615B - 烟道气在含水层中组分分离的实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种烟道气在含水层中组分分离的实验装置及实验方法，所述烟道气在含水层中组分分离的实验装置，其特征在于，包括恒压恒速泵、第一六通阀、第二六通阀、第三六通阀、氮气中间容器、二氧化碳中间容器、氮气流量控制器、二氧化碳流量控制器、模拟烟道气中间容器、恒温箱、岩心夹持器、围压回压泵、回压阀、气液分离器、产出水量计量仪、单向阀、气体流量计、产出气存罐、第一双向阀、以及第二双向阀；所述恒压恒速泵与所述第一六通阀的第一端连接，所述第一六通阀的第二端与所述氮气中间容器的一端连接，所述氮气中间容器的另一端依次与所述氮气流量控制器、第一双向阀的一端连接。
Description
技术领域
本发明涉及油气田开采技术领域，尤其涉及一种烟道气在含水层中组分分离的实验装置及实验方法。
背景技术
温室气体排放引起的全球气候变化是21世纪人类面临的最严重的环境问题之一。二氧化碳作为主要的温室气体，其年排放量约为340亿吨，占人类活动排放温室气体总量的80%左右。烟道气的排放是导致温室效应日益严重的源头之一。烟道气是指煤炭、石油等化石燃料燃烧时候所产生的对环境有污染的气态物质，这些物质通常由烟道或烟囱排出。烟道气中含有15%～20%的二氧化碳，75%～80%的氮气，具有二氧化碳分压低和气体组分复杂（还含有少量CO、O2、SO2、NOX等）的特点。因此将二氧化碳从烟道气中分离出来具有较大的难度。在全球范围内，烟道气的大型排放源主要集中在发电厂、水泥生产企业、钢铁工业以及石油和天然气加工行业。
以化石燃料为主要能源的火电厂是烟道气最大的集中排放源，电厂烟道气中二氧化碳占总碳排放量的37.5%。对于我国而言，75%的电力仍由燃煤电厂生产，因此以低成本高效率对工业过程中产生的烟道气进行分离和埋存是目前迫切需要解决的问题。然而烟道气组分中含有75%～80%的氮气，占烟道气的绝大部分，不进行分离直接埋存占用大量地下存储空间，导致埋存效率低。
目前烟道气分离的主要技术手段有吸收、吸附、低温蒸馏以及膜分离。吸收法主要分为两类，物理吸收和化学吸收。其中，物理吸收利用温度、压力等物理条件，控制气体混合物中各组分的溶解性，从而实现不同组分的分离，这种方法仅适用于二氧化碳分压较高的情况；化学吸收法是使烟道气和吸收液在吸收塔内发生化学反应，目前存在的主要问题有能量消耗大、投资大、效率降低。吸附法是将气体混合物中的某种气体选择性吸附在固体吸附剂表面的一种方法，该方法只能在低温高压下进行，适合用于二氧化碳分压较大的烟道气，而且分离效率较低。低温蒸馏法是通过低温冷凝分离二氧化碳的一种物理方法，具有辅助设备和能量消耗较多但分离效率低的问题。膜分离技术以膜两边进气侧和渗透侧的压力差为驱动力，通过气体混合物中不同组分在膜内的溶解扩散性质不同，达到分离目的，但膜分离之后的废弃膜处理会对环境造成污染，而且所获气体纯度较低。同时，上述列举的各分离方法均在地面进行，并且需要一套专门的分离***设备，增加了设备投资和***复杂性。
二氧化碳捕集之后主要进行封存处理，目前可行且能够大规模封存的方式为地质封存。地质封存即将二氧化碳封存在不同的地下储集空间中，具体储集空间包括废弃油气藏、咸水层、煤层、水合物藏等。主要的封存机理包括四方面：气水密度差产生重力分异及盖层遮挡的构造封存；二氧化碳溶于地层水的溶解封存；岩石孔喉存在毛管力和颗粒表面吸附作用的残余气封存；二氧化碳、地层水、岩石矿物之间发生地化反应的矿物封存。本专利对二氧化碳的地质封存机理是上述四种机理在含水层中的综合应用。
传统的烟道气组分分离和二氧化碳埋存流程是分开的，需要一套烟道气组分分离设备***和一套二氧化碳地下埋存设备***，地面设施复杂，投资大能耗高，分离和埋存效率低。
上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的在于提供了一种烟道气在含水层中组分分离的实验装置及实验方法，旨在解决或部分解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种烟道气在含水层中组分分离的实验装置，包括恒压恒速泵、第一六通阀、第二六通阀、第三六通阀、氮气中间容器、二氧化碳中间容器、氮气流量控制器、二氧化碳流量控制器、模拟烟道气中间容器、恒温箱、岩心夹持器、围压回压泵、回压阀、气液分离器、产出水量计量仪、单向阀、气体流量计、产出气存罐、第一双向阀、以及第二双向阀；所述恒压恒速泵与所述第一六通阀的第一端连接，所述第一六通阀的第二端与所述氮气中间容器的一端连接，所述氮气中间容器的另一端依次与所述氮气流量控制器、第一双向阀的一端连接；所述第一六通阀的第三端与所述二氧化碳中间容器的一端连接，所述二氧化碳中间容器的另一端依次与所述二氧化碳流量控制器、第二双向阀的一端连接，所述第一双向阀的另一端与所述第二双向阀的另一端连接后与所述第二六通阀的第一端连接；所述模拟烟道气中间容器的下端与所述第一六通阀的第四端连接，上端与所述第二六通阀的第二端连接；所述第二六通阀的第三端与所述岩心夹持器的第一端连接，所述岩心夹持器置于所述恒温箱中；所述岩心夹持器的中部连接有所述第三六通阀的第一端，所述第三六通阀的第二端与所述围压回压泵连接，所述第三六通阀的第三端与回压阀的第一端连接，所述岩心夹持器的第二端与所述回压阀的第二端连接，所述回压阀的第三端连接至所述气液分离器的第一端；所述气液分离器的第二端依次连接单向阀、气体流量计、产出气存罐；所述二氧化碳中间容器的第三端连接产出水量计量仪。
优选地，在所述烟道气在含水层中组分分离的实验方法中，采用上述实验装置的实验方法，所述实验方法包括：
通过氮气中间容器、二氧化碳中间容器制备模拟烟道气，模拟烟道气进入模拟烟道气中间容器，模拟烟道气中氮气和二氧化碳按照预设比例；
将饱和地层水之后的岩心放入岩心夹持器中，再将岩心夹持器放置在恒温箱中，以使岩心夹持器两端密闭恒温从而模拟地下含水层温度条件；
通过围压回压泵给岩心夹持器施加PIN+6MPa预设围压，围压回压泵给岩心夹持器尾端的回压阀施加POUT的预设回压，以在岩心夹持器内构建和地下含水层相近或相同的压力环境；
打开恒压恒速泵、第一六通阀与模拟烟道气中间容器的开关、模拟烟道气中间容器与岩心夹持器连接的阀门开关，以恒压模式向模拟烟道气中间容器内注入去离子水，推动模拟烟道气中间容器内的活塞上行将其中的模拟烟道气以PIN压力注入岩心夹持器，实时检测岩心夹持器注采两端压力变化，并通过和恒压恒速泵的联通实现所述岩心夹持器两端注采压差的恒定；
注入烟道气驱动岩心中地层水运移，当岩心夹持器尾端压力超过回压压力POUT时，回压阀开启，地层水和烟道气从岩心夹持器尾端产出，产出的气液混合物经过气液分离器进行气液分离后，液体通过产出水计量仪进行计量和储存；分离出的气体经过单向阀，通过气体流量计计量瞬时和累积流量，产出气组分的实时在线监测，从而明确产出气组分及其随时间变化。
优选地，在所述烟道气在含水层中组分分离的实验方法中，通过增加岩心夹持器数量并通过不同的连接方式，实现含水层平面和纵向因素对烟道气组分分离影响实验。
优选地，在所述烟道气在含水层中组分分离的实验方法中，岩心夹持器的数量为多个，其中，
多个岩心夹持器串联设置，增加岩心的总长度，所述多个岩心夹持器的总长度对应了现场实际注采井距，从而对含水层平面距离对烟道气组分分离影响进行实验；或者，
