CN101726559B - 一种烃类微渗漏模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种烃类微渗漏模拟实验装置，包括地质模拟系统、烃源控制系统和采样系统。其中，地质模拟系统包括模拟柱体、土壤层和地层温度压力控制装置，模拟柱体顶端放置土壤层，底端与地层温度压力控制装置相连；烃源控制系统包括模拟烃源体、高压烃源及烃源压力控制装置，模拟烃源体置于所述模拟柱体内部，高压烃源通过烃源压力控制装置对模拟烃源的压力进行控制；采样系统包括一组气体采集探头、采集管路和采集接口，气体采集探头置于所述模拟柱体和土壤层内，通过采集管路与采集接口相联。此发明实现了对简化地质模型的真实模拟，首次实现了在模拟柱体内对烃类的连续采样分析，解决了多个实际的地质问题，开辟了研究化探机理的新途径。

Description

一种烃类微渗漏模拟实验装置

技术领域

本发明涉及一种油气勘探实验装置，具体涉及一种烃类微渗漏模拟实验装置。

背景技术

烃类微渗漏基础理论研究，早期以前苏联的工作最为系统、全面；以美国为代表的西方国家随后也对此开展过大量的研究工作，并获得了有意义的成果。我国的科研人员，尤其是从事油气化探工作的科研人员，长期致力于烃类微渗漏理论研究，进行了卓有成效的努力。但是由于烃类微渗漏实验模拟难度极大，关于烃类微渗漏基础理论的观点绝大部分都没有通过系统的实验来验证，还处于假说阶段。

另外，烃类垂向微渗漏是油气运移研究的一个组成部分，目前对油气初次运移、二次运移的实验模拟，国内外已经过几十年的研究，获得了大量研究成果，实验装置也在不断改进，从一维模型、二维模型乃至三维模型。油气初次运移、二次运移研究工作的手段和研究成果成为烃类垂向微渗漏实验模拟的从设想到实践的推动力。

目前，已有的的模拟实验装置为以下两种：

1、Trost用外涂硅胶或硅氧烷被膜的细砂和硅藻土装配成一个大色层柱，来模拟地球内部各种迭置的水饱和沉积层。往该模拟色层柱内通入He、H₂、N₂、CO₂和CO等地壳内常见的气体作为载气，观察柱中烃类组分的移动和分离过程。模拟结果证实，地壳及其各种饱含水的沉积物可充当一个巨大的色层柱，允许烃类组分以分子形式运移和分离，吸附在固相表面的烃气可随载气向上移动。

2、Brown(2000)用“窄缝槽模拟法”定量研究了气体沿垂直裂隙上升的行为，模拟从运移速率、运移通量以及所需能量几个方面比较了胶体态气泡和连续气相运移机制的差异。他通过模拟结果认为，裂隙中连续气相运移机制不论从运移速率还是所需能量方面都比孤立气泡运移机制更有效地解释了油气藏上方存在的烃类异常现象，只是这种机制要求的裂隙宽度很小。

但是由于分析测试、材料条件限制，实验针对目的不同，以及烃类垂向微渗漏的复杂性，国内外所做的模拟烃类垂向微渗漏的装置，实验条件简单，实验装置简易，实验模拟所解决的问题比较单一，实验结果与人们对烃类垂向微渗漏基础理论研究的期望程度存在较大的差距。简单的烃类垂向微渗漏实验模拟不能解决实际地质问题，也无法回答地质学家对于油气地球化学勘探机理的质疑，阻碍了油气化探的发展及其在油气勘探中应发挥的作用。

烃类垂向微渗漏模拟之所以难以进行，主要是因为存在以下几个难点：如何建造模拟地层的柱体；在模拟柱体内部如何取样，以及连续取样分析而不对微渗漏造成干扰。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中的难点，提供一种烃类微渗漏模拟实验装置，通过模拟实验、分析，从机理上描述烃类垂向微渗漏的过程及其在地表形成的共生地球化学场、地球物理场、生物地球化学场，并夯实烃类垂向微渗漏的基础理论，引导建立高效的油气信息检测技术，为能源勘探更好地服务。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种烃类微渗漏模拟实验装置，用于对烃类在地层中的微渗漏进行模拟和采样。以上所述模拟实验装置包括地质模拟系统、烃源控制系统和采样系统。

所述地质模拟系统用于模拟所研究的地层，其包括模拟柱体、土壤层和地层温度压力控制装置；所述土壤层置于模拟柱体上端面，所述地层温度压力控制装置与模拟柱体底端相连，用于对模拟柱体的温度和压力进行控制。

