CN108982142A - 高温高压条件下动态水岩相互作用实验装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温高压条件下动态水岩相互作用实验装置及方法，实验装置由高温高压系统、液压控制系统、回灌水体注入系统和数据采集处理系统构成；本实验装置自动化程度高，能够还原深部地层的温度和压力条件，增大了了岩石与液体的质量比，使岩石的质量大于液体质量，进一步接近实际地层的反应情况；实现了回灌情况下，地层深部水岩反应情况下的水流流动情况下的动态模拟，进一步水流速度可以通过气压调节，实现不同流速情况下的水岩反应；能够进行不同地层压力，不同温度与不同粒径岩石颗粒的动态水岩反应实验；通过气路的合理分配实现了回灌水体的自动混合；还能保证提供高压气压的同时不与实验用水反应及实验结果的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于水岩化学动力学技术领域，涉及深部地层高温高压条件下水体回灌的动态水岩相互作用模拟实验技术，具体涉及一种高温高压条件下动态水岩相互作用实验装置与方法。
背景技术
地下水是流动着的水流，它和周围介质不断的进行着物理的、力学的、化学的作用，而影响地下水流的性质和化学组成；同时，也对岩土介质状态产生影响，这些统称为水岩相互作用。岩溶即岩石的溶解与沉淀现象是水岩相互作用的一部分。近年来，随着地表湖水和地热尾水深层回灌技术的开发与利用，外来水体的入侵打破储层原本的水岩平衡，在储层中与岩石发生复杂的水岩相互作用，导致岩石的溶解或沉淀，由此引发的地下水水质问题和堵塞问题成为世界性难题。因此，合理预测回灌条件下，水与岩石相互作用过程中所发生的化学反应，反应后地下水化学成分的改变及岩石的溶解和沉淀趋势成为当务之急。
目前，模拟地层深部的室内水岩反应实验多通过高温高压反应釜和岩心流动仪来实现。高温高压反应釜能实现高温高压条件下水和岩石的静态反应，不能实现流动状态下水和岩石的反应情况，而且由于实验条件的限制，反应釜实验过程中，釜内水的质量大于岩石的质量，这与地层的实际条件大不相符，相当于将岩石的孔隙度扩大，不能很好的复原地层的真实条件。岩心流动仪利用恒温箱或高温高压岩心夹持器模拟地层温度，利用围压模拟地层压力，可以实现水与岩石的动态反应，但是岩心流动仪样品必须为柱状，不能针对松散岩类或岩石颗粒进行水岩反应试验。这样相当于模拟水在岩石裂隙中的反应，接触面积太小，反应不充分。可见现有水岩反应实验仪器不能实现真实地层条件下充分的，动态的水岩反应模拟，急需发明一种新的实验装置来解决以上问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置与方法，该实验装置与方法不仅能够还原深部地层的温度和压力条件，模拟回灌水体进入深部储层发生的动态水岩相互作用实验，而且能够进行不同压力，不同温度和不同粒径的岩石颗粒的动态水岩反应实验，实验用水分别可以是湖水，地热尾水或回灌水(湖水或地热尾水)和地层水按一定比例混合后的混合水。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置，由高温高压系统、液压控制系统、回灌水体注入系统和数据采集处理系统构成。
所述高温高压系统由恒温箱3、活塞杆4、固结活塞5、岩样夹持器6和支撑架7组成；所述岩样夹持器6具有一个容纳岩样的内腔，内腔的下方设置有下岩样桶固定器18，其底部的中心位置设置有回灌液体流进口181；固结活塞5的顶端与活塞杆4的底端相连，固结活塞5上设置有液体流出口23，固结活塞5通过与液压控制系统中液压动力机2相连的活塞杆4推动与内腔滑动配合对置于内腔中的岩样进行压力控制。
所述液压控制系统还包括电液伺服控制台1，其经过压力传感器P1连接到液压动力机2上，液压动力机2通过支撑架7安装在恒温箱3的上方，所述电液伺服控制台1与电脑17相连，通过电脑17输入加压参数控制电液伺服控制台1，进一步控制液压动力机2施加模拟的地层压力。