多个岩心夹持器并联设置，模拟含水层纵向因素，以明确多层系含水层纵向因素对烟道气组分分离影响规律。
为了实现上述目的，本发明提供一种利用地下含水层进行烟道气中氮气分离与二氧化碳埋存的一体化方法，包括：
在预设的含水层进行井网部署，在含水层布设有若干个注入井和采出井，所述注入井和所述采出井间隔排布，所述若干个注入井和采出井沿第一方向排布以形成一维线性流或拟一维线性流，其中，所述含水层的渗透率大于50mD，孔隙度大于0.15，含水层的厚度大于10m；
控制从注入井注入烟道气达到预设时长后，注入液体并保持井底压力不变；
在采出井开始产气时，控制采出井的井底流压保持在第一预设压力；
当采出井产出的氮气摩尔分数低于第一预设值时，关闭采出井，同时关闭注入井；
其中第一预设值根据上述的实验方法得到的实验数据确定得到。
优选地，在所述利用地下含水层进行烟道气中氮气分离与二氧化碳埋存的一体化方法中，所述第一预设值为0.95。
优选地，在所述利用地下含水层进行烟道气中氮气分离与二氧化碳埋存的一体化方法中，所述控制从注入井注入烟道气达到预设时长后，注入液体并保持井底压力不变的步骤之前，所述在预设的含水层进行井网部署的步骤之后，所述方法还包括：
基于所述烟道气在含水层中组分分离的实验方法，通过改变含水层的温度和压力，得到不同温度和压力下的氮气分离率；
根据不同温度和压力下的氮气分离率，构建氮气分离效率图版；
根据构建的氮气分离效率图版，确定氮气分离效率变化的转折点；
根据确定的转折点，确定最佳状态下的第一含水层压力、第一含水层温度、以及第一分离效率。
优选地，在所述利用地下含水层进行烟道气中氮气分离与二氧化碳埋存的一体化方法中，所述在预设的含水层进行井网部署，在含水层布设有若干个注入井和采出井，所述注入井和所述采出井间隔排布，所述若干个注入井和采出井沿第一方向排布以形成一维线性流或拟一维线性流的步骤之前，还包括：
对含水层埋存深度进行优化，优化方法包括：
根据温度和压力条件，计算对应的气体比容；
；
其中，P为气体压力；
T为气体温度；
V为气体比容；
R为气体常数，R=8.314kJ/(kmol·K)；
a(T), b均为临界温压函数；
；
；
；
；
α, m均为计算系数；
Pc为气体临界压力；
Tc为气体临界温度；
ω为气体偏心因子；
根据气体比容，确定含水层埋存深度。
本发明还提供一种利用地下含水层进行烟道气组分分离中氮气分离率的预测方法，所述利用地下含水层采用上述的方法进行烟道气组分分离，所述预测方法包括：
根据当前含水层的温度和压力以及预先建立的氮气分离效率图版，查找对应的氮气分离率。
本发明至少具有如下有益效果：
本发明提供的烟道气在含水层中组分分离的实验装置，所述恒压恒速泵与所述第一六通阀的第一端连接，所述第一六通阀的第二端与所述氮气中间容器的一端连接，所述氮气中间容器的另一端依次与所述氮气流量控制器、第一双向阀的一端连接；所述第一六通阀的第三端与所述二氧化碳中间容器的一端连接，所述二氧化碳中间容器的另一端依次与所述二氧化碳流量控制器、第二双向阀的一端连接，所述第一双向阀的另一端与所述第二双向阀的另一端连接后与所述第二六通阀的第一端连接；所述模拟烟道气中间容器的下端与所述第一六通阀的第四端连接，上端与所述第二六通阀的第二端连接；所述第二六通阀的第三端与所述岩心夹持器的第一端连接，所述岩心夹持器置于所述恒温箱中；所述岩心夹持器的中部连接有所述第三六通阀的第一端，所述第三六通阀的第二端与所述围压回压泵连接，所述第三六通阀的第三端与回压阀的第一端连接，所述岩心夹持器的第二端与所述回压阀的第二端连接，所述回压阀的第三端连接至所述气液分离器的第一端；所述气液分离器的第二端依次连接单向阀、气体流量计、产出气存罐；所述二氧化碳中间容器的第三端连接产出水量计量仪，如此可以模拟实现烟道气分离。
附图说明
图1为本发明提供的烟道气在含水层中组分分离的实验装置一实施例的示意图；
图2为本发明产气速度随生产时间变化规律图；
图3为本发明气体摩尔分数随生产时间变化规律图；
图4为本发明气体摩尔流量随生产时间变化规律图；
图5为本发明含气饱和度随注采井距变化规律图；
图6为本发明气体各组分总摩尔分数随注采井距变化图；
图7为本发明水相中气体组分摩尔分数随注采井距变化规律图；
图8为本发明气相中气体组分摩尔分数随注采井距变化规律图；
图9为本发明气水相渗曲线图；
图10为本发明渗流速度随注采井距变化规律图；
图11为本发明含水层压力、温度共同影响下氮气分离效率图版；
图12为产水、产气速度随烟道气注入体积变化规律图；
图13为产出气组分随烟道气注入体积变化规律图；
图14为在氮气密度随含水层埋存深度变化的一实施例的变化规律图；
图15为在二氧化碳密度随含水层埋存深度变化的一实施例的变化规律图。
1-恒压恒速泵，21-第一六通阀，22-第二六通阀，23-第三六通阀，31-氮气中间容器，32-二氧化碳中间容器，41-氮气流量控制器，42-二氧化碳流量控制器，43-模拟烟道气中间容器，51-恒温箱，52-岩心夹持器，61-围压回压泵，62-回压阀，71-气液分离器，72-多组分气体在线分析仪，73-单向阀，74-气体流量计，75-产出气存罐，76-第一双向阀，77-第二双向阀，78-产出水量计量仪。
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。
具体实施方式
本发明实施例中术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本发明实施例中术语“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施例中，为了使读者更好地理解本发明而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本发明所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
请参阅图1，该烟道气在含水层中组分分离的实验装置包括恒压恒速泵1、第一六通阀21、第二六通阀22、第三六通阀23、氮气中间容器31、二氧化碳中间容器32、氮气流量控制器41、二氧化碳流量控制器42、模拟烟道气中间容器43、恒温箱51、岩心夹持器52、围压回压泵61、回压阀62、气液分离器71、产出水量计量仪78、单向阀73、气体流量计74、产出气存罐75、第一双向阀76、以及第二双向阀77；
所述恒压恒速泵1与所述第一六通阀的第一端连接，所述第一六通阀的第二端与所述氮气中间容器31的一端连接，所述氮气中间容器31的另一端依次与所述氮气流量控制器41、第一双向阀76的一端连接；所述第一六通阀的第三端与所述二氧化碳中间容器32的一端连接，所述二氧化碳中间容器32的另一端依次与所述二氧化碳流量控制器42、第二双向阀77的一端连接，所述第一双向阀76的另一端与所述第二双向阀77的另一端连接后与所述第二六通阀22的第一端连接；所述模拟烟道气中间容器43的下端与所述第一六通阀21的第四端连接，上端与所述第二六通阀22的第二端连接；所述第二六通阀22的第三端与所述岩心夹持器52的第一端连接，所述岩心夹持器52置于所述恒温箱51中；所述岩心夹持器52的中部连接有所述第三六通阀23的第一端，所述第三六通阀23的第二端与所述围压回压泵61连接，所述第三六通阀23的第三端与回压阀62的第一端连接，所述岩心夹持器52的第二端与所述回压阀62的第二端连接，所述回压阀62的第三端连接至所述气液分离器71的第一端；所述气液分离器71的第二端依次连接单向阀73、气体流量计74、产出气存罐75；所述二氧化碳中间容器32的第三端连接产出水量计量仪78。
