CN107680087B - 一种应用ct测量多孔介质内co2在盐水中的溶解速率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于多孔介质内多相流体流动测量技术领域，公开了一种应用CT测量多孔介质内CO₂在盐水中的溶解速率的方法。其应用CT获得连续变化的反应釜内图像，并提取盐水所对应的图像区域并测量得到盐水的体积含有率差值与灰度值差值，进而计算获得不同注入条件下多孔介质内不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率沿注入方向上的分布与平均值，提升了溶解速率的实际应用价值与预测精度，并消除了方法相关的系统误差的潜在来源。通过对不同注入条件下的CO₂在盐水中的溶解过程的持续拍摄，探究了不同因素对于CO₂在盐水中的溶解速率的各种影响，完善了溶解和渗流理论体系。

Description

一种应用CT测量多孔介质内CO2在盐水中的溶解速率的方法

技术领域

本发明属于多孔介质内多相流体流动测量技术领域，涉及一种应用CT测量多孔介质内CO₂在盐水中的溶解速率的方法。

背景技术

作为一种新型绿色技术，二氧化碳封存技术可以显著减缓工业排放所带来的温室气体效应，因而近年来对其开展了广泛研究。由于储层岩石结构中存在大量未饱和CO₂的盐水，将CO₂注入地质储层后CO₂将逐渐溶解在未饱和盐水中，最终形成饱和CO₂盐水并与储层岩石发生反应。溶解捕获机制将游离态CO₂转化为地层流体，防止CO₂经由盖层裂隙等缺陷而泄露，可在十年时间尺度以上实现稳定安全的CO₂封存。

CO₂羽在储层中运移将导致大量CO₂气泡被多孔岩石结构所束缚，并随着盐水的吸渗过程缓慢溶解，其在盐水中的溶解速率受到多方面因素影响。CO₂与盐水间的溶解过程主要发生于两相界面处，随着溶解过程进行形成浓度梯度层。当主导机制为分子扩散时，较小的浓度梯度将缩减溶解现象所发生的空间分布范围，导致溶解速率衰减。实际储层中，包括对流、弥散与吸附等CO₂-盐水的指进式运移将极大地增加CO₂、饱和盐水与未饱和盐水的接触面积，进而提高CO₂在盐水中的溶解速率。然而实际储层岩石的渗透率与孔隙度存在非均质性，溶解速率将取决于CO₂与盐水在非均质多孔介质中的流动路径与接触面积，随着孔隙结构的变化而变化。由于储层内的复杂流动机制对溶解速率具有直接影响，该过程在CCS项目中起着至关重要的作用，测定多孔介质内CO₂在盐水中的溶解速率将增加对于CO₂地质封存的安全性评估的准确性。同时溶解速率是孔隙度、注入流速、初始饱和度和持续时间的函数，因此对多孔介质内CO₂在盐水中的溶解速率进行测量和统计，得到多孔介质内的溶解速率分布与平均值，将提升溶解速率这一物理量在地质封存场景中的实际应用价值，增进对于溶解及渗流机制的理解。

对于气体在水中的溶解速率测量，现有的技术手段包括鼓泡法、超声波法、上升气泡法、压力衰减法、气液分离法、二维摄像法等，通过直接或者间接手段缩小测量误差。

鼓泡法将气泡固定在微量吸液管或毛细管顶端，对未饱和水中的单个气泡的溶解过程进行可视化实验观察，并通过图像处理获得气泡半径随时间的变化规律。超声波法则使用类似装置，通过声波衰减速率测量单个气泡在未饱和水中的溶解速率。上升气泡法利用摄像机拍摄水中气泡上升至不同高度时的图像，通过气泡的体积变化测量其在水中上升时的溶解速率。上述检测手段受限于测量手段，可在实验反应釜中不含多孔介质的条件下测量气体在水中的溶解速率。压力衰减法向预先饱和水的多孔介质中注入定量气体，利用压力表来测量气体在水中溶解所造成的反应釜压力降低，通过压力衰减曲线计算得到气体溶解速率。气液分离法则通过在反应釜出口设置气液分离器，并设置气体流量计来测定从水中脱溶的气体流量，进而得到气体的溶解速率。由于采用间接手段进行气体溶解量的测定，这两种方法仅能粗略测量反应釜内气体的溶解速率。由于多孔介质具有结构非均质性，其气体与水在多孔介质内的指进式运移将影响溶解速率的真实值测量。二维摄像法通过摄像机拍摄并记录单个或多个气泡在多孔介质内的溶解过程，其所获得的图像只是靠近壁面处的溶解速率分布情况。当其应用于多孔介质内的溶解速率测量时，由于多孔介质与壁面间的孔隙将大于其内部孔隙，会导致较为严重的壁面效应进而影响对溶解速率的有效测定。

考虑到CO₂-盐水在实际地层环境中的特性，其溶解过程将受到非均质性、温度压力、流速与重力等因素的影响，上述技术手段对于多孔介质内CO₂在盐水中的溶解速率测定均有一定的不足。

随着多孔介质内CO₂气泡于盐水中持续溶解，两相间的非稳态溶解将导致两相间接触面积逐渐变化。少量相界面随着CO₂气泡的重新运移和融合而增大，同时大部分相界面将随着CO₂气泡溶解于盐水中而缩小。当两相达到相平衡态时，部分相界面将会随着CO₂气泡彻底溶解于盐水中而消失，从而降低该区域溶解速率平均值。在实际地层环境中，非均质性会极大地影响盐水的流态发展与CO₂-盐水间的非稳态溶解，溶解速率将随着孔隙结构的变化而产生差异，因此在溶解速率测量时必须总结非均质性对于CO₂-盐水间溶解过程的影响。考虑到重力效应，当盐水流动方向不同时CO₂与盐水的较大密度差将使得盐水的流动路径发生变化，且在不同的盐水流速下流动路径将受到毛细管力、粘性力和重力等作用力的不同程度的影响，进而影响流动路径周围的CO₂-盐水接触面积，使得溶解速率沿流动方向呈现一定的规律性。对多孔介质内CO₂在盐水中的溶解速率测定，需要测量和统计得到不同注入条件下多孔介质内不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率沿注入方向上的分布与平均值，才能真实可信地表征CO₂-盐水的溶解和渗流特性。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术中存在的问题，开发一种应用CT测量多孔介质内CO₂在盐水中的溶解速率的方法，用于动态测量多孔介质内CO₂在盐水中的溶解速率分布与平均值。其应用CT获得连续变化的反应釜内图像，并提取盐水所对应的图像区域并测量得到盐水的体积含有率差值与灰度值差值，进而计算获得不同注入条件下多孔介质内不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率沿注入方向上的分布与平均值，提升了溶解速率的实际应用价值与预测精度，并消除了方法相关的系统误差的潜在来源。通过对不同注入条件下的CO₂在盐水中的溶解过程的持续拍摄，探究了不同因素对于CO₂在盐水中的溶解速率的各种影响，完善了溶解和渗流理论体系。

本发明的技术方案是：

该方法首先用CT连续扫描获得不同注入条件下非稳态的反应釜内图像，并获得多孔介质内的盐水图像区域。通过测量得到盐水的体积含有率差值与灰度值差值，获得不同注入条件下多孔介质内不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率沿注入方向上的分布与平均值。

具体步骤如下：

第一步，用CT连续扫描获得不同注入条件下非稳态的反应釜内图像；

以不同注入条件向已填充CO₂与多孔介质的反应釜内注入盐水，同时利用CT 连续扫描，获得不同注入条件下非稳态的反应釜内图像片层堆栈，直至达到稳态时停止扫描，其中，不同注入条件为不同注入速度与不同注入方向，反应釜内图像片层堆栈中分为CO₂区域，盐水区域，多孔介质区域；

第二步，获得多孔介质内的盐水图像区域；

根据第一步所得的图像片层堆栈，采用滤波器去除图像噪点，并通过阈值分割方法提取多孔介质内的盐水区域；

第三步，测量得到盐水的体积含有率差值与灰度值差值，获得不同注入条件下多孔介质内不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率沿注入方向上的分布与平均值；

根据第二步所得的图像片层堆栈，测量盐水的体积含有率差值与灰度值差值，并计算获得不同注入条件下多孔介质内不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率沿注入方向上的分布，并统计得到不同注入条件下多孔介质内不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率平均值。

进一步地，CO₂在盐水中的溶解速率的计算方法为：

上式中χs为CO₂在盐水中的溶解速率，Δθ为盐水的体积含有率差值，Δx为测量位置到反应釜入口处的距离，为盐水的灰度值差值，U为盐水的注入速度，Δt 为盐水的注入时间差值。

本发明的有益效果是：

上述技术方案利用X射线CT对CO₂在孔隙中的溶解速率直接进行测量，真实可信地获得地质封存场景中的溶解速率值的变化，提升溶解速率的实际应用价值。通过分析多孔介质内的局部非均质性与溶解速率沿盐水注入方向上分布的关系，总结了各类非均质结构对于CO₂在盐水中的溶解速率的促进或者抑制作用。同时由 CO₂在孔隙中的溶解速率计算得到溶解速率平均值，其与真实地层条件中的非均质结构特性形成一一对应关系，提升了CO₂在盐水中的溶解过程的预测精度。通过对 CO₂在盐水中的溶解速率随着盐水的注入而逐渐变化这一过程进行动态测量，量化了CO₂在盐水中的动态溶解规律特性。盐水密度将随着CO₂的溶解而非线性增大，其与高精度CT图像中盐水区域的灰度值呈正比例关系，因此由灰度值差值计算得到的溶解速率可以消除系统误差的潜在来源。在不同流速和重力条件下多孔介质内的盐水具有不同流态，本方法揭示了流动机制和重力效应对于多孔介质内CO₂在盐水中的溶解速率的不同程度影响，完善了传质和渗流理论体系。

