一种表征二氧化碳溶解与反应进程的封存模拟装置与封存模拟方法

本发明属于二氧化碳地质封存，具体涉及一种表征二氧化碳溶解与反应进程的封存模拟装置与封存模拟方法。

背景技术：

1、自人类进入新工业时代以来，化石能源的应用促进了人类社会技术和经济的飞速发展，但同时其大量产生的副产品-二氧化碳，也给环境造成了极大的负担，导致全球变暖、海平面上升等一系列问题。二氧化碳地质封存是目前被广泛关注的一项技术，这项技术是将二氧化碳以一定的压力注入到地下储层中埋存起来，能够有效地降低碳排放，地下深部咸水层就是一类非常有潜力的封存场所。深部咸水层具有较高的孔隙度、渗透率和相对完整的圈闭结构，防止二氧化碳逸散的同时，还能够在较高地层压力的作用下溶解巨量(通常以兆吨计算)的二氧化碳，因此非常有利于二氧化碳在其中的运移和永久埋存。

2、当二氧化碳被注入到深部咸水层后，由于密度较小二氧化碳会在储层顶部形成气顶，随后缓慢向下方盐水中溶解，率先在咸水层顶部形成密度较大的饱和co2的咸水。例如在典型储层压力条件，10mpa，50℃下，顶部饱和二氧化碳盐水的密度较溶解前增加9.5kg/m3。在这一密度差的驱动下，咸水层中会产生自上而下的重力对流，促进二氧化碳的混合与溶解，提高封存效率。

3、与此同时，二氧化碳溶解在水中后呈现酸性，能够与盐水及基质矿物中的多种成分发生化学反应，如酸碱中和反应、矿物溶解反应、沉淀反应等，会显著影响二氧化碳的封存量、封存速率、以及封存安全性。化学反应的参与使得二氧化碳的溶解过程更加难以预测，而综合考虑化学反应的二氧化碳对流溶解过程对于正确评估二氧化碳封存潜力、封存效率和封存场地选址是极为重要的，因此有必要通过实验方法表征当有化学反应参与时的二氧化碳溶解和反应规律，并对二氧化碳溶解速率进行有效测量。

4、对封存过程进行监测，可以为二氧化碳地质封存实际工作提供技术指导及理论支撑，现有技术中也存在模拟二氧化碳封存的实验装置，例如公开号为cn117607140a的专利文件公开了一种测量多孔介质中二氧化碳在液相溶解速率的可视化实验装置及方法，采用该专利文件的可视化实验装置及方法可以预测出二氧化碳在地层水中的溶解速率，但是该可视化实验装置存在一个核心弊端：即无法表征二氧化碳的溶解与化学反应规律。而在二氧化碳的封存过程中，同一咸水层的地层水中二氧化碳的对流溶解进程和化学反应进程是不同的，同时由于不同咸水层的储层孔隙率大小和地层水的性质的不同，不同咸水层中的二氧化碳的对流溶解进程是不同的，不同咸水层中二氧化碳与地层水的化学反应进程也是不同的。因此，二氧化碳的溶解与化学反应是一个非常复杂的过程，而现有技术中也没有其它的技术手段对这一复杂的过程进行表征。

5、因此综上所述，亟需一种能够在高温高压条件下表征二氧化碳在地层水中对流溶解与化学反应进程，并且准确测量出二氧化碳的溶解速率的模拟装置与模拟方法。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术的弊端，本发明公开了一种表征二氧化碳溶解与反应进程的封存模拟装置，包括光源、密闭容器和与所述密闭容器连接的注入系统、温度控制器和数据采集分析系统，

2、所述密闭容器包括釜体和与所述釜体可拆卸连接的盖体，所述密闭容器上设有气体注入阀和气体流出阀，所述密闭容器内设有透明多孔介质模型，所述密闭容器壁上设有通光窗口与可视化窗口，所述通光窗口和可视化窗口分别设于所述透明多孔介质模型两侧，所述透明多孔介质模型内充填有地层水模拟液，所述透明多孔介质模型模拟的是咸水层的储层结构，所述地层水模拟液模拟的是咸水层中的地层水，所述地层水模拟液中溶解有酸碱指示剂，所述地层水模拟液的酸碱度在所述酸碱指示剂的变色范围外，二氧化碳饱和水溶液的酸碱度或二氧化碳与地层水模拟液的反应产物的酸碱度在所述酸碱指示剂的变色范围内，所述酸碱指示剂用于表征模拟实验过程中所述地层水模拟液中的酸碱度变化趋势，根据所述的变化趋势，即可以表征地层水模拟液中的二氧化碳溶解进程，或者还可以表征地层水模拟液中化学反应进程，根据想要表征的进程，来选取合适变色范围的酸碱指示剂即可。