基于实施例1，本发明还提供一种烟道气在含水层中组分分离的实验方法，所述实验方法包括：
通过氮气中间容器31、二氧化碳中间容器32制备模拟烟道气，模拟烟道气进入模拟烟道气中间容器43，模拟烟道气中氮气和二氧化碳按照预设比例；
将饱和地层水之后的岩心放入岩心夹持器52中，再将岩心夹持器52放置在恒温箱51中，以使岩心夹持器52两端密闭恒温从而模拟地下含水层温度条件；
通过围压回压泵61给岩心夹持器52施加PIN+6MPa预设围压，围压回压泵61给岩心夹持器52尾端的回压阀62施加POUT的预设回压，以在岩心夹持器52内构建和地下含水层相近或相同的压力环境；
打开恒压恒速泵1、第一六通阀21与模拟烟道气中间容器43的开关、模拟烟道气中间容器43与岩心夹持器52连接的阀门开关，以恒压模式向模拟烟道气中间容器43内注入去离子水，推动模拟烟道气中间容器43内的活塞上行将其中的模拟烟道气以PIN压力注入岩心夹持器52，实时检测岩心夹持器52注采两端压力变化，并通过和恒压恒速泵1的联通实现所述岩心夹持器52两端注采压差的恒定；
注入烟道气驱动岩心中地层水运移，当岩心夹持器52尾端压力超过回压压力POUT时，回压阀62开启，地层水和烟道气从岩心夹持器52尾端产出，产出的气液混合物经过气液分离器71进行气液分离后，液体通过产出水计量仪进行计量和储存；分离出的气体经过单向阀73，通过气体流量计74计量瞬时和累积流量，产出气组分的实时在线监测，从而明确产出气组分及其随时间变化。
通过增加岩心夹持器52数量并通过不同的连接方式，实现含水层平面和纵向因素对烟道气组分分离影响实验。岩心夹持器52的数量为多个，其中，多个岩心夹持器52串联设置，增加岩心的总长度，所述多个岩心夹持器52的总长度对应了现场实际注采井距，从而对含水层平面距离对烟道气组分分离影响进行实验；多个岩心夹持器52并联设置，模拟含水层纵向因素，以明确多层系含水层纵向因素对烟道气组分分离影响规律。
为了便于说明，下面采用具体实例进行说明。
（1）模拟烟道气制备
对实施例1提供的烟道气在含水层中组分分离的实验装置进行气密性测试。实验开始之前分别向装置氮气中间容器31内充注纯度为4N的氮气至设定压力PIN；向装置二氧化碳中间容器32内充注纯度为4N的二氧化碳至设定压力PIN。
根据实验设定的烟道气体积注入速度QIN，按照氮气和二氧化碳摩尔分数比7:3的比例计算标准状况下的体积流量QN2和Q CO2，并将氮气流量控制器41的流量设置为QN2，将二氧化碳流量控制器42的流量设置为QCO2。
启动恒压恒速泵1，打开第一六通阀21连接氮气中间容器31和二氧化碳中间容器32的开关，以及第一双向阀76和第二双向阀77。恒压恒速泵1采用恒速模式向氮气中间容器31和二氧化碳中间容器32同时注入去离子水，推动中间容器内活塞运动从而间接推动其中氮气和二氧化碳经过流量控制器按照设定比例流入模拟烟道气中间容器43。
注入过程中使用压力传感器实时监测模拟烟道气中间容器43内压力变化情况。当模拟烟道气中间容器43内压力达到设定压力PIN后，关闭第一双向阀76、第二双向阀77以及恒压恒速泵1，停止注入。从而得到氮气和二氧化碳摩尔分数比为7:3，压力为PIN的模拟烟道气。
对于任意氮气和二氧化碳摩尔分数比的模拟烟道气制备，只需要采用该方法同时同比例改变氮气流量控制器41的流量和二氧化碳流量控制器42的流量即可实现，这里不再重复。
（2）实验岩心选取与饱和地层水
实验岩心选取时优先选用目的埋存含水层钻井取心所得岩心，并将若干岩心串联以充分体现实验结果的差异性；若没有实际取心岩心，则可根据目标埋存含水层孔隙度、渗透率等物性特点制作人造岩心替代，岩心长度以20cm长岩心为宜。
根据目标埋存含水层地层水矿物组成，配制相同成分及配比的模拟地层水。将岩心放入恒温箱51内并设置恒温60℃，烘干12小时。之后，将岩心并放入中间容器中抽真空8小时，将配制好的模拟地层水注入装有岩心的真空容器，待岩心完全浸没后，用恒压恒速泵1向中间容器继续注入模拟地层水，直到容器内压力达到20.0MPa，带压饱和8小时，完成岩心饱和地层水过程。
（3）烟道气驱替地层水实验
将饱和地层水之后的岩心放入岩心夹持器52，之后将岩心夹持器52放入恒温箱51并设定恒温箱51温度为T。岩心夹持器52两端密闭恒温2小时，从而模拟实际地下含水层温度条件。通过围压回压泵61给岩心夹持器52施加PIN+6MPa的围压，以抑制气体从岩心与胶套之间环空的壁面流。通过围压回压泵61给岩心夹持器52尾端的回压阀62施加POUT的回压，从而在岩心夹持器52内构建和地下含水层相似的压力环境。
打开恒压恒速泵1，打开第一六通阀21连接模拟烟道气中间容器43的开关，打开模拟烟道气中间容器43连接岩心夹持器52的阀门。以恒压模式（压力为PIN）向模拟烟道气中间容器43内注入去离子水，从而推动活塞上行将其中模拟烟道气以PIN压力注入岩心夹持器52。通过差压传感器实时监测岩心夹持器52注采两端压力变化，并通过和恒压恒速泵1的联动，实现岩心夹持器52两端注采压差的恒定。
注入烟道气驱动岩心中地层水运移，当岩心夹持器52尾端压力超过回压压力POUT时，回压阀62开启，地层水和烟道气从岩心夹持器52尾端产出。产出的气液混合物经过气液分离器71进行气液分离后，液体通过产出水计量仪进行计量和储存。为防止气体回流，在产出气管线上安装了单向阀73。分离出的气体经过单向阀73，通过气体流量计74计量瞬时和累积流量。之后，进入多组分气体在线分析仪72进行产出气组分的实时在线监测，从而明确产出气组分及其随时间变化。最终的实验废气通过产出气存罐75进行回收和存储。实验过程中各实验节点压力及流量数据汇总到数据采集与分析***内进行记录和处理。
（4）实例
目标含水层压力为21.8MPa，含水层温度为50℃，含水层埋存深度为2200m，含水层渗透率为100mD，孔隙度为0.18。选取该含水层钻井取心中的4根短岩心进行拼接处理，得到总长度为18.5cm的长岩心，岩心总孔隙体积1PV=16.34ml。
目标含水层区域水型为CaCl2型，总矿化度为10.8g/L，具体矿物组成如下表所示：
表1 目标含水层地层水矿物组成
依据目标含水层地层水矿物组成和矿化度，配制模拟地层水。同时基于前述模拟烟道气制备方法，制备氮气和二氧化碳摩尔分数比为7:3的模拟烟道气。
设定烟道气注入压力PIN=22.8MPa，岩心夹持器52回压POUT=21.8MPa，岩心围压28.8MPa。设置恒温箱51温度为含水层温度50℃。以PIN=22.8MPa的注入压力恒压向岩心中注入模拟烟道气，累积注入1PV=16.34ml时，停止注入。岩心夹持器52产出端流体流量和组分变化如图12。
从图12中可以看出，注入前期既不产气也不产水。这是由于回压阀62提高了流体产出的压力阈值，流体在岩心内处于憋压阶段。随着注气的进行，岩心内压力高于回压压力，产出端开始产水。整体上看，大规模产水阶段时间很短，累积注入烟道气达到0.34PV时，注入气从岩心中突破，从产出端产出。之后，经历了极短时间的气水同出阶段后，岩心持续大量产气，基本不再产水。
