弥散的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于天然气资源开发及CO2减排技术领域，具体涉及到一种利用CT技术检 测多孔介质中CO2弥散的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 天然气（主要成分为CH4)是一种清洁、高效、环保的优质能源，有利于减少污染物 排放。基于环境保护和社会发展需求，我国对于天然气的需求量呈逐年增加态势。与此同 时，由于煤和石油等化石燃料的大量使用，大气中主要温室气体〇)2的浓度不断增加，引发 全球气候变暖。因此提高清洁能源供给和减少CO2排放成为人们关心的问题。
[0003] CO2强化天然气开采技术，指的是注入CO2到即将枯竭的天然气藏底部，将因自然 衰竭而无法开采的残存天然气驱替出来，从而提高采收率，同时将CO2封存于气藏地质结构 中实现CO2减排的过程。该技术对提高天然气供给及CO2减排具有重要意义。目前国内外 有一些学者开展了这方面的研宄，且国外已有成功的示范性项目，通过研宄及示范性项目 运行过程发现：将〇)2注入天然气藏时CO 2与天然气之间存在明显的弥散过程，且弥散程度 对最终天然气的采收率及生产的天然气纯净度有重要影响。因此〇)2-〇14弥散过程的研宄 对〇)2强化天然气开采技术来说至关重要。
[0004] 目前针对〇)2强化天然气开采技术中CO 2-〇14弥散过程的研宄比较少，且已有研宄 主要为对〇)2-〇14弥散系数的测量，而且CO 2-ch4弥散系数测量的传统研宄主要停留在对实 验系统出口处的产气进行气体分析测量，进而通过对流弥散理论求解弥散系数并分析弥散 过程，该传统实验方法在计算弥散系数时，无法有效地评估管路效应及进出口效应对多孔 介质中弥散系数测量的影响，所得的弥散系数普遍存在较大偏差。此外，关于弥散过程的 可视化研宄更是稀缺，虽然有研宄人员开展过〇)2-〇14弥散过程的可视化研宄，但其主要呈 现了岩心内部宏观的密度分布，既未能给出多孔介质内部的微观孔隙结构，又无法获得多 孔介质内〇)2-〇14弥散系数，其弥散系数也是按照传统方法获取了包含管路效应及进出口 效应的整体弥散系数。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是，旨在克服现有技术存在的问题，提供一种利用CT技术检测多孔 介质中CO2弥散的装置及方法，在获得多孔介质内部微观孔隙结构基础上，实时测量并分析 多孔介质内部〇)2浓度变化，基于对流弥散理论，直接获取多孔介质中CO 2-〇14弥散系数，并 通过与传统实验方法获取包含管路效应及进出口效应的整体弥散系数对比，评估管路效应 及进出口效应对多孔介质内弥散系数测量的影响；此外，通过CT技术对多孔介质微观孔隙 结构内弥散过程进一步可视化描述，从而更准确地揭示多孔介质内〇)2-〇14弥散过程规律。
[0006] 本发明的技术方案是：一种利用CT技术检测多孔介质中CO2弥散的装置，它包括 CT系统、流体注入系统、气体成分分析系统和数据采集及处理系统。所述的CT系统在显微 CT仪中设有聚醚醚酮（PEEK)材质的耐高压填砂岩心管，填砂岩心管外包裹有石墨加热带， 石墨加热带通过导线连接至电控温调节器；填砂岩心管的入口连接流体注入系统，填砂岩 心管出口分两路：一路经背压调节器连接气体成分分析系统中的气相色谱仪，另一路经第 五针阀与真空泵连接；所述的流体注入系统包括〇14注入泵和CO 2注入泵，CH 4注入泵和CO 2注入泵具有控温套筒层，CH4注入泵的控温套筒层接口、CO 2注入泵的控温套筒层接口与恒 温水浴依次串联连接，构成循环闭环；所述的CH4注入泵入口经第一针阀连接CH4气瓶，其出 口经第二针阀与填砂岩心管入口连接；所述的CO2注入泵入口经第四针阀连接CO2气瓶，其 出口经第三针阀与填砂岩心管入口连接；所述系统管路采用耐高压不锈钢管，且用电控温 加热带包裹；所述CT系统和气体成分分析系统与数据采集及处理系统采用电连接。
[0007] 此外，上述的014注入泵的出口、0)2注入泵的出口及填砂岩心管的入口还各自接 有一个压力变送器，组成压力监测系统，监测实验系统压力；所述填砂岩心管入口还接有热 电偶，与上述的恒温水浴、电控温调节器及管路外包裹的电控温加热带共同组成温度控制 及监测系统，负责对实验系统控温并实时监测。
[0008] 所述的一种利用CT技术检测多孔介质中CO2弥散的方法包括以下步骤：
[0009] (1)检测前，首先用显微CT仪扫描填砂岩心管内纯空气，再扫描填砂岩心管内纯 水，扫描得到的数据作为确定多孔介质孔隙度分布的CT数据；
[0010] (2)将填砂岩心管及石英砂烘干，向填砂岩心管中装填石英砂制备填砂岩心，置于 显微CT仪内扫描，获取填砂岩心孔隙结构；
[0011] (3)连接系统管路，检漏并试压，随后抽真空；
[0012] (4)调节温度控制及监测系统，控制温度，回填014注入泵及CO 2注入泵至满，并调 节至所需压力；
[0013] (5)设定背压调节器，关闭真空泵，用CH4注入泵向填砂岩心管内注入CH 4至所需 压力，控温至温度压力稳定；