3、所述注入系统包括依次连接的二氧化碳气源、增压泵和注入泵，所述增压泵用于将二氧化碳气源中流出的二氧化碳的压力增至咸水层压力，所述注入泵与气体注入阀连接；

4、所述温度控制器用于对密闭容器内的温度进行调控，以模拟深部咸水层的温度条件；

5、数据采集分析系统包括流量计、摄像头、数据分析软件和图像处理软件，所述流量计设于注入泵与气体注入阀之间，与数据分析软件信号连接，所述光源设于密闭容器外侧的通光窗口处，所述摄像头设于密闭容器外侧的可视化窗口处，与图像处理软件信号连接，在所述光源的照射下，摄像头捕捉介质模型中地层水模拟液的颜色变化。

6、本发明的介质模型用于模拟咸水层的储层环境，通过注入系统将二氧化碳注入密闭容器后，二氧化碳在地层水模拟液中溶解并发生反应，实现真实注入状态的模拟，由于地层水模拟液中溶解有酸碱指示剂，随着地层水模拟液中二氧化碳的溶解和化学反应的进行，地层水模拟液在不同时刻会呈现不同的界面变化。地层水模拟液在不同时刻的界面变化情况被摄像头捕捉后，摄像头可以将图像信息传递至图像处理软件，所述图像处理软件对所述图像进行颜色增强和界面识别，得到地层水模拟液的界面变化图像，所述界面变化图像可以直观的表征该深部咸水层的二氧化碳溶解、反应规律；流量计用于捕捉流入密闭容器中的二氧化碳体积，并将体积信息传递至数据分析软件，模拟实验结束后，所述数据分析软件用于计算二氧化碳的溶解速率。

7、采用本发明的二氧化碳溶解封存模拟装置，可以模拟深部咸水层中二氧化碳的封存过程，并可以表征二氧化碳在咸水层中的溶解过程或反应过程，还能够准确测量出二氧化碳的溶解速率，从多个方向上为二氧化碳地质封存实际工作提供技术指导及理论支撑。

8、在一种优选方案中，所述密闭容器中的透明多孔介质模型至少为两组，所述酸碱指示剂包括表征溶解进程的酸性指示剂和表征反应进程的酸碱指示剂；

9、至少一组透明多孔介质模型中溶解有表征溶解进程的酸性指示剂，所述地层水模拟液的酸碱度在所述表征溶解进程的酸性指示剂的变色范围外，二氧化碳饱和水溶液的酸碱度在所述表征溶解进程的酸性指示剂的变色范围内；至少一组透明多孔介质模型中溶解有表征反应过程的酸碱指示剂，所述地层水模拟液的酸碱度在所述表征反应过程的酸碱指示剂变色范围外，所述二氧化碳与地层水模拟液的反应产物的酸碱度在所述表征反应过程的酸碱指示剂变色范围内。表征溶解进程的酸性指示剂和表征反应进程的酸碱指示剂溶解于不同的透明多孔介质模型中，从而实现溶解过程和化学反应过程的同时观测。

10、不论所述地层水模拟液为弱酸性溶液还是弱碱性溶液，当地层水模拟液中溶解有表征溶解进程的酸性指示剂时，都可以呈现二氧化碳溶解过程的界面变化；当所述地层水模拟液为弱碱性溶液时，所述表征反应过程的酸碱指示剂需要选用碱性指示剂；当所述地层水模拟液为弱酸性溶液时，所述表征反应过程的酸碱指示剂具体选择酸性指示剂还是碱性指示剂，需要根据地层水的性质来选取。具体可根据地层水溶液的ph、地层水溶液的离子类型与地层水所处的环境条件(温度与压力)来选择合适变色范围的酸性指示剂或碱性指示剂。

11、进一步的，所述透明多孔介质模型由透明玻璃容器以及密实堆积在所述透明玻璃容器中的透明球形介质组成，所述地层水模拟液充填在透明球形介质之间的孔隙中，所述透明玻璃容器中的透明球形介质尺寸相同或不同。

12、所述透明玻璃容器内密实堆积尺寸相同的透明球形介质，可以得到渗透率均匀的透明多孔介质模型，以模拟均质的咸水层环境；所述透明玻璃容器内密实堆积有两种以上尺寸的透明球形介质，可以得到不同孔隙度的透明多孔介质模型，以模拟非均质的咸水层环境。从而实现多种介质环境的真实模拟。

