CN104715674B - 海底烃类渗漏模拟实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种能够模拟海底环境并且对烃类的渗漏进行模拟的海底烃类渗漏模拟实验装置及其实验方法。本发明的实验舱设置在支架内部，实验舱与测控仪表箱连接，测控仪表箱与气源连接，实验舱为圆柱形舱体，从上到下依次为水体舱、沉积物舱、岩石舱、注气舱，各舱体之间密封连接，上端设有密封盖，下端设有注气舱的密封壳体，实验舱的两端分别设有传感器，传感器分别与测控仪表箱连接，在注气舱的密封壳体下侧设有注气管，注气管通过测控仪表箱与气源连接，贯穿沉积物舱和水体舱的侧壁密封连接有样品采集组件。本发明能够从海洋环境入手，模拟海底烃类渗漏的真实环境，用于海洋油气勘探和开发以及研究海洋生态环境质量评价。

Description

海底烃类渗漏模拟实验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及海洋油气地球勘察技术领域，尤其涉及模拟海底烃类渗漏研究的领域，具体的说是一种海底烃类模拟实验装置及其实验方法。

背景技术

海底油气藏中的烃类在各种驱动力的作用下，可以穿透上覆岩层缓慢地、持续地向海底表面渗漏并可被现代分析仪器所检测，这是海洋油气地球化学勘查的理论基础。海底烃类渗漏代表了深部油气从源区、储层和圈闭向海底表面运移，属于油气运移范畴。这种海底烃类渗漏它可以与油气的初次运移、二次运移相伴，也可以是从圈闭向海底表面的第三次运移。因此，海底烃类渗漏过程复杂并且在海底表面形成各种地表显示。尽管海底烃类渗漏的现象已经普遍存在，但还缺乏对海底烃类渗漏机理和渗漏烃类在海底表面的变化及其产物的认识，因而直接影响到海洋油气地球化学勘查的效果。开展海底烃类渗漏实验模拟是研究该难题的有效技术手段之一。

现有技术中虽然对陆地烃类的模拟实验已经有所开展，例如公开号CN101726559B的专利文献中就针对陆地烃类微渗漏提供了一个模拟实验装置，为陆地烃类微渗漏提供了相关的技术参数，但是对于同样拥有大量烃类渗漏(包括宏渗漏和微渗漏)的海底，现有技术却没有给出很好的能够为海洋油气地球化学勘探提供数据支持的海底烃类渗漏模拟实验装置与实验方法，因此急需一种技术方案来解决这一技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够模拟海底环境并且对烃类的渗漏进行模拟的海底烃类渗漏模拟实验装置及其实验方法。

为了达到上述目的，本发明的实验装置包括实验舱、支架、测控仪表箱、气源，实验舱设置在支架内部，其为透明有机玻璃圆柱形舱体，实验舱与测控仪表箱连接，测控仪表箱与气源连接，实验舱为圆柱形舱体，从上到下依次为水体舱、沉积物舱、岩石舱、注气舱，各舱体之间密封连接，在实验舱的两端密封，上端设有密封盖，下端设有注气舱的密封壳体，实验舱的两端分别设有传感器，传感器分别与测控仪表箱连接，在注气舱的密封壳体下侧设有注气管，注气管通过测控仪表箱与气源连接，贯穿沉积物舱和水体舱的侧壁密封连接有样品采集组件。

本发明采用透明有机玻璃圆柱形舱体保证了烃类渗漏实验过程中，能够实时观测到整个实验的状态，测控仪表箱采集实验舱上下两端的气压和温度的数据，还有就是气源流过的气体体积，本发明采用法兰密封连接的形式各个舱可以拆开，其内部沉积物及各层海底环境的模拟均可以达到最好的效果，而并非是一个整体，这样在添加每一层的海底相关材料时，能够铺设形状和理化性能无限趋近与自然环境，保证了实验准确的先决条件，环境模拟真实。

所述的水体舱与沉积物舱之间、沉积物舱与岩石舱之间、岩石舱与注气舱之间均设有密封法兰装置。

本发明的密封法兰装置，是机械领域常用的密封方式，整个实验舱处于密封状态。

所述的沉积物舱的顶部设有沉积物盖板，沉积物盖板的底侧设有隔离密封圈。

本发明沉积物盖板的作用是防止沉积物大量漂浮到海水中影响实验结果，因为在海底，海水运动很轻，很少产生大量的沉积物漂浮的状况，因此有必要设置沉积物盖板将沉积物尽量模拟海底真实环境，其次，沉积物盖板的底侧设置的隔离密封圈能够保证油气能够从沉积物内部通过，不会出现油气从实验舱的侧壁缝隙直接上升或者直接进入水体舱，影响实验的准确性。

所述的岩石舱内壁设有岩石密封套。

本发明岩石密封套的作用也是防止油气直接从岩石和实验舱的侧壁直接上升进入沉积物舱中，影响实验的准确性。

所述的支架包括支撑板、支撑柱、注气外套管、底板、万向带刹车脚轮，底板的下侧设有万向带刹车脚轮，上侧竖直设有支撑柱，支撑板横向设置在支撑柱，注气外套管设置在底板中心位置，其与注气管对应设置。

本发明的支架主要提供给实验舱竖直放置的固定，其仅仅是这一种形式，只要能够知道固定和转移作用的支架，都应该在本发明的范围内。

所述的测控仪表箱包括压力传感器显示器、温度传感器显示器和气体流量计。

本发明的测控仪表箱是数据采集的主要设备，其实时监测实验舱内部的气压和温度以及气源的流量。

所述的传感器包括压力传感器和温度传感器，其分别贯穿密封盖和注气舱的密封壳体。

本发明的传感器分别进入实验舱内部，进行内部数据的采集。

所述的样品采集组件包括砂片、半透膜、采集管、安装座、双头连接件、锥形密封硅胶垫和密封帽，采集管的一端设有砂片，砂片和采集管之间设有半透膜，采集管的另一端固定连接安装座，安装座连接双头连接件，双头连接件中心位置连接有锥形密封硅胶垫，密封帽压紧锥形密封硅胶垫。

本发明的样品采集组件，采集管一端进入实验舱内部，采集管另一端处于实验舱外侧，取样针管可以直接穿过锥形密封硅胶垫进入采集管，抽取一定的试样，抽取以后，锥形密封硅胶垫回复原状，能够保证采集管处于密封状态。

所述的水体舱、沉积物舱、岩石舱、注气舱的高度比例为：1.5:7:0.8:0.7。

针对海底环境的模拟，本发明一个优选的实施例是将水体舱、沉积物舱、岩石舱、注气舱的高度规定为1.5:7:0.8:0.7，针对不同的海底环境要求可以改变各个舱体的高度比例。

本发明还包括一种采用所述装置进行海底烃类渗漏模拟实验的方法，包括以下步骤：

第一步，模拟气源：

选择8L的烃类标准气，作为气源，利用钢瓶封装，瓶内气体压力为1MPa，输出压力0.01-1MPa，所述的标准气的烃组分含量(摩尔分数/10^－6):CH₄为359，C₂H₆为193，C₂H₄为83，C₃H₈为123，C₃H₆为64，iC₄H₁₀为71，nC₄H₁₀为95，iC₅H₁₂为53，nC₅H₁₂为73；

第二步，烃类渗漏过程模拟，其包括三小步：

(1)构建模拟海底环境

注气舱与气源连接，岩石舱中添加有渗透率的岩石，沉积物舱中从下到上依次添加半固结到松散的沉积物，水体舱中添加海水；

(2)构建模拟油气储层

将气源与模拟实验装置中的注气舱连接，选择0.01MPa压力将标准气体注入实验舱内，利用储层底部传感器记录压力和温度变化，待注入压力与储层内部要求平衡后，记录注入气源和储层内的压力，形成地质意义上的油气储层；

(3)烃类气体渗漏

将压力增加到0.05MPa，使得烃类气体组分从油气储层中持续地向上渗漏，利用模拟实验舱顶部和底部压力和温度传感器记录顶部和底部压力和温度变化，同时观察和记录顶部海水水面变化；

第三步，烃类气体渗漏的动态监测，其包括三小步：

(1)采样

模拟渗漏过程开始后，以每24小时作为取样时间点，利用5ml气密针在实验舱的采样组件中的9处于不同类型沉积物和海水的采样点进行取样，将取得的气体样品立即注入具有负压并有微量饱和盐水的1ml顶空瓶中，使样品处于一定压力状态，然后倒置保存,连续采样180天；

(2)分析测试

分析测试指标及仪器选择:模拟实验需要测试的指标包括有：甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、乙烯、丙烯和二氧化碳、以及甲烷、乙烷和丙烷的碳同位素；

甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、乙烯、丙烯和二氧化碳的含量测定选择气相色谱仪，甲烷、乙烷和丙烷的碳同位素测定选择同位素质谱仪；

(3)测试流程

烃类气体指标测试是利用1ml气密针从顶空瓶中抽取气体，直接注入到气相色谱仪中，测定烃类气体指标的含量，利用具有镍转化炉的气相色谱仪测定CO₂含量，再次利用1ml气密针从顶空瓶中抽取气体，直接注入到同位素质谱仪中测定烃类气体的碳、氢同位素组成；

第四步，结果分析：

(1)烃类气体含量、分子组成和通量变化

综合分析180天的烃类气体组分及相关参数的测定结果，给出烃类气体含量、分子组成和通量变化，进而揭示烃类气体分子大小、沉积物类型、沉积物孔隙和含水量等因素对烃类气体含量、分子组成和通量变化的影响；

(2)烃类气体同位素组成变化

根据测试结果，主要了解烃类气体碳同位素组成变化以及甲烷氢同位素组成变化，分析其可能控制因素；

(3)确定平衡时间

烃类气体组分含量达到平衡状态需要一定的平衡时间，粗粒和细粒沉积物由于孔隙大小的差异，平衡时间明显不同，这个平衡时间可以通过实验模拟或现场测量来获得，根据烃类气体渗漏的平衡时间，可以计算烃类气体在岩层中的渗漏速率和散失量。

本发明的实验装置及所用到的方法能够从海洋环境入手，尽可能模拟海底烃类渗漏的真实环境，包括海底烃类渗漏源，海底油气藏盖层、海底沉积物和海水等，能够模拟烃类渗漏运移过程中，组分通量、含量和分子组成的变化，可用于海洋油气勘探和开发，也可用于研究海洋生态环境质量评价等。

附图说明

图1本发明整体结构示意图；

图2本发明实验舱剖面结构示意图；

图3为图2中A部局部放大示意图；

图4为图2中B部局部放大示意图；

图5为图2中样品采集组件结构示意图。

图中：1实验舱；2支架；3测控仪表箱；4气源；

101压力传感器；102温度传感器；103密封盖；104水体舱；105密封法兰装置；106沉积物盖板；107隔离密封圈；108样品采集组件；109沉积物舱；110岩石舱；111注气舱；112注气管；113岩石密封套；

1081砂片；1082半透膜；1083采集管；1084安装座；1085双头连接件；1086锥形密封硅胶垫；1087密封帽；

201支撑板；202支撑柱；203注气外套管；204万向带刹车脚轮。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

一种海底烃类渗漏模拟实验装置，包括实验舱1、支架2、测控仪表箱3、气源4，实验舱1设置在支架2内部，其为透明有机玻璃圆柱形舱体，实验舱1与测控仪表箱3连接，测控仪表箱3与气源4连接，实验舱1为圆柱形舱体，从上到下依次为水体舱104、沉积物舱109、岩石舱110、注气舱111，各舱体之间密封连接，在实验舱1的两端密封，上端设有密封盖103，下端设有注气舱111的密封壳体，实验舱1的两端分别设有传感器，传感器分别与测控仪表箱3连接，在注气舱111的密封壳体下侧设有注气管112，注气管112通过测控仪表箱3与气源4连接，贯穿沉积物舱109和水体舱104的侧壁密封连接有样品采集组件108。

所述的水体舱104与沉积物舱109之间、沉积物舱109与岩石舱110之间、岩石舱110与注气舱111之间均设有密封法兰装置105。

所述的沉积物舱109的顶部设有沉积物盖板106，沉积物盖板106的底侧设有隔离密封圈107。

所述的岩石舱110内壁设有岩石密封套113。

所述的支架2包括支撑板201、支撑柱202、注气外套管203、底板、万向带刹车脚轮204，底板的下侧设有万向带刹车脚轮204，上侧竖直设有支撑柱202，支撑板201横向设置在支撑柱202，注气外套管203设置在底板中心位置，其与注气管112对应设置。

所述的测控仪表箱3包括压力传感器显示器、温度传感器显示器和气体流量计。

所述的传感器包括压力传感器101和温度传感器102，其分别贯穿密封盖103和注气舱111的密封壳体。

所述的样品采集组件108包括砂片1081、半透膜1082、采集管1083、安装座1084、双头连接件1085、锥形密封硅胶垫1086和密封帽1087，采集管1083的一端设有砂片1081，砂片1081和采集管1083之间设有半透膜1082，采集管1083的另一端固定连接安装座1084，安装座1084连接双头连接件1085，双头连接件1085中心位置连接有锥形密封硅胶垫1086，密封帽1087压紧锥形密封硅胶垫1086。

所述的水体舱104、沉积物舱109、岩石舱110、注气舱111的高度比例为：1.5:7:0.8:0.7。

一种采用所述装置进行海底烃类渗漏模拟实验的方法，包括以下步骤：

第一步，模拟气源：

选择8L的烃类标准气，作为气源，利用钢瓶封装，瓶内气体压力为1MPa，输出压力0.01-1MPa，所述的标准气的烃组分含量(摩尔分数/10^－6):CH₄为359，C₂H₆为193，C₂H₄为83，C₃H₈为123，C₃H₆为64，iC₄H₁₀为71，nC₄H₁₀为95，iC₅H₁₂为53，nC₅H₁₂为73；

第二步，烃类渗漏过程模拟，其包括三小步：

(1)构建模拟海底环境

注气舱与气源连接，岩石舱中添加有渗透率的岩石，沉积物舱中从下到上依次添加半固结到松散的沉积物，水体舱中添加海水；

(2)构建模拟油气储层

将气源与模拟实验装置中的注气舱连接，选择0.01MPa压力将标准气体注入实验舱内，利用储层底部传感器记录压力和温度变化，待注入压力与储层内部要求平衡后，记录注入气源和储层内的压力，形成地质意义上的油气储层；

(3)烃类气体渗漏

将压力增加到0.05MPa，使得烃类气体组分从油气储层中持续地向上渗漏，利用模拟实验舱顶部和底部压力和温度传感器记录顶部和底部压力和温度变化，同时观察和记录顶部海水水面变化；

第三步，烃类气体渗漏的动态监测，其包括三小步：

(1)采样

模拟渗漏过程开始后，以每24小时作为取样时间点，利用5ml气密针在实验舱的采样组件中的9处于不同类型沉积物和海水的采样点进行取样，将取得的气体样品立即注入具有负压并有微量饱和盐水的1ml顶空瓶中，使样品处于一定压力状态，然后倒置保存,连续采样180天；

(2)分析测试

分析测试指标及仪器选择:模拟实验需要测试的指标包括有：甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、乙烯、丙烯和二氧化碳、以及甲烷、乙烷和丙烷的碳同位素；

甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、乙烯、丙烯和二氧化碳的含量测定选择气相色谱仪，甲烷、乙烷和丙烷的碳同位素测定选择同位素质谱仪；

气相测谱仪的测试范围应该满足表1中的测试范围，进而达到精准的效果。

表1 各类指标的测试范围(ppm)

(3)测试流程

烃类气体指标测试是利用1ml气密针从顶空瓶中抽取气体，直接注入到气相色谱仪中，测定烃类气体指标的含量，利用具有镍转化炉的气相色谱仪测定CO₂含量，再次利用1ml气密针从顶空瓶中抽取气体，直接注入到同位素质谱仪中测定烃类气体的碳、氢同位素组成；

第四步，结果分析：

(1)烃类气体含量、分子组成和通量变化

综合分析180天的烃类气体组分及相关参数的测定结果，给出烃类气体含量、分子组成和通量变化，进而揭示烃类气体分子大小、沉积物类型、沉积物孔隙和含水量这些因素对烃类气体含量、分子组成和通量变化的影响；

(2)烃类气体同位素组成变化

根据测试结果，主要了解烃类气体碳同位素组成变化以及甲烷氢同位素组成变化，分析其可能控制因素；

(3)根据不同时段和不同空间位置的采样测试，分析油气在预定空间范围渗透移动速度、浓度变化以及组分变化；

(4)确定平衡时间

烃类气体组分含量达到平衡状态需要一定的平衡时间，粗粒和细粒沉积物由于孔隙大小的差异，平衡时间明显不同，这个平衡时间通过实验模拟或现场测量来获得，根据烃类气体渗漏的平衡时间，计算烃类气体在岩层中的渗漏速率和散失量。

Claims (10)

1.一种海底烃类渗漏模拟实验装置，包括实验舱(1)、支架(2)、测控仪表箱(3)、气源(4)，其特征在于：实验舱(1)设置在支架(2)内部，其为透明有机玻璃圆柱形舱体，实验舱(1)与测控仪表箱(3)连接，测控仪表箱(3)与气源(4)连接，实验舱(1)为圆柱形舱体，从上到下依次为水体舱(104)、沉积物舱(109)、岩石舱(110)、注气舱(111)，各舱体之间密封连接，在实验舱(1)的两端密封，上端设有密封盖(103)，下端设有注气舱(111)的密封壳体，实验舱(1)的两端分别设有传感器，传感器分别与测控仪表箱(3)连接，在注气舱(111)的密封壳体下侧设有注气管(112)，注气管(112)通过测控仪表箱(3)与气源(4)连接，贯穿沉积物舱(109)和水体舱(104)的侧壁密封连接有样品采集组件(108)。

2.根据权利要求1所述的海底烃类渗漏模拟实验装置，其特征在于：所述的水体舱(104)与沉积物舱(109)之间、沉积物舱(109)与岩石舱(110)之间、岩石舱(110)与注气舱(111)之间均设有密封法兰装置(105)。

3.根据权利要求1所述的海底烃类渗漏模拟实验装置，其特征在于：所述的沉积物舱(109)的顶部设有沉积物盖板(106)，沉积物盖板(106)的底侧设有隔离密封圈(107)。

4.根据权利要求1所述的海底烃类渗漏模拟实验装置，其特征在于：所述的岩石舱(110)内壁设有岩石密封套(113)。

5.根据权利要求1所述的海底烃类渗漏模拟实验装置，其特征在于：所述的支架(2)包括支撑板(201)、支撑柱(202)、注气外套管(203)、底板、万向带刹车脚轮(204)，底板的下侧设有万向带刹车脚轮(204)，上侧竖直设有支撑柱(202)，支撑板(201)横向设置在支撑柱(202)，注气外套管(203)设置在底板中心位置，其与注气管(112)对应设置。

6.根据权利要求1所述的海底烃类渗漏模拟实验装置，其特征在于：所述的测控仪表箱(3)包括压力传感器显示器、温度传感器显示器和气体流量计。

7.根据权利要求1所述的海底烃类渗漏模拟实验装置，其特征在于：所述的传感器包括压力传感器(101)和温度传感器(102)，其分别贯穿密封盖(103)和注气舱(111)的密封壳体。

8.根据权利要求1所述的海底烃类渗漏模拟实验装置，其特征在于：所述的样品采集组件(108)包括砂片(1081)、半透膜(1082)、采集管(1083)、安装座(1084)、双头连接件(1085)、锥形密封硅胶垫(1086)和密封帽(1087)，采集管(1083)的一端设有砂片(1081)，砂片(1081)和采集管(1083)之间设有半透膜(1082)，采集管(1083)的另一端固定连接安装座(1084)，安装座(1084)连接双头连接件(1085)，双头连接件(1085)中心位置连接有锥形密封硅胶垫(1086)，密封帽(1087)压紧锥形密封硅胶垫(1086)。

9.根据权利要求1所述的海底烃类渗漏模拟实验装置，其特征在于：所述的水体舱(104)、沉积物舱(109)、岩石舱(110)、注气舱(111)的高度比例为：1.5:7:0.8:0.7。

10.一种采用权利要求1所述装置进行海底烃类渗漏模拟实验的方法，其特征在于：

第一步，模拟气源：

选择8L的烃类标准气，作为气源，利用钢瓶封装，瓶内气体压力为1MPa，输出压力0.01-1MPa，所述的标准气的烃组分含量，计量单位为摩尔分数/10^－6:CH₄为359，C₂H₆为193，C₂H₄为83，C₃H₈为123，C₃H₆为64，iC₄H₁₀为71，nC₄H₁₀为95，iC₅H₁₂为53，nC₅H₁₂为73；

第二步，烃类渗漏过程模拟，其包括三小步：

(1)构建模拟海底环境

注气舱与气源连接，岩石舱中添加有渗透率的岩石，沉积物舱中从下到上依次添加半固结到松散的沉积物，水体舱中添加海水；

(2)构建模拟油气储层

将气源与模拟实验装置中的注气舱连接，选择0.01MPa压力将标准气体注入实验舱内，利用储层底部传感器记录压力和温度变化，待注入压力与储层内部要求平衡后，记录注入气源和储层内的压力，形成地质意义上的油气储层；

(3)烃类气体渗漏

将压力增加到0.05MPa，使得烃类气体组分从油气储层中持续地向上渗漏，利用模拟实验舱顶部和底部压力和温度传感器记录顶部和底部压力和温度变化，同时观察和记录顶部海水水面变化；

第三步，烃类气体渗漏的动态监测，其包括三小步：

(1)采样

模拟渗漏过程开始后，以每24小时作为取样时间点，利用5ml气密针在实验舱的采样组件中的9处于不同类型沉积物和海水的采样点进行取样，将取得的气体样品立即注入具有负压并有微量饱和盐水的1ml顶空瓶中，使样品处于一定压力状态，然后倒置保存,连续采样180天；

(2)分析测试

分析测试指标及仪器选择:模拟实验需要测试的指标包括有：甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、乙烯、丙烯和二氧化碳、以及甲烷、乙烷和丙烷的碳同位素；

甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、乙烯、丙烯和二氧化碳的含量测定选择气相色谱仪，甲烷、乙烷和丙烷的碳同位素测定选择同位素质谱仪；

(3)测试流程

烃类气体指标测试是利用1ml气密针从顶空瓶中抽取气体，直接注入到气相色谱仪中，测定烃类气体指标的含量，利用具有镍转化炉的气相色谱仪测定CO₂含量，再次利用1ml气密针从顶空瓶中抽取气体，直接注入到同位素质谱仪中测定烃类气体的碳、氢同位素组成；

第四步，结果分析：

(1)烃类气体含量、分子组成和通量变化

综合分析180天的烃类气体组分及相关参数的测定结果，给出烃类气体含量、分子组成和通量变化，进而揭示烃类气体分子大小、沉积物类型、沉积物孔隙和含水量这些因素对烃类气体含量、分子组成和通量变化的影响；

(2)烃类气体同位素组成变化

根据测试结果，主要了解烃类气体碳同位素组成变化以及甲烷氢同位素组成变化，分析其可能控制因素；

(3)根据不同时段和不同空间位置的采样测试，分析油气在预定空间范围渗透移动速度、浓度变化以及组分变化；

(4)确定平衡时间

烃类气体组分含量达到平衡状态需要一定的平衡时间，粗粒和细粒沉积物由于孔隙大小的差异，平衡时间明显不同，这个平衡时间通过实验模拟或现场测量来获得，根据烃类气体渗漏的平衡时间，计算烃类气体在岩层中的渗漏速率和散失量。