具体来讲，所述地层温度压力控制装置包括水槽、加热板和恒压泵。将所述模拟柱体的底端置于所述水槽内，让柱体底端面与水槽底部内表面接触。同时，水槽口内翻，与所述模拟柱体下部四周接触处密封连接，此密封连接可通过将密封胶涂抹于模拟柱体和水槽口的接触带来实现，这样就在水槽与模拟柱体间形成了密闭空间，在此密闭空间内装有水。为了模拟真实地球内部温度的变化，需要对水槽中的水进行加热。将加热板置于水槽下面，并与水槽底部外表面相连。为提高加热效率，加热板优选电加热材料，其被涂敷在所述水槽底部外表面。另外，为了控制所述模拟柱体底部的压力，采用了由微机控制的恒压泵，其位于所述水槽外部，通过管路与所述水槽相连通。通过调节所述恒压泵就可以控制水槽中水的压力，从而控制所述模拟柱体底部的压力，进而实现了地质模型对于压力变化的模拟。

为了实时检测所述模拟柱体内各测量点的温度，所述地层温度压力控制装置还可包括一组测温探头。将所述测温探头设置于所述的模拟柱体内的各测量点处，用于检测各点的温度。

优选的模拟柱体为立式方形柱体，材料采用具有模拟地质模型所对应的盖层特性的材料，通过浇注而形成。为了保证烃类气体密封在柱体内，防止其溢出柱体，在所述模拟柱体四周外侧面均涂有密封层。另外，为了防止模拟柱体通过柱体侧面与大气进行温度交换，在所述模拟柱体伸出水槽外的部分的密封层外还装有保温层。为方便土壤层的填充，在所述模拟柱体的顶部还设有方形柱体筐，用于放置所述的土壤层。

为了满足模拟中对不同烃源压力的需求，所述烃源控制系统包括模拟烃源体、高压烃源及烃源压力控制装置。所述模拟烃源体置于所述模拟柱体内，而所述的高压烃源位于所述模拟柱体外。所述模拟烃源体通过管路与所述烃源压力控制装置相连，烃源压力控制装置再通过管路与所述高压烃源体相连，这样高压烃源就可以从模拟柱体外部由管路经过压力控制装置流至柱体内的模拟烃源体，从而模拟不同压力状态下，烃类在柱体内的运移情况。具体来讲，所述烃源压力控制装置包括压力恒定阀和开关阀。通过管路，所述高压烃源依次与所述开关阀、压力恒定阀和模拟烃源体相连。

为满足采集气体用于分析的需要，采样系统包括一组气体采集探头、一组采集管路和一组采集接口。所述采集探头置于所述的模拟柱体和所述土壤层内的各采集点处，用于采集柱体内和土壤层内各点的烃类气体。所述采集接口位于所述模拟柱体外，每一个采集探头通过一根采集管路与一个采集接口相连。为了不对烃类微渗漏造成干扰，所述采集管路优选为毛细管。在实验时，将进样器与采集接口连接，直接抽取毛细管内的气体，进行色谱分析，从而可以实现连续追踪模拟柱体以及上覆土壤层内的烃气浓度变化情况。

为了便于显示和操作，该模拟实验装置还装有一个控制面板，所述模拟柱体内的测温探头分别与所述的控制面板进行电连接，通过控制面板实时显示各测量点的温度。同时，所述控制面板还通过电连接控制所述电热板的加热温度，通过控制水槽中水的温度，从而实现模拟柱体在纵向上具有一定的温度梯度。另外，所述控制面板还用于显示所述水槽中水的压力以及所述模拟烃源体的压力。

另外，为了移动和操作方便，该模拟实验装置还可装有一个支架，所述支架为空心框架，其尺寸与所述水槽相匹配，其顶部与所述的水槽底部相连。所述的温度控制面板也可装在所述支架上。因为模拟柱体体积较大，为方便移动该实验装置，所述支架底部可装有轮子。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)实现了在模拟柱体内对烃类的连续检测，使得模拟柱体的体积规模变大，并使得模拟柱体可以在湿体系状态下工作，从而实现了对简化地质模型的真实模拟，并以模拟的实验数据充实了对化探机理的理论研究；(2)大规模柱体保证了可以在柱体内设置较多的测量点，减少了测量时对烃类运移的影响，提高了模拟实验的真实性和可靠性；(3)由微机控制的恒压泵，方便地控制和改变模拟柱体底部的压力，容易满足地质模型对压力条件的要求，保证了模拟柱体满足湿体系的实验要求；(4)高效的温控系统，从模拟柱体底部加热，满足了地质模型对于真实地球内部温度梯度的要求。(5)烃源控制系统，可以方便控制烃源的压力，从而满足实验中对不同烃源压力的需求。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

