多场耦合条件下二氧化碳煤层封存模拟试验方法与流程

本发明属于二氧化碳地质封存技术领域，具体地讲，特别涉及一种多场耦合条件下二氧化碳煤层封存模拟试验方法。

背景技术：

目前，尽管各国都在积极开发太阳能、核能、风能、水能、潮汐能、生物质能等新能源，但这些新能源所占比例较有限，以煤、石油、天然气为主的化石能源仍将在21世纪人类能源消费结构中占主体地位。这就意味着本世纪直接消耗化石燃料所产生的温室气体排放量将持续增加，如不采取措施加以遏制，由此引发的全球气候变暖、环境恶化状况将继续加剧。为避免全球气候变暖给人类和整个地球环境系统带来的灾难性后果，积极采取减缓全球气候变暖和地球环境恶化的措施迫在眉睫。

二氧化碳地质封存(CCS)，简称碳封存，是一项重要的节能减排措施，在全球清洁能源创新形势下，该技术的重要性日益凸显，成熟度逐渐提高。CCS技术是指将从大型燃煤电厂、煤化工企业等大型排放点源收集的二氧化碳集中注入到深部咸水层、枯竭的油气藏等地下储层中。二氧化碳地质封存实质上就是把二氧化碳这一主要的温室气体注入到地下深处具有适当封闭条件的地层中进行长期安全(千年至万年尺度)的封存和隔离。其目的是在一段时间内减少大气中二氧化碳排放量，减缓全球变暖与地球环境恶化，为开发新的可再生清洁能源利用技术提供充足的缓冲时间。

现有的二氧化碳地质封存主要有以下四中方式：咸水层封存、废弃油气田封存、不可开采的煤田封存、海洋封存。二氧化碳地质封存通常具备以下几个特征：①封存的规模大，工业上二氧化碳的单井注入量通常在百万吨量级上；②封存的时间跨度长，封存年限设计通常考虑数百年；③涉及到温度、渗流、力学和化学反应多场耦合问题(HTMC)。

大量的二氧化碳注入地层容易引起若干安全问题：气体泄露、地表隆起变形、降低盖层力学完整性和诱发地震等。而目前对于二氧化碳地质封存的研究多集中在咸水层方面，且以现场示范和数值模拟手段为主，存在以下不足：①对于二氧化碳煤层地质封存的研究较少；②现场示范花费极高，且一般示范期限只有几年，难以长期进行深入持续地研究；③数值模拟手段在一定程度上简化了现场地质条件，且基于一些假设的基础上开展，难以真实、全面地反应现场真实情况。良好的盖层是实现二氧化碳有效封存的必要条件，也是二氧化碳地质封存选址的关键指标之一。因此，有必要提出一种可在室内开展的二氧化碳煤层封存模拟试验方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种多场耦合条件下二氧化碳煤层封存模拟试验方法，用于模拟二氧化碳的煤层封存，为二氧化碳煤层封存的研究提供试验基础。

本发明的技术方案如下：一种多场耦合条件下二氧化碳煤层封存模拟试验方法，包括以下步骤，

步骤1、试验准备

1a)将煤样破碎筛分备用，准备相似材料备用，所述相似材料用于模拟煤层之间的岩层，对传感器进行编号备用；

1b)型煤成型，在试件箱内对煤样和相似材料进行成型，使试件箱内形成至少两个模拟煤层和间隔在模拟煤层之间的模拟岩层，并在试件箱内埋入注气管和传感器；

所述试件箱包括箱体和箱盖，在所述箱体沿长度方向的一端插装有第一水平压头，所述第一水平压头的内端固定有位于箱体内的竖向的第一压板，在所述箱体沿宽度方向的一侧插装有至少两个第二水平压头，所述第二水平压头沿箱体的长度方向均匀布置，在每一所述第二水平压头的内端均固定有竖向的第二压板，在所述箱盖上插装有与第二水平压头一一对应的竖向压头，在每一所述竖向压头的内端均固定有位于箱体内的水平的第三压板；

所述模拟煤层和模拟岩层均与第一压板平行布置，并且选定至少一个模拟煤层为注气煤层，在所述箱体内底设有与模拟煤层一一对应的透气板，在每一所述透气板下方设有气流通道，所述气流通道的一端通过透气板与对应的模拟煤层连通，气流通道的另一端贯穿箱体外壁并连接有管接头，在每一所述管接头上各自连接有进气管路；

所述注气管沿箱体长度方向布置，在注气管内设有与注气煤层一一对应的注气通道，所述注气通道的内端与对应的注气煤层连通，注气通道的外端各自通过注气管连接有二氧化碳气源；