13、优选的，所述通光窗口与可视化窗口为蓝宝石玻璃材质，蓝宝石玻璃具有高透光性和高耐温压性，能够保证在高温高压的实验条件下对整个溶解和反应进程的可视观测。

14、进一步的，所述温度控制器可以为制冷制热压缩机，所述制冷制热压缩机采用油浴控温，由于二氧化碳注入时具有较高的压力，当气体被压缩时会释放大量的热，因此需要实时监测和调整所述密闭容器内的温度，使得二氧化碳溶解过程处于等温条件，提升实验精度；

15、进一步的，所述数据采集分析系统还包括温压传感器，所述温压传感器延伸至密闭容器内，所述温压传感器与温度控制器连接，所述温压传感器用于实时监测密闭容器内的温度变化，并将温度信号反馈给温度控制器，以实现温度控制器对密闭容器内温度环境的实时调控，所述温压传感器还可以实时监测密闭容器内的压力变化，当压力发生变化时通过增压器进行压力的调控。

16、进一步的，所述密闭容器外侧设有保温层。

17、本发明还公开了一种表征二氧化碳溶解与反应进程的封存模拟方法，利用上述任一所述的封存模拟装置，采用如下步骤进行：

18、s1、将注有地层水模拟液的透明多孔介质模型放入密闭容器中，所述地层水模拟液中溶解有酸碱指示剂，将所述密闭容器密封，为便于观察，将所述透明多孔介质模型放入密闭容器中间，保证可以通过可视化窗口清晰的观察到透明多孔介质模型的全貌；

19、s2、通过温度控制器控制密闭容器内的温度为待模拟咸水层的温度；

20、s3、打开气体注入阀和气体流出阀，所述二氧化碳气源中的二氧化碳通过增压泵增压后被注入泵注入至密闭容器内，密闭容器中的空气被二氧化碳从气体流出阀吹出，持续8～15s后关闭气体流出阀，随后容器压力持续增加，增压后的二氧化碳压力为待模拟咸水层压力；

21、s4、通过所述摄像头捕捉介质模型中地层水模拟液的图像，并发送至图像处理软件，所述图像处理软件对所述图像进行颜色增强和图像处理，得到地层水模拟液的界面变化图像，此步骤需要注意的是，为了模拟恒定压力的二氧化碳气顶向下溶解与反应的物理过程，压力需要在尽可能短的时间内上升到预设压力，否则在压力攀升过程中会溶解较多的二氧化碳，显著影响实验的精确性，因此实验应严格按照程序利用增压泵将二氧化碳增压至预设压力再注入容器；

22、s5、通过所述流量计监测注入密闭容器内的二氧化碳体积，并发送至数据分析软件，所述数据分析软件通过式(ⅰ)计算二氧化碳溶解速率；

23、

24、式(ⅰ)中，f为二氧化碳溶解速率，即溶解通量，单位为mol/(m2·s)，物理意义为单位时间单位面积所溶解的二氧化碳的量；p为密闭容器内的压力，同待模拟咸水层压力；a为所述介质模型横截面积；z为二氧化碳的压缩系数，与温度和压力有关，表示为z(t,p)；r为气体常数，取值为8.314j/(mol·k)；t为密闭容器内的温度，同待模拟咸水层温度；d为微分符号；v为二氧化碳注入体积；vl为泄露段二氧化碳的注入体积；t为模拟实验时间。

25、需要注意的是，模拟实验中需要保证实验时间足够长，至少为二氧化碳达到饱和时间的1.5倍，即实验总时间至少为实验至颜色不再变化时间的1.5倍；此举是为了确保监测到二氧化碳溶解结束后的体积变化，此时发生的体积变化由容器泄露造成，因此该数据有助于验证或修正观测数据，保证结果准确性。

26、优选的，步骤s1具体为：将表征溶解进程的酸性指示剂和表征反应进程的酸碱指示剂分别溶解在地层水模拟液中，将溶解有表征溶解进程的酸性指示剂的地层水模拟液和溶解有表征反应进程的酸碱指示剂的地层水模拟液分别注入不同的透明多孔介质模型中。可以实现二氧化碳溶解过程和反应过程的同时监测，实现有化学反应时溶解与反应进程的同时追踪和表征。

27、优选的，为保证酸碱指示剂的完全溶解，可以在超声分散仪中超声分散大于24h；进一步的，步骤s1还包括：将尺寸相同的透明玻璃球放入注有酸碱指示剂的透明玻璃容器中并摇匀振实，此时得到的介质模型可以模拟均质的咸水层环境；或者将两种以上尺寸的透明玻璃球放入注有酸碱指示剂的透明玻璃容器中并摇匀振实，此时得到的介质模型可以模拟非均质的咸水层环境。先在容器中加入地层水模拟液再加入玻璃球，其目的是减少可能产生的气泡，使得到的透明多孔介质模型更加理想。

