本發明涉及二氧化碳地質封存，特別涉及一種地質封存過程中二氧化碳-水-巖動態耦合模擬裝置及模擬方法。

背景技術：

1、在二氧化碳地質封存工程實施的過程中，二氧化碳是連續注入到地表或海底以下的地質結構中，以實現永久封存。對二氧化碳地質封存來說有兩個非常重要的因素，一是封存的有效性，二是封存的安全性。二氧化碳-水-巖相互作用機理是封存有效性和安全性的重要研究內容。具體來說，二氧化碳-水-巖相互作用是將氣態二氧化碳轉化為碳酸鹽沉淀的化學場，是決定二氧化碳長期封存最重要的機理，且二氧化碳-水-巖相互作用會改變儲層巖石的礦物組分和物理特性，進而改變儲層的孔隙度和滲透率，最終影響二氧化碳的封存效果。同時，二氧化碳-水-巖反應研究可揭示地層水中的礦物溶解和新礦物的生成規律，還可確定反應速率，能夠建立反應動力學模型，為從場地尺度研究二氧化碳的封存提供理論依據，為封存效率研究提供支撐。此外，二氧化碳往往會通過不同的機理侵入蓋層，這將會改變蓋層的物理、化學性質，降低儲蓋層的巖石強度，從而會促使二氧化碳的泄漏。綜上所述，模擬地層溫度、壓力條件下二氧化碳在巖石中的充注過程，可以有效開展二氧化碳-水-巖相互作用機理研究，揭示二氧化碳動態運移-轉化規律。

2、目前，在二氧化碳地質封存領域大都采用反應釜進行二氧化碳-水-巖相互作用機理研究，其基本原理為：將巖石粉末或塊狀巖心放入含有地層水溶液的反應釜中，在提供一定的溫度和壓力條件下，通過不斷地充注二氧化碳，來測定巖石粉末或塊狀巖心、地層水的變化。這種實驗方式能較好的適用于碎屑、粉末巖石樣品，對于塊狀巖石而言僅在巖石表面產生化學反應，不能揭示在二氧化碳連續充注條件下巖石內部產生的差異性反應。此外，現有的實驗裝置在溫度、壓力控制精度，以及反應容器材質和功能完整性等方面存在不足，無法滿足高精度、寬范圍的實驗需求。

技術實現思路

1、針對現有技術中存在的問題，本發明提供一種用于地質封存過程中二氧化碳-水-巖動態耦合模擬裝置，包括用于放置待測試的巖心樣品的巖心夾持器；

2、還包括用于模擬深部地層高壓環境下二氧化碳注入過程并向巖心夾持器內注入液態二氧化碳的第一造壓注入系統；

3、用于同步模擬深部地層高壓環境下地層水注入過程并向巖心夾持器內注入水的第二造壓注入系統；

4、用于在實驗過程中接收來自巖心夾持器的氣液混合物，并對氣相和液相產物進行分離以對分離后的氣體和液體進行計量的氣液分離器。

5、在上述方案的基礎上，所述裝置還包括設置于巖心夾持器與氣液分離器之間的用于控制模擬裝置回壓以模擬不同壓力邊界條件的背壓控制系統。

6、在上述方案的基礎上，所述第一造壓注入系統和第二造壓注入系統與巖心夾持器之間設置有用于對液態二氧化碳和水進行混合、溶解同時控制進入巖心夾持器中的液態二氧化碳和水的混合流體溫度的流體預熱器。

7、在上述方案的基礎上，所述裝置還包括用于向第一造壓注入系統內提供液態二氧化碳的二氧化碳液化單元。

8、在上述方案的基礎上，所述巖心夾持器與背壓控制系統之間設置有用于為巖心夾持器中流出的流體降溫的冷凝器。

9、在上述方案的基礎上，所述巖心夾持器上設置有用于控制巖心夾持器內溫度的加熱系統。

10、在上述方案的基礎上，所述巖心夾持器上設置有用于實時跟蹤并維持巖心夾持器內圍壓穩定以有效模擬地下實際壓力環境的圍壓跟蹤泵。

11、在上述方案的基礎上，所述氣液分離器的液體出口端設置有用于實時獲取液體樣品的取樣器，所述氣液分離器分離后的氣相通過自動氣體計量器計量并進行分析。

12、本申請還提供一種用于地質封存過程中二氧化碳-水-巖動態耦合模擬的方法，包括如下步驟：

13、s1將待測試的巖心樣品放置在巖心夾持器中；根據實驗需求，通過加熱系統將巖心夾持器升溫至設定溫度；巖心夾持器中圍壓跟蹤泵同步工作，維持圍壓穩定在設定值；

14、s2二氧化碳液化單元根據實驗需要提供液態二氧化碳，利用第一造壓注入系統將液態二氧化碳以預定的流速和壓力注入流體預熱器中；同時，利用第二造壓注入系統將模擬地層水以預定的流速和壓力注入流體預熱器中；在流體預熱器中實現二氧化碳與地層水的溶解、混合，并控溫升至設定溫度；

15、s3利用第一造壓注入系統和第二造壓注入系統提供的壓力，將流體預熱器中的二氧化碳與水混合液體注入至巖心夾持器，注入時，液體從巖心樣品橫截面注入巖心樣品；

16、s4通過背壓控制系統的控制，巖心夾持器中注入的混合液體通過巖心樣品后進入冷凝器；之后，產生的氣液混合物進入氣液分離器進行分離，分離后的液相通過取樣器進行取樣，分離后的氣相通過自動氣體計量器計量并進行分析。

