[發明專利]一種超臨界二氧化碳動態溶蝕巖石的加速試驗方法

有效

• 申請號: 202011520708.1
• 申請日: 2020-12-21
• 公開（公告）號: CN112730129B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發明（設計）人: 張霄;于昊;張慶松;安祺祎;劉衍順;孫玉學;張旭豪;尹占超
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G01N3/56
• 分類號: G01N3/56;G01N3/02;G01N17/00
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司 37219
• 代理人: 王楠

本發明涉及一種超臨界二氧化碳動態溶蝕巖石的加速試驗方法，屬于巖石力學試驗技術領域，利用二氧化碳高壓柱塞泵提供高壓條件(0～40MPa)，利用加熱系統提供高溫條件(0～400℃)，利用所提供的高溫條件進行加速試驗，利用攪拌裝置提供流體流動條件，通過在高溫高壓反應釜內模擬儲層環境，為進行巖石酸化試驗奠定試驗方法基礎，以揭示超臨界二氧化碳對巖石的長期動態溶蝕作用機理。本試驗采用加速試驗的方法，不僅達到了縮短試驗時間的效果，而且增強了試驗的可重復性，使試驗有足夠的重復觀察次數，避免了采用等長時間進行實驗而出現的偶然性。

技術領域

本發明涉及一種超臨界二氧化碳動態溶蝕巖石的加速試驗方法，屬于巖石力學試驗技術領域。

背景技術

化石能源作為中國能源消費結構的主體，在推動經濟快速發展的同時，也對自然環境造成了極大的破壞，直接導致我國經濟發展與環境保護矛盾的尖銳化，因此尋找能夠替代化石能源的可再生清潔能源成為社會經濟發展的重要任務。在眾多新型可再生能源中，地熱能分布廣泛，儲量巨大，且供能持續穩定，具有廣闊的開發前景和發展潛力。按照地熱能的成因和存儲條件不用，可分為水熱型地熱資源和干熱巖型地熱資源，其中干熱巖型地熱資源儲量極高，是國內外學者爭相研究的重點。干熱巖開采與利用需要通過EGS完成，傳統的EGS通過采用水力壓裂等人工激發技術，在熱儲巖體內產生新裂隙或者誘發原生裂隙的連通，形成裂隙網，而這一過程需要大量的水混著支撐劑和化學添加劑注入井內達到儲層改造效果，因此產生了諸多弊端：一是壓裂液的回流現象會對開采地區地下水造成污染，二是干熱巖儲層中黏土礦物含量普遍較高，黏土遇水易膨脹的特性會影響儲層的改造效果，嚴重時會造成坍塌等安全事故，三是水力壓裂對水資源的需求量極大，在水資源匱乏地區難以實現此種開采方式。針對水基壓裂液存在的諸多弊端，國內外學者研究發現，超臨界二氧化碳流體可有效避免黏土遇水膨脹問題，改善儲層滲流通道，同時，其低粘特性能使儲層產生諸多微裂隙，可最大限度地貫通天然裂隙，增強裂縫導流能力，提高采收率，因此超臨界二氧化碳作為新型壓裂液選項而受到重視。

利用超臨界二氧化碳作為壓裂液開采干熱巖，是利用干熱巖儲層內的高溫高壓環境，促使液態二氧化碳轉化為超臨界狀態。隨著二氧化碳被注入井中，會擠壓熱儲層中的地下水，使其向地層周圍擴散，鉆孔周圍儲層中的壓裂液為超臨界二氧化碳的單相液體，其外圍儲層是則超臨界二氧化碳-水-巖耦合反應區，該區域液體環境復雜，儲層中的巖體受到液體物理壓裂與化學溶蝕兩方面的共同作用，該區域也是當前研究重點集中區域。目前對于地熱儲層中化學溶蝕的研究主要借鑒石油天然氣工程領域的技術，為了研究地熱儲層中巖石的化學溶蝕，必須依據場地EGS熱儲層的地質特征，模擬其反應條件和反應環境。但油氣系統和地熱系統有著明顯的差別，油氣儲層埋深小，所處地溫不高，因此油氣試驗通常采用熱水加熱、蒸汽加熱、煙氣直接加熱等方式，以上三種方式加熱慢、最大加熱溫度難以達到干熱巖儲層環境的溫度條件；油氣系統測試巖樣多為巖石碎屑或顆粒，因此相關測試儀器容積較小，無法適用國際巖石力學協會推薦的力學測試樣品尺寸；同時溶蝕試驗通常采用靜態浸泡試驗，極少有流動酸液對巖石影響方面的研究。在模擬動態酸液時，通常使用攪拌反應釜，即采用在釜內設置攪拌裝置的方式來實現，攪拌裝置通常安裝在反應釜上蓋，這就導致攪拌桿與上蓋的連接處難以實現密封，需要借助兩塊可以相互吸引的磁力裝置，將攪拌桿連接一磁力裝置，并與上蓋一起實現密封；然后在外部使用另一磁力裝置與電機連接，保證兩塊磁鐵間的吸引力足夠大，便可在保證密封的前提下，實現由電機帶動磁力裝置進而帶動攪拌桿轉動，從而在釜內形成動態流體。但是當溫度高于200～250℃時，磁鐵會出現失磁現象，這就導致攪拌反應釜難以突破這一溫度屏障。而相關研究通常對巖石試塊采用等時間長度酸化的處理方法來研究長期儲層改造期間巖石的溶蝕損傷規律，這種方法試驗周期長，可重復性差，而巖石材料的力學強度、礦物成分等方面均存在較大的離散性，若不進行重復試驗、綜合考量其測試結果，會存在較大誤差，試驗結果并不具有說服力。因此，必須采用加速試驗的方法，才能縮短試驗周期、進行重復試驗。提高溫度作為實現加速試驗的主要途徑，不僅更易實現，而且500℃以內的溫度均不會對花崗巖產生熱破裂影響。但由于提高攪拌反應釜的溫度上限存在一定的技術困難，研究超臨界二氧化碳對巖石的動態溶蝕作用機制缺少必要的儀器設備及試驗方法，導致缺少必要的、充足的、可靠的試驗研究數據，相關理論不完善，對現場試驗不具有指導意義。