28、优选的，步骤s1中，所述地层水模拟液在溶解酸碱指示剂前，先进行脱气处理。

29、通过采用上述技术方案，本发明的有益效果为：

30、1、本发明所述的装置能够简便、易行地实现高温高压条件下有化学反应发生时二氧化碳对流溶解和化学反应进程的可视化观测，同时还可以高效准确地测量出该过程中二氧化碳的溶解速率；有利于认识咸水层封存中二氧化碳溶解与反应规律，能够为二氧化碳封存选址、复杂地质条件下的封存效率评估提供有效的理论支撑。

31、2、本发明所述的装置及方法能够根据定性的图像结果，利用羽流特征与液相的颜色变化，同时分析二氧化碳溶解与反应中的流场、反应过程、物质分布及物质浓度的定性分布(比如说在弱碱性地层水模拟液中，ph比较小说明二氧化碳溶液的浓度较高，ph比较大说明碱性物质浓度较高，还没有与二氧化碳完全反应)；根据定量测量的溶解速率，确定有化学反应时的二氧化碳溶解规律；这一系列结果有助于估算封存效率、建立对流-扩散-反应的多物理场模型，对于正确评估二氧化碳封存潜力、封存效率和封存场地选址具有重要意义。

32、3、本发明所述的装置能够灵活调整咸水层封存中的物理化学参数，通过调整温度、压力、玻璃球粒径、地层水模拟液类型、酸碱指示剂，能够实现对二氧化碳溶解度、二氧化碳饱和溶液与地层水间密度差、多孔介质孔隙度、多孔介质渗透率、化学反应类型、化学反应速率以及ph指示范围等的调控，可用于多种地层条件的封存物理模拟，极大地增强了装置的应用范围。

33、4、本发明所述的装置利用数据采集分析系统，能够自动采集流量与图像并自动处理，实现了溶解、反应界面的自动判别，避免了人工操作带来的繁琐与误差，保证了实验效率的同时提升了实验结果的一致性，提高了实验精度。

技术特征：

1.一种表征二氧化碳溶解与反应进程的封存模拟装置，其特征在于：包括光源、密闭容器和与所述密闭容器连接的注入系统、温度控制器和数据采集分析系统，

2.根据权利要求1所述的封存模拟装置，其特征在于：所述密闭容器中的透明多孔介质模型至少为两组，所述酸碱指示剂包括表征溶解进程的酸性指示剂和表征反应进程的酸碱指示剂；

3.根据权利要求2所述的封存模拟装置，其特征在于：当所述地层水模拟液为弱碱性溶液时，所述表征反应过程的酸碱指示剂为碱性指示剂。

4.根据权利要求1或2所述的封存模拟装置，其特征在于：所述透明多孔介质模型由透明玻璃容器以及密实堆积在所述透明玻璃容器中的透明球形介质组成，所述地层水模拟液充填在透明球形介质之间的孔隙中，所述透明玻璃容器中的透明球形介质尺寸相同或不同。

5.根据权利要求1所述的封存模拟装置，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的封存模拟装置，其特征在于：所述密闭容器外侧设有保温层；

7.一种表征二氧化碳溶解与反应进程的封存模拟方法，其特征在于，利用权利要求1～6任一所述的二氧化碳溶解封存模拟装置，采用如下步骤进行：

8.根据权利要求7所述的二氧化碳溶解封存模拟方法，其特征在于，利用权利要求2所述的二氧化碳溶解封存模拟装置，步骤s1具体为：

9.根据权利要求7所述的封存模拟方法，其特征在于，利用权利要求4所述的二氧化碳溶解封存模拟装置，步骤s1还包括：

10.根据权利要求7所述的封存模拟方法，其特征在于，步骤s1中，所述地层水模拟液在溶解酸碱指示剂前，先进行脱气处理。

技术总结
本发明属于二氧化碳地质封存技术领域，公开了一种表征二氧化碳溶解与反应进程的封存模拟装置与封存模拟方法，所述封存模拟装置包括光源、密闭容器和与所述密闭容器连接的注入系统、温度控制器和数据采集分析系统，所述密闭容器内设有透明多孔介质模型，所述密闭容器壁上设有通光窗口与可视化窗口，所述通光窗口和可视化窗口分别设于所述透明多孔介质模型两侧，所述透明多孔介质模型内充填有地层水模拟液，所述地层水模拟液中溶解有酸碱指示剂。本发明所述的装置能够实现咸水层中二氧化碳对流溶解和化学反应进程的可视化观测，并准确地测量出二氧化碳的溶解速率，能够为二氧化碳封存选址、复杂地质条件下的封存效率评估提供有效的理论支撑。

技术研发人员：郑帅,徐克,王传玺,王瑜敏,孙润轩,于菲
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23