一种碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置的制作方法

本发明涉及石油地质技术领域。更具体地，涉及一种碳酸盐岩同生期胶结作用的模拟装置。

背景技术：

我国海相碳酸盐岩层系油气资源量占全国油气总资源量的40％以上，是油气资源战略接替的主要领域。但是，我国海相碳酸盐岩具有时代老、埋藏深、成藏复杂等特点，导致预测难度大和勘探成本高等问题。如何合理认识碳酸盐岩规模孔隙的形成机制，是判断岩层是否具备存储油气条件的关键，也是提高油气勘探效率的关键。

研究表明，碳酸盐岩在经历沉积后的压实、胶结、重结晶作用后，原生孔隙所剩无几，次生孔隙成为重要储集空间。为了解决研究碳酸盐岩孔隙成因主要依靠地质推断的问题，开展碳酸盐岩孔隙演化模拟实验逐渐得到重视。

目前，地质家们强调碳酸盐岩成岩过程中溶蚀增孔的作用，并研发出诸多适用于碳酸盐岩溶蚀模拟的实验装置。例如，依托一种成岩作用模拟实验装置(发明专利，zl201110271800.3)和一种碳酸盐岩溶蚀作用与溶蚀效应的分析方法(发明专利，zl201410717934.7)，采用覆压下流体在岩石内部孔隙中运移的实验方式，开展不同温度、压力下碳酸盐岩溶蚀模拟，获得了浅埋藏(低温环境)更有利于溶孔(溶洞)储层形成、孔隙结构及其均质性控制溶孔分布样式的认识；利用金刚石压腔技术(杨云坤，基于模拟实验的原位观察对碳酸盐岩深部溶蚀的再认识)，开展从室温(23.8℃)至260℃的原位观察模拟实验，借助拉曼光谱检测出溶液中hco3^-随着实验的进行单调减少，据此推测随着埋藏深度增加，碳酸盐岩整体表现为沉淀和胶结。

上述实验表明，碳酸盐岩规模溶蚀作用主要发生于近地表低温环境，中-深埋藏环境下以沉淀作用为主，因此针对碳酸盐岩成岩过程中胶结作用研究至关重要。此外，结合现代碳酸盐沉积学研究来看，原生孔隙的大量消失发生在沉积物的早期成岩过程中，此时埋藏较浅，胶结作用和压实是孔隙消失的主要原因。可以说，同生期胶结作用在决定碳酸盐岩的成岩性质和孔隙保存方面具有重要作用。但是，由于缺少模拟同生期碳酸盐沉积物胶结作用的实验装置，只能依靠溶蚀实验推断碳酸盐岩发生沉淀作用，导致碳酸盐岩同生期胶结作用发生机制、控制因素和胶结物样式等问题尚未解决，进而限制了碳酸盐岩规模孔隙保存机制的合理认识。

因此，本发明提供了一种碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置。该装置用于模拟接近地表渗流带和潜流带环境的化学沉淀过程，可直观标准碳酸盐岩同生期胶结物的产状和定量分析碳酸盐岩同生期胶结作用控制因素，致力于解决碳酸盐岩早成岩期孔隙保存机制和规模孔隙分布预测问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置，包括双极柱塞泵、饱和co2压力容器和沉淀反应单元；

所述双极柱塞泵连接所述饱和co2压力容器，所述饱和co2压力容器连接所述沉淀反应单元；

所述饱和co2压力容器用于配制反应溶液，该反应溶液为包含一定co2分压气体的反应溶液；

所述双极柱塞泵用于提供装置所需压力，包括提供将饱和co2压力容器内反应溶液注入反应单元的压力以及通过压缩反应溶液提供模拟地层压力所需的压力；

所述沉淀反应单元用于放置地表渗流带碳酸盐岩a和地表潜流带碳酸盐岩，所述沉淀反应单元中的地表渗流带碳酸盐岩a和地表潜流带碳酸盐岩均与注入沉淀反应单元中的流体进行反应，生成沉淀反应生成液；所述沉淀反应单元用于模拟地表渗流带碳酸盐岩和地表潜流带碳酸盐岩分别与地层水之间的沉淀反应。

优选地，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括溶蚀反应单元；所述溶蚀反应单元设于所述饱和co2压力容器和所述沉淀反应单元之间；