所述回灌水体注入系统是由气源8经开关K1、调压阀V2、气体压缩机10、储气罐9、开关K2和调压阀V3后分为三条气路。第一条气路与混合水储液容器13的进气口相连，液体经混合水储液容器13的出液口通过管线连接在模型系统的岩样夹持器6上；第二条气路与回灌水体储液容器11的进气口相连，回灌水体储液容器11中的液体经过出液口与混合水储液容器13相连；第三条气路与地层水储液容器12的进气口相连，地层水储液容器12中的液体经过出液口与混合水储液容器13相连；回灌水体储液容器11中装有回灌水体即湖水或地热尾水，地层水储液容器12中装有地层水，混合水储液容器13装有回灌水体和地层水按一定比例的混合水，可以实现回灌水体的回灌模拟，地层水的回灌模拟，回灌水体和地层水按一定比例混合下的模拟，且混合水储液容器13中设置搅拌器14，可使回灌水体和地层水混合充分。气体压缩机10压缩气源8的提供的气体，提供高压实验气体由储气罐9储存，通过调压阀V3的调节来提供不同气压。
所述数据采集系统由液体收集罐15、电子天平16、压力传感器P1、P2、P3、P4、位移显示表S、热电偶Ⅰ241、热电偶Ⅱ242、热电偶Ⅲ243、数据采集器171以及计算机17组成。反应后液体通过收集管道进入液体收集罐15中，电子天平16称量液体收集罐15内液体的质量；热电偶Ⅰ241安装在恒温箱3的内壁中；热电偶Ⅱ242和热电偶Ⅲ243分别置于固结活塞5内部和岩样桶固定器18内部；混合水储液容器13，回灌水体储液容器11和地层水储液容器12的入液口，以及液压动力机2的进液口处均设有压力传感器；位移显示表S安装在液压动力机2上监视液压动力机2的位移。所述热电偶Ⅰ241、热电偶Ⅱ242和热电偶Ⅲ243，压力传感器P1、压力传感器P2、压力传感器P3和压力传感器P4，电子天平16和位移显示表S分别与数据采集器171相连，数据采集器171与计算机17相连，实现数据的自动采集与处理。
进一步地，所述岩样夹持器6由下岩样桶固定器18、岩样桶19、上岩样桶固定器20和锁紧帽21组成。
下岩样桶固定器18呈下端封闭的环形圆柱桶状结构，其底部的中心位置设置有回灌液体流进口181，其外壁设置有螺纹，其内壁上设置有岩样桶限位台面182，下岩样桶固定器18的上端设置有封闭环形斜面183，用来与上岩样桶固定器20相连接。
岩样桶19呈圆环筒状，直径6.18cm，高18cm。其底端置于下岩样桶固定器的限位环形台面182上。
上岩样桶固定器20呈圆筒状结构，上岩样桶固定器20位于岩样桶19的外侧且上岩样桶固定器20的底端与下岩样桶固定器18上端的封闭环形斜面183连接,上岩样桶固定器20与下岩样桶固定器18的衔接封闭环形斜面183处设置有耐高温的密封圈201，上岩样桶固定器20的内壁上设置有岩样桶顶端的定位台阶面202，上岩样桶固定器20的外壁上设置有锁紧帽环形限位台面203。
锁紧帽21呈圆筒状结构位于下岩样桶固定器18和上岩样桶固定器20的外侧，锁紧帽21的上方设置环形压紧台面211，锁紧帽21的内壁底端上设置有螺纹，通过锁紧帽21螺纹上方的环形压紧台面211紧压在上岩样桶固定器外壁上的锁紧帽环形限位台面203上，与下岩样桶固定器18外壁上设置的螺纹拧合，实现对岩样桶19和上岩样桶固定器20的固定。
进一步地，所述固结活塞5与岩样夹持器6的内腔接触处设置有耐高温的止水圈22，增加密封性，防止液体渗漏。
进一步地，所述固结活塞5内还设置有用于安装热电偶Ⅱ242的穿孔，用于放置热电偶热电偶Ⅱ242；所述下岩样桶固定器18内部还设置有用于安装热电偶Ⅲ243的穿孔，用于放置热电偶Ⅲ243。
进一步地，恒温箱3的温度范围为室温至250℃，液压控制系统可给岩样加压的压力范围为0-12MPa。
进一步地，实验装置所有管线均采用耐高温的管线。
进一步地，所用气源8为惰性气体氮气，保证提供气压的同时不与实验用水反应，保证实验结果的可靠性。
进一步地，为保证回灌水体储液容器11，地层水储液容器12，混合水储液容器13内的气压供应，容器内的液体储量不易大于容器容量的2/3。
上述高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置的实验方法，包括以下步骤：
S1、准备目标粒度的岩屑或岩粒；
S2、在下岩样桶固定器18中放入透水石，铺一层已经用水浸湿的滤纸，在滤纸上放置岩样桶19，将处理好的岩屑或岩粒装入岩样桶19中，在岩样桶19上方铺一层已经用水浸湿的滤纸，放置透水石，放置上岩样桶固定器20，拧紧锁紧帽21，完成岩样的固定；