注入烟道气穿越岩心突破后，岩心夹持器52尾端开始产气，通过多组分气体在线分析仪72对产出气组分进行实时在线监测，结果如图13所示。从图13中可以看出，产气前期阶段产出气中氮气的摩尔分数高于0.7，二氧化碳的摩尔分数低于0.3。这说明注入的氮气和二氧化碳摩尔分数比为7:3的模拟烟道气，渗流经过饱和地层水的岩心后，烟道气组分产生了改变，即烟道气在含水层渗流过程中会发生组分含量和分布的改变。
另外，通过将多个岩心夹持器52串联，即可增加岩心的总长度，从而实现含水层平面距离对烟道气组分分离影响的实验研究。进一步，岩心夹持器52总长度即对应了现场实际注采井距，因此可以基于此方法研究注采井距对含水层中烟道气组分分离影响规律。
同时也可以看出，若将若干岩心夹持器52进行并联，则可以模拟含水层纵向因素，诸如储层韵律性、非均质性、层间干扰都因素的影响，从而明确多层系含水层纵向因素对烟道气组分分离影响规律。
实施例3基于实施例2的基础上提出，实施例3包括实施例2的所有内容，实施例2的有益效果可以应用于实施例3。
本发明提供一种利用地下含水层进行烟道气中氮气分离与二氧化碳埋存的一体化方法，该利用地下含水层进行烟道气中氮气分离与二氧化碳埋存的一体化方法包括：
步骤S100，在预设的含水层进行井网部署，在含水层布设有若干个注入井和采出井，所述注入井和所述采出井间隔排布，所述若干个注入井和采出井沿第一方向排布以形成一维线性流或拟一维线性流，其中，所述含水层的渗透率大于50mD，孔隙度大于0.15（即15%），含水层的厚度大于10m；
为避免污染浅层水源和提高埋存效率，二氧化碳地质封存一般利用二氧化碳超临界的物性特点，将二氧化碳埋存在含水层，例如距地表800m深度以下的含水层。通常在该深度之下含水层温度高于31.1℃、压力高于7.38MPa，在此温压条件下二氧化碳为超临界状态。超临界二氧化碳具有高密度的特点，使得单位质量二氧化碳对地质埋存空间需求大幅较小，同时超临界二氧化碳还具有较好的流动性、扩散性和较强的溶解能力。在二氧化碳注入过程中，一部分二氧化碳由于浮力的作用向上运移至含水层顶部，受盖层的阻挡，在顶部汇集并向两侧流动。若含水层中存在一些小规模的地质构造圈闭，二氧化碳则在此汇集，即构造封存。一部分注入的二氧化碳将溶解在地层水中，并通过扩散、弥散和转变等过程以溶解态的形式随地层水流动，即溶解封存。当二氧化碳与周围岩石矿物接触并发生化学反应时，矿物封存开始发挥作用。当停止注入二氧化碳时，一部分二氧化碳继续运移，还有少量二氧化碳以残余气形态被封存在矿物表面或孔喉中。由于地层水流动相当缓慢，可以确保二氧化碳在含水层中长期埋存从而实现二氧化碳地质封存。
含水层的选择还可以包括所述含水层的埋深为h，1400m≤h≤2400m；所述含水层岩石破裂压力是初始含水层压力的1.5-2倍以上；含水层的盖层和底层厚度应大于10m，渗透率小于10-4mD，孔隙度小于0.1；含水层平缓展布，且倾斜角＜5°。另外，含水层还可以是发育良好、结构完整、无开启断层的背斜构造或具有封闭边界的平面板状构造；含水层最好为单一岩性、密封性良好、避免二氧化碳泄露污染浅层生活用水。
井网部署可以以窄条状或平面板状储层为例部署注采井网。井网部署时，窄条状含水层部署一对注采井，平面板状含水层部署注入井排和产出井排，从而使流体在储层中的流动模式为一维线性流或拟一维线性流，本发明实施例中采用窄条状储层部署一对注采井。
本发明实施例中采用窄条状储层部署一对注采井，含水层压力为21.8MPa，含水层温度为50℃，含水层埋存深度为2200m，气水界面位于2150m处，含水层渗透率为100mD，孔隙度为0.18，井距设置为500m。在现场应用时井距应在300m～800m之间，具体取决于储层的连通性。若为多层系储层则宜采用分注分采模式。
具体地，所述在预设的含水层进行井网部署的步骤，包括：
对于窄条状含水层部署一对注采井；
对于平面板状含水层部署注入井排和产出井排。
另外，步骤S100中的含水层埋存深度可以通过如下方法确定，对含水层埋存深度进行优化，优化方法包括：
根据温度和压力条件，计算对应的气体比容；
；
其中，P为气体压力；
T为气体温度；
V为气体比容；
R为气体常数，R=8.314kJ/(kmol·K)；
a(T), b均为临界温压函数；
；
；
；
；
α, m均为计算系数；
Pc为气体临界压力；
Tc为气体临界温度；
ω为气体偏心因子；
根据气体比容，确定含水层埋存深度。
随着含水层埋存深度的增加，储层温度和压力均随之增加。温度的增加会导致注入气体的膨胀，而压力的增加则会引起注入气体的压缩，温度和压力对注入气体体积的影响是相斥的。从埋存量角度，高温不利于二氧化碳埋存，而高压则有利于二氧化碳埋存。因此，随着含水层埋存深度的增加，温度和压力哪一个因素为主控因素，如何优化含水层埋存深度范围实现二氧化碳埋存量的最大化是需要解决的客观问题。对于含水层，随着深度的变化，其温度和压力随之变化。对于不同含水层，随着深度的增加，其温度和压力变化规律不同，即地温梯度和压力系数不同，具体地，采用如下公式
；
其中，P0为地表压力；
P为含水层埋存深度为h处的压力；
ε为含水层压力系数，为含水层属性参数；
h为含水层埋存深度。
；
其中，T0为地表温度；
T为含水层埋存深度为h处的温度；
β为含水层地温梯度，为含水层属性参数。
气体比容函数f(V)如下：
；
函数f(V)=0时的气体比容V即为方程的解。为此，采用牛顿迭代的方法不断循环更新V，使f(V)趋近于0，从而得到实际气体比容。具体迭代公式为：
；
其中，n为迭代次数。
基于上述公式和求解思路，通过赋值标准状况下已知的气体比容为迭代初值，并设定迭代次数和截止精度，可以实现不同温压条件下气体比容的数值计算。
为方便理解，绘图过程中将氮气气体比容计算结果取倒数，即为氮气的密度。图14中展示了氮气密度随含水层深度变化图。从图14中可以看出，随含水层深度增加，氮气密度前期增加略快，后期区域平缓，整体上看两者具有近似线性相关性。随着含水层深度的增加，氮气密度逐渐增大，单位孔隙空间埋存的氮气的质量也越大。
同理，采用前述方法对二氧化碳气体比容随含水层埋存深度变化规律进行了数值计算，结果如下如图15。
从图15中可以看出，随着含水层深度的增加，在0-1400m区间，二氧化碳密度快速上升，此时二氧化碳由气态向超临界态的相变过程促进了其密度的大幅增加；在1400-2400m区间，二氧化碳密度缓慢上升，此时地层压力为主控因素，二氧化碳的压缩导致了其密度的增加；在2400-4000m区间，二氧化碳密度微弱增加，说明此时高温作用下超临界二氧化碳压缩能力已经趋于极限。因此，针对该含水层，其最优的二氧化碳埋存深度为1400-2400m区间。在此区间内，二氧化碳密度高，单位孔隙空间二氧化碳埋存量大。继续增加埋存深度，二氧化碳埋存量增量微小，且随着深度增加钻井作业等成本均会增加，经济效益随之下降。
步骤S200，控制从注入井注入烟道气达到预设时长后，注入液体并保持井底压力不变；
本发明实施例中设置注入井先注烟道气60天，烟道气由摩尔分数为0.3的二氧化碳和摩尔分数为0.7的氮气两种组分构成。控制注入井一直保持定流量注入，注入井烟道气的注入速度恒定为1000m3/day，井底压力上限为44.5MPa。持续注气60天之后，停止注气并开始转注水，注入井注水速度恒定为10m3/day，注入井的井底压力控制条件保持不变。在其他实施例中，可以根据具体需要设定，在此不做限制。
步骤S300，在采出井开始产气时，控制采出井的井底流压保持在第一预设压力；
