本发明涉及一种测定盐穴储气库残渣空隙利用率的物理模拟装置及方法，属于盐穴地下储气库造腔空隙利用技术领域。
背景技术：
盐穴地下储库是利用地下较厚的盐层或盐丘，采用人工方式在盐层或盐丘中通过水溶形成洞穴储存空间来存储石油、天然气，用于调峰和战略储备。盐穴储气库具有结构坚实、密封性好、易开采，尤其是具有注气及采气迅速的特点，越来越受到各国的重视。
盐穴水溶造腔过程中，可溶物溶于水中并随卤水排出，不溶物逐渐沉积在腔体底部，不溶物的堆积及其内部剩余卤水会造成库容空间的损失。对于含盐量高的岩层，不溶物含量低，溶腔后不溶物堆积体较小，库容损失少，但我国的岩层主要为多夹层盐岩地层，含盐地层中盐层薄、夹层多、不溶物含量高，在溶腔结束后腔底会存在较厚的不溶物残渣。而国外盐穴储库不溶物含量较少，研究多集中在建库选址、盐腔形态控制、注气排卤工艺、密封性评价、稳定性评价等技术方面，而国内目前的研究也多集中在水溶建腔等方面，对不溶物残渣的空隙利用研究较少。
因此，目前迫切需要针对我国实际情况，研发盐穴储气库提高残渣空隙空间利用率的物理模拟技术。对不同地区，不同地层，不同组成的不溶物进行实验模拟，分析研究不溶物残渣的沉积特征及其空隙体积，掌握不溶物残渣空隙可利用率，指导后续注气排卤施工工艺方案设计，为我国盐穴储气库建设技术的完善与发展提供有益补充。
技术实现要素：
为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种测定盐穴储气库残渣空隙利用率的物理模拟装置。
本发明的目的还在于提供一种测定盐穴储气库残渣空隙利用率的物理模拟方法。
为达到上述目的，一方面，本发明提供了一种测定盐穴储气库残渣空隙利用率的物理模拟装置，其包括：带刻度的进气杆1、筒体5及三脚支架12；
其中，所述筒体5顶端设有用于密封该筒体5的顶盖3及顶帽4，该顶帽4与顶盖3之间通过卡簧相连接；且顶盖3设有压实进气口2；
所述活塞6可滑动地设置于筒体5内，且活塞6上装有密封圈7；
所述带刻度的进气杆1的顶端穿过顶盖3并设有气驱进气口，其底端设置的外螺纹与活塞6中心的螺纹孔相连接，且该带刻度的进气杆1的底端与活塞6螺纹孔底面相平齐；
所述筒体5底端设有底帽9及底托10，该底帽9与底托10之间通过卡簧相连接，且底托10设有出水出气口11；
所述筒体5置于该三脚支架12上，且该三脚支架12设有用于使出水出气口11穿过的通孔；
该装置还包括一可拆卸的气水分离器，该气水分离器通过管路与所述出水出气口11相连接。
根据本发明的具体实施方案，在该装置中，优选地，所述筒体5为钢制筒体。
根据本发明的具体实施方案，优选地，该装置还包括一用于收集从出水出气口11所流出水的量筒。其中，在出水出气口11连接软管，并将该软管放入装盛一定量水的量筒中，即可以实现收集水的目的。
根据本发明的具体实施方案，在该装置中，所述可拆卸的气水分离器是指该气水分离器可以根据需要进行拆卸、安装。
另一方面，本发明还提供了一种测定盐穴储气库残渣空隙利用率的物理模拟方法，其是采用所述测定盐穴储气库残渣空隙利用率的物理模拟装置实现的，该方法包括以下步骤：
(1)、将过滤层置于筒体中，再装入浸水后的待测不溶残渣样品，密封筒体；打开压实进气口并通入气体，再缓慢打开气驱进气口，当该气驱进气口有水流出后立刻将其关闭，记录带刻度的进气杆在顶帽上端面处的初始位置刻度；
(2)、打开底部出水出气口，通过压实进气口持续向筒体中通入气体，逐渐增大气体压力，并记录不同压力下带刻度的进气杆在顶帽上端面处的位置刻度和累计出水量；当所述带刻度的进气杆在1h内不再下降，停止加压，此时待测不溶残渣样品被压实，该气体压力即为压实压力，再通过进气杆进深增加值换算得到压实样品高度，进而得到压实体积；
(3)、连接气水分离器，保持步骤(2)中所述压实压力不变，打开气驱进气口并通入气体以进行气驱，观察底部出气口是否有水流出，逐渐增大气驱压力，记录每个气驱压力下的累计出水量，并记录出现第一个气泡时的压力值及时间点，该压力即为突破压力；
(4)、当出现第一个气泡后，保持步骤(3)中所述突破压力不变，观察并记录每个小时的出水量和出气量，记录不出水即连续出气的时间点，从气驱开始到连续出气所流出的水量为气驱水量，即为残渣样品中可利用的空隙体积。
根据本发明的具体实施方案，其中，本发明对该方法步骤(1)中过滤层的厚度不做具体要求，本领域技术人员可以根据现场作业需要合理设置过滤层的厚度，只要保证可以实现本发明目的即可；在本发明具体实施方式中，筒体高度为40cm时，所用过滤层的厚度为1cm左右。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该方法步骤(1)中压实进气口通入的所述气体的压力为0.01-0.1MPa。
具体地，由于活塞与筒壁的密封性较好，在无外力的情况下活塞不会下降，为保证实验开始时活塞能与样品接触，只要稍微加一点压力即可，一般0.01-0.1MPa之间都可以。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该方法步骤(1)中在筒体装入浸水后的待测不溶残渣样品后，再向筒体中装入砂岩过滤层。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该方法步骤(1)中所述过滤层为渗透率为100毫达西以上的过滤层；
更优选地，所述过滤层为砂岩过滤层。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该方法中，所述气体为非可燃气体；
更优选地，该气体包括氮气或空气。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该方法步骤(2)中所述逐渐增大气体压力包括以下步骤：
从气体压力为0.1-1.0MPa开始，每1-3小时增加0.1-1.0MPa，且压实压力不超过10MPa。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该方法步骤(3)中气驱进气口通入的所述气体的压力为0.01-0.5MPa。
具体地，步骤(3)中可以根据实验样品的颗粒大小选择气驱初始压力，一般来说颗粒粒径越小，初始压力越大，颗粒粒径越大，初始压力越小。一般初始压力为0.01-0.5MPa之间。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该方法步骤(3)中气驱压力的增加幅度不大于0.5MPa，且所述突破压力不大于所述压实压力。
根据本发明的具体实施方案，优选地，在该方法步骤(2)-(3)中采用量筒收集水，具体操作如下：在出水出气口连接软管，并将该软管放入量筒中以收集水；
更优选地，所述量筒为盛装一定量水的量筒。
其中，步骤(3)中当出水出气口连接气水分离器后，该量筒用于收集从气水分离器分离的水。
使用盛装一定量水的量筒的目的主要是观察什么时候能够突破出现气泡，不过连接软管是透明的也可以直接观察到气泡流出。
根据本发明的具体实施方案，该方法中所用的带刻度的进气杆的高度已知。
本发明通过室内实验模拟盐穴储气库造腔过程所涉及的残渣沉积过程和气驱排水过程，分析研究不溶物残渣样品在不同压力下的压实变化以及注气排卤扩容的效果，进而得出盐腔不溶物占用损失空间，预测注气排卤扩容体积。为盐穴储气库扩容技术的完善提供基础参数，指导盐穴建库造腔施工方案设计。
本发明所提供的盐穴储气库测定残渣空隙利用率的物理模拟技术具有以下优点：
(1)本发明所提供的盐穴储气库提高残渣空隙利用率的物理模拟方法能够模拟不同地区、不同组成、不同颗粒在不同压力下的残渣压实体积变化、气驱排水过程，可以测得残渣排替压力和排出水体积，进而计算得到残渣空隙的可利用率(气驱水量/压实体积)。
(2)本发明所提供的盐穴储气库测量残渣空隙利用率的物理模拟装置结构设计合理，操作简单，安全稳定。整个装置简单紧凑，构思巧妙。可以通过进气压力控制筒体内压和气驱压力，进气杆进深可以转化成残渣体积。
(3)本发明所提供的盐穴储气库测量残渣空隙利用率的物理模拟方法简单，容易掌握。
附图说明
图1为本发明所提供的提高盐穴储气库残渣空隙利用率的物理模拟装置的结构示意图。
主要附图标号说明：
1、带刻度的进气杆；
2、压实进气口；
3、顶盖；
4、顶帽；
5、筒体；
6、活塞；
7、密封圈；
9、底帽；
10、底托；
11、出水出气口；
12、三脚支架。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例及说明书附图对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种测定盐穴储气库残渣空隙利用率的物理模拟装置，其结构示意图如图1所示，从图1中可以看出，该装置包括：带刻度的进气杆1、筒体5及三脚支架12；
其中，所述筒体5顶端设有用于密封该筒体5的顶盖3及顶帽4，该顶帽4与顶盖3之间通过卡簧相连接；且顶盖3设有压实进气口2；
所述活塞6可滑动地设置于筒体5内，且活塞6上装有密封圈7；
所述带刻度的进气杆1的顶端穿过顶盖3并设有气驱进气口，其底端设置的外螺纹与活塞6中心的螺纹孔相连接，且该带刻度的进气杆1的底端与活塞6螺纹孔底面相平齐；
所述筒体5底端设有底帽9及底托10，该底帽9与底托10之间通过卡簧相连接，且底托10设有出水出气口11；
所述筒体5置于该三脚支架12上，且该三脚支架12设有用于使出水出气口11穿过的通孔；
该装置还包括一可拆卸的气水分离器(图中未示出)，该气水分离器通过管路与所述出水出气口11相连接；
所述筒体5为钢制筒体。
该装置还包括一用于收集从出水出气口11所流出水的量筒。其中，在出水出气口11连接软管，并将该软管放入装盛一定量水的量筒中，即可以实现收集水的目的。
实施例2
本实施例提供了一种测定盐穴储气库残渣空隙空间利用率的物理模拟方法，其是采用实施例1所提供的装置实现的，该方法包括以下步骤：
一、实施例1所提供装置的基本参数如下所示
1、筒体内径d＝9.0cm，筒体高度为40cm；
2、可容纳的样品体积V＝S×H1；
其中，S为筒体横截面积，πd2/4＝3.14×9×9/4＝63.585cm2；
H1为样品高度，其中，初始样品高度计算公式为：筒体高度-过滤层高度-(进气杆总高度-进气杆在顶帽上端面处的初始位置刻度)；
压实样品高度计算公式为：初始样品高度-进气杆进深增加值，即为：初始样品高度-(进气杆在顶帽上端面处的初始位置刻度-进气杆在顶帽上端面处的最终位置刻度)；
3、进气杆空间体积为23mL，进气杆高度为50.9cm。
二、实验准备
1、准备两块砂岩岩心过滤层(厚度均为1cm)，四张圆形滤纸，岩心直径、滤纸直径与筒体内径相同，均为9cm。
2、先将一块过滤岩心放入样品筒底部，上面覆盖两张滤纸，然后将底托和腔体旋紧，关闭底部出水出气口。
3、测量待测样品的湿样体积、质量，样品体积不能大于样品筒最大可容纳体积V。
4、将样品中的水尽量用吸管吸干净后将样品转入样品筒内，清洁筒壁。
5、在样品顶端依次放入两张滤纸和过滤岩心，再将顶盖拧紧。
三、压实实验
1、保持底部出水出气口、气驱进气口和压实进气口关闭，压实进气口连接气瓶。将压力调节至0.1MPa，压实进气口打开，缓慢打开气驱进气口，当气驱进气口有水流出后立刻关闭。记录进气杆在顶帽上端面处的初始位置刻度。
2、打开底部出水出气口，在气体压力的作用下，样品中的水会被挤压流出，用量筒承接。从0.5MPa开始，每小时增加0.5MPa，记录不同压力下进气杆高度和累计出水量。当每小时的出水量小于3mL或者不出水时停止加压，记录进气杆在顶帽上端面处的最终位置刻度，此时的压力为压实压力，由进气杆进深增加值换算的体积即为压实体积。
四、气驱水实验
1、连接气水分离器，保持压实压力不变，调节气驱进气压力为0.1MPa，打开气驱进气口通入气体以进行气驱，观察底部出水出气口是否有水流出，逐渐增大气驱压力，开始增加量不要超过0.5MPa，后视情况可适当调整压力增加量，记录每个压力下的累计出水量，并观察是否有气泡流出，如果有，记录出气泡的时间点和压力，该压力即为突破压力。
2、当有气泡后，保持气驱压力不变，观察并记录每个小时的出水和出气量，随着时间推移，出水量逐渐减少，记录不出水即连续出气的时间点，从气驱开始到连续出气流出的水量为气驱水量。
3、气驱压力的不能超过压实压力。
五、实验结束
1、关闭气驱进气口和压实进气口，将气驱压力和压实压力关闭。
2、整理实验数据。计算压实体积(压实后样品高度×筒体横截面积)，气驱过程驱出水量为残渣空隙可利用空间量。气驱水量除以压实体积即为残渣空隙空间利用率。
具体地：
本实施例中选取平顶山地区岩心样品，样品体积为940mL，不溶物质量百分含量为91％，样品粉碎过40目筛子(方孔0.45mm)，碎样后浸水，观察至少十五天，待体积变化不大后，方可放入仪器中进行实验。
进气杆在顶帽上端面处的初始位置刻度为38.7cm，则初始样品高度计算公式为40cm-2cm-(50.9cm-38.7cm)，计算得到初始样品高度为25.8cm，初始体积为1640mL，压实压力从0.5MPa，每小时逐步提高0.5MPa，记录进气杆位置刻度和出水量，最终进气杆在顶帽上端面处的最终位置刻度为28.7cm，则压实样品高度计算公式为25.8cm-(38.7cm-28.7cm)，计算得到压实样品高度为15.8cm，压实压力为8MPa，压实体积(压实样品高度×筒体横截面积)为1005mL。
保持压实压力不变，通过驱替压力从0.1MPa，逐渐增加至0.2MPa，0.3MPa，后续可以适当增加压力，但不要超过0.5MPa，最终测得突破压力为7MPa，累计出水量为75.5mL，得到残渣空隙空间利用率为7.5％。