17、本發明的有益效果：

18、本發明的裝置具有高精度的溫度和壓力控制能力，能夠精確模擬多種復雜的地質和工程環境條件，為二氧化碳動態運移和轉化研究提供高度精確的數據基礎，有助于深入揭示其內在規律和機制。

19、本發明的裝置將二氧化碳液化單元、氣液分離器、取樣器以及液測滲透率功能的集成，使得本裝置功能齊全，能夠實現對二氧化碳在運移和轉化過程中的多種參數進行實時監測和分析，全面獲取實驗過程中的關鍵信息，大大提高了實驗研究的效率和深度，為二氧化碳相關領域的研究和應用提供了強有力的工具支持。特別是裝置中通過背壓控制系統控制的回壓，模擬不同的壓力邊界條件，與造壓、注入系統和圍壓跟蹤泵協同工作，構建出更加真實、復雜的壓力環境，有助于深入研究二氧化碳在不同壓力條件下的運移和轉化規律，進一步體現出本發明裝置的整體性特征。

20、本發明的裝置采用液態二氧化碳與地層水的混合溶液，將其從巖心橫截面進行注入，能夠揭示在二氧化碳連續充注條件下巖石內部產生的差異性反應，為深入了解二氧化碳的動態行為及其與周圍介質的相互作用提供有力的數據支撐。

21、本發明的裝置在模擬地層溫度、壓力環境下二氧化碳在巖石中的充注過程，具備多元流體、氣體持續注入功能，實現在柱狀巖心中二氧化碳與地層水穩態的注入，并可實現流體實時采樣，以深入了解二氧化碳的動態行為及其與周圍介質的相互作用，包括不同巖心位置(前端、中端、后端)的反應特征、流體的離子含量和種類的改變等，研究二氧化碳動態運移-轉化規律。

22、本發明的裝置在模擬時，采用的是液態二氧化碳，更符合二氧化碳地質封存工程的實際情況。在高壓環境下，氣態二氧化碳由于相態極易變化，注入的氣體量的測量存在較大誤差，因此，本發明裝置采用二氧化碳液化單元提供模擬所需的液態二氧化碳，通過造壓注入系統將液態二氧化碳以預定的流速注入流體預熱器中，可以精確控制二氧化碳注入的量，確保實驗結果的準確性，降低誤差。

技術特征：

1.一種用于地質封存過程中二氧化碳-水-巖動態耦合模擬裝置，其特征在于，包括用于放置待測試的巖心樣品的巖心夾持器(1)；

2.根據權利要求1所述的地質封存過程中二氧化碳-水-巖動態耦合模擬裝置，其特征在于，

3.根據權利要求1所述的地質封存過程中二氧化碳-水-巖動態耦合模擬裝置，其特征在于，

4.根據權利要求1所述的地質封存過程中二氧化碳-水-巖動態耦合模擬裝置，其特征在于，

5.根據權利要求2所述的地質封存過程中二氧化碳-水-巖動態耦合模擬裝置，其特征在于，所述巖心夾持器(1)與背壓控制系統(5)之間設置有用于為巖心夾持器(1)中流出的流體降溫的冷凝器(8)。

6.根據權利要求1所述的地質封存過程中二氧化碳-水-巖動態耦合模擬裝置，其特征在于，所述巖心夾持器(1)上設置有用于控制巖心夾持器(1)內溫度的加熱系統(9)。

7.根據權利要求1所述的地質封存過程中二氧化碳-水-巖動態耦合模擬裝置，其特征在于，所述巖心夾持器(1)上設置有用于實時跟蹤并維持巖心夾持器(1)內圍壓穩定以有效模擬地下實際壓力環境的圍壓跟蹤泵(10)。

8.根據權利要求1所述的地質封存過程中二氧化碳-水-巖動態耦合模擬裝置，其特征在于，所述氣液分離器(4)的液體出口端設置有用于實時獲取液體樣品的取樣器(11)，所述氣液分離器(4)分離后的氣相通過自動氣體計量器(12)計量并進行分析。

9.一種用于地質封存過程中二氧化碳-水-巖動態耦合模擬的方法，其特征在于，使用權利要求1-8任一項所述的裝置。

10.根據權利要求9所述的用于地質封存過程中二氧化碳-水-巖動態耦合模擬的方法，其特征在于，包括如下步驟：

技術總結
本發明涉及一種地質封存過程中二氧化碳?水?巖動態耦合模擬裝置及模擬方法。本發明的裝置具有高精度的溫度和壓力控制能力，能夠精確模擬多種復雜的地質和工程環境條件，為二氧化碳動態運移和轉化研究提供高度精確的數據基礎，有助于深入揭示其內在規律和機制。本發明的裝置采用液態二氧化碳與地層水的混合溶液，將其從巖心橫截面進行注入，能夠揭示在二氧化碳連續充注條件下巖石內部產生的差異性反應，為深入了解二氧化碳的動態行為及其與周圍介質的相互作用提供有力的數據支撐。

技術研發人員：袁勇,李清,曲希玉,陳建文,梁杰,馬馨蕊,駱迪,趙化淋
受保護的技術使用者：青島海洋地質研究所
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28