本发明实施例中，设置采出井从注入井注气开始即进行排水作业，直至气段塞运移到采出井处时，采出井开始进行产气作业，此过程中控制采出井井底流压始终保持在8MPa，为定井底流压模式生产，地面产液量上限设定为1000m3/day。在其他实施例中，可以根据具体需求设定，在此不做具体限制。
步骤S400，当采出井产出的氮气摩尔分数低于第一预设值时，关闭采出井，同时关闭注入井。
需要说明的是，在本实施例中采出井从注入井注气开始一直进行排水作业，生产104天后，即注入井转注水44天后，采出井开始产气，如图2所示，此时产气速度达到最大值，产出气中氮气的摩尔分数为1，二氧化碳的摩尔分数为0。
由图2和图3可以看出，随着生产的进行，产气速度开始逐渐下降，采出井产出气中二氧化碳的摩尔分数逐渐增加，氮气的摩尔分数逐渐下降。这是由于气段塞在含水层中运移时，二氧化碳和氮气的运移速度出现明显的差异，氮气的运移速度大于二氧化碳的运移速度。气段塞运移至采出井时，氮气主要位于气段塞的前半部分，二氧化碳主要位于气段塞的后半部分。因此出现了图4 所示氮气先产出二氧化碳后产出的现象，从而实现了氮气和二氧化碳的有效分离。进一步，通过合理控制关井时间可以最大限度地提高氮气的分离效率。
本实施例中，通过当采出井产出的氮气摩尔分数低于0.95时，关闭采出井，此时氮气的分离效率更高，提高烟道气中氮气的分离效率和二氧化碳的埋存效率。
在本发明实施例中，采出井生产142天时，即注入井转注水82天时，产出气中二氧化碳的摩尔分数为0.053，氮气的摩尔分数为0.946，如图2、图3、图4所示，此时采出井的采气速度为584m3/day，氮气的摩尔流量为23.525×103mol/day，而二氧化碳的摩尔流量为1.136×103mol/day。由图2和图4可以看出，从采出井开始进行排水作业到采出井生产142天之间，氮气的摩尔流量与产气速度几乎一致，说明采出井产出的二氧化碳非常少，几乎可以忽略不记。此时将采出井关井停止生产可以最大限度地将氮气从烟道气中分离出来重新回归大气，而注入的二氧化碳滞留在含水层中，从而实现氮气的有效分离和二氧化碳的地质埋存。
在本实施例中，第一预设值为0.95，在其他实施例中，第一预设值的设定可以根据如下方式进行确定，具体地，所述步骤S200之前，所述步骤S100之后，所述方法还包括：
步骤S510，基于上述烟道气在含水层中组分分离的实验方法，通过改变含水层的温度和压力，得到不同温度和压力下的氮气分离率；
步骤S520，根据不同温度和压力下的氮气分离率，构建氮气分离效率图版；
步骤S530，根据构建的氮气分离效率图版，确定氮气分离效率变化的转折点；
步骤S540，根据确定的转折点，确定最佳状态下的第一含水层压力、第一含水层温度、以及第一分离效率。
步骤S540之后，所述步骤S200之前，所述方法包括：
步骤S550，根据确定的第一含水层压力、第一含水层温度，调节含水层的含水层压力以及含水层温度。
需要说明的是，步骤S510至步骤S550还可以是在步骤S100之前进行，在此不做具体限制。
具体地，所述第一分离效率为氮气分离效率，所述氮气分离效率为烟道气含水层当前埋存过程中采出井产出的氮气质量与注入的氮气总质量之比。
定义氮气分离效率为：烟道气含水层埋存过程中，采出井产出的氮气质量与注入的氮气总质量之比。
；（1）
其中，m氮气-采出为采出井产出的氮气质量；m氮气-注入为注入的氮气质量。
定义二氧化碳埋存效率为：烟道气含水层埋存过程中，埋存在含水层的二氧化碳质量与注入的二氧化碳总质量之比。
；（2）
其中， mCO2-埋存为埋存在含水层中的二氧化碳总质量；mCO2-注入为注入的二氧化碳总质量。
通过分别改变数值模拟模型中的含水层温度和压力得到不同温压条件下的氮气分离效率，并汇总绘制成图版，如图11所示。从图中可以看出，随着压力升高，氮气分离效率先缓慢上升后急剧下降，存在一个明显的转折点。同时随着温度的升高，该转折点对应的压力增大，出现转折点随温度变化而移动的现象。根据图版可知，氮气分离效率最理想的条件是含水层压力为12MPa，含水层温度为40℃，此时氮气的分离效率可以达到74%，分离效果最好。
基于上述方法，可以针对矿场实际不同含水层的温度和压力得到不同温压条件下的氮气分离效率，从而构建不同含水层温度和含水层压力条件下的氮气分离效率图版，进一步明确含水层地层温度和地层压力对烟道气组分分离效率影响规律。在此基础上，根据潜在目标埋存含水层的温度和压力条件，通过查对应图版，即可得到对应的氮气分离效率，从而实现了对本发明确定的温度和压力范围内烟道气中氮气分离效率的准确预测。
本发明提供的利用地下含水层进行烟道气中氮气分离与二氧化碳埋存的一体化方法，在预设的含水层进行井网部署，在含水层布设有若干个注入井和采出井，所述注入井和所述采出井间隔排布，所述若干个注入井和采出井沿第一方向排布以形成一维线性流或拟一维线性流，其中，所述含水层的渗透率大于50mD，孔隙度大于0.15，含水层的厚度大于10m；控制从注入井注入烟道气达到预设时长后，注入液体并保持井底压力不变；在采出井开始产气时，控制采出井的井底流压保持在第一预设压力；当采出井产出的氮气摩尔分数低于第一预设值时，关闭采出井，同时关闭注入井，如此分离和埋存效率高、能耗低、成本低；
进一步地，将烟道气从注入井注入，由于气相和液相运移速度的差异，以及二氧化碳和氮气在地层水中溶解度的差异，两者共同作用下使得烟道气在含水层运移过程中出现组分分离现象。在此过程中，氮气运移至气段塞前部，二氧化碳位于后部，如此氮气先到达采出井并被采出，二氧化碳则滞留在含水层中被封存；
进一步地，本发明相较于传统的烟道气地面分离—地下埋存分步进行的模式，减少了地面烟道气组分分离设备需求，提高了分离和埋存效率，降低了分离和埋存的费用。
本发明还提供一种利用地下含水层进行烟道气组分分离中氮气分离率的预测方法，所述利用地下含水层采用如上述方法进行烟道气组分分离，所述预测方法包括：
步骤S600，根据当前含水层的温度和压力以及预先建立的氮气分离效率图版，查找对应的氮气分离率。
为了进一步地说明本发明提供的利用地下含水层进行烟道气中氮气分离与二氧化碳埋存的一体化方法的原理，下面以具体实例来说明。
(1)气段塞在生产中期的分布规律
需要说明的是，本发明所述气段塞为烟道气在含水层中处于超临界态或气态的气段，当注入井注入流体后，会在含水层形成液-气-液的分布，此时该气段称为气段塞。
以注采井生产90天为例，此时注烟道气完成，注入井已经开始后续注水30天，气段塞运移至注入井和采出井中部，注入气尚未突破，采出井未见气（产气速度为0），采出井仍在进行排水作业。通过含气饱和度可以看出烟道气段塞主要集中在距离注入井170m到360m之间，如图5所示。
(2)气段塞中各气组分的分布规律
由图6可以看出，氮气在近注入井和采出井处，即距离注入井0到100m处和300m到375m处的摩尔分数接近1，在距离注入井100m到300m处的摩尔分数大致为0.75，二氧化碳在距离注入井100m到300m处的摩尔分数在0.25左右。
对比图6、图7、图8可以看出，二氧化碳和氮气在气相中摩尔分数和总体的摩尔分数几乎一致，差异主要出现在水相中。氮气在距离注入井0到375m处的水相中的摩尔分数为0.001，而二氧化碳在距离注入井100m到300m处在水相中的摩尔分数接近0.01，说明二氧化碳和氮气在水中的溶解度均较小，但二氧化碳的溶解度是氮气的10倍左右。相对氮气而言，二氧化碳的频繁溶解和析出降低了其运移速度，因此注入烟道气段塞前部主要为氮气，后部主要为二氧化碳。由此导致采出井早期产气阶段产出气体中大部分为氮气，二氧化碳部分溶解在地层水中，随地层水缓慢流动，未溶解的部分以气态或超临界态滞留在含水层中。
