一种气体封存实验装置和方法

技术领域

本发明涉及气体封存实验技术领域，尤其涉及一种气体封存实验装置和方法。

背景技术

众多研究显示二氧化碳是造成全球变暖的主要温室气体，这就促使全球各国采取措施来控制大气中二氧化碳的含量。

根据《中国二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)年度报告(2021)》在所有CO

目前，通常采用气体封存实验装置模拟将二氧化碳注入咸水实现二氧化碳地质封存和驱咸水的过程，由于在实验过程中会排出一部分二氧化碳气体，导致对实验室环境产生污染，降低了气体封存实验的环保性。

因此，如何提高气体封存实验的环保性，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种气体封存实验装置和方法，以提高气体封存实验的环保性。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种气体封存实验装置，包括：

能够放置岩石样品的样品容器；

与所述样品容器的第一端连通的气体中间容器，所述气体中间容器能够与待实验气体导通；

能够检测进入所述气体中间容器内的待实验气体流量的气体输入流量计；

与所述样品容器的第一端连通的液体中间容器，所述液体中间容器能够与待实验液体导通，并且所述液体中间容器的入口端设置有液体入口流量计，所述液体中间容器的出口端设置有液体出口流量计；

能够对所述样品容器抽真空的真空泵；

与所述样品容器的第二端连通的气液分离计量器；

与所述气液分离计量器的一端连通的液体回收容器；

与所述气液分离计量器的另一端连通的气体回收管路，所述气体回收管路与所述气体中间容器连通，并且所述气体回收管路上设置有气体回收流量计；以及

用于称重的天平。

优选地，在上述气体封存实验装置中，还包括实验气体高压气瓶、实验气体供气管路、增压泵和供气调压阀，所述实验气体供气管路连通所述实验气体高压气瓶和所述气体中间容器，所述供气调压阀、所述气体输入流量计和所述增压泵沿待试验气体的输入方向依次设置在所述实验气体供气管路上。

优选地，在上述气体封存实验装置中，还包括实验液体储存罐、供液管路和加液泵，所述供液管路连通所述实验液体储存罐和所述液体中间容器，并且所述供液管路上设置有供液控制阀，所述加液泵设置于所述供液管路上。

优选地，在上述气体封存实验装置中，所述实验液体储存罐上还设置有补液管路，所述补液管路能够与所述待实验液体导通，并且所述补液管路上设置有补液阀门。

优选地，在上述气体封存实验装置中，还包括第一回压阀、第二回压阀和手动泵；

所述第一回压阀设置于所述样品容器与所述气体中间容器的连通管路上，所述第二回压阀设置于所述气液分离计量器与所述样品容器的连通管路上，所述手动泵通过第一回压管路与所述第一回压阀连通，并且所述第一回压管路上设置有第一压力传感器和第一回压阀门，所述手动泵通过第二回压管路与所述第二回压阀连通，并且所述第二回压管路上设置有第二压力传感器和第二回压阀门。

优选地，在上述气体封存实验装置中，所述气体回收管路上还设置有气体干燥器。

优选地，在上述气体封存实验装置中，还包括用于调节实验温度的温度调节槽，所述气体中间容器、所述液体中间容器和所述样品容器均位于所述温度调节槽。

优选地，在上述气体封存实验装置中，所述气体中间容器为填砂管，并且所述填砂管采用透明的塑料材质或者透明的玻璃材质制造，或者所述填砂管上设有观察窗。

优选地，在上述气体封存实验装置中，还包括第三压力传感器和第四压力传感器，所述第三压力传感器能够检测所述样品容器的第一端的压力，所述第四压力传感器能够检测所述样品容器的第二端的压力。

优选地，在上述气体封存实验装置中，还包括数据采集终端，所述数据采集终端与所述气体回收流量计、所述第三压力传感器、所述第四压力传感器和所述天平电连接。

一种气体封存实验方法，应用如上任意一项所述的气体封存实验装置，包括步骤：

S1：将岩石样品放置于样品容器内；

S2：使液体中间容器与待实验液体导通，直至液体中间容器盛满待实验液体；

S3：使气体中间容器与待实验气体导通，直至气体中间容器充满待实验气体；

S4：通过真空泵对样品容器抽真空；

S5：将液体中间容器中的待实验液体注入样品容器内，直至气液分离计量器出现水样渗出；

S6：通过液体入口流量计和液体出口流量计的差值计算注入样品容器内的待实验液体量；

S7：将气体中间容器内的待实验气体注入样品容器内，通过气体回收管路使排出的实验气体重新进入样品容器内；

S8：通过天平测量出液体回收容器的质量增加量，以计算出实验液体的产液量，通过气体输入流量计和气体回收流量计的差值计算被封存的实验气体量。

优选地，在上述气体封存实验方法中，所述步骤S7包括：

S7-1：通过手动泵设置第一回压阀的回压值；

S7-2：通过手动泵设置第二回压阀的回压值；

S7-3：将气体中间容器的出口端打开，使气体中间容器的出口端与样品容器的第一端导通，待实验气体进入样品容器内；

S7-4：由样品容器的第二端排出的实验气体进入气体回收管路，通过气体回收管路重新进入样品容器。

使用本发明所提供的气体封存实验装置时，将岩石样品放置于样品容器内，使液体中间容器与待实验液体导通，直至液体中间容器盛满待实验液体，使气体中间容器与待实验气体导通，直至气体中间容器充满待实验气体，再通过真空泵对样品容器抽真空；由于液体中间容器与样品容器的第一端连通，因此，液体中间容器内的待实验液体能够由液体中间容器的出口进入样品容器内，即充满待实验液体的液体中间容器能够向样品容器内注入待实验液体，待与样品容器连通的气液分离计量器内出现水样渗出时，标志着样品容器内的待实验液体已经加满，此时停止注入，通过液体出口流量计和液体出口流量计的差值计算注入样品容器内的待实验液体量；再使气体中间容器的待实验气体进入样品容器，即充满待实验气体的气体中间容器能够向样品容器内注入待实验气体，将待实验气体注入样品容器的过程中，一部分实验气体封存于岩石样品孔隙的实验液体中，另一部分不能实现封存的实验气体排出样品容器，通过气液分离计量器进入气体回收管路，实验气体驱替出的实验液体通过气液分离计量器流向液体回收容器，通过天平对接收实验液体之前和接收实验液体之后的液体回收容器分别称重，计算出实验液体的产液量，通过气体输入流量计和气体回收管路上设置的气体回收流量计的差值计算出被封存的实验气体量；由于气体回收管路与气体中间容器连通，因此，进入气体回收管路的实验气体能够重新进入气体中间容器，实现实验气体的循环使用。由此可见，本发明所提供的气体封存实验装置不仅能够将气体封存实验中排出的实验气体进行回收，减少对实验室环境的污染，提高气体封存实验的环保性，而且能够将气体封存实验中排出的实验气体加以循环利用，最大限度的提高了实验气体的利用率，降低了实验成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的一种气体封存实验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种气体封存实验方法的流程示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种气体封存实验方法的步骤S7的分步流程示意图。

其中，100为样品容器，101为第一回压阀，102为第二回压阀，103为手动泵，104为第一回压管路，1041为第一压力传感器，1042为第一回压阀门，105为第二回压管路，1051为第二压力传感器，1052为第二回压阀门，106为第三压力传感器，107为第四压力传感器，200为气体中间容器，201为气体高压气瓶，202为实验气体供气管路，203为增压泵，204为供气调压阀，300为气体输入流量计，400为液体中间容器，401为实验液体储存罐，402为供液管路，403为加液泵，404为供液控制阀，405为补液管路，406为补液阀门，500为真空泵，600为气液分离计量器，700为液体回收容器，800为气体回收管路，801为气体回收流量计，802为气体干燥器，900为天平，1000为温度调节槽，1100为数据采集终端。

具体实施方式

有鉴于此，本发明的核心在于提供一种气体封存实验装置和方法，以提高气体封存实验的环保性。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图3所示，本发明实施例公开了一种气体封存实验装置，包括样品容器100、气体中间容器200、气体输入流量计300、液体中间容器400、真空泵500、气液分离计量器600、液体回收容器700、气体回收管路800和天平900。

其中，样品容器100能够放置岩石样品；气体中间容器200与样品容器100的第一端连通，气体中间容器200能够与待实验气体导通；气体输入流量计300能够检测进入气体中间容器200内的待实验气体流量；液体中间容器400与样品容器100的第一端连通，液体中间容器400能够与待实验液体导通，并且液体中间容器400的入口端设置有液体入口流量计，液体中间容器400的出口端设置有液体出口流量计；真空泵500能够对样品容器100抽真空；气液分离计量器600与样品容器100的第二端连通；液体回收容器700与气液分离计量器600的一端连通；气体回收管路800与气液分离计量器600的另一端连通，气体回收管路800与气体中间容器200连通，并且气体回收管路800上设置有气体回收流量计801；天平900用于称重。

使用本发明所提供的气体封存实验装置时，将岩石样品放置于样品容器100内，使液体中间容器400与待实验液体导通，直至液体中间容器400盛满待实验液体，使气体中间容器200与待实验气体导通，直至气体中间容器200充满待实验气体，再通过真空泵500对样品容器100抽真空；由于液体中间容器400与样品容器100的第一端连通，因此，液体中间容器400内的待实验液体能够由液体中间容器400的出口进入样品容器100内，即充满待实验液体的液体中间容器400能够向样品容器100内注入待实验液体，待与样品容器100连通的气液分离计量器600内出现水样渗出时，标志着样品容器100内的待实验液体已经加满，此时停止注入，通过液体出口流量计和液体出口流量计的差值计算注入样品容器100内的待实验液体量；再使气体中间容器200的待实验气体进入样品容器100，即充满待实验气体的气体中间容器200能够向样品容器100内注入待实验气体，将待实验气体注入样品容器100的过程中，一部分实验气体封存于岩石样品孔隙的实验液体中，另一部分不能实现封存的实验气体排出样品容器100，通过气液分离计量器600进入气体回收管路800，实验气体驱替出的实验液体通过气液分离计量器600流向液体回收容器700，通过天平900对接收实验液体之前和接收实验液体之后的液体回收容器700分别称重，计算出实验液体的产液量，通过气体输入流量计300和气体回收管路800上设置的气体回收流量计801的差值计算出被封存的实验气体量；由于气体回收管路800与气体中间容器200连通，因此，进入气体回收管路800的实验气体能够重新进入气体中间容器200，实现实验气体的循环使用。由此可见，本发明所提供的气体封存实验装置不仅能够将气体封存实验中排出的实验气体进行回收，减少对实验室环境的污染，提高气体封存实验的环保性，而且能够将气体封存实验中排出的实验气体加以循环利用，最大限度的提高了实验气体的利用率，降低了实验成本。

需要说明的是，上述待实验气体可以是二氧化碳、氢气或者氧气等种类，上述待实验液体可以是咸水或者油液等种类，实际应用中，可以根据实验需求适应性的调整上述待实验气体和待实验液体的种类；可选地，本放实施例所提供的待实验气体为二氧化碳，待实验液体为咸水，以便于通过该气体封存实验装置模拟二氧化碳驱替咸水层中的咸水的过程，为二氧化碳在深部咸水层中的封存和驱水提供技术指导。

另外，岩石样品可以直接采用干燥的岩石样品，也可以在该气体封存实验装置中增加能够对岩石样品进行干燥脱气处理的样品干燥器，实际应用中，可以根据实际需求适应性调整，只要是能够满足使用要求即可。

应当理解，待实验气体可以直接采用储存于高压气瓶内的待实验气体，也可以采用与实验气体制备装置连通的实验气体输送管路输送的待实验气体，只要是能够满足使用要求的设置方式均属于本发明保护范围内；优选地，本发明所提供的待实验气体贮存于高压气瓶内，结构简单，便于设置。

具体地，如图1所示，气体封存实验装置还包括实验气体高压气瓶201、实验气体供气管路202、增压泵203和供气调压阀204，实验气体供气管路202连通实验气体高压气瓶201和气体中间容器200，供气调压阀204、气体输入流量计300和增压泵203沿待试验气体的输入方向依次设置在实验气体供气管路202上，以便于通过增压泵203将实验气体高压气瓶201内的待实验气体通过实验气体供气管路202输送至气体中间容器200，通过供气调压阀204将待实验气体的压力调节至需求压力值，通过气体输入流量计300检测输入气体中间容器200的气体流量。

进一步地，该气体封存实验装置还包括实验液体储存罐401、供液管路402和加液泵403，供液管路402连通实验液体储存罐401和液体中间容器400，并且供液管路402上设置有供液控制阀404，加液泵403设置于供液管路402上，以便于通过加液泵403将实验液体储存罐401内的待实验液体通过供液管路402泵入液体中间容器400，通过供液控制阀404控制实验液体储存罐401和液体中间容器400之间的通断。

并且，实验液体储存罐401上还设置有补液管路405，补液管路405能够与待实验液体导通，并且补液管路405上设置有补液阀门406，以便于通过补液阀门406控制补液管路405与实验液体储存罐401之间的通断，待需要补液时，将补液阀门406打开，使得补液管路405与实验液体储存罐401导通，通过补液管路405向实验液体储存罐401内补充待实验液体。

本发明所提供的气体封存实验装置还包括第一回压阀101、第二回压阀102和手动泵103，以便于根据实验方案适应性的调节样品容器100两端的回压值。

具体地，第一回压阀101设置于样品容器100与气体中间容器200的连通管路上，第二回压阀102设置于气液分离计量器600与样品容器100的连通管路上，手动泵103通过第一回压管路104与第一回压阀101连通，并且第一回压管路104上设置有第一压力传感器1041和第一回压阀门1042，以便于通过第一回压阀门1042控制手动泵103与第一回压阀101之间的通断，通过第一回压阀101对样品容器100的第一端进行回压，通过第一压力传感器1041检测第一回压阀101是否将压力回压至需求压力值；手动泵103通过第二回压管路105与第二回压阀102连通，并且第二回压管路105上设置有第二压力传感器1051和第二回压阀门1052，以便于通过第二回压阀门1052控制手动泵103与第二回压阀102之间的通断，通过第二回压阀102对样品容器100的第二端进行回压，通过第二压力传感器1051检测第二回压阀102是否将压力回压至需求压力值。

另外，本发明所提供的气体回收管路800上还设置有气体干燥器802，以便于将实验排出的实验气体干燥后通过气体回收管路800循环输送至样品容器100内，减少对实验室环境的污染，提高气体封存实验的环保性；同时，最大限度的提高实验气体的利用率，降低实验成本。

进一步地，该气体封存实验装置还包括用于调节实验温度的温度调节槽1000，气体中间容器200、液体中间容器400和样品容器100均位于温度调节槽1000，以便于通过温度调节槽1000调节气体中间容器200、液体中间容器400和样品容器100的温度，使气体封存实验更趋于深部咸水层的温度，提高气体封存实验的准确性。

需要说明的是，上述气体中间容器200可以是填砂管、两端封闭的塑料管或者玻璃管等类型，只要是能满足气体封存实验的密封要求的类型均属于本发明保护范围内；优选地，本发明所提供的气体中间容器200为填砂管，并且填砂管采用透明的塑料材质或者透明的玻璃材质制造，或者填砂管上设有观察窗，以便于观察体气体封存实验过程。

更进一步地，该气体封存实验装置还包括第三压力传感器106和第四压力传感器107，第三压力传感器106能够检测样品容器100的第一端的压力，第四压力传感器107能够检测样品容器100的第二端的压力，以便于通过真空泵500对样品容器100抽真空时，待第三压力传感器106和第四压力传感器107的显示值为-0.01MPa时，持续12个小时后再关闭真空泵500。

另外，该气体封存实验装置还包括数据采集终端1100，数据采集终端1100与气体回收流量计801、第三压力传感器106、第四压力传感器107和天平900电连接，以便于通过数据采集终端1100接收气体回收流量计801检测到的进入气体回收管路800的气体流量信息、第三压力传感器106和第四压力传感器107检测到的压力信息，以及由天平900检测到的实验液体的产液量信息。

此外，本发明还公开了一种气体封存实验方法，应用如上任意一项所述的气体封存实验装置，包括步骤：

S1：将岩石样品放置于样品容器100内，以便于模拟二氧化碳在深部咸水层的封存和驱替。

S2：使液体中间容器400与待实验液体导通，直至液体中间容器400盛满待实验液体，以便于后续通过液体中间容器400向样品容器100内注入待实验液体。

S3：使气体中间容器200与待实验气体导通，直至气体中间容器200充满待实验气体，以便于后续通过气体中间容器200向样品容器100内注入待实验气体。

S4：通过真空泵500对样品容器100抽真空，以便于减少样品容器100内的气体对气体封存实验的影响，降低气体封存实验的准确性。

S5：将液体中间容器400中的待实验液体注入样品容器100内，直至气液分离计量器600出现水样渗出，此时标志着样品容器100内的咸水已经充满，能较好的模拟深部咸水层，提高气体封存实验的准确性。

S6：通过液体入口流量计和液体出口流量计的差值计算注入样品容器100内的待实验液体量，以便于后续的实验结果研究。

S7：将气体中间容器200内的待实验气体注入样品容器100内，通过气体回收管路800使排出的实验气体重新进入样品容器100内，以便于对气体封存实验过程中排出的实验气体进行回收，并循环利用。

S8：通过天平900测量出液体回收容器700的质量增加量，以计算出实验液体的产液量，通过气体输入流量计300和气体回收流量计801的差值计算被封存的实验气体量，以便于后续的实验结果研究。

由此可见，本发明所提供的气体封存实验方法不仅能够将气体封存实验中排出的实验气体进行回收，减少对实验室环境的污染，提高气体封存实验的环保性，而且能够将气体封存实验中排出的实验气体加以循环利用，最大限度的提高了实验气体的利用率，降低了实验成本。

需要说明的是，上述待实验气体为但不仅限于为二氧化碳，还可以是氢气或者氧气等种类，上述待实验液体为但不仅限于咸水，还可以是淡水或者油液等种类，实际应用中，可以根据实验需求适应性的调整上述待实验气体和待实验液体的种类。

另外，岩石样品在放置于样品容器100内时，需要先进行干燥脱气处理，并将经过干燥脱气处理的岩石样品通过天平900称重，以便于后续的气体封存实验和实验研究。

进一步地，上述步骤S7包括：

S7-1：通过手动泵103设置第一回压阀101的回压值，以便于根据气体封存实验方案的具体要求将第一回压阀101的回压值设定在需求回压值。

S7-2：通过手动泵103设置第二回压阀102的回压值，以便于根据气体封存实验方案的具体要求将第二回压阀102的回压值设定在需求回压值。

S7-3：将气体中间容器200的出口端打开，使气体中间容器200的出口端与样品容器100的第一端导通，待实验气体进入样品容器100内，以便于将气体中间容器200内的待实验气体注入样品容器100内，模拟气体封存。

S7-4：由样品容器100的第二端排出的实验气体进入气体回收管路800，通过气体回收管路800重新进入样品容器100，以便于实现实验气体的回收和循环利用。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”和“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有设定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。