CN109596497B - 模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验装置及方法，该装置包括地层模型承载器、流体供给体系、动力源、加压器、供热系统、参数传感器、处理与统计系统；本发明还公开了一种模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验方法。本发明能够在建立沉积体模型的基础上，通过调节上覆压力、孔间流体性质、动力震动方式、温度等条件，模拟获取孔间流体压力变化、砂体流化、致密围岩破裂侵入等现象，能够在各种参数和现象的统计分析中揭示砂岩侵入体的形成机制和控制因素。

Description

模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验装置及方法
技术领域
本发明属于地质勘探技术领域，涉及一种模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验装置及方法。
背景技术
油气作为工业社会的血液，已经成为我们生活各个角落的必需品，同时作为主要的化石能源一直没有找到合适的替代能源。随着国内外油气勘探开发步伐地不断推进，易于寻找的石油和天然气资源已经发现殆尽，隐蔽油气藏成为21世纪油气勘探的主要目标领域。截至目前，岩性、地层等成因圈闭勘探已经发展了近20年，新型的隐蔽圈闭类型一直没有新突破，寻找新型储层与圈闭已经迫在眉睫。
砂岩侵入体是由沉积后的砂岩再活动并侵入到周围地层中形成的一种特殊砂体，有砂岩岩脉和岩床等多种表现形式。砂岩侵入体作为一种孤立砂体，在含油气盆地中具有重大的现实勘探意义，目前国外沉积盆地中发现了多处大规模砂岩侵入类型油气藏，而再过内南海珠江口盆地等油气勘探区域也发现了砂岩侵入异常反射体，这些砂岩侵入现象的发现为石油天然气勘探提供了新的契机。
砂体的液化侵入机制以及砂岩侵入体分布规律仍在探索之中。目前，相关学者常用的资料为地球物理数据和岩心露头数据，从地震数据可以获取砂岩侵入体的宏观结构；岩心露头数据则可以为大家进行砂体细节特征。但是两种静态研究方法很难从机理上认识砂体液化-侵入的过程，物理模拟和数值模拟在动态过程认识方面可以进行有益补充。目前，砂体侵入模拟还仅限于简单的物理模拟阶段，国外比较成功的物理模拟案例为以N.Rodrigues为代表的砂箱模拟实验和以D.Bureau为代表的砂箱模拟装置，这两种装置均对砂岩侵入的形成过程进行了物理过程模拟，简单模拟出了砂岩侵入、喷出的各种形态特征。但是，这两种模拟装置过于简单，涉及的模拟参数过于简单，模拟条件过于理想化，缺少许多关键参数的获取，使得实验存在重大缺陷，例如没有变更孔间流体性质、没有设置动力方式而是仅仅通过高压流体变相获得模拟现象等，对于形成过程极其复杂的砂岩侵入现象不能进行有效表征。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，在增加各种关键参数获取途径的基础上，设计了一台用于模拟砂体液化-侵入触发机制与形成过程的实验模拟装置。这台仪器能够在建立沉积体模型的基础上，通过调节上覆压力、孔间流体性质、动力震动方式、温度等条件，模拟获取孔间流体压力变化、砂体流化、致密围岩破裂侵入等现象，能够在各种参数和现象的统计分析中揭示砂岩侵入体的形成机制和控制因素。
其具体技术方案为：
一种模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验装置，包括地层模型承载器、流体供给体系、动力源、加压器、供热系统、参数传感器、处理与统计系统；
地层模型承载器，主要为高强度透明容器，内部顶部活塞、底部活塞、上加热层、下加热层和模拟地层(上部泥质层模型、砂质层模型、下部泥质层模型)，是实验地层模型的承载容器，模拟地层可由不同性质、不同粒度的颗粒组成进行配比；
流体供给体系主要包括液体配比容器和输液管，它的作用为地层模型提供各种性质的混合物流体；
动力源，主要为振动台，可以提供不同强度、频率、震动方向等性质的动力；
加压器，包括纵向加压杆、横向加压杆，受处理系统PU控制加压，为实验地层提供大小不同、方向不同的压力，模拟真实地层的上覆岩层压力；
加热系统包括上加热层、下加热层，受处理系统PU控制加热，为地层模型提供不同温度环境，仿真不同深度、温度不同的地质环境；
参数传感器主要由温度传感器、压力传感器、盐度传感器、粘度传感器组成，为处理系统PU输送主要条件参数，主要测量地层模型不同深度段的孔隙流体压力、流体盐度、流体粘度、地层温度等参数；
处理与统计系统，主要包括数据变送器、处理系统PU和微机，数据变送器用于收集各类模拟参数，处理系统PU主要负责条件参数的收集和对加压器、加热系统的控制，微机负责数据的处理和对比。
进一步，不同性质颗粒为石英、长石、黏土。配比方案12个
方案1：颗粒直径为0.5mm的石英颗粒100％；
方案2：颗粒直径为0.5mm的石英颗粒75％、长石颗粒25％；
方案3：颗粒直径为0.5mm的石英颗粒70％、长石颗粒20％，另外蒙脱石粘土含量10％；
方案4：颗粒直径为0.2mm的石英颗粒100％；
方案5：颗粒直径为0.2mm的石英颗粒75％、长石颗粒25％；
方案6：颗粒直径为0.2mm的石英颗粒70％、长石颗粒20％，另外蒙脱石粘土含量10％；
方案7：颗粒直径为0.05mm的石英颗粒100％；
方案8：颗粒直径为0.05mm的石英颗粒75％、长石颗粒25％；
方案9：颗粒直径为0.05mm的石英颗粒70％、长石颗粒20％，另外蒙脱石粘土含量10％；
方案10：颗粒直径为0.01mm的石英颗粒100％；
方案11：颗粒直径为0.01mm的石英颗粒75％、长石颗粒25％；
方案12：颗粒直径为0.01mm的石英颗粒70％、长石颗粒20％，另外蒙脱石粘土含量10％；
进一步，所述混合物流体包括矿化水、油。
一种模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验方法，包括以下步骤：
①地层模型装载，根据实验要求装载成分不同的上部泥质层模型、砂质层模型、下部泥质层模型；
②初步压实，按照初始设置的压力进行纵向加压、横向加压；
③配置不同配比和性质的流体混合体，并充注入砂层中，之后粘度、盐度传感器实时记录变化；
④纵向加压杆施加高压压实，横向加压杆同时施压，之后压力传感器实时记录孔隙流体压力；
⑤加热至既定温度(温度传感器显示)；
⑥设置振动台垂向、横向的传动方式和频率、强度；
⑦实时观测地层模型中砂体变化并读取相应的流体温度、压力、粘度、盐度参数，根据数据变化控制加压或加热；
⑧实时观测砂体流化、液化及侵入的方式、过程、形态，对液化-侵入过程进行阶段划分，并分析各种现象与孔隙流体压力变化间的关系；
⑨将整个实验过程的数据进行统计分析，统计分析液化-侵入不同阶段、孔隙流体压力变化等参数与颗粒成分与组成、孔隙流体性质(粘度、成分及组成)、温度、含水饱和度、上覆岩层压力、动力方式(频率、强度、方向、时间)之间的关系，厘定砂体液化的形成过程，探明砂体液化的主要控制因素。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明能够在建立沉积体模型的基础上，通过调节上覆压力、孔间流体性质、动力震动方式、温度等条件，模拟获取孔间流体压力变化、砂体流化、致密围岩破裂侵入等现象，能够在各种参数和现象的统计分析中揭示砂岩侵入体的形成机制和控制因素。
附图说明
图1为模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
参照图1，一种模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验装置，包括地层模型承载器、流体供给体系、动力源、加压器、供热系统、参数传感器、处理与统计系统；
地层模型承载器，主要包括高强度透明容器6、顶部活塞、底部活塞、上加热层、下加热层和模拟地层(上部泥质层模型9、砂质层模型、下部泥质层模型)，是实验地层模型的承载容器，实验岩层可由不同性质、不同粒度的颗粒组成(不同性质颗粒为石英、长石、黏土等)进行配比；高强度透明容器6由长方体高强度钢化玻璃组成，上下镂空，左侧为局部方形镂空，底部为固定的活塞，顶部为可以上下滑动的活塞，顶部活塞之下和底部活塞之上均有1个可以传递压力的加热层，即上加热层和下加热层(加热层左侧为刚性，右侧为弹性可传递压力)，高强度透明容器6左侧镂空由防砂塞封堵，防砂塞、上加热层、下加热层以及高强度透明容器6之间放置模拟地层，从下往上依次上部上部泥质层模型9、砂质层模型10、下部泥质层模型11。
流体供给体系主要包括液体配比容器1和输液管2，它的作用为地层模型提供各种性质的混合物流体(矿化水、油及各种混合物)；
液体配比容器1为透明玻璃容器之下由输液管2穿透防砂塞与砂质层模型10相连，防砂塞左侧的输液管2上安置输液阀门4；
动力源，主要为振动台13，可以提供不同强度、频率、震动方向等性质的动力；
振动台13位于高强度透明容器6下方，与底部活塞15为固定连接。
加压器包括纵向加压杆7、横向加压杆3，受处理系统PU控制加压，为实验地层提供大小不同、方向不同的压力，模拟真实地层的上覆岩层压力；
纵向加压杆7位于顶部活塞14之上，为固定连接，与处理系统PU之间由单向数据线连接，用于接收控制；横向加压杆3位于防砂塞5左侧，并与其固定连接，与处理系统PU之间由单向数据线连接，用于接收控制。
加热系统包括上加热层8、下加热层12，受处理系统PU控制加热，为地层模型提供不同温度环境，仿真不同深度、温度不同的地质环境；
上加热层8和下加热层12分别通过单向数据线与处理系统PU连接并接收其控制；
参数传感器主要由温度传感器19、压力传感器20、盐度传感器21、粘度传感器22组成，主要测量地层模型不同深度段的孔隙流体压力、流体盐度、流体粘度、地层温度等参数，并向处理系统PU输送主要参数数据；
温度传感器19、压力传感器20、盐度传感器21、粘度传感器22分别通过单向数据线与数据变送器16连接，并向其传输实时数据；
处理与统计系统主要包括数据变送器16、处理系统PU和微机18，数据变送器16用于收集各类模拟参数，处理系统PU主要负责条件参数的收集和对加压器、加热系统的控制，微机18负责数据的处理和对比。
处理系统PU17通过单向数据线与数据变送器16相连，并接收其传输的数据；处理系统PU通过单向数据线与纵向加压杆、横向加压杆、上加热层和下加热层相连，控制它们的行为；通过双向数据线与微机18相连，向其传输数据并接收相关指令。
一种模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验方法，包括以下步骤：
①地层模型装载，根据实验要求装载成分不同的上部泥质层模型、砂质层模型、下部泥质层模型；
②初步压实，按照初始设置的压力进行纵向加压、横向加压；
③配置不同配比和性质的流体混合体，并充注入砂层中，之后粘度、盐度传感器21实时记录变化；
④纵向加压杆施加高压压实，横向加压杆同时施压，之后压力传感器20实时记录孔隙流体压力；
⑤加热至既定温度(温度传感器19显示)；
⑥设置振动台垂向、横向的传动方式和频率、强度；
⑦实时观测地层模型中砂体变化并读取相应的流体温度、压力、粘度、盐度参数，根据数据变化控制加压或加热；
⑧实时观测砂体流化、液化及侵入的方式、过程、形态，对液化-侵入过程进行阶段划分，并分析各种现象与孔隙流体压力变化间的关系；
⑨将整个实验过程的数据进行统计分析，统计分析液化-侵入不同阶段、孔隙流体压力变化等参数与颗粒成分与组成、孔隙流体性质(粘度、成分及组成)、温度、含水饱和度、上覆岩层压力、动力方式(频率、强度、方向、时间)之间的关系，厘定砂体液化的形成过程，探明砂体液化的主要控制因素。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验装置，其特征在于，包括地层模型承载器、流体供给体系、动力源、加压器、供热系统、参数传感器和处理与统计系统；
地层模型承载器包括高强度透明容器，以及位于高强度透明容器内的内部顶部活塞、底部活塞、上加热层、下加热层和模拟地层，是实验地层模型的承载容器，模拟地层由不同性质、不同粒度的颗粒组成进行配比，所述模拟地层包括上部泥质层模型、砂质层模型、下部泥质层模型；高强度透明容器左侧镂空由防砂塞封堵，防砂塞、上加热层、下加热层以及高强度透明容器之间放置模拟地层，从下往上依次为上部泥质层模型、砂质层模型、下部泥质层模型，顶部活塞之下和底部活塞之上设有上加热层和下加热层；
流体供给体系包括液体配比容器和输液管，液体配比容器由输液管穿透防砂塞与砂质层模型相连；
动力源，包括振动台，用于提供不同强度、频率、振 动方向的动力；振动台位于高强度透明容器下方，与底部活塞为固定连接；
加压器，包括纵向加压杆、横向加压杆，受处理系统PU控制加压，为实验地层提供大小不同、方向不同的压力，模拟真实地层的上覆岩层压力；
加热系统包括上加热层、下加热层，受处理系统PU控制加热，为地层模型提供不同温度环境，仿真不同深度、温度不同的地质环境；
参数传感器由温度传感器、压力传感器、盐度传感器、粘度传感器组成，为处理系统PU输送条件参数，测量地层模型不同深度段的孔隙流体压力、流体盐度、流体粘度、地层温度；
处理与统计系统，包括数据变送器、处理系统PU和微机，数据变送器用于收集各类模拟参数，处理系统PU负责条件参数的收集和对加压器、加热系统的控制，微机负责数据的处理和对比。
2.根据权利要求1所述的模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验装置，其特征在于，不同性质颗粒为石英和/或长石和/或粘土。
3.根据权利要求2所述的模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验装置，其特征在于，100％含量的颗粒直径为0.5mm的石英颗粒。
4.根据权利要求2所述的模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验装置，其特征在于，75％含量的颗粒直径为0.5mm的石英颗粒、25％含量的长石颗粒。
5.根据权利要求2所述的模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验装置，其特征在于，70％含量的颗粒直径为0.5mm的石英颗粒、20％含量的长石颗粒，另外10％含量的蒙脱石粘土。
6.根据权利要求2所述的模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验装置，其特征在于，100％含量的颗粒直径为0.2mm的石英颗粒。
7.根据权利要求2所述的模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验装置，其特征在于，75％含量的颗粒直径为0.2mm的石英颗粒、25％含量的长石颗粒。
8.根据权利要求2所述的模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验装置，其特征在于，70％含量的颗粒直径为0.2mm的石英颗粒、20％含量的长石颗粒，另外10％含量的蒙脱石粘土。
9.根据权利要求1所述的模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验装置，其特征在于，所述流体包括矿化水和油。
10.一种利用权利要求1所述的装置模拟砂体液化侵入触发机制与形成过程的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
①地层模型装载，根据实验要求装载成分不同的上部泥质层模型、砂质层模型、下部泥质层模型；
②初步压实，按照初始设置的压力进行纵向加压、横向加压；
③配置不同配比和性质的流体，所述流体为混合物，并充注入砂层中，之后粘度传感器、盐度传感器实时记录变化；
④纵向加压杆施加高压压实，横向加压杆同时施压，之后压力传感器实时记录孔隙流体压力；
⑤加热至既定温度，所述温度由温度传感器显示；
⑥设置振动台垂向、横向的传动方式和频率、强度；
⑦实时观测地层模型中砂体变化并读取相应的流体温度、压力、粘度、盐度参数，根据数据变化控制加压或加热；
⑧实时观测砂体流化、液化及侵入的方式、过程、形态，对液化-侵入过程进行阶段划分，并分析各种现象与孔隙流体压力变化间的关系；
⑨将整个实验过程的数据进行统计分析，统计分析液化-侵入不同阶段、孔隙流体压力变化参数与颗粒成分与组成、孔隙流体性质、温度、含水饱和度、上覆岩层压力、动力方式之间的关系，厘定砂体液化的形成过程，探明砂体液化的控制因素。
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