S3、接通电源，开通电脑17和电液伺服控制台1，在电脑17上输入控制参数，使电液伺服控制台1控制液压动力机2提供目标压力，使固结活塞5按照指定压力压紧在岩样夹持器6上；
S4、在回灌水体储液容器11和地层水储液容器12中分别放入回灌水体和地层水，打开气源8，气体压缩机10，开关K1、K2、K4、K5，通过调压阀设置气体提供压力至目标值，令回灌水体首先进入混合水储液容器13中，按照预先设定的回灌水体和地层水比例，当达到混合水储液容器13的相应刻度时，关闭开关K2、K4、K5；再打开K2、K6、K7，使地层水储液容器12中的地层水进入混合水储液容器13中，达到预定总量后，关闭K2、K6、K7，打开搅拌器14，使回灌水体和地层水充分混合，打开K2、K3、K9可以使液体进入岩样夹持器6中；根据不同的实验目的，也可以不经过混合水储液容器13的混合，当需要回灌水体直接回灌时，打开K2、K4、K5、K8、K9可直接令回灌水体进入岩样夹持器6中，当需要地层水直接回灌时，打开K2、K6、K7、K8、K9可直接令地层水进入岩样夹持器6中；在任意储液罐与岩样夹持器6连通时，可以通过调整调压阀V3调整液体流过岩样夹持器6的速度；
S5、开通数据采集器171，在电脑17上输入数据采集器171数据采集时间间隔；
S6、打开恒温箱3，设置恒温箱3的目标工作温度，当热电偶Ⅰ241、热电偶Ⅱ242和热电偶Ⅲ243的温度达到一致时，认为岩石颗粒温度达到目标温度；开始实验，按实验计划定时从液体收集罐15中取水样并按照水样储存的相关规范进行保存；
S7、实验结束后保存数据，使固结活塞5回复至实验初始位置，关闭数据采采集器171和计算机17。关闭电液伺服控制台1开关，关闭恒温箱3，关闭气源开关K2，回灌水体储液容器11，地层水储液容器12，混合水储液容器13出液开关，打开泄压阀X2，X3卸掉固结压力和水头压力，然后取出岩样夹持器6，将岩样取出并保存，岩样样夹持器6洗净擦干，液体收集罐15倒掉洗净；
S8、实验结束，对取出的水样进行水化学测试；对取出的岩样进行XRD、XRF及扫描电镜等分析，即可研究深部地层高温高压条件下水体回灌的动态水岩相互作用。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)实验装置能够还原深部地层的温度和压力条件，增大了了岩石与液体的质量比，使岩石的质量大于液体质量，进一步接近实际地层的反应情况。
(2)实现了回灌情况下，地层深部水岩反应情况下的水流流动情况下的动态模拟，进一步水流速度可以通过气压调节，实现不同流速情况下的水岩反应。
(3)能够进行不同地层压力，不同温度与不同粒径岩石颗粒的动态水岩反应实验，有益于科学实验研究。
(4)通过气路的合理分配实现了回灌水体的自动混合。实验用水可以是湖水，地热尾水或回灌水和地层水按一定比例混合后的混合水。
(5)提供气压的气源为惰性气体氮气，并且通过气体压缩机压缩为高压气体，保证提供高压气压的同时不与实验用水反应，保证实验结果的可靠性。
(6)实验装置自动化程度高，通过计算机控制数据采集与固结压力。
附图说明
图1为高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置的系统图；
图2为高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置的模型系统的剖面图。
1.电液伺服控制台 2.液压动力机 3.恒温箱 4.活塞杆 5.固结活塞 6.岩样夹持器 7.支撑架 8.气源 9.储气容器 10.气体压缩机 11.回灌水体储液容器 12.地层水储液容器 13.混合水储液容器 14.搅拌器 15.液体收集罐 16.电子天平 17.计算机 171.数据采集器 18.下岩样桶固定器 181.回灌液体流进口 182.岩样桶限位台面 183.封闭环形斜面 19.岩样桶 20.上岩样桶固定器 201.耐高温的密封圈 202.岩样桶顶端的定位台阶面203.锁紧帽环形限位台面 21.锁紧帽 211.环形压紧台面 22.耐高温的止水圈 23.液体流出口 241.热电偶Ⅰ 242.热电偶Ⅱ 243.热电偶Ⅲ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
