本发明属于地球科学co2地质封存及资源化利用，涉及到一种模拟气藏条件将二氧化碳注入气藏进行地质封存及驱替天然气，进而提高天然气采收率的实验装置及方法。
背景技术：
1、我国对天然气藏是围绕地层压力并进行开发，由于储层非均质性影响较大，气藏内的压降波及范围十分有限，这导致储层内部分天然气并未被波及到，从而影响最终的天然气产出。co2强化采气(enhanced gas recovery, egr)技术将co2注入开采后的气藏，增加气藏压力，提高地层弹性能量同时驱替天然气，实现常规开采后剩余天然气的产出，从而提高天然气采收率及对co2进行永久地质封存。荷兰在北海气田进行了世界上第一个场地尺度的co2-egr试验，该试验通过从产出的天然气中分离出co2并重新注入气藏，提高了天然气产量，这进一步证实co2-egr技术具有相当大的潜力。
2、在实际co2封存工程中，捕集的co2需要经过提纯处理，更高的co2纯度要求意味着更高的净化成本。在co2捕集封存利用的各个环节中，碳捕集的成本相较于碳运输和储存等其他环节更高。目前缺乏高效的co2-egr注入方案来降低碳减排成本并提高天然气采收率，这对co2-egr技术实现大规模商业化应用造成阻碍。由于天然气对co2和n2杂质接受程度和捕获成本的不同，根据对产出天然气中n2污染的接受程度较高而对于co2污染的接受程度更低，并且清除n2杂质以提高天然气纯度的成本比清除co2更低的情况，提出了co2强化采气分阶段注入方案。
技术实现思路
1、本发明提供了一种提高天然气采收率和co2封存效率的实验装置和优化注入方法，解决了co2地质封存与强化采气研究背景下的现有实验研究中co2注入方案能效低、成本高的问题。比于常规co2注入方案，本发明在驱替第一阶段采用不同组分浓度的co2-n2混合驱替流体持续注入提高对ch4的波及效率以获得额外的天然气，然后在第二阶段注入纯co2以达到提高天然气采收率和co2封存效率的目的，为优化co2地质封存及强化采气注入方案提供理论指导和帮助。
2、本发明提供的技术方案是：一种基于单泵控制的提高天然气采收率和co2封存效率的实验装置，该实验装置主要包括流体注入系统、围压控制系统、出口气体检测系统以及数据采集系统；
3、所述的流体注入系统注入包括ch4注入管路、co2-n2混合驱替流体注入管路以及纯co2流体注入管路；其中ch4注入管路主要包括ch4气瓶，ch4气瓶的出口端通过管线连通有ch4中间容器气体空间并且管线上设有高压阀门a，ch4中间容器气体空间右侧设有ch4中间容器纯水空间并且ch4中间容器气体空间与ch4中间容器纯水空间之间设有活塞，ch4中间容器气体空间通过管线与岩心夹持器连通并且管线上安装有高压阀门h，岩心夹持器内设置有岩心，ch4中间容器纯水空间通过管线连通有高精度柱塞泵出口端并且管线上安装有高压阀门b和高压阀门c，高精度柱塞泵入口端通过管线连通有纯水容器并且管线上安装有高压阀门d；co2-n2混合驱替流体注入管路主要包括co2-n2二元混合气瓶，co2-n2二元混合气瓶的出口端通过管线连通有混合气中间容器气体空间并且管线上安装有高压阀门i，混合气中间容器气体空间的右侧设有混合气中间容器纯水空间，并且混合气中间容器气体空间与混合气中间容器纯水空间之间设有活塞，混合气中间容器气体空间通过管线与岩心夹持器连通并且管线上安装有高压阀门j，混合气中间容器纯水空间通过管线连通有高精度柱塞泵并且管线上安装有高压阀门e；纯co2流体注入管路主要包括纯co2气瓶，纯co2气瓶的出口端通过管线连通有co2中间容器气体空间并且管线上安装有高压阀门f，co2中间容器气体空间右侧设有co2中间容器纯水空间，并且 co2中间容器气体空间与co2中间容器纯水空间之间设有活塞，co2中间容器气体空间通过管线与岩心夹持器连通并且管线上安装有高压阀门k，岩心夹持器通过管线连通有真空泵并且管线上安装有高压阀门l，co2中间容器纯水空间通过管线连通有高精度柱塞泵并且管线上安装有高压阀门g；
4、所述的围压控制系统包括围压泵，围压泵入口端通过管线连通有纯水容器并且管线是安装有高压阀门m，围压泵的出口端通过管线与岩心夹持器连通并且管线上安装有高压阀门n；
5、所述的出口气体检测系统包括：岩心夹持器出口端的管线上依次安装有背压调节器、气体流量计、气相色谱仪、气体收集容器；
6、所述的数据采集系统包括计算机，计算机通过数据采集模块分别与温度传感器、差压变送器、压力变送器a、压力变送器b、压力变送器c相连。