(3)气液两相渗流速度对比
由图9可以看出，气液两相的流动具有差异性，气段塞处，含气饱和度较高，含水饱和度较低，气相的相对渗透率大于液相的相对渗透率，加之气相的粘度小于液相，所以气相的渗流速度远大于液相的渗流速度。
采出井流量的计算：
；（3）
根据公式（3）推导可得气相和液相的渗流速度计算公式。
气相渗流速度的计算：
；（4）
液相渗流速度的计算：
；（5）
基于上述公式，代入气相和液相的渗透率、粘度和含水层的压力梯度等数据，计算可得采出井生产90天时气相和液相的渗流速度随注采井距数变化规律，具体如图10所示。气相的渗流速度在距离注入井0到150m处和375m到500m处几乎为0，而在距离注入井150m到375m处，即气段塞处为45μm/s；液相与气相的渗流速度变化规律刚好相反，在距离注入井0到150m注采井距处为48μm/s，在距离注入井375m到500m处可达到55μm/s，而在距离注入井150m到375m处，即在气段塞处只有10μm/s。二氧化碳和氮气在气相中摩尔分数和总体摩尔分数几乎一致，差异主要体现在液相中溶解度的差异。二氧化碳的溶解度远大于氮气的溶解度，地层水中溶解态二氧化碳含量远高于氮气，因此气相中二氧化碳含量低于氮气。气段塞运移至储层中部时，此处气相渗流速度为液相渗流速度的5倍左右，所以受溶解作用影响二氧化碳的运移速度略低于氮气的运移速度。随着气段塞的不断运移，此运移速度差异不断累加，从而产生了二氧化碳和氮气组分分离现象。
综上所述，由于气相和液相运移速度的差异，以及二氧化碳和氮气在地层水中溶解度的差异，两者共同作用下使得烟道气在含水层运移过程中出现组分分离现象，氮气位于气段塞前部，二氧化碳位于后部。由此导致了采出井产气作业早期阶段产出的气体中大部分为氮气，而二氧化碳部分溶解在地层水中，以溶解态的形式存在，未溶解的部分以气态或超临界形式滞留在含水层中，从而实现了烟道气中氮气和二氧化碳的有效分离与二氧化碳的埋存。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，可以做出其它不同形式的变化或变动，都应当属于本发明保护的范围。
Claims (6)
1.一种烟道气在含水层中组分分离的实验方法，其特征在于，采用烟道气在含水层中组分分离的实验装置的实验方法，其中，所述烟道气在含水层中组分分离的实验装置包括恒压恒速泵、第一六通阀、第二六通阀、第三六通阀、氮气中间容器、二氧化碳中间容器、氮气流量控制器、二氧化碳流量控制器、模拟烟道气中间容器、恒温箱、岩心夹持器、围压回压泵、回压阀、气液分离器、产出水量计量仪、单向阀、气体流量计、产出气存罐、第一双向阀、以及第二双向阀；
所述恒压恒速泵与所述第一六通阀的第一端连接，所述第一六通阀的第二端与所述氮气中间容器的一端连接，所述氮气中间容器的另一端依次与所述氮气流量控制器、第一双向阀的一端连接；所述第一六通阀的第三端与所述二氧化碳中间容器的一端连接，所述二氧化碳中间容器的另一端依次与所述二氧化碳流量控制器、第二双向阀的一端连接，所述第一双向阀的另一端与所述第二双向阀的另一端连接后与所述第二六通阀的第一端连接；所述模拟烟道气中间容器的下端与所述第一六通阀的第四端连接，上端与所述第二六通阀的第二端连接；所述第二六通阀的第三端与所述岩心夹持器的第一端连接，所述岩心夹持器置于所述恒温箱中；所述岩心夹持器的中部连接有所述第三六通阀的第一端，所述第三六通阀的第二端与所述围压回压泵连接，所述第三六通阀的第三端与回压阀的第一端连接，所述岩心夹持器的第二端与所述回压阀的第二端连接，所述回压阀的第三端连接至所述气液分离器的第一端；所述气液分离器的第二端依次连接单向阀、气体流量计、产出气存罐；所述气液分离器的第三端连接产出水量计量仪；
所述实验方法包括：
通过氮气中间容器、二氧化碳中间容器制备模拟烟道气，模拟烟道气进入模拟烟道气中间容器，模拟烟道气中氮气和二氧化碳按照预设比例；
将饱和地层水之后的岩心放入岩心夹持器中，再将岩心夹持器放置在恒温箱中，以使岩心夹持器两端密闭恒温从而模拟地下含水层温度条件；
通过围压回压泵给岩心夹持器施加PIN+6MPa预设围压，围压回压泵给岩心夹持器尾端的回压阀施加POUT的预设回压，以在岩心夹持器内构建和地下含水层相近或相同的压力环境；
打开恒压恒速泵、第一六通阀与模拟烟道气中间容器的开关、模拟烟道气中间容器与岩心夹持器连接的阀门开关，以恒压模式向模拟烟道气中间容器内注入去离子水，推动模拟烟道气中间容器内的活塞上行将其中的模拟烟道气以PIN压力注入岩心夹持器，实时监测岩心夹持器注采两端压力变化，并通过和恒压恒速泵的联通实现所述岩心夹持器两端注采压差的恒定；
注入烟道气驱动岩心中地层水运移，当岩心夹持器尾端压力超过回压压力POUT时，回压阀开启，地层水和烟道气从岩心夹持器尾端产出，产出的气液混合物经过气液分离器进行气液分离后，液体通过产出水计量仪进行计量和储存；分离出的气体经过单向阀，通过气体流量计计量瞬时和累积流量，产出气组分的实时在线监测，从而明确产出气组分及其随时间变化。
2.如权利要求1所述的烟道气在含水层中组分分离的实验方法，其特征在于，通过增加岩心夹持器数量并通过不同的连接方式，实现含水层平面和纵向因素对烟道气组分分离影响实验。
3.如权利要求2所述的烟道气在含水层中组分分离的实验方法，其特征在于，岩心夹持器的数量为多个，其中，
多个岩心夹持器串联设置，增加岩心的总长度，所述多个岩心夹持器的总长度对应了现场实际注采井距，从而对含水层平面距离对烟道气组分分离影响进行实验；或者，
多个岩心夹持器并联设置，模拟含水层纵向因素，以明确多层系含水层纵向因素对烟道气组分分离影响规律。
4.一种利用地下含水层进行烟道气中氮气分离与二氧化碳埋存的一体化方法，其特征在于，包括：
在预设的含水层进行井网部署，在含水层布设有若干个注入井和采出井，所述注入井和所述采出井间隔排布，所述若干个注入井和采出井沿第一方向排布以形成一维线性流或拟一维线性流，其中，所述含水层的渗透率大于50mD，孔隙度大于0.15，含水层的厚度大于10m；
控制从注入井注入烟道气达到预设时长后，注入液体并保持井底压力不变；
在采出井开始产气时，控制采出井的井底流压保持在第一预设压力；
当采出井产出的氮气摩尔分数低于第一预设值时，关闭采出井，同时关闭注入井；
其中第一预设值根据如权利要求1至3任意一项所述的烟道气在含水层中组分分离的实验方法得到的实验数据确定得到。
5.如权利要求4所述的利用地下含水层进行烟道气中氮气分离与二氧化碳埋存的一体化方法，其特征在于，所述控制从注入井注入烟道气达到预设时长后，注入液体并保持井底压力不变的步骤之前，所述在预设的含水层进行井网部署的步骤之后，所述方法还包括：
基于所述烟道气在含水层中组分分离的实验方法，通过改变含水层的温度和压力，得到不同温度和压力下的氮气分离率；
根据不同温度和压力下的氮气分离率，构建氮气分离效率图版；
根据构建的氮气分离效率图版，确定氮气分离效率变化的转折点；
根据确定的转折点，确定最佳状态下的第一含水层压力、第一含水层温度、以及第一分离效率。
6.如权利要求4所述的利用地下含水层进行烟道气中氮气分离与二氧化碳埋存的一体化方法，其特征在于，所述在预设的含水层进行井网部署，在含水层布设有若干个注入井和采出井，所述注入井和所述采出井间隔排布，所述若干个注入井和采出井沿第一方向排布以形成一维线性流或拟一维线性流的步骤之前，还包括：
对含水层埋存深度进行优化，优化方法包括：
根据温度和压力条件，计算对应的气体比容；
其中，P为气体压力；
T为气体温度；
V为气体比容；
R为气体常数，R＝8.314kJ/(kmol·K)；
a(T),b均为临界温压函数；
m＝0.37464+1.5422ω-0.26992ω2；
α,m均为计算系数；
Pc为气体临界压力；
Tc为气体临界温度；
ω为气体偏心因子；
根据气体比容，确定含水层埋存深度。
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|---|---|
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Citations (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5778977A (en) * | 1997-01-03 | 1998-07-14 | Marathon Oil Company | Gravity concentrated carbon dioxide for process |
| AU2002342138A1 (en) * | 2001-10-24 | 2003-05-06 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V | In situ recovery from lean and rich zones in a hydrocarbon containing formation |
| WO2007131788A1 (de) * | 2006-05-16 | 2007-11-22 | Radermacher, Franz Josef | Verfahren und vorrichtung zur optimalen nutzung von kohlenstoff-ressourcen wie ölfelder, ölschiefer, ölsande, kohle und co2 |
| CN103233704A (zh) * | 2013-05-01 | 2013-08-07 | 吉林大学 | 一种co2/n2置换开采冻土区天然气水合物实验模拟方法及模拟装置 |
| CN104568678A (zh) * | 2015-01-13 | 2015-04-29 | 西南石油大学 | 高温高压高含硫气藏气液硫相渗曲线测试装置及方法 |
| CN107100605A (zh) * | 2017-04-21 | 2017-08-29 | 中国石油大学(北京) | 一种双水平井循环超临界二氧化碳开发干热岩的方法 |
| CN107506534A (zh) * | 2017-08-04 | 2017-12-22 | 陕西延长石油（集团）有限责任公司 | 一种二氧化碳驱油封存中盖层封闭性评价方法 |
| CN109459362A (zh) * | 2017-09-06 | 2019-03-12 | 中国石油化工股份有限公司 | 高温高压水岩反应和气体渗透率的一体化测试装置及方法 |
| CN110648029A (zh) * | 2019-10-23 | 2020-01-03 | 成都创源油气技术开发有限公司 | 一种气藏动态聚散成藏过程的分析方法 |
| CN111189994A (zh) * | 2020-01-10 | 2020-05-22 | 中国石油化工股份有限公司 | 用于co2超覆程度的定量表征的模拟装置及方法 |
| CN111579463A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-08-25 | 西南石油大学 | 有水气藏封存二氧化碳物理模拟装置及其模拟方法 |
| CN216404319U (zh) * | 2021-10-19 | 2022-04-29 | 碳和科技(北京)有限公司 | 一种利用烟道气分离二氧化碳和氮气的废气回收*** |
| CN114577837A (zh) * | 2022-02-21 | 2022-06-03 | 中国石油大学(华东) | 评价二氧化碳埋存、驱油对地层孔喉结构和渗透率的装置及实验方法 |
| CN115341896A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-11-15 | 中国石油大学(华东) | 一种利用高干度泡沫提高co2埋存效率的方法 |
| CN116593673A (zh) * | 2023-05-31 | 2023-08-15 | 中国矿业大学 | 一种模拟热烟气封存及甲烷抽采的可视化试验***及方法 |
| CN116658123A (zh) * | 2023-02-03 | 2023-08-29 | 中国石油大学(华东) | 一种自生热辅助降压强化开采水合物的方法 |
| CN116658137A (zh) * | 2023-07-21 | 2023-08-29 | 中国石油大学(华东) | 一种含水层二氧化碳封存与自流注水增产原油方法与*** |
| CN116792093A (zh) * | 2023-07-25 | 2023-09-22 | 西南石油大学 | 泡沫复合驱注气介质优选与同步埋存实验装置及方法 |
| CN116877054A (zh) * | 2023-08-07 | 2023-10-13 | 西安石油大学 | 一种二氧化碳驱替模拟实验装置 |
| CN117079533A (zh) * | 2023-10-16 | 2023-11-17 | 中国石油大学(华东) | 考虑储层应力时变影响的co2水层埋存的实验装置 |
| CN117129383A (zh) * | 2023-08-23 | 2023-11-28 | 成都理工大学 | 一种模拟储氢库储层中氢气水渗流滞后规律的装置及方法 |
| CN117266811A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-12-22 | 中国石油大学(北京) | 一种富有机质岩石原位转化开发模拟方法 |
| CN117433977A (zh) * | 2023-12-08 | 2024-01-23 | 西南石油大学 | 超临界co2与页岩反应的原位渗透率检测装置及其方法 |
| CN117629816A (zh) * | 2023-10-12 | 2024-03-01 | 中国石油大学(华东) | 等比表面积标定的矿化固态co2埋存量的确定方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090079255A1 (en) * | 2007-09-21 | 2009-03-26 | Airwars Defense Ip | Harvesting hydrocarbons from coal, shale, peat and landfill seams |
| US20100006281A1 (en) * | 2008-07-09 | 2010-01-14 | Air Wars Defense Lp | Harvesting hydrocarbons and water from methane hydrate deposits and shale seams |
