一种水岩反应实验装置

1.本发明涉及水岩反应实验领域，特别是涉及一种水岩反应实验装置。


背景技术：

2.地热储层开发过程中，储层的岩石在高温(200-300℃)高压条件下与采热介质水时刻发生着水岩化学反应，并与储层的其他传质传热过程耦合，其机制极为复杂。研究以花岗岩为主的地热储层的水岩反应规律及其对传质传热过程的影响，可有效提升对地热储层内多场耦合流动传热机制的认识，并为地热开发、尤其是干热岩人工热储建造和高效利用提供重要的理论支撑。
3.现有的水岩反应实验装置多聚焦于水岩反应本身，无法在同一实验装置内既进行水岩反应、又进行水岩反应前后传质传热过程的对比实验。在同一实验装置内既反应、又做对比实验可以有效避免由于样品反复拆装和转移所造成的系统误差，大幅提高实验研究的可重复性和精确度。同时，现有水岩反应实验装置多采用高温高压反应釜进行静态实验，这样不仅使得矿物水解与沉淀过程相互耦合、无法对造成实验结果的多个科学过程进行剥离，而且对于地热储层而言，其中常见的二氧化硅和硅酸盐矿物的水解速率相较于碳酸盐矿物极其缓慢，静态实验会使化学反应很快趋近平衡态、进一步减慢水岩化学反应的速率，在有限的实验周期内矿物表面难以发生明显的形貌变化，因而阻碍水岩反应前后的对比实验研究。因此亟需一种新型的实验装置，既可实现样品水岩反应及其前后传质传热对比实验的免拆装持续进行，又能通过控制实验工况以及反应平衡状态，实现矿物表面溶蚀的加速和不同反应过程的解耦。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种水岩反应实验装置，能够实现样品水岩反应及其前后传质传热对比实验的免拆装持续进行，又能通过控制实验工况以及反应平衡状态，实现矿物表面溶蚀的加速和不同反应过程的解耦。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种水岩反应实验装置，包括：高温高压反应系统、高压输液系统、数据采集系统以及自动取样系统；
7.所述高温高压反应系统与所述高压输液系统连接；所述高温高压反应系统和所述自动取样系统连接；所述数据采集系统与所述高温高压反应系统连接；所述数据采集系统与所述高压输液系统连接；
8.所述高温高压反应系统用于控制岩石样品进行水岩反应的温度和压力；所述高压输液系统用于控制岩石样品进行水岩反应的液体流速；
9.所述数据采集系统用于采集所述高温高压反应系统和所述高压输液系统中的温度和压力；
10.所述自动取样系统用于进行定时取样以及自动换试管。
11.可选地，所述高温高压反应系统包括：岩心/填砂夹持器、油浴温度传感器、围压压力表、轴压压力表、油浴温度控制箱、围压针阀、轴压针阀、围压轴压泵、冷却器、第二针阀、背压压力表以及背压阀；
12.所述岩心/填砂夹持器分别与所述围压压力表和所述轴压压力表连接；
13.所述油浴温度传感器分别与所述岩心/填砂夹持器以及所述油浴温度控制箱连接；
14.所述围压轴压泵通过所述围压针阀与所述围压压力表连接；所述围压轴压泵通过所述轴压针阀与所述轴压压力表连接；
15.所述冷却器的入口与所述岩心/填砂夹持器的出口连接；所述冷却器的出口依次通过所述第二针阀、所述背压压力表与所述背压阀连接。
16.可选地，所述岩心/填砂夹持器包括：样品腔、围压油浴腔、电加热片以及保温材料；
17.所述样品腔置于所述围压油浴腔内；
18.所述围压油浴腔外壁贴有所述电加热片；所述围压油浴腔分别与所述油浴温度传感器和所述围压压力表连接；
19.所述电加热片外围包裹所述保温材料。
20.可选地，所述样品腔包括：第一堵头、第二堵头以及紫铜管；
21.所述第一堵头位于所述紫铜管底端；所述第二堵头位于所述紫铜管的顶端；
22.所述紫铜管内部放置所述岩石样品。
23.可选地，所述岩心/填砂夹持器，还包括：轴压腔；
24.所述轴压腔与所述轴压压力表和所述第一堵头连接。
25.可选地，所述高压输液系统包括：储液罐、高压输液泵、第一针阀以及预热器；
26.所述储液罐与所述高压输液泵的入液口连接；
27.所述高压输液泵的出液口通过所述第一针阀与所述预热器连接；
28.所述预热器与所述数据采集系统连接。
29.可选地，所述数据采集系统包括：第一温度传感器、压力传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、压差传感器、数据采集器和计算机；