一种高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置，由高温高压系统、液压控制系统、回灌水体注入系统和数据采集处理系统构成。
所述高温高压系统由恒温箱3、活塞杆4、固结活塞5、岩样夹持器6和支撑架7组成。恒温箱3的温度范围为室温至250℃。
所述岩样夹持器6由下岩样桶固定器18、岩样桶19、上岩样桶固定器20和锁紧帽21组成，岩样夹持器6具有一个容纳岩样的内腔，内腔的下方设置有下岩样桶固定器18，其呈下端封闭的环形圆柱桶状结构，其底部的中心位置设置有回灌液体流进口181，其外壁设置有螺纹，其内壁上设置有岩样桶限位台面182，下岩样桶固定器18的上端设置有封闭环形斜面183，用来与上岩样桶固定器20相连接。岩样桶19呈圆环筒状，其底端置于下岩样桶固定器的限位环形台面182上。上岩样桶固定器20呈圆筒状结构，上岩样桶固定器20位于岩样桶19的外侧且上岩样桶固定器20的底端与下岩样桶固定器18上端的封闭环形斜面183连接,上岩样桶固定器20与下岩样桶固定器18的衔接封闭环形斜面183处设置有耐高温的密封圈201，上岩样桶固定器20的内壁上设置有岩样桶顶端的定位台阶面202，上岩样桶固定器20的外壁上设置有锁紧帽环形限位台面203。锁紧帽21呈圆筒状结构位于下岩样桶固定器18和上岩样桶固定器20的外侧，锁紧帽21的上方设置环形压紧台面211，锁紧帽21的内壁底端上设置有螺纹，通过锁紧帽21螺纹上方的环形压紧台面211紧压在上岩样桶固定器外壁上的锁紧帽环形限位台面203上，与下岩样桶固定器18外壁上设置的螺纹拧合，实现对岩样桶19和上岩样桶固定器20的固定。所述下岩样桶固定器18内部还设置有用于安装热电偶Ⅲ243的穿孔，用于放置热电偶Ⅲ243。
所述固结活塞5的顶端与活塞杆4的底端相连，固结活塞5上设置有液体流出口23，固结活塞5与岩样夹持器6的内腔接触处设置有耐高温的止水圈22，增加密封性，防止液体渗漏。固结活塞5内还设置有用于安装热电偶Ⅱ242的穿孔，用于放置热电偶热电偶Ⅱ242。固结活塞5通过与液压控制系统中液压动力机2相连的活塞杆4推动与内腔滑动配合对置于内腔中的岩样进行压力控制。
所述液压控制系统还包括电液伺服控制台1，其经过压力传感器P1连接到液压动力机2上，液压动力机2通过支撑架7安装在恒温箱3的上方，所述电液伺服控制台1与电脑17相连，通过电脑17输入加压参数控制电液伺服控制台1，进一步控制液压动力机2施加模拟的地层压力。液压控制系统可给岩样加压的压力范围为0-12MPa。
所述回灌水体注入系统是由气源8经开关K1、调压阀V2、气体压缩机10、储气罐9、开关K2和调压阀V3后分为三条气路。第一条气路与混合水储液容器13的进气口相连，液体经混合水储液容器13的出液口通过管线连接在模型系统的岩样夹持器6上；第二条气路与回灌水体储液容器11的进气口相连，回灌水体储液容器11中的液体经过出液口与混合水储液容器13相连；第三条气路与地层水储液容器12的进气口相连，地层水储液容器12中的液体经过出液口与混合水储液容器13相连；回灌水体储液容器11中装有回灌水体即湖水或地热尾水，地层水储液容器12中装有地层水，混合水储液容器13装有回灌水体和地层水按一定比例的混合水，可以实现回灌水体的回灌模拟，地层水的回灌模拟，回灌水体和地层水按一定比例混合下的模拟，且混合水储液容器13中设置搅拌器14，可使回灌水体和地层水混合充分。气体压缩机10压缩气源8的提供的气体，提供高压实验气体由储气罐9储存，通过调压阀V3的调节保证高压气压的提供。所用气源8为惰性气体氮气，保证提供气压的同时不与实验用水反应，保证实验结果的可靠性。为保证回灌水体储液容器11，地层水储液容器12，混合水储液容器13内的气压供应，容器内的液体储量不易大于容器容量的2/3。
所述数据采集系统由液体收集罐15、电子天平16、压力传感器P1、P2、P3、P4、位移显示表S、热电偶Ⅰ241、热电偶Ⅱ242、热电偶Ⅲ243、数据采集器171以及计算机17组成。反应后液体通过收集管道进入液体收集罐15中，电子天平16称量液体收集罐15内液体的质量；热电偶Ⅰ241安装在恒温箱3的内壁中；热电偶Ⅱ242和热电偶Ⅲ243分别置于固结活塞5内部和岩样桶固定器18内部；混合水储液容器13，回灌水体储液容器11和地层水储液容器12的入液口，以及液压动力机2的进液口处均设有压力传感器；位移显示表S安装在液压动力机2上监视液压动力机2的位移。所述热电偶Ⅰ241、热电偶Ⅱ242和热电偶Ⅲ243，压力传感器P1、压力传感器P2、压力传感器P3和压力传感器P4，电子天平16和位移显示表S分别与数据采集器171相连，数据采集器171与计算机17相连，实现数据的自动采集与处理。
实验装置所有管线均采用耐高温的管线。
上述高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置的实验方法，包括以下步骤：
S1、准备目标粒度的岩屑或岩粒；
S2、在下岩样桶固定器18中放入透水石，铺一层已经用水浸湿的滤纸，在滤纸上放置岩样桶19，将处理好的岩屑或岩粒装入岩样桶19中，在岩样桶19上方铺一层已经用水浸湿的滤纸，放置透水石，放置上岩样桶固定器20，拧紧锁紧帽21，完成岩样的固定；
S3、接通电源，开通电脑17和电液伺服控制台1，在电脑17上输入控制参数，使电液伺服控制台1控制液压动力机2提供目标压力，使固结活塞5按照指定压力压紧在岩样夹持器6上；
S4、在回灌水体储液容器11和地层水储液容器12中分别放入回灌水体和地层水，打开气源8，气体压缩机10，开关K1、K2、K4、K5，通过调压阀设置气体提供压力至目标值，令回灌水体首先进入混合水储液容器13中，按照预先设定的回灌水体和地层水比例，当达到混合水储液容器13的相应刻度时，关闭开关K2、K4、K5；再打开K2、K6、K7，使地层水储液容器12中的地层水进入混合水储液容器13中，达到预定总量后，关闭K2、K6、K7，打开搅拌器14，使回灌水体和地层水充分混合，打开K2、K3、K9可以使液体进入岩样夹持器6中；根据不同的实验目的，也可以不经过混合水储液容器13的混合，当需要回灌水体直接回灌时，打开K2、K4、K5、K8、K9可直接令回灌水体进入岩样夹持器6中，当需要地层水直接回灌时，打开K2、K6、K7、K8、K9可直接令地层水进入岩样夹持器6中；在任意储液罐与岩样夹持器6连通时，可以通过调整调压阀V3调整液体流过岩样夹持器6的速度；
S5、开通数据采集器171，在电脑17上输入数据采集器171数据采集时间间隔；
S6、打开恒温箱3，设置恒温箱3的目标工作温度，当热电偶Ⅰ241、热电偶Ⅱ242和热电偶Ⅲ243的温度达到一致时，认为岩石颗粒温度达到目标温度；开始实验，按实验计划定时从液体收集罐15中取水样并按照水样储存的相关规范进行保存；
S7、实验结束后保存数据，使固结活塞5回复至实验初始位置，关闭数据采采集器171和计算机17。关闭电液伺服控制台1开关，关闭恒温箱3，关闭气源开关K2，回灌水体储液容器11，地层水储液容器12，混合水储液容器13出液开关，打开泄压阀X2，X3卸掉固结压力和水头压力，然后取出岩样夹持器6，将岩样取出并保存，岩样样夹持器6洗净擦干，液体收集罐15倒掉洗净；
S8、实验结束，对取出的水样进行水化学测试；对取出的岩样进行XRD、XRF及扫描电镜等分析，即可研究深部地层高温高压条件下水体回灌的动态水岩相互作用。
实施例1
以天津潘庄为研究区，岩样采用2000m深处的钻井岩屑，模拟东丽湖水的回灌情况，以湖水和地层水体积比为1:1的混合水作为回灌水体进行实验。
1.准备天津潘庄地区2000米处雾迷山组钻井岩屑。
2.在下岩样桶固定器18中放入透水石，铺一层浸湿的滤纸，在滤纸上放置岩样桶19，将处理好的岩屑装入岩样桶19中，在岩样桶19上方铺一层浸湿的滤纸，放置透水石，放置上岩样桶固定器20，拧紧锁紧帽21，完成岩样的固定。
3.接通电源，开通电脑17和电液伺服控制台1，在电脑17上输入控制参数，使电液伺服控制台1控制液压动力机2提供目标压力，使压力达到2000米处的地层压力12MPa，使固结活塞5按照指定压力压紧在岩样夹持器6上。
4.按照回灌水体，此处为湖水与地层水1:1的比例回灌，在回灌水体储液容器11和地层水储液容器12中分别放入湖水和地层水，打开气源8，气体压缩机10，开关K1、K2、K4、K5令湖水首先进入混合水储液容器13中，当达到混合水储液容器13的相应刻度时，关闭开关K2，K4，K5，再打开K2，K6，K7，使地层水储液容器中的地层水进入混合水储液容器13中，达到预定总量后，关闭K2，K6，K7，打开搅拌器14，使回灌水体和地层水充分混合，打开K2，K3，K9，使液体进入岩样夹持器6中，通过调整调压阀V3改变液体流过岩样夹持器6的速度。
5.开通数据采集器171，在电脑17上输入数据采集器171数据采集时间间隔。
6.打开恒温箱3，设置恒温箱3的目标工作温度，将温度设置成目标温度，此处地层温度为90℃，当计算机17显示热电偶241～243的温度达到90℃时，认为岩石颗粒温度达到目标温度，开始实验，每2小时从液体收集罐15中取水样并按照水样储存的相关规范进行保存。
7.实验结束后保存数据，使固结活塞5回复至实验初始位置，关闭数据采集器171和计算机17。关闭电液伺服控制台1开关，关闭恒温箱3，关闭气源开关K2，回灌水体储液容器11，地层水储液容器12，混合水储液容器13出液开关，打开泄压阀X2，X3卸掉固结压力和水头压力，然后取出岩样夹持器6，将岩样取出并保存，岩样样夹持器6洗净擦干。液体收集罐15倒掉洗净。
8.实验结束，对取出的水样进行水化学测试；对取出的岩样进行XRD、XRF及扫描电镜等分析，即可研究深部地层高温高压条件下水体回灌的动态水岩相互作用。
实施例2
以天津潘庄为研究区，岩样采用2000m深处的钻井岩屑，模拟东丽湖水的回灌情况，以湖水作为回灌水体进行实验。
1.准备天津潘庄地区2000米处雾迷山组钻井岩屑。
2.在下岩样桶固定器18中放入透水石，铺一层浸湿的滤纸，在滤纸上放置岩样桶19，将处理好的岩屑装入岩样桶19中，在岩样桶19上方铺一层浸湿的滤纸，放置透水石，放置上岩样桶固定器20，拧紧锁紧帽21，完成岩样的固定。
3.接通电源，开通电脑17和电液伺服控制台1，在电脑17上输入控制参数，使电液伺服控制台1控制液压动力机2提供目标压力，使压力达到2000米处的地层压力12MPa，使固结活塞5按照指定压力压紧在岩样夹持器6上。
4.使湖水直接回灌，打开K2，K4，K5，K8，K9,可直接令湖水进入岩样夹持器6中，通过调整调压阀V3改变液体流过岩样夹持器6的速度。
5.开通数据采集器171，在电脑17上输入数据采集器171数据采集时间间隔。
6.打开恒温箱3，设置恒温箱3的目标工作温度，将温度设置成目标温度，此处地层温度为90℃，当计算机17显示热电偶241～243的温度达到90℃时，认为岩石颗粒温度达到目标温度，开始实验，每2小时从液体收集罐15中取水样并按照水样储存的相关规范进行保存。
7.实验结束后保存数据，使固结活塞5回复至实验初始位置，关闭数据采集箱17-1和计算机17。关闭电液伺服控制台1开关，关闭恒温箱3，关闭气源开关K2，回灌水体储液容器11，地层水储液容器12，混合水储液容器13出液开关，打开泄压阀X2，X3卸掉固结压力和水头压力，然后取出岩样夹持器6，将岩样取出并保存，岩样样夹持器6洗净擦干。液体收集罐15倒掉洗净。
8.实验结束，对取出的水样进行水化学测试；对取出的岩样进行XRD、XRF及扫描电镜等分析，即可研究深部地层高温高压条件下水体回灌的动态水岩相互作用。
Claims (10)
1.一种高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置，其特征在于：由高温高压系统、液压控制系统、回灌水体注入系统和数据采集处理系统构成；
所述高温高压系统由恒温箱(3)、活塞杆(4)、顶端与活塞杆(4)的底端相连的固结活塞(5)、岩样夹持器(6)和支撑架(7)组成；岩样夹持器(6)具有一个容纳岩样的内腔，内腔的下方设置有下岩样桶固定器(18)，其底部的中心位置设置有回灌液体流进口(181)，固结活塞(5)上设置有液体流出口(23)，固结活塞(5)通过与液压控制系统中液压动力机(2)相连的活塞杆(4)推动与内腔滑动配合对置于内腔中的岩样进行压力控制，液压动力机(2)通过支撑架(7)安装在恒温箱(3)的上方；
所述液压控制系统还包括经压力传感器P1与液压动力机(2)相连的电液伺服控制台(1)，其与电脑(17)相连，通过电脑(17)输入加压参数控制电液伺服控制台(1)，进一步控制液压动力机(2)施加模拟的地层压力；
所述回灌水体注入系统是由气源(8)经开关K1、调压阀V2、气体压缩机(10)、储气罐(9)、开关K2和调压阀V3后分为三条气路；第一条气路与混合水储液容器(13)的进气口相连，液体经混合水储液容器(13)的出液口通过管线连接在岩样夹持器(6)上；第二条气路与回灌水体储液容器(11)的进气口相连，回灌水体储液容器(11)中的液体经过出液口与混合水储液容器(13)相连；第三条气路与地层水储液容器(12)的进气口相连，地层水储液容器(12)中的液体经过出液口与混合水储液容器(13)相连；
所述数据采集系统由液体收集罐(15)、计算机(17)、与计算机(17)相连的数据采集器(171)以及分别与数据采集器(171)相连的安装在恒温箱(3)中的热电偶Ⅰ(241)、设置于固结活塞(5)内部的热电偶Ⅱ(242)、设置于岩样桶固定器(18)内部的热电偶Ⅲ(243)、四个压力传感器、电子天平(16)以及安装在液压动力机(2)上的位移显示表S组成。
2.根据权利要求1所述的一种高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置，其特征在于：所述岩样夹持器(6)还包括岩样桶(19)、上岩样桶固定器(20)和锁紧帽(21)；
所述下岩样桶固定器(18)呈下端封闭的环形圆柱桶状结构，其外壁设置有螺纹，其内壁上设置有岩样桶限位台面(182)，下岩样桶固定器(18)的上端设置有封闭环形斜面(183)；
所述岩样桶(19)呈圆环筒状，其底端置于下岩样桶固定器的限位环形台面(182)上；
所述上岩样桶固定器(20)呈圆筒状结构，上岩样桶固定器(20)位于岩样桶(19)的外侧且上岩样桶固定器(20)的底端与下岩样桶固定器(18)上端的封闭环形斜面(183)连接，上岩样桶固定器(20)与下岩样桶固定器(18)的衔接封闭环形斜面(183)处设置有耐高温的密封圈(201)，上岩样桶固定器(20)的内壁上设置有岩样桶顶端的定位台阶面(202)，上岩样桶固定器(20)的外壁上设置有锁紧帽环形限位台面(203)；
所述锁紧帽(21)呈圆筒状结构位于下岩样桶固定器(18)和上岩样桶固定器(20)的外侧，锁紧帽(21)的上方设置环形压紧台面(211)，锁紧帽(21)的内壁底端上设置有螺纹，通过锁紧帽(21)螺纹上方的环形压紧台面(211)紧压在上岩样桶固定器外壁上的锁紧帽环形限位台面(203)上，与下岩样桶固定器(18)外壁上设置的螺纹拧合。
3.根据权利要求1所述的一种高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置，其特征在于：所述固结活塞(5)与岩样夹持器(6)的内腔接触处设置有耐高温的止水圈(22)。
4.根据权利要求3所述的一种高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置，其特征在于：所述固结活塞(5)内还设置有用于安装热电偶Ⅱ(242)的穿孔，下岩样桶固定器(18)内部还设置有用于安装热电偶Ⅲ(243)的穿孔。
5.根据权利要求1所述的一种高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置，其特征在于：所述四个压力传感器分别设置在混合水储液容器(13)、回灌水体储液容器(11)和地层水储液容器(12)的入液口，以及液压动力机(2)的进液口处。
6.根据权利要求1所述的一种高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置，其特征在于：恒温箱(3)的温度范围为室温至250℃，液压控制系统能够给岩样加压的压力范围为0-12MPa。
7.根据权利要求1所述的一种高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置，其特征在于：所用气源(8)为惰性气体氮气。