附图说明

图1是应用CT测量多孔介质内CO₂在盐水中的溶解速率的方法流程图。

图2(a)是40℃、8MPa时盐水以0.02ml/min速度向上注入过程反应釜内部的某一片层图像示意图。

图2(b)是40℃、8MPa时盐水以0.01ml/min速度向下注入过程反应釜内部的某一片层图像示意图。

图3(a)是40℃、8MPa时盐水以0.02ml/min速度向上注入过程多孔介质内部的某一片层盐水图像区域示意图。

图3(b)是40℃、8MPa时盐水以0.01ml/min速度向下注入过程多孔介质内部的某一片层盐水图像区域示意图。

图4(a)是40℃、8MPa时盐水以0.02ml/min速度向上注入过程不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率沿注入方向上的分布图。

图4(b)是40℃、8MPa时盐水以0.01ml/min速度向下注入过程不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率沿注入方向上的分布图。

图4(c)是40℃、8MPa时盐水以0.02ml/min速度向上注入过程不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率平均值。

图4(d)是40℃、8MPa时盐水以0.01ml/min速度向下注入过程不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率平均值。

具体实施方式

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。

实施例是在40℃、8MPa条件下，应用CT测量不同注入条件下的多孔介质内 CO₂在盐水中的溶解速率。

第一步，用CT连续扫描获得不同注入条件下非稳态的反应釜内图像；

设定温度压力为40℃、8MPa；在注入盐水前，向填充多孔介质的反应釜注入 CO₂至饱和状态；再设定盐水注入流速和方向为0.02ml/min速度向上注入和 0.01ml/min速度向下注入，向高压容器内持续注入盐水，同时利用CT连续扫描，获得不同注入条件下非稳态的反应釜内图像片层堆栈，直至达到稳态时停止扫描。获得不同注入条件下反应釜内部的某一片层图像如图2所示，其中，CO₂为黑色区域，盐水为浅灰色区域，多孔介质为深灰色区域。

第二步，获得多孔介质内的盐水图像区域；

根据第一步所得的图像片层堆栈，采用高斯滤波器去除图像噪点，并通过三角形算法的阈值分割方法提取多孔介质内的浅灰色区域，获得多孔介质内的盐水图像区域，如图3所示。

第三步，测量得到盐水的体积含有率差值与灰度值差值，获得不同注入条件下多孔介质内不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率沿注入方向上的分布与平均值；

根据第二步所得的图像片层堆栈，测量盐水的体积含有率差值与灰度值差值，并计算获得不同注入条件下多孔介质内不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率沿注入方向上的分布，并统计得到不同注入条件下多孔介质内不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率平均值；

CO₂在盐水中的溶解速率为：

上式中χ_s为CO₂在盐水中的溶解速率，Δθ为盐水的体积含有率差值，Δx为测量位置到反应釜入口处的距离，为盐水的灰度值差值，U为盐水的注入速度，Δt 为盐水的注入时间差值。生成不同注入条件下多孔介质内不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率沿注入方向上的分布与平均值如图4所示。

Claims (1)

1.一种应用CT测量多孔介质内CO₂在盐水中的溶解速率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步，用CT连续扫描获得不同注入条件下非稳态的反应釜内图像；

以不同注入条件向已填充CO₂与多孔介质的反应釜内注入盐水，同时利用CT连续扫描，获得不同注入条件下非稳态的反应釜内图像片层堆栈，直至达到稳态时停止扫描，其中，不同注入条件为不同注入速度与不同注入方向，反应釜内图像片层堆栈中分为CO₂区域，盐水区域，多孔介质区域；

第二步，获得多孔介质内的盐水图像区域；

根据第一步所得的图像片层堆栈，采用滤波器去除图像噪点，并通过阈值分割方法提取多孔介质内的盐水区域；

第三步，测量得到盐水的体积含有率差值与灰度值差值，获得不同注入条件下多孔介质内不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率沿注入方向上的分布与平均值；

根据第二步所得的图像片层堆栈，测量盐水的体积含有率差值与灰度值差值，并计算获得不同注入条件下多孔介质内不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率沿注入方向上的分布，并统计得到不同注入条件下多孔介质内不同时刻CO₂在盐水中的溶解速率平均值；

CO₂在盐水中的溶解速率的计算方法为：

式中χ_s为CO₂在盐水中的溶解速率，Δθ为盐水的体积含有率差值，Δx为测量位置到反应釜入口处的距离，为盐水的灰度值差值，U为盐水的注入速度，Δt为盐水的注入时间差值。