图1为本发明烃类微渗漏模拟实验装置结构示意图；

图2为本发明中烃源压力控制系统示意图。

图3为本发明中水槽底部的结构示意图；

图4为本发明中水槽中隔板示意图

各幅附图具体的说明将结合下面的具体实施方式加以说明。

具体实施方式

本发明的烃类微渗漏模拟实验装置如图1所示，包括地质模拟系统、烃源控制系统和采样系统。

所述地质模拟系统用于模拟所研究的地层，其包括模拟柱体3、土壤层4和地层温度压力控制装置；所述土壤层4置于模拟柱体3上端面，所述地层温度压力控制装置与模拟柱体3底端相连，用于对模拟柱体的温度和压力进行控制。

模拟柱体3为立式方形柱体，材料采用具有模拟地质模型所对应的盖层特性的水泥、石英砂、水按适当配比，通过浇注而形成。为了保证烃类气体密封在模拟柱体3内，防止其溢出模拟柱体3外，在所述模拟柱体3四周外侧面及底端面均涂有密封层13。另外，为了防止模拟柱体3通过柱体侧面与大气进行温度交换，在所述模拟柱体3伸出水槽2外的部分的密封层13外还装有保温层5。为方便土壤层4的填充，在所述模拟柱体3的顶部还设有方形柱体筐，用于放置所述的土壤层4。

所述地层温度压力控制装置包括水槽2、加热板6和恒压泵8。将所述模拟柱体3的底端置于水槽2内，让柱体底端面与水槽2底部内表面接触。同时，水槽2口内翻，与模拟柱体3下部四周接触处密封连接，此密封连接是通过将密封胶涂抹于模拟柱体3和水槽口的接触带来实现的，这样就在水槽2与模拟柱体3之间形成了密闭空间，在此密闭空间内装有水。为了模拟真实地球内部温度的变化，需要对水槽中的水进行加热。此处的加热板6为涂敷在所述水槽底部外表面的电加热材料。另外，为了控制所述模拟柱体3底部的压力，采用了由微机控制的恒压泵8，其位于所述水槽外部，通过管路12与水槽2底部均匀布设的36个进水点20相连通，如图3所示。通过调节所述恒压泵8就可以控制水槽2中水的压力，从而控制所述模拟柱体3底部的压力，进而实现了地质模型对于压力变化的模拟。图4所示，为了提高水槽2的强度，在水槽2中焊接了隔板19，隔板中有孔21，以利于渗水。

为了实时检测所述模拟柱体内各测量点的温度，所述地层温度压力控制装置还包括一组测温探头16。在所述模拟柱体3内距离柱体中心20厘米处，纵向均匀设有5个温度测量点，将所述测温探头16设置于所述的模拟柱体3内的各温度测量点处。

为了满足模拟实验中对不同烃源压力的需求，所述烃源控制系统包括模拟烃源体14、高压烃源7及所述烃源压力控制装置。所述模拟烃源体14置于所述模拟柱体3内距底部5厘米的中心位置，以便尽量减少柱体壁的封闭作用所形成的边界作用的影响。而所述的高压烃源7位于所述模拟柱体3外，用于保证供给柱体内模拟烃源体14的压力恒定。如图2所示，所述烃源压力控制装置包括压力恒定阀17和开关阀18。通过管路15，所述高压烃源7依次与所述开关阀18、压力恒定阀17和模拟烃源体相连，这样高压烃源7就可以从模拟柱体外部由管路经过开关阀、压力恒定阀流至柱体3内的模拟烃源体。气体压力控制在模拟柱体3的突破压力以下，使烃类缓慢渗漏，从而模拟不同压力状态下，烃类在柱体内的运移情况。

如图1所示，为满足采集气体用于分析的需要，采样系统包括一组气体采集探头10、一组采集管路22和一组采集接口23。在所述模拟柱体3内设置了五层烃气采集层，每层设有25个采集点；在所述土壤层4内设置了两层烃气采集层，每层设有25个采集点。所述采集探头10置于所述的模拟柱体3和所述土壤层4内的各采集点处，用于采集模拟柱体3内和土壤层4内各点的烃类气体。所述采集接口23位于所述模拟柱体3外，每一个采集探头10通过一根采集管路22与一个采集接口23相连。为了不对烃类微渗漏造成干扰，所述采集管路22采用毛细管。在实验时，将进样器与采集接口连接，直接抽取毛细管内的气体，进行色谱分析，从而可以实现连续追踪模拟柱体以及上覆土壤层内的烃气浓度变化情况。