所述溶蚀反应单元用于放置地表渗流带碳酸盐岩b，所述溶蚀反应单元中的地表渗流带碳酸盐岩b与注入溶蚀反应单元中的流体进行反应，生成溶蚀反应生成液；所述溶蚀反应单元用于模拟地表渗流带碳酸盐岩与地层水之间的溶蚀反应。

优选地，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括第一取样器，所述第一取样器与所述溶蚀反应单元连接，用于获取所述溶蚀反应单元中的溶蚀反应生成液。

优选地，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括第二取样器，所述第二取样器与所述沉淀反应单元连接，用于获取所述沉淀反应单元中的沉淀反应生成液。

优选地，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括空气泵，所述空气泵与所述沉淀反应单元连接，用于向所述沉淀反应单元中的地表渗流带碳酸盐岩a中注入空气，实现大气水、地表水与地下水发生联系并进行水分交换。

优选地，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括co2气瓶，所述co2气瓶与所述饱和co2压力容器连接，用于为饱和co2压力容器提供co2气体，进一步调控反应溶液中co2气体的分压。

优选地，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括溶液容器，所述溶液容器连接所述双极柱塞泵，用于为饱和co2压力容器提供驱动溶液，驱动饱和co2压力容器内流体流入模拟装置的溶蚀反应单元或沉淀反应单元；双极柱塞泵将溶液容器中的驱动溶液注入饱和co2压力容器底部，从而推动饱和co2压力容器内部反应溶液进入溶蚀反应单元或沉淀反应单元。

优选地，所述溶液容器中的驱动溶液为去离子水。

优选地，所述溶蚀反应单元包括溶蚀反应釜，所述溶蚀反应釜包括溶蚀反应釜本体、第一进料口、第一出料口、第二出料口、第一过滤器、第二过滤器、第一密封塞和第二密封塞；所述溶蚀反应釜本体的顶部设有第一进料口，所述溶蚀反应釜本体的底部设有第一出料口和第二出料口，所述溶蚀反应釜本体的内部顶端设有第一过滤器，所述溶蚀反应釜本体的内部底端设有第二过滤器，所述第一进料口处设有第一密封塞；所述第一出料口和所述第二出料口处设有第二密封塞；其中，所述第一进料口连接所述饱和co2压力容器，所述第一出料口连接所述沉淀反应单元，所述第二出料口连接所述第一取样器，地表渗流带碳酸盐岩b置于第一过滤器和第二过滤器之间。

优选地，所述沉淀反应单元包括沉淀反应釜，所述沉淀反应釜包括沉淀反应釜本体、第二进料口、气体出口、第三出料口、气体进口、第三过滤器、第四过滤器、第三密封塞和第四密封塞；所述沉淀反应釜本体的顶部设有第二进料口和气体出口，所述沉淀反应釜本体的底部设有第三出料口和气体进口，所述沉淀反应釜本体的内部顶端设有第三过滤器，所述沉淀反应釜本体的内部底端设有第四过滤器，所述第二进料口和所述气体出口处设有第三密封塞、所述第三出料口和所述气体进口处设有第四密封塞；其中，所述第二进料口连接所述溶蚀反应单元或所述饱和co2压力容器，所述气体出口与空气连通，所述第三出料口连接所述第二取样器，所述气体进口连接空气泵，地表渗流带碳酸盐岩a和地表潜流带碳酸盐岩置于第三过滤器和第四过滤器之间。

优选地，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括管线；其中所述双极柱塞泵通过管线连接所述饱和co2压力容器，所述饱和co2压力容器通过管线连接溶蚀反应单元或沉淀反应单元，所述溶蚀反应单元通过管线连接所述沉淀反应单元，所述co2气瓶通过管线连接所述饱和co2压力容器。

优选地，所述管线的材料为橡胶。

优选地，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括第一取样器连接管；所述第一取样器通过第一取样器连接管连接所述溶蚀反应单元；所述第一取样器连接管的一端穿过第二出料口延伸至所述溶蚀反应单元内的第二过滤器中。

优选地，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括空气泵连接管；所述空气泵通过空气泵连接管连接所述沉淀反应单元；所述空气泵连接管的一端穿过气体进口延伸至所述沉淀反应单元内地表渗流带碳酸盐岩a中。

优选地，所述第一取样器连接管和空气泵连接管的材料均为玻璃或塑料。

优选地，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括u型管，所述第二取样器通过u型管连接所述沉淀反应单元；所述u型管的一端穿过第三出料口延伸至所述沉淀反应单元内的第四过滤器中。

优选地，所述u型管的材料为玻璃或塑料。

优选地，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括阀门，所述阀门设置于所述管线和所述u型管上。

优选地，所述饱和co2压力容器和所述阀门的材料均为哈氏合金。

优选地，所述溶蚀反应釜本体和所述沉淀反应釜本体的材料均为透明玻璃或透明塑料。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置，能够模拟接近地表渗流带和潜流带环境下碳酸盐岩与地层水之间发生的胶结作用过程，有助于通过实验研究碳酸盐岩同生期胶结作用发生控制因素、胶结物样式和有利于孔隙保存机制；在碳酸盐岩同生期，通过复制渗流带和潜流带胶结过程中不同的压力、流体化学性质、沉积物类型和水动力条件等条件，可以有效模拟由于co2分压、流体化学组分和流速变化导致碳酸盐沉积发生的胶结作用；此外还通过渗流带溶蚀反应单元和渗流带与潜流带沉淀反应单元区分渗流带和潜流带环境、通过双极柱塞泵和饱和co2压力容器实现饱和溶液co2分压定量控制、模拟水溶液更接近地质实际和胶结作用控制因素定量分析。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明提供的碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置示意图；

图2示出本发明提供的溶蚀反应单元示意图；

图3示出本发明提供的沉淀反应单元示意图；

其中，1-双极柱塞泵，2-饱和co2压力容器，3-溶蚀反应单元，4-沉淀反应单元，5-第一取样器，6-第二取样器，7-空气泵，8-co2气瓶，9-溶液容器，31-溶蚀反应釜本体，32-第一进料口，33-第一出料口，34-第二出料口，35-第一过滤器，36-第二过滤器，37-第一密封塞，38-第二密封塞，39-第一取样器连接管，41-沉淀反应釜本体，42-第二进料口，43-气体出口，44-气体进口，45-第三出料口，46-第三过滤器，47-第四过滤器，48-第三密封塞，49-第四密封塞，50-空气泵连接管，51-u型管。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

目前同生期碳酸盐沉积物胶结作用只能依靠溶蚀实验推断碳酸盐岩发生沉淀作用，缺少模拟同生期碳酸盐沉积物胶结作用的实验装置，导致碳酸盐岩同生期胶结作用发生机制和控制因素等问题尚未解决，进而限制了碳酸盐岩规模孔隙形成机制的合理认识，因此本发明提供了一种碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置，能够实现分别模拟接近地表渗流带和潜流带环境的化学沉淀过程，即实现对碳酸盐岩分别在大气淡水、海水、高含co2气体地层水等流体作用下发生胶结填孔的模拟，解决了碳酸盐岩同生期胶结作用发生机制和控制因素问题(主要包括孔隙水中盐度、co2分压、离子类型与含量及ph值等因素)，明确了同生期不发生胶结作用有利于孔隙保存的主控因素。

具体地，结合图1，本发明提供了一种碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置包括双极柱塞泵1、饱和co2压力容器2和沉淀反应单元4；所述双极柱塞泵1连接所述饱和co2压力容器2，所述饱和co2压力容器2连接所述沉淀反应单元4；

或者，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置包括双极柱塞泵1、饱和co2压力容器2、溶蚀反应单元3和沉淀反应单元4；所述双极柱塞泵1连接所述饱和co2压力容器2，所述饱和co2压力容器2连接所述溶蚀反应单元3，所述溶蚀反应单元3连接所述沉淀反应单元4；

所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置中，所述双极柱塞泵1用于提供装置所需压力，包括提供将饱和co2压力容器内反应溶液注入溶蚀反应单元3或沉淀反应单元4的压力以及通过压缩反应溶液提供模拟地层压力所需的压力；

所述饱和co2压力容器2用于配制并向溶蚀反应单元3或沉淀反应单元4提供包含一定co2分压气体的反应溶液，包括包含一定co2分压气体的去离子水、海水、地层水或人工配制溶液等，进一步地，所述饱和co2压力容器2的材料为耐酸碱腐蚀的哈氏合金；本领域技术人员可以理解的是，所述人工配制溶液为按照实验方案配制一定离子类型、含量和酸碱度的溶液。

所述溶蚀反应单元3用于放置地表渗流带碳酸盐岩b，所述地表渗流带碳酸盐岩b与注入溶蚀反应单元3中的流体进行反应，生成溶蚀反应生成液；所述溶蚀反应单元3用于模拟地表渗流带碳酸盐岩与地层水之间的溶蚀反应；

所述沉淀反应单元4用于放置地表渗流带碳酸盐岩a和地表潜流带碳酸盐岩，所述地表渗流带碳酸盐岩a和地表潜流带碳酸盐岩均与注入沉淀反应单元4中的流体进行反应，生成沉淀反应生成液；所述沉淀反应单元4用于模拟地表渗流带碳酸盐岩和地表潜流带碳酸盐岩与地层水之间的沉淀反应。

为收集所述溶蚀反应单元的溶蚀反应生成液，在本发明的一个优选的实施方式中，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括第一取样器5，该第一取样器5与所述溶蚀反应单元3连接，用于获取所述溶蚀反应单元中的溶蚀反应生成液。

为收集所述沉淀反应单元的沉淀反应生成液，在本发明的一个优选的实施方式中，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括第二取样器6，该第二取样器6与所述沉淀反应单元4连接，用于获取所述沉淀反应单元中的沉淀反应生成液。

进一步地，为向所述沉淀反应单元4中的地表渗流带碳酸盐岩a中充注空气，在本发明的一个优选的实施方式中，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括空气泵7，该空气泵7与所述沉淀反应单元4连接，实现大气水、地表水与地下水发生联系并进行水分交换。

此外，为向饱和co2压力容器提供co2气体，且更好地调控饱和co2压力容器内反应溶液中co2气体的分压，在本发明的一个优选的实施方式中，所述装置还包括co2气瓶8，所述co2气瓶8与所述饱和co2压力容器2连接。

进一步地，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括溶液容器9，所述溶液容器9连接所述双极柱塞泵1，用于为饱和co2压力容器2提供驱动溶液，驱动饱和co2压力容器2内的流体流入模拟装置的溶蚀反应单元3或沉淀反应单元4；双极柱塞泵1将溶液容器9中的驱动溶液注入饱和co2压力容器2底部，从而推动饱和co2压力容器2内部反应溶液进入溶蚀反应单元3或沉淀反应单元4。

进一步地，所述溶液容器9中的驱动溶液为去离子水。

进一步地，结合图2所示，在本发明的一个优选的实施方式中，所述溶蚀反应单元3包括溶蚀反应釜，所述溶蚀反应釜包括溶蚀反应釜本体31、第一进料口32、第一出料口33、第二出料口34、第一过滤器35、第二过滤器36、第一密封塞37和第二密封塞38；所述溶蚀反应釜本体31的顶部设有第一进料口32，所述溶蚀反应釜本体31的底部设有第一出料口33和第二出料口34，所述溶蚀反应釜本体的内部顶端设有第一过滤器35，所述溶蚀反应釜本体的内部底端设有第二过滤器36，所述第一进料口32处设有第一密封塞37；所述第一出料口33和所述第二出料口34处设有第二密封塞38；其中，所述第一进料口32连接所述饱和co2压力容器2，所述第一出料口33连接所述沉淀反应单元4，所述第二出料口34连接所述第一取样器5，地表渗流带碳酸盐岩b置于第一过滤器35和第二过滤器36之间；其中所述第一过滤器35和第二过滤器36用于防止碳酸盐岩颗粒进入管线导致管线堵塞。此外，在图示结构中，本发明所具体示出的溶蚀反应釜为管状反应釜，可以理解的，所述溶蚀反应釜的结构样式还可为夹套式或组合式等结构样式，本发明并不加以限制；进一步地，为更好的观察实验过程，所述溶蚀反应釜的材料可以为透明玻璃或透明塑料；进一步地，在本发明的一个优选的实施方式中，所述溶蚀反应釜本体的内径为25厘米，长度为100厘米。

进一步地，结合图3所示，在本发明的一个优选的实施方式中，所述沉淀反应单元4包括沉淀反应釜，所述沉淀反应釜包括沉淀反应釜本体41、第二进料口42、气体出口43、第三出料口45、气体进口44、第三过滤器46、第四过滤器47、第三密封塞48和第四密封塞49；所述沉淀反应釜本体41的顶部设有第二进料口42和气体出口43，所述沉淀反应釜本体41的底部设有第三出料口45和气体进口44，所述沉淀反应釜本体41的内部顶端设有第三过滤器46，所述沉淀反应釜本体41的内部底端设有第四过滤器47，所述第二进料口42和所述气体出口43处设有第三密封塞48、所述第三出料口45和所述气体进口44处设有第四密封塞49；其中，所述第二进料口42连接所述溶蚀反应单元3或所述饱和co2压力容器2，所述气体出口43与空气连通，所述第三出料口45连接所述第二取样器6，所述气体进口44连接空气泵7，地表渗流带碳酸盐岩a和地表潜流带碳酸盐岩置于第三过滤器46和第四过滤器47之间，所述第三过滤器46和第四过滤器47用于防止碳酸盐岩颗粒进入管线导致管线堵塞；进一步地，所述地表渗流带碳酸盐岩a设于地表潜流带碳酸盐岩上，所述地表潜流带碳酸盐岩设于第四过滤器47上。此外，在图示结构中，本发明所具体示出的沉淀反应釜为管状反应釜，可以理解的，所述沉淀反应釜的结构样式还可为夹套式或组合式等结构样式，本发明并不加以限制；进一步地，为更好的观察实验过程，所述沉淀反应釜的材料可以为透明玻璃或透明塑料；进一步地，在本发明的一个优选的实施方式中，所述沉淀反应釜本体的内径为25厘米，长度为100厘米。

此外，本领域技术人员可以理解的是，本发明提供的模拟装置中各设备之间可通过管线连接，例如，所述双极柱塞泵1通过管线连接所述饱和co2压力容器2，所述饱和co2压力容器2通过管线连接溶蚀反应单元3或沉淀反应单元4，所述溶蚀反应单元3通过管线连接所述沉淀反应单元4，所述co2气瓶8通过管线连接所述饱和co2压力容器2，等等；其中，所述管线的材料可以为橡胶。进一步地，本领域技术人员可以理解的是，所述管线上还可设有必要的阀门，所述阀门可以为两通阀门，也可为三通阀门；所述阀门的材料可以为耐酸碱腐蚀的哈氏合金。

另外，在本发明的一个优选的实施方式中，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括第一取样器连接管39；所述第一取样器5通过第一取样器连接管39连接所述溶蚀反应单元3；所述第一取样器连接管39的一端穿过第二出料口34延伸至所述溶蚀反应单元3内的第二过滤器36中。

进一步地，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括空气泵连接管50；所述空气泵7通过空气泵连接管50连接所述沉淀反应单元4；所述空气泵连接管50的一端穿过气体进口44延伸至所述沉淀反应单元4内地表渗流带碳酸盐岩a中。

进一步地，所述碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置还包括u型管51，所述第二取样器6通过u型管51连接所述沉淀反应单元4；所述u型管51的一端穿过第三出料口45延伸至所述沉淀反应单元4内的第四过滤器47中；进一步地，所述第一取样器连接管39、空气泵连接管50和u型管51的材料均为玻璃或塑料，耐酸碱腐蚀；本领域技术人员可以理解的是，所述第一取样器连接管、空气泵连接管和u型管上同样可设有必要的阀门；本发明中u型管的顶部高于渗流带与潜流带沉积物接触面，确保渗流带反应后水溶液在潜流带与沉积物充分接触和反应。

综上，本发明的碳酸盐岩同生期胶结作用模拟装置，通过双极柱塞泵提供持续驱动饱和co2压力容器内反应溶液注入反应单元以及压缩反应溶液提供模拟地层压力所需的压力；通过饱和co2压力容器配制包含一定co2分压气体反应溶液；通过溶蚀反应单元模拟地表渗流带碳酸盐沉积物与模拟地层水之间溶蚀反应；通过沉淀反应单元模拟地表渗流带和潜流带碳酸盐沉积物与模拟地层水之间沉淀反应；从而模拟接近地表渗流带和潜流带环境下碳酸盐沉积物与地层水之间发生的胶结作用过程。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。