30.所述第一温度传感器的一端与所述预热器连接；所述第一温度传感器的另一端与所述压力传感器的一端连接；所述压力传感器的另一端与所述岩心/填砂夹持器的底端连接；
31.所述第二温度传感器设在所述岩心/填砂夹持器的上方出口处；
32.所述第三温度传感器设在所述冷却器与所述第二针阀之间；
33.所述压差传感器一端与所述岩心/填砂夹持器的入口连接，所述压差传感器的另一端与所述夹持器岩心/填砂夹持器的出口连接；
34.所述数据采集器均与所述第一温度传感器、所述压力传感器、所述第二温度传感器、所述第三温度传感器、所述压差传感器以及所述计算机连接。
35.可选地，所述自动取样系统包括：自动集样器；
36.所述自动集样器与所述背压阀连接。
37.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
38.本发明所提供的一种水岩反应实验装置，通过高温高压反应系统和高压输液系统以及自动取样系统不仅能还原深部地层的温度压力条件并在不同温度、压力和流速下对不同形态的岩石样品进行水岩反应，而且还能在不拆装样品的情况下进行水岩反应前后的传质传热对比实验。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
40.图1为本发明所提供的一种水岩反应实验装置结构示意图。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.本发明的目的是提供一种水岩反应实验装置，能够实现样品水岩反应及其前后传质传热对比实验的免拆装持续进行，又能通过控制实验工况以及反应平衡状态，实现矿物表面溶蚀的加速和不同反应过程的解耦。
43.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
44.图1为本发明所提供的一种水岩反应实验装置结构示意图，如图1所示，本发明所提供的一种水岩反应实验装置，包括：高温高压反应系统、高压输液系统、数据采集系统以及自动取样系统。
45.所述高温高压反应系统与所述高压输液系统连接；所述高温高压反应系统和所述自动取样系统连接；所述数据采集系统与所述高温高压反应系统连接；所述数据采集系统与所述高压输液系统连接。
46.所述高温高压反应系统用于控制岩石样品11进行水岩反应的温度和压力；所述高压输液系统用于控制岩石样品11进行水岩反应的液体流速；岩石样品11既可以是圆柱体的岩心，也可以是一定粒径的岩石颗粒堆积床。
47.所述数据采集系统用于采集所述高温高压反应系统和所述高压输液系统中的温度和压力。
48.所述自动取样系统用于进行定时取样以及自动换试管。
49.所述高温高压反应系统包括：岩心/填砂夹持器7、油浴温度传感器13、围压压力表14、轴压压力表15、油浴温度控制箱16、围压针阀17、轴压针阀18、围压轴压泵19、冷却器21、第二针阀23、背压压力表24以及背压阀25。
50.所述岩心/填砂夹持器7分别与所述围压压力表14和所述轴压压力表15连接。
51.所述油浴温度传感器13分别与所述岩心/填砂夹持器7以及所述油浴温度控制箱
16连接。
52.所述围压轴压泵19通过所述围压针阀17与所述围压压力表14连接；所述围压轴压泵19通过所述轴压针阀18与所述轴压压力表15连接。进而，确保高温高压反应系统中流出的液体经背压阀25暴露在大气压力之前已降至低于液体常压沸点的温度。背压阀25。上游设有背压压力表24。用来直观地监控高温高压反应系统内的驱替压力。
53.所述冷却器21的入口与所述岩心/填砂夹持器7的出口连接；所述冷却器21的出口依次通过所述第二针阀23、所述背压压力表24与所述背压阀25连接。
54.所述岩心/填砂夹持器7包括：样品腔、围压油浴腔10、电加热片9以及保温材料8。
55.所述样品腔置于所述围压油浴腔10内；一方面是通过油浴确保样品加热均匀，另一方面在于，在水岩反应及其前后的对比实验过程中通过围压使紫铜管32变形、紫铜管32壁面与样品之间无间隙，从而确保流体在实验过程中只流过岩心或填砂模型中的孔隙、避免边壁的沟流效应。
56.所述围压油浴腔10外壁贴有所述电加热片9；所述围压油浴腔10分别与所述油浴温度传感器13和所述围压压力表14连接；即将油浴实际温度反馈给油浴温度控制箱16，进而控制电加热片9对油浴腔体的加热。