为了便于显示和操作，该模拟实验装置还装有一个控制面板11，所述模拟柱体3内的测温探头16分别与所述的控制面板11进行电连接，通过控制面板11实时显示各测量点的温度。同时，所述控制面板11还通过电连接控制所述加热板6的加热温度，通过控制水槽2中水的温度，从而实现模拟柱体3在纵向上具有一定的温度梯度。另外，所述控制面板11还用于显示所述水槽2中水的压力以及所述模拟烃源体14的压力。

此外，为了方便操作，该模拟实验装置还装有一个支架1，所述支架1为空心框架，其尺寸与所述水槽2相匹配，其顶部与所述的水槽2底部相连。所述的温度控制面板11也安装在所述支架1上。因为模拟柱体3体积较大，为方便移动该实验装置，所述支架1底部装有轮子9。

此实施例中，模拟柱体的规模达到了底端面边长1米，高1.2米，大模拟柱体的建造保证了可以在柱体内设置较多的测量点，减少了测量时对烃类运移的影响，提高了模拟实验的真实性和可靠性。地质温度压力控制装置的设计满足了地质模型对于真实地球内部温度梯度以及压力的模拟需求。同时，烃源控制系统实现了对不同烃源压力的模拟。另外，采样系统满足了连续采样的需求，并且减小了采样对烃类运移的影响。综上所述，本发明解决了现有技术存在的问题，实现了对简化地质模型的真实模拟，以模拟的实验数据充实了化探机理的理论研究。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

Claims (8)

1.一种烃类微渗漏模拟实验装置，其特征在于，所述模拟实验装置用于对烃类在地层中的微渗漏进行模拟和采样；

所述模拟实验装置包括地质模拟系统、烃源控制系统和采样系统；

所述地质模拟系统包括模拟柱体、土壤层和地层温度压力控制装置；所述土壤层置于模拟柱体上端面；所述地层温度压力控制装置用于对模拟柱体的温度和压力进行控制，其与模拟柱体底端相连；

所述烃源控制系统包括模拟烃源体、高压烃源及烃源压力控制装置；所述模拟烃源体置于所述模拟柱体内，所述的高压烃源位于所述模拟柱体外；所述模拟烃源体通过管路与所述烃源压力控制装置相连，烃源压力控制装置再通过管路与所述高压烃源相连；

所述采样系统包括一组气体采集探头、一组采集管路和一组采集接口；所述采集探头置于所述的模拟柱体内和所述土壤层内的各采集点处，用于采集所述模拟柱体内和土壤层内各点的烃类气体；所述采集接口位于所述模拟柱体外部，每一个采集探头通过一根采集管路与一个采集接口相连。

2.根据权利要求1所述的烃类微渗漏模拟实验装置，其特征在于所述地层温度压力控制装置包括水槽、加热板和恒压泵；所述模拟柱体的底端置于所述水槽内，模拟柱体底端面与水槽底部内表面接触；水槽口内翻，与所述模拟柱体下部四周接触处用胶封闭；所述水槽与模拟柱体间形成密闭空间，在此密闭空间内装有水；加热板与水槽底部外表面相连；所述恒压泵位于所述水槽外部，通过管路与所述水槽相连通。

3.根据权利要求1所述的烃类微渗漏模拟实验装置，其特征在于所述烃源压力控制装置包括压力恒定阀和开关阀；通过管路，所述高压烃源依次与所述开关阀、压力恒定阀和模拟烃源体相连。

4.根据权利要求1所述的烃类微渗漏模拟实验装置，其特征在于所述采集管路为毛细管。

5.根据权利要求3所述的烃类微渗漏模拟实验装置，其特征在于所述模拟柱体为立式方形柱体；所述模拟柱体四周外侧面及底端面涂有密封层；在所述模拟柱体伸出水槽外的部分的密封层外还装有保温层；所述模拟柱体的顶部设有方形柱体筐，用于放置所述的土壤层。

6.根据权利要求2所述的烃类微渗漏模拟实验装置，其特征在于所述地层温度压力控制装置还包括一组测温探头；所述测温探头设置于所述的模拟柱体内的各测量点，用于检测各点的温度；

所述加热板为电加热材料，其被涂敷在所述水槽底部外表面。

7.根据权利要求2或6所述的烃类微渗漏模拟实验装置，其特征在于所述模拟实验装置还包括一个控制面板，所述模拟柱体内的测温探头分别与所述的控制面板进行电连接，通过控制面板实时显示各测量点的温度；所述控制面板还通过电连接控制所述加热板的加热温度；所述控制面板还用于显示水槽中水的压力以及所述模拟烃源体的压力。

8.根据权利要求7所述的烃类微渗漏模拟实验装置，其特征在于所述模拟实验装置包括一个支架，支架为空心框架，其尺寸与水槽相匹配，其顶部与所述的水槽底部相连；所述的控制面板装在所述支架上；所述支架底部装有轮子，用于移动支架。

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