本發(fā)明屬于二氧化碳地質(zhì)封存的蓋層巖石密封性評(píng)價(jià)，具體涉及一種基于化學(xué)傳感器的低滲透巖石突破壓力的測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和全球氣候變暖，溫室氣體排放問(wèn)題日益嚴(yán)峻。二氧化碳作為主要的溫室氣體之一，其減排已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。而二氧化碳地質(zhì)封存作為一種有效的二氧化碳減排技術(shù)，現(xiàn)受到廣泛關(guān)注。

2、為預(yù)防二氧化碳地質(zhì)封存工程中的泄露問(wèn)題，對(duì)儲(chǔ)氣庫(kù)的蓋層(蓋巖)的封閉能力的評(píng)價(jià)變得極為重要。而評(píng)價(jià)蓋層封閉能力的關(guān)鍵指標(biāo)就是突破壓力，其是指非潤(rùn)濕相流體克服多孔介質(zhì)中潤(rùn)濕流體的毛管壓力形成連續(xù)流動(dòng)相所需要的最小壓力。目前常采用驅(qū)替法測(cè)量巖心的突破壓力，但現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)測(cè)定的突破壓力值會(huì)出現(xiàn)與實(shí)際值偏差較大的問(wèn)題。主要的原因是現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備極少有能精確監(jiān)測(cè)氣體是否突破巖石的設(shè)備，常通過(guò)氣體壓力曲線來(lái)定性判別氣體突破巖心的時(shí)刻。然而，氣驅(qū)替巖石內(nèi)部的液體是極為緩慢的過(guò)程，即使氣體已突破巖石，因液體排出量極少，使得壓力傳感器很難監(jiān)測(cè)到管道內(nèi)壓力變化，難以準(zhǔn)確判定氣體突破巖心的時(shí)刻，容易導(dǎo)致忽略已排出的液體而持續(xù)增加氣體進(jìn)入端壓力，造成測(cè)試結(jié)果誤差較大。

3、因此，為克服現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法及裝置在低滲透蓋層巖石的突破壓力及突破時(shí)刻領(lǐng)域上的監(jiān)測(cè)不足，有必要設(shè)計(jì)出一種高精度的測(cè)量巖心突破壓力及突破時(shí)刻的測(cè)試裝置。

4、中國(guó)專利cn115248177a公開(kāi)了一種基于光纖傳感的低滲透巖石突破壓力的測(cè)量方法及裝置，能同步測(cè)量低滲透泥巖、頁(yè)巖、膏巖和致密砂巖等低滲透巖石的突破壓力和滲透系數(shù)，并實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)非潤(rùn)濕相驅(qū)替潤(rùn)濕相引起巖石變形以及非潤(rùn)濕相溫度變化的技術(shù)效果。然而，在實(shí)踐過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該方案仍然存在以下缺點(diǎn)：難以檢測(cè)低濃度二氧化碳突破巖樣的時(shí)刻，存在突破壓力監(jiān)測(cè)靈敏度不足及延遲等問(wèn)題。故需進(jìn)一步做出改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種基于化學(xué)傳感器的低滲透巖石突破壓力的測(cè)量裝置及方法，該測(cè)試裝置將二氧化碳化學(xué)傳感器應(yīng)用于突破壓力測(cè)試，可精確檢測(cè)低濃度(<20ppm)二氧化碳突破巖樣的時(shí)刻，克服了低滲透蓋層測(cè)試中壓力監(jiān)測(cè)的靈敏度不足及延遲問(wèn)題，為突破壓力計(jì)算、突破位置和驅(qū)替流體的形態(tài)變化提供了高效的探測(cè)和追蹤系統(tǒng)。

2、本發(fā)明為解決上述提出的技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為：

3、一種基于化學(xué)傳感器的低滲透巖石突破壓力的測(cè)量裝置，包括二氧化碳注入模塊、巖心加載模塊和圍壓注入模塊；所述巖心加載模塊包括圍壓罩，所述圍壓罩內(nèi)部設(shè)有圍壓腔，所述圍壓腔一端連通上游孔壓介質(zhì)注入管路、另一端連通下游孔壓介質(zhì)流通管路，圍壓腔內(nèi)部放置有巖心試樣，圍壓腔中部連通圍壓介質(zhì)注入管路；所述上游孔壓介質(zhì)注入管路上設(shè)有上游孔壓壓力傳感器，所述下游孔壓介質(zhì)流通管路上設(shè)有下游孔壓壓力傳感器和二氧化碳化學(xué)傳感器，所述二氧化碳化學(xué)傳感器用于檢測(cè)二氧化碳突破巖心的時(shí)刻；所述二氧化碳注入模塊將二氧化碳由氣態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)或超臨界態(tài)，并通過(guò)所述上游孔壓介質(zhì)注入管路注入所述巖心加載模塊；所述圍壓注入模塊通過(guò)所述圍壓介質(zhì)注入管路向所述巖心加載模塊提供圍壓介質(zhì)，施加圍壓。

4、上述方案中，所述二氧化碳化學(xué)傳感器包括耐高壓隔熱外殼、加熱熱源、敏感電極、參比電極、含na+的nasicon電解質(zhì)和高精度電壓表，所述敏感電極和參比電極分別嵌置于所述na+的nasicon電解質(zhì)的兩端，所述下游孔壓介質(zhì)流通管路通入含na+的nasicon電解質(zhì)的敏感電極一端，敏感電極和參比電極之間通過(guò)所述高精度電壓表相連，所述加熱熱源用于加熱所述na+的nasicon電解質(zhì)，所述耐高壓隔熱外殼用于保護(hù)二氧化碳化學(xué)傳感器內(nèi)部的工件及線路不被破環(huán)且隔絕含na+的nasicon電解質(zhì)的高溫環(huán)境對(duì)巖心加載模塊內(nèi)其他部件的影響。

