CN106018680B - 裂缝带热液充填模拟装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于石油勘探开发领域，具体地，涉及一种裂缝带热液充填模拟装置。裂缝带热液充填模拟装置，包括：矿物结晶‑沉淀器、磁力搅拌反应釜；其中：矿物结晶‑沉淀器为裂缝带热液化学反应区，磁力搅拌反应釜内配置饱和化学反应热液，通过加热、加压、加速，饱和化学反应热液进入矿物结晶‑沉淀器内的岩石裂缝中进行化学沉淀，反应后的欠饱和热液返回磁力搅拌反应釜内，重新补充化学试剂成为饱和溶液，反复循环。本发明根据含油气盆地储层实际环境，可以在含油气盆地储层常见的温度和压力条件下进行断裂、裂缝带内溶液溶蚀、沉淀实验，模拟构造活动引起的深部热液、低温地层水在裂缝带内溶蚀、沉淀机制以及与储层的相互作用。

Description

裂缝带热液充填模拟装置
技术领域
本发明属于石油勘探开发领域，具体地，涉及一种裂缝带热液充填模拟装置，用于直观模拟含复杂裂缝储层的深部构造热液溶蚀-充填过程。
背景技术
随着油气资源勘探方向逐渐由浅部转向深部、由常规油气藏转向特殊油气藏，特别是裂缝性储层，搞清裂缝发育程度及通道的有效性，对此类油气田(如塔里木库车坳陷致密砂岩气藏、和田河气田碳酸盐岩气藏)的勘探开发影响甚大，也是一个亟需解决的技术难题。
裂缝系统的溶蚀-充填规律是裂缝性储层油气藏勘探开发的理论基础。由于复杂裂缝储层深部的特点，导致热液充填模拟实验的理论基础复杂化，其中涉及到的理论基础问题包括如何确定裂缝储层的温度、压力，怎样模拟裂缝储层热液流体的流动方式，碳酸盐结晶沉淀理论以及如何让碳酸盐热液流体在人工裂缝中结晶沉淀，都与复杂裂缝储层的深部构造热液溶蚀-充填模拟实验密切相关。但由于碳酸盐岩、致密砂岩等储层具有成岩作用强烈、构造运动期次多、网状缝发育以及低孔低渗等特点，裂缝系统的多期发育和地震引发的深部热液多期次溶蚀-充填特征，造成了空间裂缝的有效性存在很强的非均质性，降低了裂缝预测和建模的精度，成为了制约裂缝性储层开发、压裂和后期方案调整的“瓶颈”。裂缝离散建模法(简称DFN)对网状裂缝有效性的处理仅是基于单井测井解释结果进行井间插值预测，未考虑地下流体在裂缝通道内运移时复杂的化学反应和溶蚀-充填机制。深部热流体对油气储层的改造是以物质交换和能量交换两种形式进行的，碳酸盐储层中常以溶蚀作用、交代作用和充填作用为主，砂岩储层中常以溶蚀作用和充填作用为主，随着流体温度的降低和交代作用的进行，大量的萤石和方解石晶体及少量石英、天青石等矿物开始在先前的溶蚀缝内沉淀或结晶析出，从而造成了对裂缝疏导性能的破坏。关于断层或裂缝充填规律的研究大多集中在矿物充填特征和充填期次两个方面，而关于裂缝充填规律的研究仍未见报道。对于裂缝充填物形成机理的研究，前人多根据水岩作用模拟试验，将碳酸盐沉积物划分为若干类型，认为结晶沉淀作用与溶液的饱和度、pH值、温度、压力和溶液性质等因素有关，溶解和沉淀作用是混杂的双重可逆的物理化学反应过程，两者相互影响和制约。
可见，以上对致密砂岩、碳酸盐岩裂缝微观充填规律的研究，目前仍是一个新的领域。沿深部断层、裂缝系统向上或水平运移的过程中，到底是先溶蚀石英、长石增大裂缝体积再结晶、沉淀充填，还是先交代两壁矿物再使岩石体积变小、裂缝体积增大，还是饱和溶液先析出沉淀减小裂缝体积，再向浅部进行溶蚀改造呢？构造热液最终溶蚀-充填的空间差异性到底受哪些地质条件的影响？这些因素是否又会影响到矿物晶体充填方式呢？因此，亟需开展裂缝系统的热液充填实验，进一步揭示深部流体在自深部向浅部地层运移过程中对致密砂岩裂缝的溶蚀-充填规律。
发明内容
为克服现有技术及设备中存在的缺陷，本发明提供一种裂缝带热液充填模拟装置，模拟裂缝带热液溶蚀-充填过程，进一步揭示复杂网状裂缝系统的优势充填方向，为裂缝性储层的有利分布区预测提供直接依据，为致密储层的压裂改造方案设计及优化提供坚实的理论基础。
为实现上述目的，本发明采用下述方案：
裂缝带热液充填模拟装置，包括：矿物结晶-沉淀器、磁力搅拌反应釜；其中：矿物结晶-沉淀器为裂缝带热液化学反应区，磁力搅拌反应釜内配置饱和化学反应热液，通过加热、加压、加速，饱和化学反应热液进入矿物结晶-沉淀器内的岩石裂缝中进行化学沉淀，反应后的欠饱和热液返回磁力搅拌反应釜内，重新补充化学试剂成为饱和溶液，反复循环。
相对现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、根据含油气盆地储层实际环境，可以在含油气盆地储层常见的温度和压力条件下(0-260℃，0-30MPa)进行断裂、裂缝带内溶液溶蚀、沉淀实验，模拟构造活动引起的深部热液、低温地层水在裂缝带内溶蚀、沉淀机制以及与储层的相互作用。
2、可以对实验体系中加入干冰、无水CaCl2-(NH4)2CO3-NH4Cl体系、无水CaCl2-NaHCO3-NH4Cl化学组分体系)，配置成相应的饱含、未饱含碳酸钙溶液，实验模拟不同饱和度、不同组分热液流体在网状裂缝体系内的溶蚀、充填规律及分布。
3、试验装置体积最大可到5.0L，可以实现较大岩石样品的裂缝带内溶蚀、充填过程实验，模拟反应过程中可以通过相机进行实时监控，模拟后的样品具有可拆卸、可称重、可测量的特点，模拟统计数据直接用于网状裂缝系统充填规律评价。
附图说明
图1为裂缝带热液充填模拟装置示意图；
图中：1、矿物结晶-沉淀器；2、磁力搅拌反应釜。
具体实施方式
如图1所示，裂缝带热液充填模拟装置，包括：矿物结晶-沉淀器1、磁力搅拌反应釜2；矿物结晶-沉淀器1为裂缝带热液化学反应区，磁力搅拌反应釜2内配置饱和化学反应热液，通过加热、加压、加速，饱和化学反应热液进入矿物结晶-沉淀器内的岩石裂缝中进行化学沉淀，反应后的欠饱和热液返回磁力搅拌反应釜内，重新补充化学试剂成为饱和溶液，反复循环。
矿物结晶-沉淀器1，包括：沉淀器11、玻璃板12、卡槽13、加热丝14、动力泵15；沉淀器11为长方体容器，长、宽、高分别为30cm×20cm×20cm，四周及底部为不锈钢，顶部通过玻璃板12封闭，玻璃板12为双层抗爆结构，隔温密封性好，透过玻璃板随时观测沉淀器内沉淀反应进程；沉淀器11内设有三个方形卡槽13，岩样放置在三个卡槽13上，方形卡槽13采用塑料材料；沉淀器11内设有电加热丝14，加热丝14通过卡槽安置在沉淀器底端，通过控制电加热丝14的电流大小，实现沉淀器内温度的控制；透过玻璃板12设有三支温度计16，由温度计16实时监测沉淀器内温度变化；沉淀器11相对的两端分别设置流体入口、流体出口，流体出口处安装有动力泵15，通过控制动力泵15的转速增强流体循环流动功能。
磁力搅拌反应釜2，包括：釜体21、釜盖22、磁力搅拌杆23、吊篮24、传感器210；釜体21用于配置化学溶液，有效容积5L，最高工作温度为260℃，压力30MPa，釜体21带有夹层，夹层内可通入冷(热)介质进行降温(加热)，相应管线在图1中没有示意出；釜体21侧壁设有传感器210，传感器210深入到釜体内，实时测定釜体内的温度、压力变化，传感器210与外部温压控制装置相连接，温压控制装置为全自动控制系统，在实验过程中实现对釜体内温压的随时控制(属于现有技术内容)；釜体21的底部设有回流进水口27、取样流体出口28，取样流体出口28与外部在线取样器相连接，流体经过降压处理后流出进入取样器，随时分析釜体内溶液的成分及饱和度变化。
釜体21顶部通过釜盖22封闭，釜盖22上连接测温计23、进气管24、出水管25和磁力搅拌杆26；测温计23伸入釜体顶部，实时监测溶液流出釜体前的温度；进气管24与外部气体及压力供给装置相连接，以持续对釜体内供给CO2反应气体并保障压力稳定；釜盖22顶部设有电动装置(图1中未示意)，电动装置下端连接磁力搅拌杆26，磁力搅拌杆26深入反应釜底部，可高速旋转，转速为0～300R/min；釜盖22底部连接有吊篮29，吊篮29内放置干燥、块状化学反应试剂，以对溶液进行CO2、矿物的持续补充。
磁力搅拌反应釜2的出水管与矿物结晶-沉淀器1的流体入口相连，出水管上由磁力搅拌反应釜2至矿物结晶-沉淀器1方向，依次设有第一制动阀31、第一动力泵32、第一压力计33、水箱34、准备管35，第一制动阀31由人工控制，在实验开始、结束和矿物结晶-沉淀器1出现异常情况时进行封堵；第一动力泵32为单向循环动力装置，以增强反应釜2内溶液的流动进入矿物结晶-沉淀器1内；水箱34与准备管35一同靠近沉淀器11安置，以保证液体的持续、稳定供应。
矿物结晶-沉淀器1的流体出口与磁力搅拌反应釜2的回流进水口通过管线相连，该管线上由流体出口至进水口方向，依次设有第二压力计36、取液制动阀37、第二制动阀38、第二动力泵39，取液制动阀37位于沉淀器流体出口处，通过降低压力将化学反应后的液体排出到化学容器内，以备随时分析饱和度、化学成分变化；第二制动阀38和第二动力泵39组成液体回流循环动力装置，将矿物结晶-沉淀器1内反应后的流体输入到磁力搅拌反应釜2内。
第一压力计33、第二压力计36分别对流入矿物结晶-沉淀器1前的压力和流出矿物结晶-沉淀器1后的压力进行实时监测，防止沉淀器发生漏气故障。
实验过程包括：制样、配液、装样、抽空、加温压、反应、取样、结束实验8个步骤。
制样：进行野外岩石取样，贴好标签并作好记录,切割成长方体岩样，规格为：25cm×15cm×15cm，在岩样上预制裂缝，并对岩样做清水表面清洁处理，在干燥箱进行干燥处理(65℃，24h)，干燥后拍照、称重、记录拍照。
配液：根据研究区古流体成分及来源分析结果，配制富CO2溶液，主要采用两种溶液配置方案：无水CaCl2-(NH4)2CO3-NH4Cl体系和CaCl2-NaHCO3-NH4Cl体系，且以第一种为主，后一种为辅，前者具有方解石结晶条件低、速度快的特点。
装样：清洗釜体21和沉淀器11，待干燥后，将岩石样品放入沉淀器卡槽内，向沉淀器和反应釜内分别放入3000mL含有1.5mol/L的CaCl2和1.5mol/L的NH4Cl溶液，其物质的量比为1:1，将200g重量的固态碳酸铵((NH4)2CO3)放入反应釜顶部的吊篮27内，加封环和釜帽，拧紧螺栓，紧固反应釜。
抽空：关闭进气阀、压力制动阀，采用抽真空机与进气阀相连接，抽取反应釜和沉淀器内的空气，直到反应釜和沉淀器内压力不再变化为止后拆下抽真空系统。
加温压：打开温压控制系统，设定预定的温度260℃，打开气阀，使压力到达30MPa，打开压力制动阀，在液体循环动力装置3的推动下下液体进行顺时针流动，反应24-72小时。
反应：根据温压控制系统判断压力是否充足，当压力超过额定压力时，安全爆破片会自动爆破，以保证安全，当温度压力达到预设值后，启动电动装置带动磁力搅拌杆26，实现反应釜和沉淀器内的液体搅拌均匀，在沉淀器外透过特制透明玻璃，进行实时拍照观测，并记录实验的温度压力数值及实验的进展情况。
取样：关闭第一制动阀31、第二制动阀38，打开取液制动阀37，缓慢释放压力，再用取样器在取液制动阀37处抽取实验液体。
结束实验：试验完成后，用冷却水对釜体21进行降温，打开在线取样装置的压力放空阀和放水阀排出蒸汽，自然冷却24小时,待釜内温度降至室温,取出样品，反复用蒸馏水冲洗3-5次,并烘干(105℃,24h)、称重,沿造缝处拆卸，进行偏光显微镜、扫描电镜观察分析，反应液用一次性针管取出装入无污染的塑料瓶中,并进行化学成分分析。
改变方案：利用磁旋转搅拌器、恒温控制仪和气-液增压泵分别对实验的转速、温度和压力进行控制，转速在0r.min-1～300r.min-1范围内，温度在0℃～260℃范围内，压力在0MPa～30MPa范围内，再更换不同热液的饱和度和裂缝岩样的类型，重复上述实验过程，通过沉淀器顶部的耐压玻璃可以随时观察热液流动和沉淀情况，试验中，反应釜内顶部吊篮内27的(NH4)2CO3蒸汽扩散到水溶液中，发生如下反应:(NH4)2CO3+CaC12＝CaCO3+NH4Cl。这时原有的和后形成的NH4Cl在水中相当于一种矿化剂，使CaCO3的溶解度得到了提高，并在流速降低、温度降低的条件下,逐步达到过饱和而将快速地析出结晶体，在结晶-沉淀效果不佳的情况下，换用CaCl2-NaHCO3-NH4Cl体系配制方案。

Claims (5)

1.一种裂缝带热液充填模拟装置，包括：矿物结晶-沉淀器、磁力搅拌反应釜；矿物结晶-沉淀器为裂缝带热液化学反应区，磁力搅拌反应釜内配置饱和化学反应热液，通过加热、加压、加速，饱和化学反应热液进入矿物结晶-沉淀器内的岩石裂缝中进行化学沉淀，反应后的欠饱和热液返回磁力搅拌反应釜内，重新补充化学试剂成为饱和溶液，反复循环；其特征在于：
矿物结晶-沉淀器，包括：沉淀器、玻璃板、卡槽、加热丝、动力泵；沉淀器顶部通过玻璃板封闭，沉淀器内设有三个方形卡槽，岩样放置在三个卡槽上，沉淀器内设有电加热丝，透过玻璃板设有三支温度计，沉淀器相对的两端分别设置流体入口、流体出口；
磁力搅拌反应釜，包括：釜体、釜盖、磁力搅拌杆、吊篮、传感器；釜体侧壁设有传感器，传感器深入到釜体内，传感器与外部温压控制装置相连接，温压控制装置相连接为全自动控制系统，在实验过程中实现对釜体内温压的随时控制；釜体的底部设有回流进水口、取样流体出口，取样流体出口与外部在线取样器相连接，流体经过降压处理后流出进入取样器，随时分析釜体内溶液的成分及饱和度变化；
釜体顶部通过釜盖封闭，釜盖上连接测温计、进气管、出水管和磁力搅拌杆；测温计伸入釜体顶部，实时监测溶液流出釜体前的温度；进气管与外部气体及压力供给装置相连接，以持续对釜体内供给CO2反应气体并保障压力稳定；釜盖顶部设有电动装置，电动装置下端连接磁力搅拌杆，磁力搅拌杆深入反应釜底部，可高速旋转，转速为0～300R/min；釜盖底部连接有吊篮，吊篮内放置干燥、块状化学反应试剂，以对溶液进行CO2、矿物的持续补充；磁力搅拌反应釜的出水管与矿物结晶-沉淀器的流体入口相连，出水管上由磁力搅拌反应釜至矿物结晶-沉淀器方向，依次设有第一制动阀、第一动力泵、第一压力计、水箱、准备管，第一制动阀由人工控制；矿物结晶-沉淀器的流体出口与磁力搅拌反应釜的回流进水口通过管线相连，该管线上由流体出口至进水口方向，依次设有第二压力计、取液制动阀、第二制动阀、第二动力泵。
2.根据权利要求1所述的裂缝带热液充填模拟装置，其特征在于，第一压力计、第二压力计分别对流入矿物结晶-沉淀器前的压力和流出矿物结晶-沉淀器后的压力进行实时监测。
3.根据权利要求2所述的裂缝带热液充填模拟装置，其特征在于，沉淀器为长方体容器，长、宽、高分别为30cm×20cm×20cm，四周及底部为不锈钢；玻璃板为双层抗爆结构。
4.根据权利要求3所述的裂缝带热液充填模拟装置，其特征在于，方形卡槽采用塑料材料；加热丝通过卡槽安置在沉淀器底端，流体出口处安装有动力泵。
5.根据权利要求4所述的裂缝带热液充填模拟装置，其特征在于，釜体有效容积5L，最高工作温度为260℃，压力30MPa，釜体带有夹层，夹层内可通入冷/热介质进行降温/加热。
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Granted publication date: 20170606