1c)检查密封效果；

1d)连接传感器和电脑，将所有的进气管路均与真空泵连接；

步骤2、加载应力

开启应力加载及数据采集系统，通过各个压头施加试验设定的预应力；

步骤3、甲烷吸附

关闭注气管，启动真空泵进行抽真空排出空气杂质，抽真空完成后关闭真空泵和进气管路，将进气管路与各自的甲烷气瓶连接，打开甲烷气瓶和进气管路进行充气，按照试验设定的吸附平衡气压对各个模拟煤层进行充分吸附；

步骤4、注入二氧化碳

关闭进气甲烷气瓶和进气管路，打开注气管向注气煤层注入二氧化碳，直到注气煤层的气压达到试验设定值；

步骤5、地应力循环加卸载

先第一水平压头、第二水平压头和竖向压头同步从试验设定的低压力值逐渐加载到试验设定的高压力值，然后对第一水平压头、第二水平压头和竖向压头同步从试验设定的高压力值逐渐卸载到试验设定的低压力值，并按照试验设定循环多次，以模拟外界扰动造成的地应力变化，并实时监控各传感器的参数变化；

步骤6、同组其他试验

改变模拟煤层与模拟岩层的布置方式，或者选定其他模拟煤层为注气煤层，或者改变甲烷吸附的平衡气压，或者改变注入二氧化碳的气压值，或者改变地应力循环加卸载的低压力值与高压力值，重复进行试验。

本发明通过在试件箱内利用煤样和相似材料模拟煤层和岩层，并在箱体内设置与模拟煤层一一对应的透气板和气流通道，以便于对各个模拟煤层进行抽真空和甲烷吸附，然后通过注气管对选定的注气煤层进行二氧化碳注入封存，最后通过三相应力加载系统，对型煤进行应力循环加载，以模拟外界扰动造成的地应力循环变化，并监控各个传感器的参数变化，从而为研究二氧化碳煤层封存提供了试验基础。

在所述步骤1进行型煤成型时，对型煤沿竖直方向分四次铺设和加压成型，即先在箱体底部相应位置铺设煤样和相似材料，同时在煤样内埋入传感器，然后加压成型；接着进行第二次煤样和相似材料的铺设和加压成型，然后安装注气管；再进行第三次、第四次铺设和加压成型，并埋入相应位置的传感器。这样分四次对型煤进行压制成型，一方面使型煤的成型更加密实，另一方面便于传感器和注气管的布置。

步骤1中型煤成型在压制平台上进行，所述压制平台包括长条形的底座，在所述底座上通过四个支撑柱安装有左右两个反力座，所述支撑柱的下端与底座固定，所述反力座的前后两端各自固套在支撑柱上，并且在底座上还固定有竖向的支撑螺杆，在所述支撑螺杆上套装有支撑螺母，所述反力座活套在支撑螺杆上并通过支撑螺母支撑，在底座上安装有两根滑轨，所述滑轨位于两个反力座之间，所述试件箱的底部与滑轨配合；在每一反力座上均插装有至少两个夹紧杆，所述夹紧杆与反力座螺纹配合，夹紧杆的内端与试件箱侧壁抵紧，夹紧杆的外端固定有手轮。这样设置压制平台进行型煤成型，通过夹紧杆抵紧试件箱侧壁，有效地避免了成型过程中压力导致试件箱变形，一方面使试验数据更加准确可靠，另一方面有利于延长试件箱的使用寿命。并且反力座活套在支撑螺杆上并通过螺母支撑，便于通过螺母调节反力座的高度。

所述传感器包括气体压力传感器、声发射探头和二氧化碳浓度传感器，其中气体压力传感器在各个模拟煤层内分布有多个，所述声发射探头布置在与注气煤层接界的模拟岩层的顶部，并且声发射探头在对应的模拟岩层顶部均匀布置有多个，所述二氧化碳浓度传感器在各个模拟煤层内分布有多个。传感器的布置更加合理。

步骤5中，第一水平压头、第二水平压头和竖向压头的加卸载速率均为0.1MPa/h。

有益效果：本发明通过在试件箱内模拟煤层和岩层，并通过注气管对选定的注气煤层进行二氧化碳注入封存，然后通过三相应力加载系统，对型煤进行应力循环加载，从而提供了一种多场耦合条件下二氧化碳煤层封存模拟试验方法，为研究二氧化碳煤层封存提供了试验基础。