8.根据权利要求1所述的一种高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置，其特征在于：所述回灌水体储液容器(11)中装有回灌水体即湖水或地热尾水，地层水储液容器(12)中装有地层水，混合水储液容器(13)装有回灌水体和地层水的混合水，且混合水储液容器(13)中设置搅拌器(14)，回灌水体储液容器(11)、地层水储液容器(12)和混合水储液容器(13)内的液体储量不易大于容器容量的2/3。
9.根据权利要求1所述的一种高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备目标粒度的岩屑或岩粒；
S2、在下岩样桶固定器(18)中放入透水石，铺一层已经用水浸湿的滤纸，在滤纸上放置岩样桶(19)，将处理好的岩屑或岩粒装入岩样桶(19)中，在岩样桶(19)上方铺一层已经用水浸湿的滤纸，放置透水石，放置上岩样桶固定器(20)，拧紧锁紧帽(21)，完成岩样的固定；
S3、接通电源，开通电脑(17)和电液伺服控制台(1)，在电脑(17)上输入控制参数，使电液伺服控制台(1)控制液压动力机(2)提供目标压力，使固结活塞(5)按照指定压力压紧在岩样夹持器(6)上；
S4、在回灌水体储液容器(11)和地层水储液容器(12)中分别放入回灌水体和地层水，打开气源(8)、气体压缩机(10)、开关K1、K2、K4和K5，通过调压阀设置气体提供压力至目标值，令回灌水体首先进入混合水储液容器(13)中，按照预先设定的回灌水体和地层水比例，当达到混合水储液容器(13)的相应刻度时，关闭开关K2、K4、K5；再打开K2、K6、K7，使地层水储液容器(12)中的地层水进入混合水储液容器(13)中，达到预定总量后，关闭K2、K6、K7，打开搅拌器(14)，使回灌水体和地层水充分混合，打开K2、K3、K9可以使液体进入岩样夹持器(6)中；
S5、开通数据采集器(171)，在电脑(17)上输入数据采集器(171)数据采集时间间隔；
S6、打开恒温箱(3)，设置恒温箱(3)的目标工作温度，当热电偶Ⅰ(241)、热电偶Ⅱ(242)和热电偶Ⅲ(243)的温度达到一致时，认为岩石颗粒温度达到目标温度；开始实验，按实验计划定时从液体收集罐(15)中取水样并按照水样储存的相关规范进行保存；
S7、实验结束后保存数据，使固结活塞(5)回复至实验初始位置，关闭数据采集器(171)和计算机(17)，关闭电液伺服控制台(1)开关，关闭恒温箱(3)，关闭气源开关K2，回灌水体储液容器(11)，地层水储液容器(12)，混合水储液容器(13)出液开关，打开泄压阀X2，X3卸掉固结压力和水头压力，然后取出岩样夹持器(6)，将岩样取出并保存，岩样样夹持器(6)洗净擦干，液体收集罐(15)倒掉洗净；
S8、实验结束，对取出的水样进行水化学测试；对取出的岩样进行XRD、XRF及扫描电镜等分析，即可研究深部地层高温高压条件下水体回灌的动态水岩相互作用。
10.根据权利要求9所述的一种高温高压条件下的动态水岩相互作用实验装置的实验方法，其特征在于：步骤S4，不经过混合水储液容器(13)的混合，当需要回灌水体直接回灌时，打开K2、K4、K5、K8、K9可直接令回灌水体进入岩样夹持器(6)中，当需要地层水直接回灌时，打开K2、K6、K7、K8、K9可直接令地层水进入岩样夹持器(6)中；在任意储液罐与岩样夹持器(6)连通时，通过调整调压阀V3改变液体流过岩样夹持器(6)的速度。
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Inventor after: Feng Bo Inventor after: Song Dan Inventor after: Chen Mingtao Inventor after: Xu Tianfu Inventor after: Li Qinglin Inventor after: Jiang Zhenjiao Inventor after: Feng Guanhong Inventor before: Feng Bo Inventor before: Song Dan Inventor before: Chen Mingtao Inventor before: Xu Tianfu Inventor before: Li Qinglin |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |