一种驱替煤中甲烷多相多组分流体运移监测系统及方法

本发明涉及co2驱替甲烷，尤其涉及一种驱替煤中甲烷多相多组分流体运移监测系统及方法。

背景技术：

1、co2驱替甲烷技术作为非常规天然气（煤层气、页岩气等）高效开采与co2地质封存协同发展的核心技术，其核心机理在于利用co2与甲烷在储层介质中的吸附竞争效应，将储层中吸附态及游离态甲烷高效置换、驱替产出，同时实现co2的永久地质封存，兼具能源开发与碳减排的双重意义。

2、低渗煤储层分布广泛，渗透率低，常规原位煤层气开采方法难以实现高效开发，而co2驱替甲烷技术为低渗储层天然气开采与co2封存提供了有效途径。在co2驱替甲烷的室内模拟实验与现场工程应用中，多相多组分流体（co2、ch4、地层水及储层杂质组分）的扩散、渗流物理过程及其参数演化特征，直接决定驱替效率与co2封存稳定性；流体扩散-渗流转换条件（如压力阈值、浓度梯度阈值等）的精准捕捉，是揭示驱替过程中扩散与渗流协同作用机理、优化驱替工艺参数的核心前提；驱替前缘作为co2与甲烷的动态界面区域，其位置迁移规律、形态演变特征及量化参数，直接反映驱替前沿推进特性，对驱替范围预测、注入参数优化具有重要的理论与工程指导意义。

3、目前，现有co2驱替甲烷实验设备及监测技术仍存在明显技术短板：其一，监测参数单一化，现有设备多仅能实现驱替压力、流量或出口端流体组分的单一监测，无法实现多相多组分流体扩散/渗流过程中浓度分布、流体流速、相饱和度、孔隙压力等多参数的同步监测与系统表征，难以全面、真实反映流体运移演化规律；其二，缺乏扩散-渗流转换条件的针对性监测技术，无法精准捕捉转换临界参数，导致对驱替过程中扩散与渗流的协同作用机制研究不够深入，制约了驱替机理的完善；其三，驱替前缘监测多依赖出口组分变化等间接推断方法，难以实现前缘形态的可视化观察，且缺乏科学有效的量化表征手段，无法精准获取前缘位置、厚度、推进速度等核心参数，不利于驱替工艺的精准优化。

4、鉴于此，研发一种能够实现多相多组分流体扩散/渗流参数同步监测、扩散-渗流转换条件精准捕捉，且可实现驱替前缘可视化观察与量化表征的co2驱替甲烷设备，解决现有技术存在的不足，成为本领域亟待解决的一项课题，对co2地质处置和低渗储层甲烷高效开采均具有重要的理论指导与工程应用价值。

技术实现思路

1、本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种驱替煤中甲烷多相多组分流体运移监测系统及方法，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。

2、本发明的一个目的在于提出一种驱替煤中甲烷多相多组分流体运移监测系统，包括：

3、储层模拟组件，包括：可视化高压岩心夹持器，可视化高压岩心夹持器内部装载有地层储层介质，且储层模拟组件具有输入端和输出端；

4、流体供给组件，包括：co2气瓶、甲烷气瓶、地层水储罐和中间容器，所述co2气瓶、甲烷气瓶、地层水储罐均与所述中间容器相连通，所述中间容器配置为用于实现co2、甲烷和地层水的预混合，以模拟真实地层多相多组分流体环境；所述co2气瓶、所述中间容器与所述输入端相连通；

5、环境控制组件，包括：恒温箱、高压增压泵和压力传感器，所述恒温箱设于所述储层模拟组件的外侧，配置为用于调整所述地层储层介质的温度以模拟不同深度地层的温度环境，所述高压增压泵连接在所述中间容器与所述输入端之间，配置为用于调整地层储层介质的驱替压力以模拟不同的地层压力工况；所述压力传感器配置为用于监测所述恒温箱的内部压力信息；

6、流体回收组件，与所述输出端相连通，配置为用于分离驱替后产出的气相和液相；

7、多参数监测组件，与所述流体回收组件相连通，配置为用于监测流体组分浓度、流体流速、相饱和度、地层储层孔隙压力和储层模拟组件的温度；

8、扩散-渗流转换监测组件，与所述储层模拟组件相连通，配置为用于捕捉co2驱替甲烷过程中流体-渗流转换条件，识别转换临界参数；

9、可视化与量化组件，配置为用于实现可视化高压岩心夹持器内驱替前缘位置、形态的可视化观察，并对前缘特征参数进行科学量化表征，获取驱替前缘推进规律；

10、数据采集与处理组件，与多参数监测组件、扩散-渗流转换监测组件和可视化与量化组件相耦接，配置为对多参数监测组件、扩散-渗流转换监测组件和可视化与量化组件的监测数据进行采集与处理。

11、另外，根据本发明的驱替煤中甲烷多相多组分流体运移监测系统，还可以具有如下技术特征：

12、在本发明的一个示例中，流体回收组件包括：气液分离器和回收罐，所述气液分离器至少具有入口端和第一出口端和第二出口端，所述入口端与所述输出端相连通，所述第一出口端与所述回收罐相连通，所述第二出口端与多参数监测组件相连通，所述气液分离器配置为用于分离驱替后产出的气相和液相；其中，所述气相流入至多参数监测组件，所述液相收集于回收罐中。

13、在本发明的一个示例中，所述多参数监测组件包括：气相色谱仪和光谱传感器，所述气相色谱仪与第二出口端相连通，配置为用于测定产出气相中co2、甲烷的组分浓度，以实时反映驱替过程中流体组分的演化规律；所述光谱传感器连接在可视化高压岩心夹持器上，配置为用于实时监测地层储层介质内部不同位置、不同时刻co2、甲烷及地层水的浓度分布特征，捕捉流体扩散与渗流过程中的浓度梯度变化。

14、在本发明的一个示例中，所述多参数监测组件还包括：核磁共振成像模块和微纳米压阻传感阵列，核磁共振成像模块沿着所述可视化高压岩心夹持器的周向方向设置，配置为用于监测储层内部流体的流速分布，同时表征co2、甲烷及地层水的相饱和度分布；所述微纳米压阻传感阵列设于地层储层介质内，配置为用于捕捉流体渗流过程中的孔隙压力波动，以反映流体流速变化特征。

15、在本发明的一个示例中，所述多参数监测组件还包括：分布式光纤压力传感器与温度传感器，所述分布式光纤压力传感器沿可视化高压岩心夹持器的轴向和径向布设，配置为用于监测地层储层介质内部不同位置的孔隙压力时空演化特征；温度传感器分别安装于可视化高压岩心夹持器内及中间容器、恒温箱内部，配置为实现驱替过程中各关键区域温度的同步监测，确保温度参数稳定，避免温度波动对监测结果的干扰。

16、在本发明的一个示例中，扩散-渗流转换监测组件包括：压力差传感器与浓度梯度传感器，所述压力差传感器分别安装在所述储层模拟组件的输入端和输出端之间，配置为用于实时监测流体压力差的动态变化；所述浓度梯度传感器沿着可视化高压岩心夹持器内表面的轴向方向布置，配置为用于测定地层储层介质内部不同位置的流体浓度梯度，捕捉浓度梯度的突变特征。

17、在本发明的一个示例中，可视化与量化组件包括：工业过程断层成像模块与高清高速摄像模块，工业过程断层成像模块配置为用于实现储层模拟组件内部驱替前缘的三维可视化成像，清晰呈现前缘的空间形态与分布特征，实时捕捉前缘的动态变化，适配高压多相流实验环境；高清高速摄像模块靠近所述可视化高压岩心夹持器设置，配置为用于实时记录驱替前缘的动态推进过程，实现前缘形态的直观可视化观察。

18、在本发明的一个示例中，可视化与量化组件还包括：图像采集卡和量化分析模块，所述图像采集卡用于同步采集工业过程断层成像模块与高清高速摄像模块的工业过程断层成像数据与高清摄像图像；量化分析模块配置为对驱替前缘图像进行精准处理，提取前缘特征参数并实现量化表征。

19、在本发明的一个示例中，所述数据采集与处理组件包括：数据采集卡、数据处理器与显示终端，所述数据采集卡配置为采集多参数监测组件、扩散-渗流转换监测组件和可视化与量化组件的参数数据与图像数据；数据处理器配置为对采集的原始数据进行预处理，将图像数据与参数数据进行关联分析；所述显示终端配置为实时展示各类监测数据、前缘可视化图像及数据分析结果。

