烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪及其使用方法

专利名称：烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪及其使用方法
技术领域：
本发明涉及一种石油地质研究领域的实验装置，具体说涉及一种借助于电 子机械、自动控制技术模拟高温高压条件下烃源岩演化生烃过程的实验仪器设 备及其使用方法。
背景技术：
自20世纪80年代以来，根据B. P蒂索干酪根热降解成烃理论和有机质热 演化的时间-温度补偿原理所建立起来的烃源岩热压模拟实验方法一直是研究 油气生成机理与有机质演化过程等最有效的方法之一。从目前的文献来看，具 有代表性的可控烃源岩热压生烃模拟装置有大庆石油学院研制的有机质地化演 化模拟实验装置和内加热式热压模拟实验装置、大庆油田研制的高压控温压实 验装置以及中国石油大学(北京)研制的压实成岩作用与油气生成和排驱模拟 实验装置等。
大庆石油学院在已获得发明专利"有机质地化演化模拟实验装置"(第 11816号发明，专利号87100918， 1989)的基础上进行了改进(党长涛、刘晓 燕等，1994，地质实验室，10 (3) 164-166)，研制了一种内加热压实式烃源 岩演化生、排烃模拟实验装置，主要由反应器、控温单元、控压单元及产物计 量收集单元等四大部分组成。该装置采用中频电磁感应加热，具有加热速度快， 样品受热均匀的优点，其最高可控加热温度可达600°C 。但是，由于必须在样品 中加入铁磁性物质，这就要求反应器直径较大，加之反应器采用普通不锈钢制 作，为了防止在高温高压下发生形变，因此整个反应器显得很笨重，同时也给 加压与密封带来较大的难度。利用该装置所能模拟的最大静岩压力为130MPa(只 相当于地下埋深5000米)最大地层流体压力为15MPa (只相当于地下埋深1500米)，很难模拟烃源岩在实际地质条件下的静岩和地层流体压力。由于采用压 力表显示压力，无法实现自动控制与流体的实时补充。
中国石油大学(北京)庞雄奇等研制的压实成岩作用与油气生成和排驱模
拟实验装置(专利号CN01264260.6)由液压装置、加热装置、生成釜和控制装 置构成(见图1)，其中生成釜下方开有两个口；液压装置包括液压缸、加压柱、 压力传感器；加热装置包括中频电源、大电容及均匀缠绕在生成釜外侧上的铜 线；控制装置包括控制柜和与控制柜相连的计算机614。该装置与大庆油田的模 拟装置具有很大的相似性，具有较高的自动化程度、能迅速产生高温高压(最 高温度600。C、最高静岩压力130MPa、最高地层流体压力30MPa)、加热速度快 且温度均匀、既可以模拟开放状态又可以模拟封闭状态的烃源岩生排烃过程。
大庆油田杜洪文等自80年代开始自行研制用于烃源岩生、排烃模拟实验的 装置，于2001年成功研制了新一代的高温高压热模拟实验装置(见图2)。该 装置分为5个单元，25个部件，其中高压釜单元包括高压釜(其中无螺栓、快 速拆卸式高温高压反应釜2001年获得国家发明专利，专利号CN01209909. 0、高 温压力传感器、高温压力传感器显示仪、保温层、隔温板和爆破阀；加压单元 包括100t液压机、液压机控制柜、液压机操作柜。加热单元包括可控硅中频电 源、感应器、热电偶和循环水装置；产物接受单元包括接液、气体称重电子天 平、低温冷阱、脱气仪和移动式工作台以及计算机614总控制单元。该装置具 有以下优点实现了压力的自动控制；也采用中频加热，加热快速均匀；气、 液产物自动计量消除了人为误差；特制的无螺栓、快速拆卸式高温高压反应釜 进一步提高了上限模拟温度(最高60(TC)和地层流体压力(最大40MPa)。 从中不难看出现有的烃源岩热压生烃模拟实验装置存在的主要缺点是 ①主要只考虑温度、时间和静岩压力对生烃过程的影响，强调的是热降解 反应过程，忽略了多种地质影响因素，如孔隙空间、地层流体压力、初次排烃、 围压、孔隙流体性质及岩石矿物组成等对烃源岩生烃过程的影响，特别是地层流体压力对有机质演化的影响；
② 由于大多数热解模拟实验都是在含水、低压、相对较大的空间和高温条 件下进行的，其实验结果能否代表地下烃源岩演化的实际过程有待进一步研究，
③ 对于初次排烃方式、生烃空间(孔隙大小)等对烃源岩生烃潜力的影响， 则很少有人开展这方面的研究。

发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明应用现代电子机械与自动控制技术， 在充分考虑烃源岩热压生烃演化的实际地质条件(温度、上覆静岩压力、地层 流体压力、围压、孔隙空间、初次排烃)的基础上，为在实验室内再现烃源岩 热压生烃过程提供了一种能较真实的模拟地质条件下油气生成过程的模拟实验 仪器及其使用方法。
本发明之一的烃品岩i也层孑L隙燕压生烃模拟仪是这样实现的 本发明的一种烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪，其特征在于它由高温高压
反应单元303、双向液压自动控制单元301、自动排烃产物收集与流体补充单元 307、数据采集与自动控制单元314、外围辅助设备与仪器外壳五部分构成，其 中所述的高温高压反应单元303通过A缸中间套308和B缸中间套501分别 与双向液压自动控制单元301中大油缸A的施压杆A和小油缸B的施压杆B连 接，对合金筒体进行密封、对岩样518施加静岩压力。
一、在本发明中，所述的高温高压反应单元303包括
合金筒体503、 B缸中间套501、下压环螺栓502、下压环套504、 V型紫铜 密封垫圈A505、 V型紫铜密封垫圈B520、 0型石墨垫圈506、合金样品室507、 生烃空间调节器508、自紧式端盖509、紫铜锥形密封环510、上压环套511、 上压紧螺栓512、上中间压力套A513、压帽514、 二通接管515、 A缸中间套308、岩样518、金属过滤片A517、金属过滤片B519、静岩压力柱521和下中间压力 套B309、箱式加热炉310和温度变送器302。
所述合金筒体503为一中空柱体，其上端口依次安装自紧式端盖509、紫铜 锥形密封环510、上压环套511和上压紧螺栓512之后，通过A缸中间套308 与施压杆A609连接，由大油缸A施压后进行密封；其中所述自紧式端盖中间有 直径0.5毫米通道， 一端与合金样品室507相连通，另一端通过二通接管与自 动排烃产物收集与流体补充单元的管线接头A420、四通阀门402相连接，形成 产物的排出通道；
所述合金筒体503下部端口安装的B缸中间套501与小油缸B的施压杆 B610相连接，通过静岩压力柱521对岩样518施加静岩压力；
所述合金筒体503内再依次安装生烃空间调节器508，金属过滤片A、合金 样品室507、岩样518、金属过滤片B和静岩压力柱、空心口向上的V形紫铜密 封垫圈A、 O形石墨垫圈、空心口向下的V形紫铜密封垫圈B、下压环套504、 下压环螺栓和下中间压力套B309;其中下中间压力套B309放置在底座313上， 利用大油缸A的施压杆A对A缸中间套308施加压力后，通过底座313的反作 用力对下中间压力套309施加压力，密封合金筒体下部端口；
已被安装好的上述部件的合金筒体503被直立放置在箱式加热炉310内， 上端口的A缸中间套穿过箱式加热炉顶部开口与施压杆A连接，下端的下中间 压力套B309以及被下中间压力套B套着的B缸中间套穿过箱式加热炉底部开 口分别与底座313和施压杆B连接。
综上，高温高压反应单元是整台仪器的核心部分，(l)其中所述的合金筒体 为一中空柱体，其上部端口通过自紧式端盖、紫铜锥形密封环、上压环套、上 中间压力套和上端压紧螺栓组合后利用大油缸A施压对合金筒体上部端口进行 密封，之后，在合金筒体内依次装入生烃空间调节器508，金属过滤片A、合金 样品室507、岩样51S、金属过滤片B和静岩压力柱、V形紫铜垫圈(空心口向上)、O形石墨垫圈、V形紫铜垫圈(空心口向下)下压环套、下压环螺栓和 下中间压力套，所述下中间压力套被放置在龙门架底座上，利用大油缸A的施 压杆A对A缸中间套施压在底座上形成的反作用力对下中间压力套施加压力， 对合金筒体下部端口进行密封，由于合金筒体上部端口采用轴向自紧式静密封 与下部端口采用半自紧式动密封，这样，可以保证在岩样518孔隙中形成最大 可达150MPa的地层流体压力。(2)所述B缸中间套被放置在小油缸B的施压杆B 上，通过B缸中间套和静岩压力柱对岩样518的挤压能够对岩样施加最大可达 200MPa的静岩压力。(S)整个组合好的合金筒体和合金样品室被放置在箱式加热 炉空腔体中，由龙门架底板的下中间压力套和B缸中间套支撑，通过箱式加热 炉加热，因此岩样受热均匀，最高温度可达60(TC。 (4)所述岩样被紧密地放置在 合金样品室507中，因此可以防止岩样在施加静岩压力与围压的过程中发生与 烃源岩成岩作用不符的破损，尽量保留了样品的原始孔隙结构与空间，保证热 压模拟生烃过程是在几乎没有多余空间，而只在原始样品的地层孔隙中进行， 样品室最大允许装样量为156克
二、在本发明中，所述的自动排烃产物收集与流体补充单元307通过四通 阀门、管线接头A与高温高压反应单元上端口的二通接管连接；其中，
所述的自动排烃产物收集与流体补充单元307包括由压力变送器401、四通 阀门402、 二位三通电磁阀A403、高压气动阀A404、压力显示表409、电动压 力开关410、电磁阀413、气液分离器414、冷阱415、制冷器416、储气室418 组成的自动排烃与产物收集装置以及由快速接头411、高压活塞容器412、高压 气动阀B405、 二位三通电磁阀B406、电动高压泵419、截止阀417组成的流体 补充装置和为二位三通电磁阀A、 B提供驱动力的气体减压阀407、气体高压钢 瓶408。
所述的四通阀门第一个出口通过管线接头A与高温高压反应单元上部二通 接管连接，第二个出口安装压力变送器401通过信号线与所述计算机614连接，
11第三个出口通过管线与高压气动阀A连接；
所述高压气动阀A通过管线与气液分离器连接，气液分离器被放置在冷阱 中，冷阱由制冷器提供的冷凝水制冷；
所述的气液分离器通过管线与压力显示表、电动压力开关、电磁阀、储气 室依次连接；
所述的电动压力开关通过信号线与计算机614相连，在实验过程中对生成 的液态与气体产物进行自动分离与收集；
所述四通阀门的第四个出口通过不锈钢管线与高压气动阀B连接，所述的 高压气动阀B通过管线再与高压活塞容器连接，高压活塞容器由与之相连的电 动高压泵提供压力；
所述的二位三通电磁阀A、 B通过管线与气体减压阀、高压气体钢瓶连接， 其控制部分通过信号线与计算机614相连。
综上，自动排烃产物收集与流体补充单元307体现了三个特点，即自动或 手动排出流体、自动或手动补充流体、自动收集与分离气液产物。所述四通阔 门的第一个接口通过管线与高温高压反应单元上端的二通接管连接，形成流体 进出高温高压反应单元的通道；其第二个接口安装压力变送器401，通过信号线 与所述的计算机614连接，用以检测合金筒体与合金样品室内地层流体压力； 其第三个接口通过管线与高压气动阀A和二位三通电磁阀A连接，若压力变送 器401检测到的地层流体压力超过设定的排烃压力值时，则启动二位三通电磁 阀A，打开高压气动阀A排出流体减压直至所设定的压力值，再关闭高压气动 阀A;其第四个接口通过管线与高压气动阀B和二位三通电磁阀B连接，当样 品室内的地层流体压力低于设定的排烃压力值时，则启动二位三通电磁阀B，打 开高压气动阔B，通过电动高压泵和高压活塞容器补充合金样品室中的地层流体 压力，直至所设定的压力值，再关闭高压气动阀B。如此过程就能自动分离收集 岩样518生成的气液态产物以及对合金筒体与样品室内实时补充流体，从而形成一个开放的或者半开放的反应环境，由于高压气动阀A、 B的开与关既可以通
过手动控制面板上的开关手动控制也可以通过计算机614自动控制样品室内流 体的排出与补充，从而实现了烃源岩在幕式排烃和稳定流体压力下的生烃过程； 所述的高压气动阀A通过管线与气液分离器连接，气液分离器被放置在冷阱中， 冷阱由制冷器提供的冷凝水制冷，气液分离器再通过管线与压力显示表、电动 压力开关、电磁阀、储气室依次连接，电动压力开关通过信号线与计算机614 相连，从样品室中排出的流体产物首先被保留在冷冻的气液分离器中，当其内 压力大于压力指示表设定的值或者实验结束时，计算机614发出指令通过电磁 阀打开压力开关，气体产物进入储气室收集，液态产物被保留在气液分离器中， 从而实现了模拟生烃产物的自动收集与气液分离。
三、 在本发明中，
所述的数据采集与自动控制单元314包括数据采集与自动控制卡、计算机 614与打印机，通过计算机614分别与高温高压反应单元的温度变送器302、与 自动排烃产物收集与流体补充单元的压力变送器401、 二位三通电磁阀A、 B以 及电动压力开关410，与双向液压自动控制单元301的智能压力控制表A、 B及 油泵电机相连接。由计算机614对箱式加热炉的加温、恒温、降温、合金筒体 和合金样品室507中的地层流体压力、岩样518的静岩压力、高温高压单元的 排烃、流体产物的分离收集、流体的补充以及实验数据的记录进行自动控制与 采集。
四、 在本发明中，
所述的双向液压自动控制单元301由智能压力控制表A601、智能压力控制 表B602、压力变送器A603、压力变送器B604、大油缸A305、小油缸B306、换 向电磁阀A607、换向电磁阀B608、施压杆A609、施压杆B610、油箱611、柱塞 油泵612和油泵电机组成613;其中
所述大油缸A的施压杆A与A缸中间套308连接，保证合金筒体和样品室在高温高压条件下的密封；
小油缸B的施压杆B与B缸中间套连接，通过静岩压力柱对岩样518产生 静岩压力和围压。
所述智能压力控制表A、智能压力控制表B及油泵电机均由信号线与计算机 614和手动控制面板315连接，既可以通过数据采集与自动控制单元的计算机 614自动控制，也可以通过手动控制面板上的开关进行等同操作；若该压力变送 器A、 B给出的信号低于设定压力的范围，则计算机614发出指令，启动油泵电 机，驱动柱塞油泵从油箱中抽出机油，同时打开换向电磁阀A、 B，对大油缸A、 小油缸B进行补压，再驱动施压杆A、 B上下运动分别对密封垫圈和岩样518施 加压力，直到设定的压力值。其中所述的大油缸A和小油缸B共同使用同一个 油箱、油泵电机和柱塞油泵构成两套液压装置，大油缸A和小油缸B的自动控 制是通过压力变送器A、 B输出压力信号到智能压力控制表A、 B，由计算机614 实时进行的，若压力变送器输出信号低于实验设定压力的范围，则计算机614 发出指令，启动油泵电机和柱塞油泵，打开换向电磁阀A、 B，对大油缸A禾口/ 或小油缸B进行补压，直到设定压力。
五、在本发明中，所述外围辅助设备与仪器外壳单元包括真空泵316、龙门 架311、底座312、顶板313、手动控制面版315、碳钢喷塑外壳等构成，通过 龙门架固定箱式加热炉，通过顶板312固定双向液压自动控制单元301的大油 缸A，其施压杆A与A缸中间套308连接，通过底座313固定双向液压自动控 制单元301的小油缸B、支撑下中间压力套B309，施压杆B则与高温高压反应 单元的B缸中间套501相连接；所述手动控制面版也与温度变送器302、压力 变送器401、 二位三通电磁阀A、 B以及电动压力开关410以及301的智能压力 控制表A、 B及油泵电机相连接，通过手动控制面版的开关进行相关控制。
本发明之二的烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪的使用方法为
将适量岩样518装入所述的样品室中，上下各放一块金属滤片，再将样品室放入已经封盖好上端口的合金筒体中，依次加入静岩压力柱、空心口向上的
V形紫铜密封垫圈A、 O形石墨垫圈、空心口向下的V形紫铜密封垫圈B、下 压环套、下压环螺栓、下中间压力套B和B缸中间套，将已组装了上述部件的 合金筒体放置在底座上和箱式加热炉中，调节其位置，让其上端的A缸中间套 穿过箱式加热炉顶部开口与施压杆A对齐，下端的B缸中间套和下中间压力套 B穿过箱式加热炉底部开口分别与施压杆B对齐、支撑在底座上，利用手动控 制面板上的手动开关启动油泵电机，驱动大油缸A510和小油缸B514的施压杆 A、 B，对合金筒体内的密封部件以及岩样518施加设定的压力。将四通阀门307 与二通接管415相连接，接上快速接头，手动关闭高压气动阀A，打开二位三通 电磁阀B和高压气动阀B利用电动高压泵将高压活塞容器的压力增加到 80-100MPa给样品室内充入高压流体(氮气或者纯水)，平衡后关上高压气动阀 B，启动数据采集与自动控制单元监测样品室中流体压力的变化情况，在12小 时内如果流体压力没有下降，说明整个仪器不漏。仪器不漏后，排掉试漏所用 的流体，连接真空泵316与管线接头B421，将合金筒体、合金样品室507、四 通阀门、气液分离器和储气室以及它们之间的连接管线均抽成真空，关闭储气 室418的出口端，在计算机614操作系统上按模拟实验设计要求设置相应的参 数(温度、时间、静岩压力、地层流体压力等)，启动仪器自动控制系统，实 验的全过程将按设定条件自动施加静岩压力、地层流体压力、升温恒温、排出 产物、补充流体与分离收集产物。
本发明的有益效果是
① 能够在保留烃源岩样品原始孔隙结构与空间的情况下进行热压生、排烃 模拟实验；
② 能够同时对岩样施加静岩压力、地层流体压力和围压，其中最大静岩压 力和围压为200MPa，最大地层流体压力为150MPa，能较真实地模拟地质情况下烃源岩生烃的压力条件；
③ 可以模拟烃源岩在幕式排烃或稳定地层流体压力(开放或者封闭)下的 生烃过程；
④ 由于采用了现代电子机械与自动控制技术，实现了温度、压力、产物收 集与数据记录的自动控制与监测，大大提高了仪器的自动化程度。
由于该仪器能够在保留烃源岩样品原始孔隙、在有限的孔隙空间里、同时 考虑到与地质条件相近的静岩压力、地层流体压力和围压的条件下进行烃源岩 的加温加压密闭、开放或可控生、排烃模拟实验，进一步完善了我国烃源岩生、 排烃模拟实验装置，为开展成烃机制、油气运移、盆地油气生成量和油气资源 预测方面的研究提供了一种有效的手段，因而具有广阔的应用前景。
附图及


下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。 图1压实成岩作用与油气生成和排驱模拟实验装置
IOI液压缸；102支架；103液压装置；104回压调节器；105注入泵；106
中频电源装置；107底座；108控制柜；109计算机 图2高温高压热模拟实验装置
201液压机操作柜；202隔热板；23感应器支架；204感应器；205保温层； 206高压釜；207热电偶；208位移计；209计算机614控制系统；210压力传感 其显示仪；211电子天平A; 212循环水装置；213可控硅中频电源；214脱气仪； 215冷阱A; 216电子天平B; 217冷阱B; 218工作台；219液压机控制柜；2210
液压机。
图3烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪结构示意图
301双向液压自动控制单元301; 302温度变送器；303高温高压反应单元； 304冷水套；305大油缸A; 306小油缸B; 307自动排烃产物收集与流体补充单元；308 A缸中间套；309下中间压力套B; 310箱式加热炉；311龙门架；312顶板；313底座；314数据采集与自动控制单元；315手动控制面板；316真空泵。
图4自动排烃产物收集与流体补充单元结构图
401压力变送器；402四通阀门；403 二位三通电磁阀A; 404高压气动阔A;405高压气动阀B; 406 二位三通电磁阀B; 407气体减压阀；408气体高压钢瓶；409压力显示表；410电动压力开关；411快速接头；412高压活塞容器；413电磁阀；414气液分离器；415冷阱；416制冷器；417截止阀；418储气室；419电动高压泵；420管线接头A; 421管线接头B。
图5高温高压反应单元结构图
501B缸中间套；502下压环螺栓；503合金筒体；504下压环套；505V形紫铜密封垫圈A; 506 0形石墨垫圈；507合金样品室；508生烃空间调节器；509自紧式端盖；510紫铜锥形密封环B; 511上压环套；512上压紧螺栓；513上中间压力套；514压帽；515二通接管；308A缸中间套；517金属过滤片A ; 518岩样；519金属过滤片B; 520 V形紫铜密封垫圈B;521静岩压力柱；309下中间压力套B。
图6双向液压机控制单元结构示意图
601智能压力控制表A; 602智能压力控制表B; 603压力变送器A; 604压力变送器B; 605大油缸A; 606小油缸B; 607换向电磁阀A; 608换向电磁阀B;609施压杆A; 610施压杆B; 611油箱；612柱塞油泵；613油泵电机；614计算机614。
具体实施方式
实施例
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
17附图3中，本发明由高温高压反应单元303、双向液压自动控制单元301、自动排烃产物收集与流体补充单元307、数据采集与自动控制单元314、外围辅助设备与仪器外壳构成，其中高温高压反应单元的合金筒体503为一中空柱体，由耐高压高温耐腐蚀的合金材料制成，其上部端口依次放置自紧式端盖509、紫铜锥形密封环510、上压环套511、上中间压力套A308和上压紧螺栓512之后，由大油缸A305的施压杆A621对A缸中间套516施加压力之后导致紫铜锥形密封环510发生形变对合金筒体上部端口进行密封；所述自紧式端盖509的中间钻有直径0.5毫米的两个开口通道， 一端与生烃空间调节器508相连接，另一端通过二通接管515和管线接头A与自动排烃产物收集与流体补充单元的四通阀门402相连接；所述合金筒体503内部依次放置生烃空间调节器508和合金样品室507，在合金样品室507内放置金属过滤片A517、岩样518、金属过滤片B519、静岩压力柱521、下中间压力套B和B缸中间套501;所述B缸中间套501被放置施压杆B610上，通过小油缸B306驱动施压杆B对岩样518施加静岩压力；被放置在合金筒体503中的静岩压力柱521依次套上V型紫铜密封圈B520(其V形口与合金样品室507的倒V 口相连接)、0型石墨垫圈506、 V型紫铜密封垫圈A505、下压环套504、下压环螺母502和下中间压力套309之后，通过大油缸A驱动施压杆A609施加压力'，通过下中间压力套309的反作用力导致0型石墨垫圈506、 V型紫铜密封垫圈A、 B发生形变对合金筒体下部端口进行密封；将整个组合好的合金筒体503放置在箱式加热炉310中和底板之上，所述的上中间压力套A308穿过箱式加热炉310上开口通过A缸中间套516与施压杆A接触，所述下中间压力套B309与B缸中间套501穿过箱式加热炉310下开口分别与底板313和施压杆B接触。
自动排烃产物收集与流体补充单元通过管线接头A、四通阀门402与高温高压反应单元303的二通接管515相连接，所述的四通阀门402 —个出口安装压力变送器401检测样品室内地层流体压力，通过信号线与所述的数据采集与自动控制单元连接， 一个出口通过不锈钢管线与高压气动阀A连接，实验过程中若地层流体压力超过设定的排烃压力值时，则启动二位三通电磁阔A排出流体减压，流体产物通过气液分离器414分离之后，液态产物被冷冻保留，气体产物进入储气室418收集，直至所设定的压力值，关闭高压气动阀A;所述四通阀门的再一个出口通过不锈钢管线与高压气动阀B405连接，当样品室内的流体压力低于设定的排烃压力值时，则启动高压气动阀B406通过电动高压泵419和高压活塞容器412补充样品室中的地层流体压力，直至所设定的压力值，所述的高压气动阀B405通过快速接头411、不锈钢管线与高压活塞容器412连接；所述的高压气动阀A404通过管线与气液分离器414连接，气液分离器被放置在冷阱415中，冷阱由制冷器416提供的冷凝水制冷；所述的气液分离器414通过管线与压力显示表409、电动压力开关410、电磁阀413、储气室418依次连接，所述的电动压力开关通过信号线与计算机614614相连，在实验过程中样品室中的岩样518在高温高压条件下生成的液态与气体产物经过四通阀门402进入被冷冻的气液分离器414之后首先被保留在冷冻的气液分离器中，当其内压力大于压力指示表设定的值或者实验结束时，计算机614发出指令打开压力开关和电磁阀，气体产物进入储气室418收集，液态产物被保留在气液分离器中，实现了模拟生烃产物的自动收集与气液分离，为研究烃源岩在幕式排烃和稳定流体压力下的模拟生烃过程，为定量研究烃源岩生烃与初次排烃之间的关系提供一种有效手段。
双向液压自动控制单元301中的大油缸A305和小油缸B306共同使用同一个油箱611、油泵电机613、柱塞油泵612构成两套液压装置，其中所述的油泵电机613通过信号线与计算机614614相连接，所述智能压力控制表A、 B—端与压力变送器A、 B连接、另一端通过信号线与计算机614连接形成两套液压装置的自动控制。所述大油缸A在实验中主要对合金筒体中的A缸中间套308、下中间压力套B施加压力，让密封垫圈产生形变，保证合金筒体和样品室在高温高压条件下的密封；小油缸B的施压杆B的进退通过B缸中间套501和静岩压力杆形成样品的静岩压力和围压。大油缸A和小油缸B的自动控制是通过压力变送器A、 B输出压力信号，通过智能压力控制表A、 B由计算机614实时进行的，若压力变送器输出信号低于实验设定压力的范围，则计算机614发出指令，启动油泵电机和柱塞油泵，打开换向电磁阀A、 B，对进行大油缸A和小油缸B补压，直到设定压力。
数据采集与自动控制单元通过信号线与温度变送器302、压力变送器401、智能压力控制表A、 B、油泵电机、二位三通电磁阀A、 B、电动压力开关410相连接，通过计算机614对所述箱式加热炉310 (最高温度可达60(TC)、大油缸A305、小油缸B306、样品室中地层流体压力、岩样518静岩压力、排烃产物分离收集、流体实时补充以及实验数据进行采集记录与自动控制；所述外围辅助设备与仪器外壳通过龙门架3.11、顶板312、底座313对整个高温高压反应单元303和大油缸A305、小油缸B306起到支撑固定作用。
所述的烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪的使用方法是这样的进行烃源岩高温高压模拟实验之前，首先在合金筒体503上部端口依次放置自紧式端盖509，上中间压力套A308、紫铜锥形密封环510、上压环套511和上压紧螺栓512,通过手动控制面板315启动大油缸A305，带动施压杆A做功对合金筒体上端口进行初步密封；上端口密封之后，从合金筒体下端口依次放置生烃空间调节器508508，上金属滤片A517、装有适量岩样518518的合金样品室507507、下金属滤片B519、静岩压力柱521，然后在静岩压力柱上依次套上V形紫铜垫圈520(口向上)、0形石墨垫圈506、 V形紫铜垫圈505 (口向下)、下压环套504，最后再依次放置下压环螺栓502、下中间压力套B309、 B缸中间套501，这样就组合好了整个合金筒体。再将已组装了上述部件的合金筒体放在仪器底座313上和箱式加热炉310中，调节其位置，让其上端的A缸中间套308与施压杆A接触对齐，下端的B缸中间套与施压杆B接触对齐，下中间压力套B支撑在底座313上之后，首先通过手动控制面板同时启动大油缸A305和小油缸B306，大油缸A对安装在合金筒体下端口的V形紫铜垫圈、O形石墨垫圈以及上部端口的紫铜锥形密封环施加压力进行密封，小油缸B通过B缸中间套和静岩压力柱对岩样518施加静岩压力。
通过管线接头A将二通接管515与四通阀门402相连接，管线接头B将储气室418与真空泵316相连接，打开高压气动阀A404，关闭高压气动阀B405，对上下端口已密封的合金筒体和样品室抽真空，真空抽好之后，再关闭高压气动阀A404，接上快速接头411，手动打开二位三通电磁阀B406和高压气动阀B405，利用电动高压泵419和高压活塞容器412给合金筒体和样品室内充入高压流体(惰性气体或者纯水)直到实验设定的压力，再关闭高压气动阀B405启动数据采集与自动控制单元监测样品室中流体压力的变化情况，在12小时内如
果流体压力没有下降，说明整个仪器不漏。仪器不漏后，打开高压气动阀A404排掉试漏所用的流体，用真空泵316再次将整个系统抽成真空，真空抽好之后，关闭电动压力开关410和储气室418的出口开关，卸下管线接头421，保留整个实验系统处于真空状态。
进行烃源岩高温高压模拟实验时，首先在计算机614操作系统上按模拟实验设计要求设置相应的参数(温度、时间、静岩压力、地层流体压力等)，启动整个模拟实验仪器自动控制系统，计算机614发出指令，启动油泵电机616，通过柱塞油泵经过换向电磁阀A带动大油缸A305做功，使施压杆A609向下运动通过A缸中间套516、上中间压力套A308和上压环套511对紫铜锥形密封环510与自紧式端盖509施加高压密封合金筒体上部端口，同时通过由底板支撑的下中间压力套309的反作用力，经过下压环套504对V形紫铜垫圈520 (口向上)、0形石墨垫圈506、 V形紫铜垫圈505 (口向下)施加高压密封合金筒体下部端口；所述计算机614也可以发出指令，启动油泵电机616,通过柱塞油泵经过换向电磁阀B带动小油缸B305做功，使施压杆B向上运动通过B杆中间
21套501和静岩压力柱521对合金样品室507中的岩样518施加高的静岩压力。 由于合金筒体的上下端口分别采用轴向自紧式静密封与半自紧式动密封相结合 的密封方式确保了烃源岩生烃过程能够在最高达150MPa地层流体压力和最高达 200MPa的静岩压力下进行而不发生生成产物的泄漏。
烃源岩生烃模拟实验时，岩样518的升温、恒温与降温均由计算机614、温 度控制器、温度变送器302和箱式加热炉310中的电阻丝共同完成，由于箱式 加热炉中安装有耐高温电风扇，因此对整个合金筒体和岩样518的加热是均匀 的。实验时最高温度可达600'C。
合金样品室507中的岩样518经过一段时间加热后开始生成油气，同时合 金筒体中的流体(水或者惰性气体)也会因温度的升高，导致地层流体压力会 不断增加，如果在某个温度点，由压力变送器401感应到的地层流体压力超过 实验设定值，计算机614会发出指令，启动二位三通电磁阀A403，由气体高压 钢瓶408和压力显示表409提供的高压气体会打开高压启动阀A404，使合金筒 体和样品室中的高压高温流体产物经二通接管515、四通阀门402、高压气动阀 A404进入到被冷冻的气液分离室中保存，从而降低地层流体压力，压力降低到 一定值之后高压气动阀A会自动关闭；相反，如果在某个温度点，由压力变送 器401感应到的地层流体压力小于实验设定值，计算机614也会发出指令，启 动二位三通电磁阀B406，由气体高压钢瓶408和气体减压阀407提供的高压气 体会打开高压气动阀B405，由高压电动泵419和高压活塞容器412给合金筒体 和样品室中补充适当的高压流体(压力的大小视温度以及模拟实验要求而定) 直至实验设定的压力，同时关闭高压气动阀B。通过自动控制高压气动阀A与 B的开关，由此实现_了烃源岩模拟生烃过程中地层流体压力与排烃过程的自动 控制。
当保留在气液分离器中的气体与液体产物形成的压力超过压力显示表409 设定值或者实验结束后，计算机614发出指令打开电动压力开关410，气体产物进入储气室41S，液体产物被冷冻保留在气液分离器414中，从而实现了气液产 物的自动冷冻分离，被分离的产物取出后再利用其他仪器设备和方法进行油气 水的三相计量。
从上述实施例的描述可知本发明应用现代电子机械与自动控制技术，可 以按设定条件对生烃模拟实验全过程中的静岩压力、地层流体压力、升温恒温 降温、生烃产物排出、流体补充与产物分离实现自动控制。
本发明与现有技术比较的效果对比
大庆石油学院在已获得发明专利"有机质地化演化模拟实验装置"(第
11816号发明，专利号8710091， 1989)的基础上进行了改进(党长涛、刘晓燕 等，1994，地质实验室，10 (3) 164-166)，研制了一种内加热压实式烃源岩 演化生、排烃模拟实验装置，所提供的模拟实验装置是一种用于化学演化模拟， 特别是模拟不同地质条件下的有机质地化演化的实验装置。该装置由在轴向上 装有可移动柱塞的筒状高压反应器、装有一台通过柱塞能够对反应器内样品施 加可控制模拟压力的压力机和套在反应段外部的加热器构成，筒状高压反应器 可分为密封段、反应段和液体收集段，各段间用高压密封件连接。该装置具有 加热速度快，样品受热均匀的优点，最高温度可达600°C，最大静岩压力为 130MPa，最大地层流体压力为15MPa，很难模拟烃源岩在高演化地质条件下的静 岩压力与地层流体压力，由于采用压力表显示压力，无法实现自动控制与流体 的实时补充；由于反应釜中要加入导热金属小球，因此不能用原始样品只能用 粉碎的样品进行模拟实验，改变了样品的原始孔隙结构，影响了实验结果的真 实性。
发明专利"压实成岩作用与油气生成和排驱模拟实验装置"(D0316，专 利号CN01136031.3)和新型实用专利"油气生成、运移和聚集模拟实验装置" (D0316，专利号CN01136031.3)提供了一种自动化程度高、维修方便、高温 高压、加热速度快且温度均匀、既可以模拟开放系统又可以模拟封闭系统的较真实的模拟地层温压条件下的油气生烃以及运移聚集过程的模拟实验装置(附 图1)。就烃源岩生烃过程模拟而言，该仪器与发明专利"有机质地化演化模拟
实验装置"具有很大的相似性，能模拟的最大静岩压力仅为120MPa，最大地层 流体压力只有15MPa，很难模拟烃源岩在高演化地质条件下的静岩和孔隙流体压 力，也没有考虑"样品的原始孔隙结构与空间"、"实际地层流体压力"、"平 衡时间"及"初次排烃"这几个对烃源岩生烃过程具有重要影响的因素。
文献(杜洪文等，2001.石油仪器.15 (6) 16-19)所陈述的"高温高压热 模拟装置"(附图2)实现了温度、压力的自动控制；也采用中频加热技术，加 热快速均匀；气、液产物自动计量，消除了人为误差；特制的无螺栓、快速拆 卸式高温高压反应釜进一步提高了最高模拟地层流体压力(最大40MPa)。同样， 该装置不能用原始样品只能用粉碎的样品进行模拟实验，改变了样品的原始孔 隙结构，不能满足高演化地质条件下的地层流体压力，不能模拟幕式排烃条件 下的烃源岩生烃过程。
与上述现有技术相比较,本发明专利能够在保留烃源岩样518品原始孔隙、 在有限的孔隙空间里、同时考虑到与地下油气生成相近的静岩压力、地层流体 压力和围压的条件下进行烃源岩的加温加压密闭、开放或可控生、排烃模拟实 验。
相比较而言，本仪器具有以下优点
① 能够在保留烃源岩样518品原始孔隙结构与空间的情况下进行烃源岩高 温高压生烃模拟实验，其最高温度为60CrC，最高静岩压力和围压为200MPa， 最高地层流体压力为150MPa，极大地扩展了模拟地质条件下烃源岩生烃的实验 范围，使模拟实验结果更为接近地质实际使模拟实验结果更为接近地质实际；
② 由于采用了现代电子机械与自动控制技术，实现了温度、压力、产物收 集与数据采集等的自动控制与监测，极大地提高了装置的自动化程度与仪器化
水平；(D由于采用了排烃与流体补充的自动控制，因此可以模拟烃源岩在幕式排 烃或稳定地层流体压力(开放或者封闭)下的生烃过程，为研究烃源岩生烃与 初次排烃之间的定量关系提供了一种有效手段。
权利要求
1. 一种烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪，其特征在于它由高温高压反应单元303、双向液压自动控制单元301、自动排烃产物收集与流体补充单元307、数据采集与自动控制单元314、外围辅助设备与仪器外壳五部分构成，其中所述的高温高压反应单元303通过A缸中间套308和B缸中间套501分别与双向液压自动控制单元301中大油缸A的施压杆A和小油缸B的施压杆B连接，对合金筒体进行密封、对岩样518施加静岩压力。
2. 如权利要求1所述的烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪，其特征在于 所述的高温高压反应单元303包括合金筒体503、 B缸中间套501、下压环螺栓502、下压环套504、 V型紫铜密封垫圈A505、 V型紫铜密封垫圈B520、 0 型石墨垫圈506、合金样品室507、生烃空间调节器508、自紧式端盖509、紫 铜锥形密封环510、上压环套511、上压紧螺栓512、上中间压力套A513、压帽 514、 二通接管515、 A缸中间套308、岩样518、金属过滤片A517、金属过滤片 B519、静岩压力柱521和下中间压力套B309、箱式加热炉310和温度变送器302。
3. 如权利要求2所述的烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪，其特征在于 所述合金筒体503为一中空柱体，其上端口依次安装自紧式端盖509、紫铜锥形密封环510、上压环套511和上压紧螺栓512之后，通过A缸中间套308 与施压杆A609连接，由大油缸A施压后进行密封；其中所述自紧式端盖509中 间有直径0.5毫米通道， 一端与合金样品室507相连通，另一端通过二通接管 与自动排烃产物收集与流体补充单元的管线接头A420、四通阀门402相连接， 形成产物的排出通道；所述合金筒体503下部端口安装的B缸中间套501与小油缸B的施压杆 B610相连接，通过静岩压力柱521对岩样518施加静岩压力；所述合金筒体503内再依次安装生烃空间调节器508，金属过滤片A、合金 样品室507、岩样518、金属过滤片B和静岩压力柱、空心口向上的V形紫铜密 封垫圈A、 O形石墨垫圈、空心口向下的V形紫铜密封垫圈B、下压环套504、 下压环螺栓502和下中间压力套B309;其中下中间压力套B309放置在底座313 上，利用大油缸A的施压杆A对A缸中间套308施加压力后，通过底座313的 反作用力对下中间压力套309施加压力，密封合金筒体下部端口 ；已被安装好上述部件的合金筒体503被直立放置在箱式加热炉310内，上 端口的A缸中间套穿过箱式加热炉顶部开口与施压杆A连接，下端的下中间压 力套B309以及被下中间压力套B套着的B缸中间套501穿过箱式加热炉底部 开口分别与底座313和施压杆B连接。
4. 如权利要求l所述的烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪，其特征在于， 所述的自动排烃产物收集与流体补充单元307包括由压力变送器401、四通阀门402、 二位三通电磁阀A403、高压气动阀A404、压力显示表409、电动压 力开关410、电磁阀413、气液分离器414、冷阱415、制冷器416、储气室418 组成的自动排烃与产物收集装置以及由快速接头411、高压活塞容器412、高压 气动阀B405、 二位三通电磁阀B406、电动高压泵419、截止阀417组成的流体 补充装置和为二位三通电磁阀A、 B提供驱动力的气体减压阀407、气体高压钢 瓶408;所述的自动排烃产物收集与流体补充单元307通过四通阀门402、管线 接头A与高温高压反应单元上端口的二通接管连接。
5. 如权利要求4所述的烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪，其特征在于 所述的四通阀门第一个出口通过管线接头A与高温高压反应单元上部二通接管连接，第二个出口安装压力变送器401通过信号线与所述计算机614连接， 第三个出口通过管线与高压气动阀A连接；所述高压气动陶A404通过管线与气液分离器414连接，气液分离器414被放置在冷阱4715中，冷阱415由制冷器416提供的冷凝水制冷；所述的气液分离器414通过管线与压力显示表409、电动压力开关410、电 磁阀413、储气室418依次连接；所述的电动压力开关410通过信号线与计算机614相连，在实验过程中对 生成的液态与气体产物进行自动分离与收集；所述四通阀门402的第四个出口通过不锈钢管线与高压气动阀B连接，所 述的高压气动阀B通过管线再与高压活塞容器412连接，高压活塞容器412由 与之相连的电动高压泵419提供压力；所述的二位三通电磁阀A、 B通过管线与气体减压阀、高压气体钢瓶连接， 其控制部分通过信号线与计算机614相连。
6. 如权利要求1所述的烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪，其特征在于 所述的数据采集与自动控制单元314包括数据采集与自动控制卡、计算机614与打印机，通过计算机614分别与高温高压反应单元的温度变送器302、与 自动排烃产物收集与流体补充单元的压力变送器401、 二位三通电磁阀A、 B以 及电动压力开关410，与双向液压自动控制单元301的智能压力控制表A、 B及 油泵电机相连接。
7. 如权利要求1所述的烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪，其特征在于 所述的双向液压自动控制单元301由智能压力控制表A601、智能压力控制表B602、压力变送器A603、压力变送器B604、大油缸A305、小油缸B306、换 向电磁阔A607、换向电磁阀B608、施压杆A609、施压杆B610、油箱611、柱塞 油泵612和油泵电机613组成；其中所述大油缸A的施压杆A与A缸中间套308连接，保证合金筒体和样品室 在高温高压条件下的密封；小油缸B的施压杆B与B缸中间套连接，通过静岩压力柱对岩样518产生静岩压力和围压。
8. 如权利要求6所述的烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪，其特征在于 所述智能压力控制表A、智能压力控制表B及油泵电机均由信号线与计算机614和手动控制面板315连接，既可以通过数据采集与自动控制单元的计算机 614自动控制，也可以通过手动控制面板上的开关进行等同操作；若该压力变送 器A、 B给出的信号低于设定压力的范围，则计算机614发出指令，启动油泵电 机，驱动柱塞油泵从油箱中抽出机油，同时打开换向电磁阀A、 B，对大油缸A、 小油缸B进行补压，再驱动施压杆A、 B上下运动分别对密封垫圈和岩样518施 加压力，直到设定的压力值。
9. 如权利要求1所述的烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪，其特征在于 所述外围辅助设备与仪器外壳单元包括真空泵316、龙门架311、底座312、顶板313、手动控制面版315、碳钢喷塑外壳，通过龙门架固定箱式加热炉，通 过顶板312固定双向液压自动控制单元301的大油缸A，其施压杆A与A缸中 间套308连接，通过底座313固定双向液压自动控制单元301的小油缸B、支 撑下中间压力套B309，施压杆B则与高温高压反应单元的B缸中间套501相连 接。
10.—种如权利要求1 9之一所述的烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪的使用 方法，其步骤为(1) 将适量岩样518装入所述的样品室中，上下各放一块金属滤片，再将 样品室放入已经封盖好上端口的合金筒体中，依次加入静岩压力柱、空心口向 上的V形紫铜密封垫圈A 、0形石墨垫圈、空心口向下的V形紫铜密封垫圈B、 下压环套、下压环螺栓、下中间压力套B和B缸中间套；(2) 将己组装了上述部件的合金筒体放置在底座上和箱式加热炉中，调节其位置，让其上端的A缸中间套穿过箱式加热炉顶部开口与施压杆A对齐，下 端的B缸中间套和下中间压力套B穿过箱式加热炉底部开口分别与施压杆B对 齐、支撑在底座上，利用手动控制面板上的手动开关启动油泵电机，驱动大油 缸A510和小油缸B514的施压杆A、 B，对合金筒体内的密封部件以及岩样518 施加设定的压力；(3) 将四通阀门402与二通接管515相连接，接上快速接头，手动关闭高 压气动阀A，打开二位三通电磁阀B和高压气动阔B利用电动高压泵将高压活塞 容器的压力增加到80-lOOMPa给样品室内充入高压氮气或者纯水，平衡后关上 高压气动阀B，启动数据采集与自动控制单元监测样品室中流体压力的变化情 况，在12小时内如果流体压力没有下降，说明整个仪器不漏；(4) 确认仪器不漏后，排掉试漏所用的流体，连接真空泵316与管线接头 B421，将合金筒体503、合金样品室507、四通阀门、气液分离器和储气室以及 它们之间的连接管线均抽成真空，关闭储气室418的出口端；(5) 在计算机614操作系统上按模拟实验设计要求设置相应的参数，所说 的参数包括模拟温度、模拟时间、静岩压力、地层流体压力；启动仪器自动控 制系统，实验的全过程将按设定条件自动施加静岩压力、地层流体压力、升温 恒温、排出产物、补充流体与分离收集产物。
全文摘要
本发明名称为烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪及其使用方法，属于石油与天然气地质研究领域模拟烃源岩热压生烃过程的实验装置。本发明由高温高压反应单元、双向液压自动控制单元301、自动排烃产物收集与流体补充单元、数据采集与自动控制单元和外围辅助设备与仪器外壳五部分构成。由于本发明能够在保留烃源岩样518品原始孔隙、在有限的孔隙空间里、同时考虑到与地质条件相近的静岩压力、地层流体压力和围压的条件下进行烃源岩的加温加压密闭、开放或可控生、排烃模拟实验，进一步完善了烃源岩生、排烃模拟实验装置，为开展成烃机制、油气运移、盆地油气生成量和油气资源预测方面的研究提供了一种有效的手段，因而具有广阔的应用前景。
文档编号G09B23/00GK101520962SQ20081010106
公开日2009年9月2日 申请日期2008年2月28日 优先权日2008年2月28日
发明者渠 张, 李广友, 强 王, 秦建中, 郑伦举, 陈伟均, 马亮帮 申请人:中国石油化工股份有限公司;中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院