[0014] (6)在上述温度压力条件下，用CO2注入泵向填砂岩心管内定流速注入CO 2，开始 检测；固定时间间隔进行CT扫描，通过显微CT仪得到不同时刻的〇)2-〇14弥散过程中流体 在多孔介质中的密度分布，利用背压调节器控制背压，打开气体成分分析系统，连续在线地 分析测量出口气体成分及浓度，利用压力监测系统与温度控制及监测系统实时记录压力和 温度；当监测到出口气体全部为CO2时结束检测；排空残余废气，取出填砂岩心管水饱和 多孔介质后，再放入显微CT仪中扫描，此次扫描图像作为确定多孔介质孔隙度分布的CT数 据；整个过程中获取的数据将由数据采集及处理系统处理；
[0015] (7)检测数据处理，基于所测CT数据，采用饱和差值法计算得到多孔介质中孔隙 度分布，并获取多孔介质微观孔隙结构；根据显微CT仪实时测量的〇)2-〇14弥散过程中流体 在多孔介质中的密度分布，结合CO2-CH4混合体系状态方程，得到多孔介质中CO 2浓度分布， 可视化的描述CO2-CH4弥散过程；再根据对流弥散理论，对多孔介质中CO 2浓度变化进行处 理，运用有限差分法数值求解，获取多孔介质中弥散系数；基于对流弥散理论，对出口气体 〇)2浓度变化曲线进行处理，获取包含管路效应及进出口效应影响的整体弥散系数，与多孔 介质中弥散系数对比，评估管路效应及进出口效应对多孔介质内弥散系数测量的影响。
[0016] 上述技术方案利用CT技术检测多孔介质内0)2-014弥散过程，以实现对于多孔介 质中CO2-CH4弥散过程的微观可视化及量化分析，描述多孔介质内部的微观孔隙结构及分 布，反映孔隙结构分布对弥散过程的影响。CT技术作为一种无损检测技术，通过X射线穿 透多孔介质后的衰减程度反映密度分布，且显微CT仪较一般CT仪分辨率更高，达到微米级 另IJ，能够准确地描述多孔介质内部微观孔隙结构，以有效地建立可视化数字岩心模型。同 时，根据CO2-CH4混合物状态方程的CO 2浓度与混合物密度之间的关系，显微CT仪获取的弥 散过程中多孔介质内的密度分布定量地转化为〇)2浓度分布，进而根据对流弥散理论，运用 有限差分法数值求解，获取多孔介质中的弥散系数。此外，根据出口气体的CO2浓度变化， 也可以用传统方法获取包含管路效应及进出口效应影响的整体弥散系数，对比获得的两个 弥散系数，可以评估管路效应及进出口效应对弥散系数测量的影响。
[0017] 本发明的效果和益处是：通过显微CT仪无损地测量多孔介质微观孔隙结构分布， 并实时地测量CO2-CH4弥散过程中流体在多孔介质中的密度变化，可视化地描述了多孔介 质中的弥散过程；同时结合〇)2-〇14混合物状态方程，定量化地描述多孔介质内组分浓度变 化，基于对流弥散理论，运用有限差分法直接获取多孔介质内的弥散系数，弥补了传统实验 方法的不足，有效地避免了分析多孔介质内弥散时管路效应及进出口效应对弥散系数测量 的影响，更准确地揭示多孔介质中〇)2-〇14弥散过程规律；并通过与传统实验方法的比较， 评估了管路效应及进出口效应对多孔介质中弥散系数测量的影响程度。
【附图说明】
[0018] 图1是一种利用CT技术检测多孔介质中CO2弥散的装置示意图。
[0019] 图2是一维对流弥散方程网格划分示意图。
[0020] 图中！IaCH4气瓶；IbCO2气瓶；2a第一针阀；2b第二针阀；2c第三针阀；2d第四针 阀；2e第五针阀；3aCH4注入泵；3bCOJ±入泵；4a第一压力变送器；4b第二压力变送器；4c 第三压力变送器；5热电偶；6恒温水浴；7显微CT仪；8填砂岩心管；9真空泵；10背压调节 器；11气相色谱仪；12电控温调节器；13石墨加热带；14数据采集及处理系统。
【具体实施方式】
[0021] 以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的【具体实施方式】。
[0022] 图1表示一种利用CT技术检测多孔介质中CO2弥散的装置，主要包括一个CT系 统、流体注入系统、气体成分分析系统和数据采集及处理系统。所述CT系统在显微CT仪7 中设有聚醚醚酮（PEEK)材质的填砂岩心管8,填砂岩心管8外由石墨加热带13包裹，石墨 加热带13通过导线连接至电控温调节器12 ;填砂岩心管8的入口连接所述流体注入系 统，填砂岩心管8出口分两路：一路经背压调节器10连接所述气体成分分析系统中的气相 色谱仪11，另一路经第五针阀2e与真空泵9连接；所述流体注入系统包括一个CH4注入泵 3a和一个CO2注入泵3b，所述CH 4注入泵3a和CO 2注入泵3b都具有控温套筒层，CH 4注入 泵3a的控温套筒层接口、CO2注入泵3b的控温套筒层接口与恒温水浴6依次串联连接，构 成循环闭环；CH4注入泵3a入口经第一针阀2a连接至CH4气瓶la，出口经第二针阀2b与填 砂岩心管8入口连接；所述CO2注入泵3b入口经第四针阀2d连接至CO 2气瓶Ib，出口经第 三针阀2c与填砂岩心管8入口连接；所述实验系统管路采用耐高压不锈钢管，且用电控温 加热带包裹；显微CT仪7和气相色谱仪11与数据采集及处理系统14采用电连接。
[0023] 上述的CH4注入泵3a的出口处还接有第一压力变送器4a，CO 2注入泵3b的出口处 还接有第二压力变送器4b，填砂岩心管8的入口还接有第三压力变送器4c，上述的三个压 力变送器4a、4b和4c共同组成压力监测系统，监测实验系统压力；所述