57.通过油浴对样品进行加热和施加围压，不仅确保加热均匀，而且可避免岩石样品11与岩心/填砂夹持器7壁面的沟流效应，确保水岩反应及其前后对比实验的准确性和可靠性。
58.所述电加热片9外围包裹所述保温材料8。
59.所述样品腔包括：第一堵头30、第二堵头31以及紫铜管32；样品腔两端通过第一堵头30和第二堵头31固定岩石样品11。且由第一堵头30和第二堵头31中的液体通道将液体引入和引。
60.所述第一堵头30位于所述紫铜管32底端；所述第二堵头31位于所述紫铜管32的顶端；
61.所述紫铜管32内部放置所述岩石样品11。
62.所述岩心/填砂夹持器7，还包括：轴压腔12；通过围压轴压泵19和轴压腔12共同作用、驱动第一堵头30控制样品腔轴向压力，长期水岩反应导致颗粒堆积床样品有明显溶蚀的情况下可通过轴压避免样品与样品腔壁面出现缝隙。
63.所述轴压腔12与所述轴压压力表15和所述第一堵头30连接。
64.所述高压输液系统包括：储液罐1、高压输液泵2、第一针阀3以及预热器4；可根据实验需求在液体进入高温高压反应系统前将其预热到所需温度。
65.所述储液罐1与所述高压输液泵2的入液口连接。
66.所述高压输液泵2的出液口通过所述第一针阀3与所述预热器4连接。
67.所述预热器4与所述数据采集系统连接。
68.所述数据采集系统包括：第一温度传感器5、压力传感器6、第二温度传感器20、第三温度传感器22、压差传感器27、数据采集器28和计算机29；可根据水岩反应前后对比实验具体需求，在岩石样品11中埋额外的热电偶线、通过第二堵头31中开设的引线孔引出、构成数据采集系统的一部分。
69.所述第一温度传感器5的一端与所述预热器4连接；所述第一温度传感器5的另一
端与所述压力传感器6的一端连接；所述压力传感器6的另一端与所述岩心/填砂夹持器7的底端连接；
70.所述第二温度传感器20设在所述岩心/填砂夹持器7的上方出口处；
71.所述第三温度传感器22设在所述冷却器21与所述第二针阀23之间；
72.所述压差传感器27一端与所述岩心/填砂夹持器7的入口连接，所述压差传感器27的另一端与所述夹持器岩心/填砂夹持器7的出口连接；
73.所述数据采集器28均与所述第一温度传感器5、所述压力传感器6、所述第二温度传感器20、所述第三温度传感器22、所述压差传感器27以及所述计算机29连接。
74.所述自动取样系统包括：自动集样器26；进而，实现在水岩反应及其前后的对比实验过程中实现自动化取样、便于后续离子浓度的分析。
75.所述自动集样器26与所述背压阀25连接。
76.相较于现有技术，本实验装置不仅可进行水岩化学反应，而且允许水岩反应前后的传质传热对比实验在同一系统内相继进行，避免了样品的重复拆装，大幅提高了实验研究的可重复性和精确度。
77.岩心/填砂夹持器7所有部件均为耐高温材质，长期工作温度可达250℃，通过高温和远离平衡态的开式系统来加速花岗岩(即二氧化硅/硅酸盐矿物)的水解速率，无需使用危险的酸/碱溶液即可达到加速反应、缩短实验周期的目的，因而增加了实验的安全性、降低了夹持器原材料的耐腐蚀要求、大幅节约了成本。
78.开放式系统持续产出水岩反应后的溶液，可在水岩反应进行到任意程度时进行取样检测，便于对水岩反应完整进程进行全方位分析。同时，开放式系统可通过控制驱替流量的大小控制水岩化学反应远离平衡态的程度，控制实验周期，并实现矿物水解和沉淀过程的剥离，相较现有技术可更有针对性地进行具体科学问题的研究。
79.岩心/填砂夹持器7通过油浴提供围压，不仅使样品加热保持均匀，而且使样品腔体的紫铜管32在围压作用下变形、避免样品与样品腔壁面之间出现缝隙造成的流体优势通道、从而确保水岩反应及其前后对比实验中的驱替流体与样品均匀且充分接触，有效提升了水岩反应及其前后对比实验的精确度。
80.压差传感器27和数据采集系统可高效地对样品参数进行实时测量，在线监测水岩反应所致样品渗透率的变化。自动取样系统可自动完成产出液的连续取样，便于后续离子成分分析，节约了人力成本。
81.本实验装置相较于现有技术具有结构简单、自动化程度高、易于操作的特点。
82.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
83.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。