| US10138715B2 (en) * | 2015-09-16 | 2018-11-27 | King Fahd University Of Petroleum And Minerals | Well-bore and reservoir monitoring process by logging temperature and resistivity |
-
2024
- 2024-03-27 CN CN202410354548.XA patent/CN117949615B/zh active Active
Patent Citations (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5778977A (en) * | 1997-01-03 | 1998-07-14 | Marathon Oil Company | Gravity concentrated carbon dioxide for process |
| AU2002342138A1 (en) * | 2001-10-24 | 2003-05-06 | Shell Internationale Research Maatschappij B.V | In situ recovery from lean and rich zones in a hydrocarbon containing formation |
| WO2007131788A1 (de) * | 2006-05-16 | 2007-11-22 | Radermacher, Franz Josef | Verfahren und vorrichtung zur optimalen nutzung von kohlenstoff-ressourcen wie ölfelder, ölschiefer, ölsande, kohle und co2 |
| CN103233704A (zh) * | 2013-05-01 | 2013-08-07 | 吉林大学 | 一种co2/n2置换开采冻土区天然气水合物实验模拟方法及模拟装置 |
| CN104568678A (zh) * | 2015-01-13 | 2015-04-29 | 西南石油大学 | 高温高压高含硫气藏气液硫相渗曲线测试装置及方法 |
| CN107100605A (zh) * | 2017-04-21 | 2017-08-29 | 中国石油大学(北京) | 一种双水平井循环超临界二氧化碳开发干热岩的方法 |
| CN107506534A (zh) * | 2017-08-04 | 2017-12-22 | 陕西延长石油（集团）有限责任公司 | 一种二氧化碳驱油封存中盖层封闭性评价方法 |
| CN109459362A (zh) * | 2017-09-06 | 2019-03-12 | 中国石油化工股份有限公司 | 高温高压水岩反应和气体渗透率的一体化测试装置及方法 |
| CN110648029A (zh) * | 2019-10-23 | 2020-01-03 | 成都创源油气技术开发有限公司 | 一种气藏动态聚散成藏过程的分析方法 |
| CN111189994A (zh) * | 2020-01-10 | 2020-05-22 | 中国石油化工股份有限公司 | 用于co2超覆程度的定量表征的模拟装置及方法 |
| CN111579463A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-08-25 | 西南石油大学 | 有水气藏封存二氧化碳物理模拟装置及其模拟方法 |
| CN216404319U (zh) * | 2021-10-19 | 2022-04-29 | 碳和科技(北京)有限公司 | 一种利用烟道气分离二氧化碳和氮气的废气回收*** |
| CN114577837A (zh) * | 2022-02-21 | 2022-06-03 | 中国石油大学(华东) | 评价二氧化碳埋存、驱油对地层孔喉结构和渗透率的装置及实验方法 |
| CN115341896A (zh) * | 2022-05-06 | 2022-11-15 | 中国石油大学(华东) | 一种利用高干度泡沫提高co2埋存效率的方法 |
| CN116658123A (zh) * | 2023-02-03 | 2023-08-29 | 中国石油大学(华东) | 一种自生热辅助降压强化开采水合物的方法 |
| CN116593673A (zh) * | 2023-05-31 | 2023-08-15 | 中国矿业大学 | 一种模拟热烟气封存及甲烷抽采的可视化试验***及方法 |
| CN116658137A (zh) * | 2023-07-21 | 2023-08-29 | 中国石油大学(华东) | 一种含水层二氧化碳封存与自流注水增产原油方法与*** |
| CN116792093A (zh) * | 2023-07-25 | 2023-09-22 | 西南石油大学 | 泡沫复合驱注气介质优选与同步埋存实验装置及方法 |
| CN116877054A (zh) * | 2023-08-07 | 2023-10-13 | 西安石油大学 | 一种二氧化碳驱替模拟实验装置 |
| CN117129383A (zh) * | 2023-08-23 | 2023-11-28 | 成都理工大学 | 一种模拟储氢库储层中氢气水渗流滞后规律的装置及方法 |
| CN117266811A (zh) * | 2023-09-25 | 2023-12-22 | 中国石油大学(北京) | 一种富有机质岩石原位转化开发模拟方法 |
| CN117629816A (zh) * | 2023-10-12 | 2024-03-01 | 中国石油大学(华东) | 等比表面积标定的矿化固态co2埋存量的确定方法 |
| CN117079533A (zh) * | 2023-10-16 | 2023-11-17 | 中国石油大学(华东) | 考虑储层应力时变影响的co2水层埋存的实验装置 |
| CN117433977A (zh) * | 2023-12-08 | 2024-01-23 | 西南石油大学 | 超临界co2与页岩反应的原位渗透率检测装置及其方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 含水层储气库可视化物理模拟实验研究;邸高倩等;《第32届全国天然气学术年会（2020）论文集》;20201231;第1-5页 * |
| 氮气及氮气+二氧化碳在四丁基溴化铵水溶液中水合物相平衡研究;孙志高等;《科学技术与工程》;20140630;第14卷(第17期);第125-128页 * |
| 注CO2或氮气提高沃尔夫坎普页岩油采收率实验研究;FRANCISCO D.TOVAR etal.;《石油科技动态》;20211231;第10卷;第77-100页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117949615A (zh) | 2024-04-30 |
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |