一种用于盐穴储库中油‑气‑卤水运移规律研究的模拟装置和实验方法

技术领域

本发明属于盐穴储气库技术领域，具体涉及一种用于盐穴储库中油-气-卤水运移规律研究的模拟装置和实验方法，适用于层状盐穴储库的密闭安全性能评估。

背景技术

地下能源储库的主要作用包括战略储备、安全供能、季节调峰、西气东输等，而盐岩因其具有孔隙率低、渗透率小、损伤自恢复和塑性变形能力大等优良特性，被认为是石油、天然气地下储备的理想场所。因此，我国也正在大力开展地下盐岩油气储库的建设，目前江苏金坛地区已有多座储库投入运营。但是这类盐岩大多数品位较低，具有非盐类夹层数量多、杂质含量高等特点。在这种复杂的层状盐岩地层中，储库的密闭安全性能保障显得尤为重要。

鉴于盐岩地层的地质复杂性和地下工程的隐蔽性，真实盐腔中的卤水、油气等介质在地层中的渗漏运移范围和泄漏量目前无法探知。然而根据工程调研和查阅资料可知，每年储气库中的气体都会向泥岩夹层或漏失夹层中渗漏，久而久之渗漏范围一旦达到附近断层地带或是地层不整合接触带等易漏部位现不可预估的风险和损失。因此，为防止储库出现夹层渗漏的风险，对存储介质运移规律的研究是揭示问题的关键。

目前国内外学者主要分析盐岩储库中气渗导致的泄漏范围和泄漏量，对于石油和卤水的渗流还未全面展开，主要原因归结为后者的运移机理较为复杂，涉及到温度–水流–应力–化学(THMC)耦合作用。为研究这3种介质的单相或是多相耦合渗流，本发明提出一种适用于油、气、卤水任意组合情况下的运移规律模拟试验装置，通过该装置可以突破理论存在的瓶颈，对推动渗流研究和盐岩储库安全评估有指导意义。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种用于盐穴储库中油-气-卤水运移规律研究的模拟装置，本模拟装置能够利用气压或液压将测试介质压缩至高压腔室，进而渗流至长岩心内部，利用沿程布置的压力传感器实现实时监测压力传输及演变过程。

本发明的另一个目的是在于提供了一种利用上述的模拟装置进行盐穴储库中油-气-卤水运移规律研究的实验方法，具有测试范围广、准确度高、方法易行和操作简便等优点，是今后溶蚀运移装置发展的方向。

为了解决上述问题，本发明采取的技术方案为：

所述模拟装置包括长岩心夹持器、增压泵、第一高压腔室、第二高压腔室和液压泵，所述增压泵通过第一管道分别与所述第一高压腔室的第一端和所述第二高压腔室的第一端相连通，所述增压泵还通过第二管道与所述长岩心夹持器的第一端相连通，所述第一高压腔室的第二端和所述第二高压腔室的第二端分别通过支管与所述第二管道相连通，所述液压泵还通过第三管道与所述第一管道相连通，所述长岩心夹持器的第二端通过第四管道连通收集装置。

优选地，所述第一管道上设置有阀门K2，所述第一高压腔室的第一端设置有阀门K6，其第二端设置有阀门K8，所述第二高压腔室的第一端设置有阀门K5，其第二端设置有阀门K7，所述第三管道上设置有阀门K3，所述第二管道中靠近所述增压泵的一端上设置有阀门K1，位于所述阀门K1和所述增压泵之间的所述第二管道上还设置有调压阀K11，所述第二管道上还设置有压力表。

优选地，所述长岩心夹持器包括铰接在底座上的夹持器桶体，所述夹持器桶体内同轴设置有胶套，所述胶套内同轴设置有长岩心，所述长岩心的两端分别连通所述第二管道和所述第四管道。

优选地，所述夹持器桶体的内壁和所述胶套的外壁之间围合形成围压腔，所述围压腔内沿所述长岩心夹持器的长度方向设置有多个压力传感器，且所述压力传感器与所述胶套相贴合。

优选地，自所述长岩心夹持器的第一端至所述长岩心夹持器的第二端的方向为第一方向，多个所述压力传感器沿第一方向由密至疏分布。

优选地，所述夹持器桶体上还设置有多个温控装置，且多个所述温控装置均匀排布在所述夹持器桶体的内侧壁。

优选地，所述液压泵还通过第五管道与所述夹持器桶体相连通，所述第五管道上还分别设置有阀门K4和环压传感器。

优选地，所述第二管道中靠近所述长岩心夹持器的一端上设置有进口压力传感器，所述第四管道中靠近所述长岩心夹持器的一端上分别设置有出口压力传感器和回压阀K12。

优选地，所述收集装置包括通过第一连接管与所述回压阀K12相连通的收集腔和通过第二连接管与所述回压阀K12相连通的回压容器，其中，所述第二连接管上设置有回压感应器，所述回压容器还通过第三连接管与手摇泵相连通，所述第三连接管上设置有阀门K10。

一种利用上述的模拟装置进行盐穴储库中油-气-卤水运移规律研究的实验方法，所述实验方法包括：

1)将带有中心通道的假岩心置于长岩心夹持器内，施加地层围压和环境温度，关闭长岩心夹持器的回压阀K12，打开增压泵往长岩心夹持器中注入测试压力，观察静置时间内长岩心夹持器出入口气体的压降值，以此检测其密封性；

2)如密封性检测通过，则取出同规格假岩心，将长岩心放置于长岩心夹持器内，所述长岩心的两端分别连通所述第二管道和所述第四管道；

3)当进行单相介质渗流运移模拟时，开启温控装置以控制长岩心夹持器内的温度，将测试介质注入第一高压腔室中，开启调压阀K11、阀门K2、阀门K6和阀门K8，利用气压将测试介质挤入至长岩心内，通过压力传感器反映流体的渗透范围和压力变化；或者，开启液压泵7、阀门K3、阀门K6和阀门K8，利用液压作用将测试介质挤压至长岩心内；

4)当进行两相介质耦合渗流运移模拟时，开启温控装置以控制长岩心夹持器内的温度，将卤水、气体和测试油中的任意二种分别装入第一高压腔室和第二高压腔室中，开启调压阀K11、阀门K2、阀门K6、阀门K8、阀门K5和阀门K7，利用气压将测试介质分别前后挤入至长岩心内，通过压力传感器反映流体的渗透范围和压力变化；或者，开启液压泵7、阀门K3、阀门K6、阀门K8、阀门K5和阀门K7，利用液压作用将测试介质分别前后挤压至长岩心内；

5)模拟试验结束后，油和卤水通过收集腔进行回收，无害气体可直接放于大气中，易燃剧毒气体需通过特殊装置采集。

根据上述技术方案，本发明提供了一种用于盐穴储库中油-气-卤水运移规律研究的模拟装置和实验方法，所述模拟装置包括长岩心夹持器、增压泵、第一高压腔室、第二高压腔室和液压泵，所述增压泵通过第一管道分别与所述第一高压腔室的第一端和所述第二高压腔室的第一端相连通，所述增压泵还通过第二管道与所述长岩心夹持器的第一端相连通，所述第一高压腔室的第二端和所述第二高压腔室的第二端分别通过支管与所述第二管道相连通，所述液压泵还通过第三管道与所述第一管道相连通，所述长岩心夹持器的第二端通过第四管道连通收集装置。为研究3种介质的单相或是多相耦合渗流，本发明提出一种适用于油、气、卤水任意组合情况下的运移规律模拟试验装置，通过该装置可以突破理论存在的瓶颈，对推动渗流研究和盐岩储库安全评估有指导意义。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于利用带有双腔室的超长夹持器实现了盐穴储库地层中的主要三种存储介质的渗流运移规律研究，特别是卤水对泥岩夹层的侵蚀作用和自身的重结晶作用效应将会有进一步的突破性发现。为切实的模拟地下耦合渗流环境，本发明设有气液压力系统、温控系统、围压和回压系统，另外还配有采集回收系统。与以往的运移模拟装置相比，本发明将更加符合实际地层环境，超长的岩心夹持器配合11个压力传感器能很好地反映存储介质在地层中的压降变化和渗透范围，双腔室解决了多种介质的耦合渗流研究。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的用于盐穴储库中油-气-卤水运移规律研究的模拟装置的结构图；

图2为本发明提供的用于盐穴储库中油-气-卤水运移规律研究的模拟装置中长岩心夹持器的结构图；

图3为本发明提供的夹持器入口端面细部构造图；

图4为本发明提供的夹持器入口端面细部构造图；

附图标记说明：

1-压力传感器2-进口压力传感器

3-出口压力传感器4-环压传感器

5-回压感应器6-增压泵

7-液压泵8-手摇泵

9-回压容器10-收集腔

11-压力表 12-第一高压腔室

13-第二高压腔室 14-温控装置

15-长岩心夹持器 16-第一管道

17-第三管道 18-第四管道

19-第二管道 1501-夹持器桶体

1502-胶套 1503-底座。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述：

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，“长度方向”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。

实施例1：

如图1和图2所示：本发明提供了一种用于盐穴储库中油-气-卤水运移规律研究的模拟装置，所述模拟装置包括长岩心夹持器15、增压泵6、第一高压腔室12、第二高压腔室13和液压泵7，所述增压泵6通过第一管道16分别与所述第一高压腔室12的第一端和所述第二高压腔室13的第一端相连通，所述增压泵6还通过第二管道19与所述长岩心夹持器15的第一端相连通，所述第一高压腔室12的第二端和所述第二高压腔室13的第二端分别通过支管与所述第二管道19相连通，所述液压泵7还通过第三管道17与所述第一管道16相连通，所述长岩心夹持器15的第二端通过第四管道18连通收集装置。为研究3种介质的单相或是多相耦合渗流，本发明提出一种适用于油、气、卤水任意组合情况下的运移规律模拟试验装置，通过该装置可以突破理论存在的瓶颈，对推动渗流研究和盐岩储库安全评估有指导意义。

在本发明的一种优选的实施方式中，为了更好的控制各个室的开与关，所述第一管道16上设置有阀门K2，所述第一高压腔室12的第一端设置有阀门K6，其第二端设置有阀门K8，所述第二高压腔室13的第一端设置有阀门K5，其第二端设置有阀门K7，所述第三管道17上设置有阀门K3，所述第二管道19中靠近所述增压泵6的一端上设置有阀门K1，位于所述阀门K1和所述增压泵6之间的所述第二管道19上还设置有调压阀K11，所述第二管道19上还设置有压力表11。

在本发明的一种优选的实施方式中，为了更好的夹持长岩心和研究3种介质的单相或是多相耦合渗流规律，所述长岩心夹持器15包括铰接在底座1503上的夹持器桶体1501，所述夹持器桶体1501内同轴设置有胶套1502，所述胶套1502内同轴设置有长岩心，所述长岩心的两端分别连通所述第二管道19和所述第四管道18。

为实时监测渗流过程中的压降变化，在本发明的一种优选的实施方式中，所述夹持器桶体1501的内壁和所述胶套1502的外壁之间围合形成围压腔，所述围压腔内沿所述长岩心夹持器15的长度方向设置有多个压力传感器1，且所述压力传感器1与所述胶套1502相贴合。

考虑到压降曲线前期变化剧烈，后期较为缓慢，在前段部分需要捕捉到更多的压力数据点才能更加准确地反映真实的压降变化，而后半段可适当放缓，因此在本发明的一种优选的实施方式中，自所述长岩心夹持器15的第一端至所述长岩心夹持器15的第二端的方向为第一方向，多个所述压力传感器1沿第一方向由密至疏分布。

在本发明的一种优选的实施方式中，为了能够更具需求控制夹持器桶体1501内部的温度，所述夹持器桶体1501上还设置有多个温控装置14，且多个所述温控装置14均匀排布在所述夹持器桶体1501的内侧壁。

在本发明的一种优选的实施方式中，为了能够在本装置运行前检查其密封性能，所述液压泵7还通过第五管道与所述夹持器桶体1501相连通，所述第五管道上还分别设置有阀门K4和环压传感器4。

在本发明的一种优选的实施方式中，为了测量介质的进口压力和出口压力，所述第二管道19中靠近所述长岩心夹持器15的一端上设置有进口压力传感器2，所述第四管道18中靠近所述长岩心夹持器15的一端上分别设置有出口压力传感器3和回压阀K12。

在本发明的一种优选的实施方式中，为了方便收集测试结束后的介质，所述收集装置包括通过第一连接管与所述回压阀K12相连通的收集腔10和通过第二连接管与所述回压阀K12相连通的回压容器9，其中，所述第二连接管上设置有回压感应器5，所述回压容器9还通过第三连接管与手摇泵8相连通，所述第三连接管上设置有阀门K10。

实施例2：

一种利用上述的模拟装置进行盐穴储库中油-气-卤水运移规律研究的实验方法，所述实验方法包括：

1、将带有中心通道的假岩心置于长岩心夹持器15内，施加地层围压和环境温度，关闭长岩心夹持器15的回压阀K12，打开增压泵6往长岩心夹持器15中注入测试压力，观察静置时间内长岩心夹持器15出入口气体的压降值，以此检测其密封性；

2、如密封性检测通过，则取出同规格假岩心，将长岩心放置于长岩心夹持器15内，所述长岩心的两端分别连通所述第二管道19和所述第四管道18；

3、当进行单相介质渗流运移模拟时，开启温控装置14以控制长岩心夹持器15内的温度，将测试介质注入第一高压腔室12中，开启调压阀K11、阀门K2、阀门K6和阀门K8，利用气压将测试介质挤入至长岩心内，通过压力传感器反映流体的渗透范围和压力变化；或者，开启液压泵7、阀门K3、阀门K6和阀门K8，利用液压作用将测试介质挤压至长岩心内；

4、当进行两相介质耦合渗流运移模拟时，开启温控装置14以控制长岩心夹持器15内的温度，将卤水、气体和测试油中的任意二种分别装入第一高压腔室12和第二高压腔室13中，开启调压阀K11、阀门K2、阀门K6、阀门K8、阀门K5和阀门K7，利用气压将测试介质分别前后挤入至长岩心内，通过压力传感器反映流体的渗透范围和压力变化；或者，开启液压泵7、阀门K3、阀门K6、阀门K8、阀门K5和阀门K7，利用液压作用将测试介质分别前后挤压至长岩心内；

5、模拟试验结束后，油和卤水通过收集腔10进行回收，无害气体可直接放于大气中，易燃剧毒气体需通过特殊装置采集。

本发明的目的致力于提供一套超大型油-气-卤水运移规律模拟试验装置。本发明的总体思路是，利用气压或液压将测试介质压缩至高压腔室，进而渗流至长岩心内部，利用沿程布置的压力传感器实现实时监测压力传输及演变过程的目的。本装置涉及到模拟卤水的运移规律研究，仪器部件难免长期会受到卤水侵蚀作用。因此，夹持器、容器等均需要有极好的抗腐蚀能力，为保证装置的耐久性和适用性，与卤水直接接触的部件均采用哈氏合金制造。

本发明中包括气压和液压两种增压系统，据测试介质的不同可随意切换并施加渗透压力。为模拟真实地应力条件下的渗流，在夹持器周边设有围压系统，可施加不低于45MPa的压力；可实现围压和入口孔压的自动加载和伺服控制，精度0.01MPa。增压系统后紧连高压腔室，腔室可分为第一高压腔室12和第二高压腔室13，能分别装设两种不同的渗流介质，可实现石油、卤水、气体任意组合情况下的耦合渗流模拟。

本发明中设置有温控装置14，地层中的环境温度分布不均，而气体、石油和卤水在不同温度下的渗流会变现为较大的差异性。其中气体和卤水主要表现在压缩性、粘度等物理渗流参数上；而卤水主要表现在化学层面上，因为温度对卤水的溶解度有一定的影响，温度越高溶解度提高，反之溶解降低，这样会导致卤水在地层中反复地进行溶解和结晶过程；而这一过程是卤水重结晶研究的关键。因此，温控装置14是本装置不可或缺的一部分，最高可达90℃能实时进行变温和恒温测试，是本装置的一大特色也是充分考虑的体现。

本发明中的长岩心夹持器15，最大可模拟直径100mm，长度1500mm的超长岩心，主要目的是能监测尽可能多的孔压数据和全面反映渗流情况，这种规模的岩心渗流模拟装置在国内也是首创。本装置配套设有岩心堵头，如果岩心长度不足即可在余下部分进行填充，以防岩心在压力的作用下在夹持器中发生移动，否则不仅会造成风险也会导致测试失败。为实时监测渗流过程中的压降变化，例如，在夹持器与长岩心贴合部位设置9个传感器，加上出入口2个共计11个。传感器之间并不是均匀分布的，而是按照前面密集后面稀疏的方法。主要目的是考虑到压降曲线前期变化剧烈，后期较为缓慢，因此在前段部分需要捕捉到更多的压力数据点才能更加准确地反映真实的压降变化，而后半段可适当放缓。具体间隔布置可以如下，入口与前5个传感器之间以100mm为间隔；中部的4个传感器之间为160mm；最后2个与出口之间则为260mm。回压系统(回压阀K12)主要控制夹持器出口压力，防止出口压力过大导致气体泄漏，可提供0～60MPa的回压。通过数据采集系统自动获取上述施加的外界参数和测量数据，如：围压值、孔隙压力、出入口压力、回压压力、设定温度值等，利用已经内编的程序进行分析，最终可自动绘制压降变化图。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。