專利名稱：一種CO₂地質(zhì)封存中水巖反應(yīng)的批式實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水巖反應(yīng)實驗裝置，尤其涉及ー種適用于CO2地質(zhì)封存中 CO2-水-巖反應(yīng)研究的批式反應(yīng)裝置。
背景技術(shù)：
CO2地質(zhì)封存是為減緩氣候變化而將捕集的(X)2氣體儲存于地下巖石構(gòu)造之中的新興環(huán)境技木。在CO2注入與儲存的整個過程中，CO2與地層水和巖石之間的反應(yīng)對于CO2 的注入率、儲存量和封存場地的安全性都具有重要影響。實驗室批式實驗是研究CO2-水-巖反應(yīng)的基本方法之一，可模擬地層溫度、壓カ 條件下的反應(yīng)進程，通過固、液相反應(yīng)產(chǎn)物的分析，探討反應(yīng)機制，建立反應(yīng)的熱力學模型， 從而預測和評估(X)2地質(zhì)封存工程的環(huán)境響應(yīng)。目前在開展CO2-水-巖反應(yīng)研究時所采用的批式實驗裝置多為常規(guī)反應(yīng)釜，主要存在如下問題(1)裝置溫度、壓カ范圍與CO2-水-巖反應(yīng)不匹配因常規(guī)反應(yīng)釜溫度和壓カ范圍不能涵蓋CO2-水-巖反應(yīng)實驗所需溫度、壓カ而不能滿足研究要求；或大大超出所需溫度、壓カ上限而造成成本増加。(2)裝置加氣方式與CO2-水-巖反應(yīng)實驗不匹配因缺乏進氣系統(tǒng)，實驗前根據(jù)反應(yīng)壓力，計算出所需固體CO2 (干冰)量，直接打開反應(yīng)釜釜體加入干冰，做為反應(yīng)所需的CO2氣源。這ー加氣方法的主要缺點有ニ 一是加氣過程中反應(yīng)釜釜體打開，導致空氣進入釜體，改變了反應(yīng)的氧化還原條件，會引入除 CO2-水-巖反應(yīng)外的其它反應(yīng)；二是隨著反應(yīng)進行，CO2不斷消耗，導致反應(yīng)壓カ隨之降低， 無法維持恒定壓力。(3)裝置加壓方式與CO2-水-巖反應(yīng)實驗不匹配高溫高壓實驗裝置常先將反應(yīng)材料0 、水、巖)封在一個密閉的反應(yīng)腔中，然后在置于具有恒定壓力的釜體之中。由于這種加壓方式通常針對高溫高壓反應(yīng)，其溫度和壓 カ較CO2-水-巖要高得多，因而反應(yīng)腔容積很小，導致加入的CO2、水和巖石的量較小，而當反應(yīng)物特別是水、巖樣品較少時往往無法滿足反應(yīng)產(chǎn)物分析的要求。(4)壓カ控制裝置成本過高常規(guī)反應(yīng)釜多采用較大的液壓系統(tǒng)進行壓カ控制，其加壓泵的成本很高，由于CO2 地質(zhì)封存條件下的壓カ較低(一般80 400bar)，并不必要配備高壓壓カ泵。由以上分析及大量調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，用于CO2-水-巖反應(yīng)實驗的經(jīng)濟實用的實驗系統(tǒng)尚未建立。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供ー種CO2地質(zhì)封存中水巖反應(yīng)的批式實驗裝置。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的CO2地質(zhì)封存中水巖反應(yīng)的批式實驗裝置，包括有一反應(yīng)釜，其釜頭與釜體以可拆卸的環(huán)封連接，釜體置于加熱器中，該釜體內(nèi)裝有水和巖石樣品；一 CO2氣瓶，通過第一氣閥連接至釜體內(nèi)；一進水管，通過進水閥連接至釜體內(nèi)；一第一排氣閥，連接至釜體內(nèi)。所述的裝置中，釜體內(nèi)安裝有磁力攪拌器。所述的裝置中，CO2氣瓶通過第二氣閥與加壓泵連接至釜體內(nèi)，該加壓泵與釜體之間連接有第三氣閥。所述的裝置中，第一氣閥至釜體之間連接有CO2流量計和第四氣閥連接至釜體內(nèi)。所述的裝置中，第四氣閥連接(X)2流量計的一端通過第五氣閥連接至隊氣瓶。所述的裝置中，進水閥通過一進水自動冷卻水電磁閥連接至釜體內(nèi)。所述的裝置中，釜體內(nèi)安裝有一取樣管，該取樣管通過一取樣閥連接緩沖罐的進樣端，該緩沖罐的出樣端連接一取樣瓶。所述的裝置中，加熱器、磁力攪拌器、第一氣閥、第二氣閥、第三氣閥、第四氣閥、第五氣閥、取樣閥、進水閥、第一排氣閥和進水自動冷卻水電磁閥均連接控制儀。所述的裝置中，釜頭與釜體接口處設(shè)有柔性石墨密封墊片。本發(fā)明針對CO2-水-巖反應(yīng)中尚未解決好的實驗裝置問題，建立了一個由進氣系統(tǒng)和反應(yīng)系統(tǒng)構(gòu)成的CO2-水-巖反應(yīng)批式實驗裝置。本發(fā)明的裝置不僅滿足CO2-水-巖反應(yīng)的溫度、壓力要求，可使CO2-水-巖反應(yīng)實驗可以加入足夠量的水、巖、氣樣品、加氣過程中不帶入空氣、反應(yīng)過程中維持恒定壓力，且具有操作簡單和較為經(jīng)濟的特點。


圖1是(X)2地質(zhì)封存中水巖反應(yīng)的批式實驗裝置的結(jié)構(gòu)和實施方法示意圖。附圖中主要組件符號說明I-CO2氣瓶；2- 氣瓶；3、4、5_溫度壓力顯示模塊；6_轉(zhuǎn)速顯示表盤；7_溫度壓力轉(zhuǎn)速控制模塊開關(guān)；8加熱器開關(guān)；9-攪拌驅(qū)動電機開關(guān)；10-磁力攪拌器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器；11-第六氣閥；12-取樣閥；13-緩沖罐；14-第七氣閥；15-取樣瓶；16-第二氣閥；17-加壓泵；18-壓力計；19-第一氣閥；20-氣體質(zhì)量流量計；21第五氣閥；22-氣體質(zhì)量流量計；23-第二排氣閥；24-第四氣閥；25-第三氣閥；26-釜體壓力計；27-第一排氣閥；28-進水自動冷卻水電磁閥；29-進水閥；30-冷卻環(huán)出水口 ；31-釜體排氣管；32-環(huán)封；33-流體取樣管；34-溫度壓力傳感器；35-磁力攪拌器；36-反應(yīng)釜；37-電磁加熱器。
具體實施例方式請參閱圖1，是本發(fā)明的裝置示意圖。本發(fā)明的裝置中有一反應(yīng)釜36，反應(yīng)釜的釜頭與反應(yīng)釜的釜體以可拆卸的環(huán)封32連接，釜頭與釜體接口處設(shè)有柔性石墨密封墊片(圖中未示)。釜體置于電磁加熱器37中，釜體內(nèi)裝有水和磨碎的巖石樣品，釜體內(nèi)安裝有磁力攪拌器35，通過攪拌增強水和巖石樣口之間的反應(yīng)。通過環(huán)封32，反應(yīng)釜36的釜體內(nèi)分別通過第一氣閥連接(X)2氣瓶，還通過進水閥四將進水管連接至釜體內(nèi)，還安裝有第一排氣閥27連接至釜體內(nèi)。本發(fā)明的裝置中，加熱器(電磁加熱器)、磁力攪拌器、所有的氣閥、取樣閥、進水閥、排氣閥27和進水自動冷卻水電磁閥均連接控制儀，該控制儀上設(shè)有溫度壓力顯示模塊3、4、5 ；轉(zhuǎn)速顯示表盤6 ；溫度壓力轉(zhuǎn)速控制模塊開關(guān)7 ；加熱器開關(guān)8 ；攪拌驅(qū)動電機開關(guān)9 ；磁力攪拌器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器10，此為公知技術(shù)，不作詳細描述。本發(fā)明的裝置在實際操作時，包括以下主要步驟(1)清洗反應(yīng)釜釜體，待干燥后，按實驗設(shè)計加入水和巖石樣品，加環(huán)封，緊固反應(yīng)
^fe ( 打開CO2氣進氣閥，設(shè)置氣體質(zhì)量流量計，控制進氣速率和進氣量，吹掃釜體內(nèi)空氣；(3)關(guān)閉CO2氣進氣閥，打開水閥。設(shè)定極限溫度、壓力和目標溫度；(4)待釜內(nèi)溫度升至目標溫度時，打開CO2進氣閥，在反應(yīng)壓力較低(<70bar)、氣瓶壓力較高(> 70bar)時，直接由氣瓶進氣；在反應(yīng)壓力較高(> 70bar)、氣瓶壓力較低(< 70bar)時，由增壓泵壓入(X)2氣體。加壓后，關(guān)閉進氣閥門；(5)在反應(yīng)壓力降低時，通過氣瓶或增壓泵補充釜內(nèi)壓力，在反應(yīng)溫度和壓力下進行CO2-水-巖反應(yīng)。根據(jù)研究需要，打開取樣閥門，通過取樣管采集釜內(nèi)流體樣品；(6)反應(yīng)完成后，設(shè)定釜體冷卻溫度，待緩慢冷卻至室溫時，打開釜體排氣閥，緩慢排出釜內(nèi)剩余氣體；(7)取下環(huán)封，打開釜體，取出水巖樣品，送測分析。(8)進行空白實驗時，將步驟(2)、(3)中(X)2換為N2,在步驟中，由N2氣瓶直接供氣，加壓后關(guān)閉進氣閥門。在反應(yīng)溫度和壓力下進行CO2-水-巖反應(yīng)空白實驗。根據(jù)研究需要，打開取樣閥門，通過取樣管采集釜內(nèi)流體樣品。其余步驟同上。本發(fā)明是針對CO2地質(zhì)封存中水巖反應(yīng)的一種專門裝置，相對于其他批式實驗裝置來說有如下明顯優(yōu)點(1)本發(fā)明中的反應(yīng)釜的釜頭與釜體以可拆卸環(huán)封連接，釜頭接口處貼有柔性石墨密封墊片，密封性能好。(2)本發(fā)明中的反應(yīng)釜具有極限溫度和壓力設(shè)定功能，安全性好；(3)本發(fā)明中的反應(yīng)釜釜體上帶有取樣管，可在反應(yīng)過程中進行流體的取樣；(4)本發(fā)明中的進氣管線為兩路，一路接CO2氣體，另一路接N2，可進行空白實驗；(5)本發(fā)明中的加壓泵具有體積小、價格低、操作簡單的特點；(6)所述的反應(yīng)釜和加壓泵具有價格低廉、不易損壞、易于操作等優(yōu)點?？梢钥隙ǖ卣f，利用本發(fā)明的裝置開展CO2-水-巖反應(yīng)實驗成本是比較低的。(7)本發(fā)明中的大多數(shù)部件都具有易于維護的優(yōu)點。以下結(jié)合附圖鐸本發(fā)明作詳細描述。首先如圖1所示，用酒精和蒸餾水清洗反應(yīng)釜36，待干燥后，按實驗設(shè)計加入水和巖石樣品至反應(yīng)的釜體中。將釜體放入電磁加熱器37中，加環(huán)封32，并根據(jù)反應(yīng)壓力施加相應(yīng)的力矩緊固；關(guān)閉第二氣閥16、第五氣閥21，打開第六氣閥11、取樣閥12、第七氣閥14、第四氣閥M和第一排氣閥27 ；開啟氣體質(zhì)量流量計20，設(shè)定(X)2進氣速率和進氣量，打開CO2氣瓶1的第一進氣閥19，吹掃釜體和管路內(nèi)空氣；關(guān)閉第六氣閥氣閥11、取樣閥12、第七氣閥14、第四氣閥M、第一排氣閥27，關(guān)閉氣體質(zhì)量流量計20，結(jié)束吹掃。
打開進水閥四，開啟進水自動冷卻水電磁閥觀(自動控制冷卻水流速)，將冷卻環(huán)出水口 30放入排水槽；開啟溫度壓力轉(zhuǎn)速控制模塊開關(guān)7，通過溫度壓力控制模塊3設(shè)定反應(yīng)釜的釜體內(nèi)的極限溫度、壓力及目標溫度，則當前溫度、壓力通過溫度壓力傳感器34，分別顯示于溫度壓力顯示模塊4、5中。開啟攪拌驅(qū)動電機開關(guān)9，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器10調(diào)節(jié)磁力攪拌器35的轉(zhuǎn)速，則當前轉(zhuǎn)速顯示于轉(zhuǎn)速顯示表盤6中；開啟加熱器37的加熱器開關(guān)8，待釜內(nèi)溫度升至目標溫度時，打開第四氣閥M，在反應(yīng)壓力較低(<70bar)、氣瓶壓力較高(>70bar)時，直接由CO2氣瓶1進氣，加壓后，關(guān)閉第一氣閥19、第四氣閥Μ。在反應(yīng)壓力較高(> 70bar)、氣瓶壓力較低(< 70bar)時，關(guān)閉第一氣閥19、第二排氣閥23、第四氣閥對，打開第二氣閥16、第三氣閥25，由加壓泵17壓入CO2,加壓泵17與第三氣閥25間的管線壓力顯示于壓力計18，待釜體壓力計沈達到預期壓力時，停止加氣。加氣后，關(guān)閉第三氣閥25、第二氣閥16。打開第二排氣閥23，排除加壓泵17與第三氣閥25間的(X)2 ；當反應(yīng)過程中釜內(nèi)壓力降低時，打開第四氣閥對，及第一氣閥19或第二氣閥16，通過CO2氣瓶1或加壓泵17補充釜內(nèi)壓力，補充壓力后關(guān)閉第四氣閥M，及第一氣閥19或第二氣閥16。在反應(yīng)溫度和壓力下進行CO2-水-巖反應(yīng)；根據(jù)研究需要，打開取樣閥12，使釜內(nèi)流體樣品通過流體取樣管33進入緩沖罐13，待樣品冷卻后，打開第六氣閥11，排出CO2氣體。打開第七氣閥14，用取樣瓶15收集水樣；反應(yīng)結(jié)束后，通過溫度壓力控制模塊3設(shè)定反應(yīng)釜36內(nèi)的冷卻溫度，待緩慢冷卻至室溫時，打開第一排氣閥27，通過釜體排氣管31緩慢排出釜內(nèi)剩余氣體；取下環(huán)封32，取出水巖樣品；關(guān)閉溫度壓力轉(zhuǎn)速控制模塊3。進行空白實驗時，將步驟中CO2換為N2，加氣時由N2氣瓶2直接供氣，其余步驟同上。本發(fā)明的裝置中，反應(yīng)釜最高極限溫度為500°C，極限壓力；釜頭、釜體及內(nèi)部構(gòu)件材質(zhì)均為316不銹鋼，耐酸蝕。利用上述反應(yīng)釜裝置開展的儲層巖石與地層水、超臨界CO2之間的反應(yīng)，以20g館陶組地層水和館陶組砂巖巖芯為巖石樣口，模擬地層溫度為200°C，壓力為200bar時，CO2注入條件下，儲層CO2-水-巖相互作用。反應(yīng)溫度為200°C，壓力為200bar，時間為10天。SEM觀察發(fā)現(xiàn)斜長石、微斜長石、石英、云母表面發(fā)生了明顯的蝕變。XRD分析表明，微斜長石、斜長石、石英均發(fā)生溶解，微斜長石、斜長石含量減少，石英含量增加；粘土礦物中，高嶺石含量未變，伊利石和綠泥石含量減少，蒙脫石含量增加，粘土礦物總含量略有增加。
權(quán)利要求
1.ー種(X)2地質(zhì)封存中水巖反應(yīng)的批式實驗裝置，包括有一反應(yīng)釜，其釜頭與釜體以可拆卸的環(huán)封連接，釜體置于加熱器中，該釜體內(nèi)裝有水和石石存品；一 CO2氣瓶，通過第一氣閥連接至釜體內(nèi)；ー進水管，通過進水閥連接至釜體內(nèi)；一第一排氣閥，連接至釜體內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，釜體內(nèi)安裝有磁力攪拌器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，CO2氣瓶通過第二氣閥與加壓泵連接至釜體內(nèi)， 該加壓泵與釜體之間連接有第三氣閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，第一氣閥至釜體之間連接有CO2流量計和第四氣閥連接至釜體內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，第四氣閥連接(X)2流量計的一端通過第五氣閥連接至隊氣瓶。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，進水閥通過ー進水自動冷卻水電磁閥連接至釜體內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，釜體內(nèi)安裝有ー取樣管，該取樣管通過ー取樣閥連接緩沖罐的進樣端，該緩沖罐的出樣端連接ー取樣瓶。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5、6或7所述的裝置，其中，加熱器、磁力攪拌器、第一氣閥、 第二氣閥、第三氣閥、第四氣閥、第五氣閥、取樣閥、進水閥、第一排氣閥和進水自動冷卻水電磁閥均連接控制儀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，釜頭與釜體接ロ處設(shè)有柔性石墨密封墊片。
全文摘要
一種CO2地質(zhì)封存中水巖反應(yīng)的批式實驗裝置，包括有一反應(yīng)釜，其釜頭與釜體以可拆卸的環(huán)封連接，釜體置于加熱器中，該釜體內(nèi)裝有水和巖石樣品；一CO2氣瓶，通過第一氣閥連接至釜體內(nèi)；一進水管，通過進水閥連接至釜體內(nèi)；一第一排氣閥，連接至釜體內(nèi)。本發(fā)明可以滿足CO2-水-巖反應(yīng)的溫度、壓力要求，可使CO2-水-巖反應(yīng)實驗可以加入足夠量的水、巖、氣樣品、加氣過程中不帶入空氣、反應(yīng)過程中維持恒定壓力，且具有操作簡單和較為經(jīng)濟的特點。
文檔編號G01N31/00GK102565273SQ201110440668
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者龐忠和, 李義曼, 楊峰田, 段忠豐, 黃天明 申請人:中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所