20、本发明的另一个目的在于提出一种如上述所述的驱替煤中甲烷多相多组分流体运移监测系统的监测方法，包括如下步骤：

21、s10：设备调试与前期准备：首先检查设备连接的密封性，并进行气密性测试，调节恒温箱至实验预设地层温度，启动环境控制组件，调试至预设驱替压力范围；对多参数监测组件、扩散-渗流转换监测组件和可视化与量化组件进行精准校准，确保监测精度符合实验要求；

22、s20：初始状态稳定与基准数据记录：启动甲烷气瓶，通过流体供给组件调节甲烷注入压力与流量，向储层模拟组件内部注入甲烷，直至地层储层介质达到甲烷吸附饱和状态；在此过程中，启动多参数监测组件，同步监测储层内部孔隙压力、温度、甲烷饱和度，当各参数保持稳定且持续预设时间以上时，记录此时的各项参数数据，作为实验基准数据，为后续驱替过程参数对比提供参考；

23、s30：驱替过程启动与多参数同步监测：关闭甲烷气瓶，通过高压增压泵将中间容器内预混合的多相多组分流体以实验预设的压力、流量注入储层模拟组件，启动co2驱替甲烷实验过程；同时启动多参数监测组件、扩散-渗流转换监测组件、可视化与量化组件及数据采集与处理组件，实现全过程同步监测，其中，多参数监测组件实时监测流体组分浓度、流速、饱和度、孔隙压力和温度；扩散-渗流转换监测组件实时捕捉压力差、浓度梯度变化；可视化与量化组件实时观察前缘位置与形态并进行量化；数据采集与处理组件同步采集、传输、存储各类数据并进行实时分析；

24、s40：扩散-渗流转换条件捕捉与记录：实验过程中，扩散-渗流转换监测组件持续监测储层模拟组件内部流体压力差、浓度梯度的动态变化，并实时对比监测信号与预设阈值；当监测到压力差、浓度梯度达到预设阈值，且流体流速突变幅度超过预设范围时，判定为扩散-渗流转换临界点，同步记录转换时刻的压力、浓度梯度、温度的各项临界参数，完成扩散-渗流转换条件的捕捉与表征；

25、s50：驱替前缘可视化观察与量化表征：驱替过程中，可视化与量化组件持续工作，实时捕捉驱替前缘的位置迁移、形态演变及动态推进过程，对采集到的成像数据与摄像图像通过图像处理算法，持续提取前缘位置坐标、厚度、推进速度的量化参数，更新前缘形态量化曲线，建立前缘特征与流体运移参数的关联关系，实现驱替前缘的全程可视化观察与精准量化表征；

26、s60：实验结束与数据处理：当驱替过程达到预设实验终止条件时，停止高压增压泵的运行，关闭流体供给组件、环境控制组件与各个监测组件，结束驱替实验；启动流体回收组件，对分离后的气相、液相进行回收处理，气相经净化后回收利用，液相循环至地层水储罐；通过数据采集与处理组件对实验全过程的监测数据、图像数据进行整合、分析，生成标准化实验报告；将实验数据导出并归档，完成整个实验操作流程。

27、相较于现有技术，本发明具有如下有益效果：

28、1、设备组成完整、功能全面，实现了多参数同步监测与表征，整合多种先进监测技术，可同步监测流体组分浓度、流速、饱和度等多类核心参数，覆盖扩散与渗流全过程，全面反映多相多组分流体运移规律，解决现有设备监测参数单一的缺陷。

29、2、针对性设置扩散-渗流转换监测组件，通过信号捕捉与阈值识别，可精准捕捉扩散-渗流转换临界点，同步记录临界参数，填补了现有设备无法针对性监测转换条件的技术空白，为驱替机理研究提供可靠数据支撑。

30、3、实现驱替前缘的可视化观察与量化表征，结合工业过程断层成像与高清摄像技术，克服传统间接推断的局限性，通过量化分析模块提取前缘核心量化参数，为驱替工艺优化、驱替范围预测提供精准指导。

31、4、设备模拟真实性高、适用性广，可灵活调节温度、压力参数，适配不同类型储层介质与多相多组分流体体系，适用于不同规模、不同条件的co2驱替甲烷实验研究；操作方法规范、流程清晰，便于实验人员操作与推广应用。

32、5、数据处理高效便捷，通过数据采集与处理组件实现数据的同步采集、分析与展示，自动生成实验报告，大幅提升实验数据处理效率，降低实验人员工作量，提升实验研究的便捷性。

33、下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。