7、利用所述的基于单泵控制的提高天然气采收率和co2封存效率的实验装置的注入方法包括以下步骤：
8、(1) 对石英砂进行预处理：驱替进行之前先将石英砂用去离子水清洗，之后将清洗过后的石英砂放入烘箱中，保持100 ℃的条件干燥24 h，取出后自然冷却降温；
9、(2) 岩心制备：填砂岩心的制备是将清洁干燥后的石英砂置入填砂岩心管中，填充过程需保证均匀且充实；真实岩心在放入岩心夹持器之前需要包裹上一层铝箔纸；
10、(3) 对驱替系统进行清洗并检漏：将填砂岩心或真实岩心连入驱替系统后，首先用n2反复吹扫实验系统各个管路部分3~6次，清洗完成后对实验系统进行检漏操作，该过程中持续对实验系统注入n2，并逐渐加压，在达到最大实验压力后，保持一段时间并观察实验系统压力变化，当发现实验系统压力下降速率小于0.0001 mpa/min就可以判定实验系统气密性良好；
11、(4) 对实验系统进行初次抽真空处理：实验气体在注入实验系统之前，将真空泵连入实验系统持续抽真空0.5 h以上；
12、(5) 在实验温度和压力下，将ch4注入岩心系统并到达饱和状态；待岩心系统压力稳定后，利用背压调节器进行泄压直至大气压力，在泄压过程中用气体流量计实时记录释放的ch4体积，然后再次进行抽真空处理；
13、(6) 实验气体注入：首先对背压调节器进行设置，调至实验压力，根据实验气体的不同，分别将气体注入到各自的中间容器中，设置恒温水浴温度达到实验温度并稳定后，调节柱塞泵使各容器内气体压力缓慢上升至实验压力，对于真实岩心，在达到设定压力过程中，需要保证岩心夹持器的围压始终高于真实岩心内部气体压力3 mpa；
14、(7) 进行驱替：选定在第一阶段驱替期间注入的流体以及注入持续时间，待驱替流体系统的压力与岩心内部气体压力稳定之后，打开驱替流体系统相关阀门，以实验设定流速注入到岩心中并对其内部ch4进行驱替，记录驱替开始的时间以及柱塞泵缸体中水的体积；
15、打开气体流量计，实时记录流经气体的体积，利用电脑数据采集系统记录实验系统压力和压差变化，利用气相色谱仪每隔0.25 min检测一次出口气体的成分和浓度，根据记录的实验数据获得驱替过程岩心两端压差曲线和岩心出口流体浓度突破曲线变化；当检测到回收的ch4中驱替流体co2浓度超过2%，或者n2浓度超过10%时，第一阶段驱替完成后进行第二阶段co2的注入，产出气体的检测以及记录要求和第一阶段保持一致；本驱替过程中气相色谱仪检测之后排出的气体用一个100 l的气体采样袋进行收集；待实验结束后，利用针管采样器对气体采样袋里面的气体进行采样并对其中的co2进行浓度分析；整个驱替过程中，注入co2以及产出co2的量会被全程记录用于后续co2封存效率的计算；
16、(8)当被检测气体中ch4含量低到可以忽略时（小于2%），结束实验并记录实验结束时间及柱塞泵缸体中水的体积。
17、本发明的有益效果为：
18、1. 本发明提供的实验装置，能够连续监测分阶段驱替过程中压差、压力随时间的动态变化，实时获得实验系统出口处气体成分和浓度的动态变化数据，以及气体的瞬时流量和累积流量。通过获得岩心进出口压差和岩心出口处流体浓度曲线变化规律，获得岩心两端压差和岩心内部流体混合程度的变化关系，为co2地质封存及强化采气过程监测天然气生产井污染情况提供判断依据。
19、2. 本发明提供的优化注入方法与传统co2注入方案相比，在驱替第一阶段采用不同的驱替流体如n2、烟道气(85% n2+ 15% co2)及其他比例的co2- n2二元混合气体，这些气体可以通过对发电厂的排气进行简单处理后获得，成本相比于纯co2大大降低。此外，第一阶段驱替流体的注入，可以将岩心内更多的ch4从孔隙中驱替出来，然后在第二阶段注入co2，将第一阶段波及到的ch4开采出来，从而有更多孔隙空间封存co2，达到提高天然气采收率和co2封存效率的目的。本发明提供的优化注入方法弥补了co2-egr技术在工程应用上面临效率低、成本高等缺点，对co2-egr的技术突破以及商业化利用具有重要指导意义。
1.一种基于单泵控制的提高天然气采收率和二氧化碳封存效率的实验装置，该实验装置主要包括流体注入系统、围压控制系统、出口气体检测系统以及数据采集系统；
2.利用权利要求1所述的基于单泵控制的提高天然气采收率和二氧化碳封存效率的实验装置的注入方法，其特征在于：包括以下步骤：