5、上述方案中，所述敏感電極采用li2co3電極或baco3電極；所述參比電極采用pt電極。

6、上述方案中，所述高精度電壓表的量程為0-800mv，精度等級(jí)為0.1級(jí)。

7、上述方案中，所述二氧化碳注入模塊包括二氧化碳?xì)馄俊⒍趸甲⑷氡?、水浴加溫箱和中間容器；所述二氧化碳?xì)馄颗c二氧化碳注入泵的入口相連，二氧化碳注入泵的出口與中間容器的入口相連，中間容器的出口與所述上游孔壓介質(zhì)注入管路相連；所述水浴加溫箱分別通過(guò)加溫介質(zhì)出口管和加溫介質(zhì)入口管與所述二氧化碳注入泵相連，水浴加溫箱內(nèi)的加溫介質(zhì)經(jīng)加溫介質(zhì)出口管進(jìn)入二氧化碳注入泵對(duì)二氧化碳進(jìn)行加熱，換熱后介質(zhì)經(jīng)加溫介質(zhì)出口管回到水浴加溫箱內(nèi)進(jìn)行循環(huán)加熱；通過(guò)調(diào)節(jié)水浴加溫箱的溫度和注入泵的壓力，實(shí)現(xiàn)將二氧化碳由氣態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)或超臨界態(tài)。

8、上述方案中，所述圍壓注入模塊包括外界圍壓介質(zhì)和圍壓注入泵，所述圍壓注入泵的入口與外界圍壓介質(zhì)相連，圍壓注入泵的出口與圍壓介質(zhì)注入管路相連，通過(guò)圍壓注入泵將外界圍壓介質(zhì)注入巖心加載模塊的圍壓腔中，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖心加載模塊施加圍壓。

9、上述方案中，所述下游孔壓介質(zhì)流通管路上還設(shè)有背壓閥和流量計(jì)。

10、上述方案中，所述圍壓介質(zhì)注入管路上設(shè)有圍壓壓力傳感器。

11、上述方案中，所述測(cè)量裝置還包括數(shù)據(jù)采集模塊，所述數(shù)據(jù)采集模塊包括與各傳感器信號(hào)相連的數(shù)據(jù)采集卡以及與所述數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)相連的電腦控制終端。

12、相應(yīng)的，本發(fā)明還提出一種基于化學(xué)傳感器的低滲透巖石突破壓力的測(cè)量方法，采用上述測(cè)量裝置，包括以下步驟：

13、將巖心試樣整體放入巖心加載模塊中，并通過(guò)抽真空器對(duì)測(cè)量裝置的上、下游抽真空；

14、將整個(gè)測(cè)量裝置放置于恒溫控制系統(tǒng)中，通過(guò)圍壓注入模塊向圍壓腔注入圍壓介質(zhì)，對(duì)巖心試樣加載圍壓應(yīng)力；然后關(guān)閉圍壓注入模塊，通過(guò)二氧化碳注入模塊向巖心加載模塊注入液態(tài)或超臨界態(tài)二氧化碳；

15、采用逐級(jí)加壓法或連續(xù)注入法對(duì)巖心試樣加載孔壓，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)記錄各壓力傳感器和二氧化碳化學(xué)傳感器的數(shù)據(jù)，直至二氧化碳突破巖心，二氧化碳化學(xué)傳感器輸出電壓有明顯增高時(shí)，此時(shí)刻便為二氧化碳的突破時(shí)刻，記錄此時(shí)測(cè)量裝置的上、下游壓力差值，即為被測(cè)巖心試樣的二氧化碳的突破壓力。

16、本發(fā)明的有益效果在于：

17、1、本發(fā)明創(chuàng)新性地將高精度二氧化碳化學(xué)傳感器應(yīng)用于突破壓力測(cè)試，二氧化碳化學(xué)傳感器以li2co3或baco3為敏感電極，pt為參比電極，含na+的nasicon固體為電解質(zhì)，通過(guò)加熱熱源將含na+的nasicon電解質(zhì)加熱至傳感器工作性能最佳溫度，當(dāng)液態(tài)或超臨界二氧化碳突破巖心后，其會(huì)跟隨管道的布置，進(jìn)入二氧化碳化學(xué)傳感器并直接與敏感電極li2co3或baco3暴露在外的部分接觸并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致平衡電勢(shì)發(fā)生破壞從而產(chǎn)生電信號(hào)的變化，通過(guò)高精度電壓表監(jiān)測(cè)電信號(hào)的變化從而確定二氧化碳的突破時(shí)刻，具備高精度、高靈敏度的特點(diǎn)，可以精確檢測(cè)低濃度(<20ppm)二氧化碳突破巖樣的時(shí)刻，從而高效地測(cè)量出巖心的突破壓力。

18、2、本發(fā)明的測(cè)量裝置由二氧化碳注入模塊、巖心加載模塊、圍壓注入模塊和數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，原理簡(jiǎn)單易懂，操作高效便利，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中會(huì)更加便利。

19、3、本發(fā)明適用于二氧化碳地質(zhì)封存、地下儲(chǔ)氣庫(kù)及空氣壓縮儲(chǔ)能等領(lǐng)域的低滲透蓋層巖石密閉性評(píng)價(jià)，具有適應(yīng)性強(qiáng)、靈敏度高、測(cè)量準(zhǔn)確、安全可靠等優(yōu)勢(shì)。