CN214251957U - 一种深部岩溶溶蚀模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种深部岩溶溶蚀模拟实验装置，包括反应装置、溶蚀液供应装置和高压二氧化碳供应装置，所述反应装置包括反应箱、反应釜、温度控制装置、反应压力采集装置和目标压力设置装置，溶蚀实验在反应装置中的反应釜内进行，所述的溶蚀液供应装置为反应釜提供所需的溶蚀液，所述的高压二氧化碳供应装置为反应釜提供相应压力的二氧化碳。本实用新型所述装置结构简单，可满足模拟不同温度、不同压力、不同水化学特征及开放、封闭两种环境下的碳酸盐岩溶蚀机理实验要求。

Description

一种深部岩溶溶蚀模拟实验装置

技术领域

本实用新型涉及碳酸盐岩溶蚀模拟实验装置，具体涉及一种深部岩溶溶蚀模拟实验装置。

背景技术

海相碳酸盐岩岩溶储层是世界级难题，全球碳酸盐岩油气藏储量约占油气资源总量的50％，产量占60％以上。我国中、下奥陶统碳酸盐岩地层为古岩溶发育和海相缝洞型油气藏分布的主要层位。

沉积后的压实、胶结和重结晶作用导致古老碳酸盐岩中的原生孔隙所剩无几，溶蚀作用产生的次生孔隙是重要的储集空间。碳酸盐岩储层经历了多期次、多类型的漫长古岩溶作用过程，既有地质历史时期地表、近地表环境下的岩溶作用，又经历了埋藏过程及深部岩溶作用的叠加与改造。目前，对于碳酸盐岩溶蚀作用主要发生在地表、近地表环境还是埋藏环境，以及影响碳酸盐岩溶蚀作用的主要因素等方面仍存在疑问。因此，研究碳酸盐岩溶蚀机理具有重要的理论意义，并可为岩溶储层预测提供依据。

从20世纪70年代开始，国内外学者开始以溶蚀模拟实验为手段研究碳酸盐岩溶蚀机理。早期侧重于对不同类型碳酸盐岩溶蚀速率的研究，实验样品以岩石块体为主，流体与岩石表面直接接触。近年来，国内外学者开始研究酸性流体在岩石内部渗流条件下的溶蚀特征，分析温度、压力、矿物成分及储集空间类型等对溶蚀作用的影响。如公开号为CN109884281A的发明专利，公开了一种在线监测碳酸盐岩溶蚀的试验装置，包括溶蚀液供应装置、试片溶蚀装置、数据采集装置和电控柜，所述电控柜控制本试验装置中需要供电的各部件的电源通断，其中溶蚀液供应装置产生的溶蚀液送入试片溶蚀装置模拟碳酸盐岩在密封环境以不同流速、不同温度条件下进行溶蚀作用，以及模拟碳酸盐岩在开放环境不同流速、不同温度条件下的溶蚀作用。但该发明所述装置只能实现常压环境的溶蚀实验，无法模拟碳酸盐岩岩溶储层深部埋藏环境条件的溶蚀机理。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种模拟碳酸盐岩岩溶储层深部埋藏环境条件下溶蚀机理的深部岩溶溶蚀模拟实验装置，该装置满足模拟不同温度、不同压力、不同水化学特征及开放、封闭两种环境下的碳酸盐岩溶蚀机理实验要求。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种深部岩溶溶蚀模拟实验装置，包括反应装置、溶蚀液供应装置和高压二氧化碳供应装置，其中：

所述的反应装置包括反应箱、反应釜、温度控制装置、反应压力采集装置和目标压力设置装置，其中，

所述反应箱包括箱体，所述箱体具有一个可密闭的反应室，所述的反应釜设置于该反应室内；

所述反应釜内设有用于置放溶蚀试片的样品架，在反应釜上分别开设有进气/液口、取样口和溢出口，其中，取样口上连接有取样管，取样管上设置有取样阀；溢出口上连接有溢出管，在溢出管上设置有回压阀；

所述温度控制装置包括加热器、加热开关、温度传感器、固态继电器和用于显示温度的二次仪表，其中，加热器和加热开关电连接，温度传感器和用于显示温度的二次仪表连接，固态继电器设置于加热器和用于显示温度的二次仪表之间；所述的加热器和温度传感器设置于反应箱的反应室内；

所述反应压力采集装置包括压力传感器和与压力传感器连接的用于显示反应压力的二次仪表，所述压力传感器置于反应釜中；

所述目标压力设置装置包括手摇泵和压力表，所述手摇泵的出口与回压阀的控制口管路连通；

所述的溶蚀液供应装置包括平流泵和活塞容器，活塞容器的入口与平流泵的出口管路连通，其出口与反应釜的进气/液口管路连通，在该连通管路上设置有进液阀；

所述的高压二氧化碳供应装置包括二氧化碳发生装置、气体增压系统和为气体增压系统提供动力的动力装置，所述气体增压系统的入口与二氧化碳发生装置的出口管路连通，其出口与反应釜的进气/液口管路连通，在该连通管路上设置有进气阀。

本实用新型所述技术方案中，所述的进气/液口通常开设于反应釜的底部，所述的取样口通常开设于反应釜的中部，所述的溢出口通常开设于反应釜的顶部。

本实用新型所述技术方案中，溶蚀液供应装置涉及的活塞容器可以是一个或两个以上，当数量为两上以上时，它们之间相互并联。

本实用新型所述技术方案中，高压二氧化碳供应装置涉及的二氧化碳发生装置可以是现有技术中能够产生二氧化碳气体的装置，优选为二氧化碳气瓶。涉及的为气体增压系统提供动力的动力装置与现有技术相同，优选为空气压缩机。

优选的，所述反应箱还包括用于支撑箱体的脚架。

为了便于操作，该深部岩溶溶蚀模拟实验装置优选还包括实验台，所述的反应装置和溶蚀液供应装置置于所述的实验台上。

与现有技术相比，本实用新型所述装置的特点在于：

1.溶蚀实验在密封环境的反应釜中进行，反应釜放置在反应箱箱体中，通过电加热器进行加热，反应釜温度与反应箱温度一致。

2.将经过增压的高纯CO₂气体不断充入反应釜中，不仅可以保持反应釜内压力恒定，而且还可保证随着碳酸盐岩与水溶液中H⁺的反应，CO₂不断溶解，提供恒定的酸性环境，使溶蚀试片、弱酸性水溶液与CO₂气体保持平衡状态。

3.设计平流泵、活塞容器与反应釜连接的结构，通过控制平流泵的流速和压力实现反应釜中当前反应压力大于或小于目标压力，从而实现连续流动开放环境和封闭环境两种水动力条件。

4.可通过调配水溶液的水化学特征，模拟沉积盆地油气田井下实际水化学环境碳酸盐岩储层溶蚀作用机理，对储层预测及勘探开发具有重要意义。

5.本实用新型所述装置结构简单，可满足模拟不同温度、不同压力、不同水化学特征及开放、封闭两种环境下的碳酸盐岩溶蚀机理实验要求。

附图说明

图1为本实用新型所述深部岩溶溶蚀模拟实验装置一种实施方式的结构示意图。

图中标号为：

1脚架，2平流泵，3反应釜，4样品架，5螺丝，6溢出口，7反应室，8箱体，9加热器，10用于显示温度的二次仪表，11用于显示反应压力的二次仪表，12进液阀，13压力表，14加热开关，15进气阀，16取样阀，17回压阀，18手摇泵，19活塞容器，20气体调压阀，21增压压力表，22实验台，23气体增压系统，24空气压缩机，25二氧化碳气瓶。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详述，以更好地理解本实用新型的内容。

如图1所述，本实用新型所述的深部岩溶溶蚀模拟实验装置，包括反应装置、溶蚀液供应装置和高压二氧化碳供应装置，其中，溶蚀实验在反应装置中进行，溶蚀液供应装置向反应装置供应符合实验要求的溶蚀液，高压二氧化碳供应装置向反应装置供应符合压力条件的高压二氧化碳气体。

对于反应装置，其包括反应箱、反应釜3、温度控制装置、反应压力采集装置和目标压力设置装置，其中，

所述反应箱包括箱体8和用于支撑箱体8的脚架1，所述箱体8具有一个可密闭的反应室7，所述的反应釜3设置于该反应室7内；

所述反应釜3内设有用于置放溶蚀试片的样品架4，在反应釜3上分别开设有进气/液口、取样口和溢出口6，其中，取样口上连接有取样管，取样管上设置有取样阀16；溢出口6上连接有溢出管，在溢出管上设置有回压阀17，此时溢出管连接于回压阀17的进口；在图1的实施方式中，反应釜3由釜体和釜盖组成，两者通过螺丝5(或螺栓副)连接，所述的进气/液口和取样口分别开设于釜体的底部和中部，溢出口6开设于釜盖的顶部；

所述温度控制装置包括加热器9、加热开关14、温度传感器、固态继电器和用于显示温度的二次仪表10，其中，加热器9和加热开关14电连接，温度传感器和用于显示温度的二次仪表10连接，固态继电器设置于加热器9和用于显示温度的二次仪表10之间；所述的加热器9和温度传感器设置于反应箱的反应室7内，在进行实验时，先开启加热开关14，加热器9开始工作，反应室7内的温度通过温度传感器反馈在用于显示温度的二次仪表10上，当反应室7内的温度达到预先设置的温度时固态继电器发出信号使加热器9停止工作，一段时间后，当反应室7内的温度低预先设置的温度时固态继电器再次发出信号使加热器9启动进行加热，以此实现反应室7即反应釜3的保温；

所述反应压力采集装置包括压力传感器和与压力传感器连接的用于显示反应压力的二次仪表11，所述压力传感器置于反应釜3中，由此通过用于显示反应压力的二次仪表11可清楚得知反应釜3中的当前反应压力；

所述目标压力设置装置包括手摇泵18和压力表13，所述手摇泵18的出口与回压阀17的控制口管路连通，手摇泵18的入口置于盛装纯净水的容器中的液面以下；压力表13设置于手摇泵18的出口端，由压力表13显示手摇泵18中的压力，该压力即为目标压力。目标压力的设置直接决定模拟实验是在开放条件下还是在密封条件下进行，具体的，当反应釜3中的当前反应压力小于或等于目标压力时，回压阀17未开启，此时模拟实验在封闭条件下进行；而当反应釜3中的当前反应压力大于目标压力时，回压阀17开启，反应釜3中的溶蚀液由溢出口6经溢出管从回压阀17的出口不断流出，释放压力使得反应釜3中的反应压力恒定在目标压力值，从而实现连续流动的开放反应环境。

对于溶蚀液供应装置，其包括平流泵2和活塞容器19，所述活塞容器19的入口与平流泵2的出口管路连通，其出口与反应釜3的进气/液口管路连通，在该连通管路上设置有进液阀12。所述平流泵2的入口置于盛装纯净水的容器中的液面以下，通过设置平流泵2的流速和压力，将经过平流泵2加压的纯净水送入活塞容器19中为活塞容器19中的溶蚀液加压，之后再以指定流速注入反应釜3。通过平流泵2的流速和压力的设置结合目标压力的确定最终实现模拟实验满足连续流动开放环境和封闭环境两种水动力条件。所述活塞容器19可以是一个或两个以上，当数量为两上以上时，它们之间相互并联。在图1的实施方式中，活塞容器19的数量为1个。

对于高压二氧化碳供应装置，其包括二氧化碳发生装置、为由二氧化碳发生装置产生的二氧化碳气体增压的气体增压系统23以及为气体增压系统23提供动力的动力装置，所述气体增压系统23的入口与二氧化碳发生装置的出口管路连通，其出口与反应釜3的进气/液口管路连通，在该连通管路上设置有进气阀15。根据实验需要设置将要送入反应釜3中的二氧化碳的压力，具体通过气体增压系统23上的气体调节阀调节气体增压系统23上的增压压力表21至设定压力值，该压力值即表示将要送入反应釜3中的二氧化碳的压力。所述的二氧化碳发生装置可以是现有技术中能够产生二氧化碳气体的装置，为气体增压系统23提供动力的动力装置也是现有技术相同，在图1所示的实施方式中为充有二氧化碳的二氧化碳气瓶25，动力装置为空气压缩机24。

进一步的，本实用新型所述深部岩溶溶蚀模拟实验装置优选还包括实验台22，所述的反应装置和溶蚀液供应装置置于所述的实验台22上，以便于操作人员操作。

为了使本所实用新型所述实验装置的结构更紧凑，占地空间更小，并便于操作人员的观察和操作，在图1所示的实施方式中，将溶蚀液供应装置中的平流泵2和目标压力设置装置中的手摇泵18均直接置放或安装于反应箱的箱体8上，而将温度控制装置中的加热开关14和用于显示温度的二次仪表10、反应压力采集装置中用于显示反应压力的二次仪表11以及目标压力设置装置中的压力表13均设置于反应箱箱体8的壁面上，所述的进液阀12、进气阀15、回压阀17和取样阀16等也直接安装于反应箱箱体8的壁面上，而温度控制装置中的固态继电器则设置于反应箱箱体8内部。

在进行模拟实验时，先将加工好的溶蚀试片通过芳纶线或其它丝线固定于样品架4上，打开反应釜3的釜盖，将固定有溶蚀试片的样品加放置于反应釜3中，并将事先根据沉积盆地油气田井下水化学特征配制好的具有一定水化学特征的溶蚀液倒入反应釜3中，用扳手拧紧连接釜体和釜盖的螺丝5，再将反应釜3放置在反应箱的反应室7中，并紧闭箱门。通过手摇泵18设置不同目标压力值。事先设置反应室7内的温度(反应釜3的温度)，开启加热开关14，通过加热器9对反应室7内部进行加热，由固态继电器控制加热器9的启动与停止以实现恒温的反应环境；而通过不同反应温度的设置可以实现不同的高温反应环境。打开空气压缩机24，为气体增压系统23提供动力，将二氧化碳气瓶25送入气体增压系统23中的二氧化碳进行增压，使用气体增压系统23上的气体调压阀20调节增压压力表21至设定压力值，当气体增压系统23中的二氧化碳达到设定压力后打开进气阀15向反应釜3中注入二氧化碳气体，回压阀17可保证反应釜3中的反应压力不超过目标压力值；打开平流泵2，并设置平流泵2的流速和压力，通过活塞容器19向反应釜3中以设定流速向反应釜3中注入溶蚀液液，通过调节平流泵2的流速和压力再结合目标压力值的设定，实现开放或封闭的水动力环境。通过取样阀16取出不同反应时间的反应溶液进行分析。

本实用新型所述装置根据拟定的实验方案进而可以模拟不同水化学特征、不同温度、不同压力及不同水动力条件下的碳酸盐岩储层溶蚀机理研究。

下面以本申请人在具体工作中采集的雄安新区地热井和野外露头剖面的样品加工成的溶蚀试片采用图1所示装置进行实验而作更具体的说明。

1.实验样品

本次实验样品采自雄安新区DO3井、D16井、蓟县野外露头剖面、狼牙山野外露头剖面的雾迷山组和高于庄组，共20个碳酸盐岩样品，将每个样品磨制成50个溶蚀试片。溶蚀试片规格：直径3cm、厚度0.3cm，每个试片上打二孔。

2.实验方案

开展40℃、10MPa至150℃、30MPa范围内共18组温度、压力点的溶蚀实验，模拟近地表—浅埋藏—深埋藏环境下的溶蚀作用。实验所用溶蚀液为采自雄安新区DO3井井下雾迷山组全段地层水，经医用海绵过滤以备溶蚀实验使用。每组温、压点的模拟实验时长为24小时，具体实验方案如表1所示。

表1.高温高压溶蚀实验方案

3.实验流程

①表面积测量

用游标卡尺分别测量每个溶蚀试片不同位置的直径、高度，以及溶蚀试片中小孔的直径，并求取平均值，进而计算溶蚀试片的表面积。

计算公式：

其中，S为溶蚀试片表面积，R₁为溶蚀试片直径，R₂为小孔直径，h为溶蚀试片高度。

②重量称量

用超纯水清洗溶蚀试片，在恒温干燥箱中烘干2h，设定温度为105℃。干燥完毕后，将样品在干燥皿中进行冷却，再用分析天平称量每个溶蚀试片的重量。

③结构观察

用相机分别对每个溶蚀试片进行拍照；用偏光显微镜观察每个溶蚀试片的微观特征，包括成分、结构、孔隙及裂隙发育情况等；

④溶蚀模拟实验

高温高压溶蚀实验在反应釜3中进行，首先用芳纶线将溶蚀试片固定在样品架4上，之后放置在反应釜3中，加入溶蚀液，用螺丝5将反应釜3釜体和釜盖连接好后放置于反应室7内，检查各管线的连通情况，检查好后进行实验，将反应压力、温度分别调至实验所需压力、温度，保持该温度、压力条件24小时。

⑤溶蚀速率计算

反应结束后，关闭加热开关14，释放反应釜3中压力，待温度降至室温，压力完全释放后，将反应釜3与各接口断开，取出样品架4。重复步骤①、②、③，记录实验后溶蚀试片的表面积、重量、表面形貌及微观特征，并计算溶蚀试片单位面积的溶蚀速率。

计算公式：v＝(m₁-m₂)/(S·t)

其中，v为溶蚀速率，m₁为溶蚀试片实验前重量，m₂为溶蚀试片实验后重量，S为溶蚀试片表面积，t为实验时间。

4.实验结果

①溶蚀速率计算结果

当流体和压力条件相同时，样品在地层水中的溶蚀速率随温度增加总体呈下降趋势，具有快速下降—缓慢增加—快速下降的特征，溶蚀速率在100-140℃范围内明显增加。

当流体和温度条件相同时，样品在地层水中的溶蚀速率随压力增加明显增大。

在实验条件下，白云岩样品溶蚀速率明显低于灰岩样品。

②表面形貌、微观结构变化特征

各样品在实验条件下均发生一定程度的溶蚀现象，以溶蚀试片样品表面溶蚀为主。主要表现为孔隙、裂缝欠发育的样品，实验过程中可溶流体实际上很难进入该样品发生较大规模溶蚀，而仅在样品表面发生溶蚀，使得样品表面变模糊，已经超出了光学显微镜的识别精度；孔隙、裂缝发育的样品，沿粒间、晶间孔隙及各类裂隙、缝洞溶蚀、扩展，最终呈一定程度连通。

Claims (6)

1.一种深部岩溶溶蚀模拟实验装置，包括反应装置、溶蚀液供应装置和高压二氧化碳供应装置，其特征是，

所述的反应装置包括反应箱、反应釜(3)、温度控制装置、反应压力采集装置和目标压力设置装置，其中，

所述反应箱包括箱体(8)，所述箱体(8)具有一个可密闭的反应室(7)，所述的反应釜(3)设置于该反应室(7)内；

所述反应釜(3)内设有用于置放溶蚀试片的样品架(4)，在反应釜(3)上分别开设有进气/液口、取样口和溢出口(6)，其中，取样口上连接有取样管，取样管上设置有取样阀(16)；溢出口(6)上连接有溢出管，在溢出管上设置有回压阀(17)；

所述温度控制装置包括加热器(9)、加热开关(14)、温度传感器、固态继电器和用于显示温度的二次仪表(10)，其中，加热器(9)和加热开关(14)电连接，温度传感器和用于显示温度的二次仪表(10)连接，固态继电器设置于加热器(9)和用于显示温度的二次仪表(10)之间；所述的加热器(9)和温度传感器设置于反应箱的反应室(7)内；

所述反应压力采集装置包括压力传感器和与压力传感器连接的用于显示反应压力的二次仪表(11)，所述压力传感器置于反应釜(3)中；

所述目标压力设置装置包括手摇泵(18)和压力表(13)，所述手摇泵(18)的出口与回压阀(17)的控制口管路连通，压力表(13)设置于手摇泵(18)的出口端；

所述的溶蚀液供应装置包括平流泵(2)和活塞容器(19)，活塞容器(19)的入口与平流泵(2)的出口管路连通，其出口与反应釜(3)的进气/液口管路连通，在该连通管路上设置有进液阀(12)；

所述的高压二氧化碳供应装置包括二氧化碳发生装置、气体增压系统(23)和为气体增压系统(23)提供动力的动力装置，所述气体增压系统(23)的入口与二氧化碳发生装置的出口管路连通，其出口与反应釜(3)的进气/液口管路连通，在该连通管路上设置有进气阀(15)。

2.根据权利要求1所述的深部岩溶溶蚀模拟实验装置，其特征是，所述的进气/液口开设于反应釜(3)的底部，所述的取样口开设于反应釜(3)的中部，所述的溢出口(6)开设于反应釜(3)的顶部。

3.根据权利要求1所述的深部岩溶溶蚀模拟实验装置，其特征是，所述的二氧化碳发生装置为二氧化碳气瓶(25)。

4.根据权利要求1所述的深部岩溶溶蚀模拟实验装置，其特征是，所述的动力装置为空气压缩机(24)。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的深部岩溶溶蚀模拟实验装置，其特征是，所述反应箱还包括用于支撑箱体(8)的脚架(1)。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的深部岩溶溶蚀模拟实验装置，其特征是，该深部岩溶溶蚀模拟实验装置还包括实验台(22)，所述的反应装置和溶蚀液供应装置置于所述的实验台(22)上。

Images