附图说明

图1为本发明的步骤示意图。

图2为试件箱和抽采管的结构示意图。

图3为图2中箱体的俯视图。

图4为图2去掉抽采管的A-A剖视图。

图5为抽采管的结构示意图。

图6为图5的I部放大图。

图7为图5的J部放大图。

图8为压制平台的结构示意图。

图9为图8的B-B剖视图。

图10为试验序号1的型煤结构示意图。

图11为试验序号2的型煤结构示意图。

图12为试验序号3的型煤结构示意图。

图13为试验序号4的型煤结构示意图。

图14为试验序号5的型煤结构示意图。

图中标记如下：外管1、隔板2、内管3、外接头4、第一挡板4a、压套5、第二挡板5a、内接头6、第三挡板6a、通孔6b、管接头7、箱体8、“O”形密封圈9、箱盖10、竖向压头11、第三压板12、第一压板13、第一水平压头14、透气板15、第二水平压头16、第二压板17、气流通道18、反力座19、夹紧杆20、手轮21、底座22、支撑柱23、支撑螺杆24、支撑螺母25、注气煤层26、模拟岩层27。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述的实施例示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述实施例是示例性的，旨在解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式作进一步的描述，使本发明的技术方案及其有益效果更加清楚、明确。

如图1至图9所示，本发明包括以下步骤，

步骤1、试验准备

1a)将煤样破碎筛分备用，准备相似材料备用，所述相似材料用于模拟煤层之间的岩层。对传感器进行编号备用，所述传感器的数量和种类根据试验方案而定，不做限定。本实施例中传感器包括气体压力传感器多个、声发射探头多个和二氧化碳浓度传感器多个。

1b)型煤成型，在试件箱内对煤样和相似材料进行成型，使试件箱内形成至少两个模拟煤层和间隔在模拟煤层之间的模拟岩层，并在试件箱内埋入注气管和传感器。

所述试件箱包括箱体8和箱盖10，在所述箱体8沿长度方向的一端插装有第一水平压头14，所述第一水平压头14的内端固定有位于箱体8内的竖向的第一压板13。在所述箱体8沿宽度方向的一侧插装有至少两个第二水平压头16，所述第二水平压头16沿箱体8的长度方向均匀布置，在每一所述第二水平压头16的内端均固定有竖向的第二压板17。在所述箱盖10上插装有与第二水平压头16一一对应的竖向压头11，在每一所述竖向压头11的内端均固定有位于箱体8内的水平的第三压板12。

所述模拟煤层和模拟岩层均与第一压板13平行布置，并且选定至少一个模拟煤层为注气煤层。所述模拟煤层和模拟岩层的数量、厚度、以及注气煤层的选定根据试验方案而定，在此不做限定。在所述箱体8内底设有与模拟煤层一一对应的透气板15，在每一所述透气板15下方设有气流通道18，所述气流通道18的一端通过透气板15与对应的模拟煤层连通，气流通道18的另一端贯穿箱体8外壁并连接有管接头7，在每一所述管接头7上各自连接有进气管路。

所述注气管沿箱体8长度方向布置，在注气管内设有与注气煤层一一对应的注气通道，所述注气通道的内端与对应的注气煤层连通，注气通道的外端各自通过注气管连接有二氧化碳气源。

1c)检查密封效果；

1d)连接传感器和电脑，将所有的进气管路均与真空泵连接。

步骤2、加载应力

开启应力加载及数据采集系统，通过各个压头施加试验设定的预应力。

步骤3、甲烷吸附

关闭注气管，启动真空泵进行抽真空排出空气杂质，抽真空完成后关闭真空泵和进气管路，将进气管路与各自的甲烷气瓶连接，打开甲烷气瓶和进气管路进行充气，按照试验设定的吸附平衡气压对各个模拟煤层进行充分吸附。

步骤4、注入二氧化碳

关闭进气甲烷气瓶和进气管路，打开注气管向注气煤层注入二氧化碳，直到注气煤层的气压达到试验设定的二氧化碳封存压力值。

步骤5、地应力循环加卸载

先对第一水平压头14、第二水平压头16和竖向压头11同步从试验设定的低压力值逐渐加载到试验设定的高压力值，然后对第一水平压头14、第二水平压头16和竖向压头11同步从试验设定的高压力值逐渐卸载到试验设定的低压力值，并按照试验设定循环加载和卸载多次，以模拟外界扰动造成的地应力变化，本实施例优选，加载和卸载的速率均为0.1MPa/h。

在循环加载的同时实时监控各传感器的参数变化。

步骤6、同组其他试验

改变模拟煤层与模拟岩层的布置方式，或者选定其他模拟煤层为注气煤层，或者改变甲烷吸附的平衡气压，或者改变注入二氧化碳的气压值，或者改变地应力循环加卸载的低压力值与高压力值，重复进行试验。

以下给出本实施例列举的几个试验方案：

为了使型煤成型更加密实，在所述步骤1进行型煤成型时，对型煤沿竖直方向分四次铺设和加压成型，即先在箱体8底部相应位置铺设煤样和相似材料，同时在煤样内埋入传感器，然后加压成型；接着进行第二次煤样和相似材料的铺设和加压成型，然后安装注气管；再进行第三次、第四次铺设和加压成型，并埋入相应位置的传感器。并且气体压力传感器在各个模拟煤层内分布有多个，所述声发射探头布置在与注气煤层接界的模拟岩层的顶部，并且声发射探头在对应的模拟岩层顶部均匀布置有多个。所述二氧化碳浓度传感器在各个模拟煤层内分布有多个。

如图8和图9所示，步骤1中型煤成型在压制平台上进行，所述压制平台包括长条形的底座22，在所述底座22上通过四个支撑柱23安装有左右两个反力座19，所述支撑柱23的下端与底座22固定，所述反力座19的前后两端各自固套在支撑柱23上，并且在底座22上还固定有竖向的支撑螺杆24，在所述支撑螺杆24上套装有支撑螺母25，所述反力座19活套在支撑螺杆24上并通过支撑螺母25支撑，在底座22上安装有两根滑轨，所述滑轨位于两个反力座19之间，所述试件箱的底部与滑轨配合；在每一反力座19上均插装有至少两个夹紧杆20，所述夹紧杆20与反力座19螺纹配合，夹紧杆20的内端与试件箱侧壁抵紧，夹紧杆20的外端固定有手轮21。

如图2和图3所示，本实施例优选所述第二水平压头16沿箱体8的长度方向均匀布置有四个，所述竖向压头11与第二水平压头16一一对应布置有四个。为了便于研究多煤层二氧化碳的封存，并提高试件箱的通用性，本实施例优选所述箱体8内底的透气板15标准配置有四个，该四个透气板15与竖向压头11一一对应布置。在实际使用中，可以根据试验方案将一部分透气板15更换为不透气的板体，或者关闭对应的进气管路即可。

如果注气煤层只选定有一层，那么注气管的结构可以借鉴现有的煤层气抽采管结构，也即内端开有过孔的管体结构。

如图2和图5所示，为了便于研究多煤层二氧化碳的封存，提高注气管的通用性，并与试件箱相匹配，本实施例优选所述注气管包括固定在箱体8上的外管1和插装在外管1内的内管3。在所述外管1上标准设置有与透气板15一一对应的四个注气区，在外管1的每一注气区上均开设有外注气孔。在所述外管1相邻的两个注气区之间设置有隔板2，所述隔板2将相邻的注气区密封隔断。所述内管3的数量与注气区的数量一一对应设置有四个，内管3的内端伸入对应注气区内，并且在内管3上开设有位于对应注气区内的内注气孔。在实际使用中，每一内管3的外端均连接有注气管，所述内管3的内腔即构成注气通道。

如图5和图6所示，所述外管1通过均呈管状的外接头4和压套5安装在箱体8上，所述外接头4螺纹套接在外管1的外端，并且外接头4的外端周向延展形成圆环状的第一挡板4a。所述压套5插接在外管1的外端，并且压套5的外端周向延展形成圆环状的第二挡板5a，所述第二挡板5a将第一挡板4a压紧固定在箱体8的对应端板上。在所述压套5内插接有内接头6，所述内接头6的外端周向延展形成圆环状的第三挡板6a，所述第三挡板6a固定在压套5的第二挡板5a上，在所述内接头6内开设有与内管3一一对应的轴向通孔6b，所述通孔6b的内端与对应的内管3对接，在每一所述通孔6b的外端均连接有管接头7。在所述第一挡板4a与箱体8的对应端板之间垫有密封圈，在所述第二挡板5a朝向第一挡板4a的一侧开有凹陷部，所述第一挡板4a位于该凹陷部内，在所述第一挡板4a与第二挡板5a之间垫有密封圈，在所述第二挡板5a与第三挡板6a之间也垫有密封圈。

如图5和图7所示，所述内管3由前端封闭的管体构成，并且管体外壁呈前细后粗的阶梯状，使管体的外壁形成与隔板2相对应的台阶面，所述台阶面挡在对应隔板2的后端，并且在每一隔板2供内管3穿设的过孔内嵌装有与内管3外壁密封配合的密封圈。所述外管1每一注气区上的外注气孔均周向均布有多个，所述内管3上的内注气孔所在区域正对所述外注气孔所在区域。