模拟断裂-流体体系环境的水岩反应装置及其方法与流程

本发明涉及水岩反应过程技术领域，特别地涉及一种模拟断裂-流体体系环境的水岩反应装置及其方法。

背景技术：

现今的油气勘探实践揭示了断裂控制型碳酸盐岩储层的重要油气价值。不同级别的断裂体系穿过不同层位的储层，流体沿断裂运移并连续改造围岩，流体改造后的围岩储集性能得到了改善和提升。流体的来源可能是深部热液、地层水或者孔隙水等。断控储层以及其地质模式在塔里木盆地顺北地区尤为重要。但是其形成成因、形成机理以及流体岩石相互作用过程中的物质变化和能量变化等问题尚不清楚，需要通过开展模拟深部地层水岩连续改造过程的实验来厘清。

现有的水岩化学反应装置，多采用针对单一反应釜的连续流动法，反应釜内装配有颗粒岩样或者岩心样品，流体经管路进入反应釜与样品反应一段时间。反应完成后通过岩样的微观形貌变化、结构组成变化，反应后流体中的离子成分浓度变化，计算和推测反应过程。

该类装置由于仅设计一个反应釜，只能模拟某一深度的温度和压力条件下的水岩反应，且只能针对某一种样品进行模拟实验，反应条件较为单一。如果需要模拟另一深度的地层条件，就需要重新装配样品，设置温度和压力，重新开展实验。该类装置不能模拟流体沿断裂连续改造不同深度不同类型地层的动态地质过程，不能反映流体连续流经不同地层后流体饱和度及离子浓度的变化，也不能反映围岩受流体连续改造后的动态变化过程。

技术实现要素：

本发明提供一种模拟断裂-流体体系环境的水岩反应装置及其方法，用于提供一中能够模拟和再现深部地层中流体沿断裂运移并连续改造不同层位围岩的水岩作用过程的装置和方法，能够全面衡量不同深度不同地层中断裂-流体体系的流体-岩石相互作用，为储层展布预测和储层改造提供有效的实验手段和实验技术。

本发明提供一种模拟断裂-流体体系环境的水岩反应装置，包括：

至少两个反应单元，其装载有样品，能够模拟水岩反应；

输入单元，其用于向所述反应单元中输入流体；以及

检测单元，其用于采集反应后的液体的化学信号；

其中，第一个所述反应单元与所述输入单元相连，最后一个所述反应单元与检测单元相连；

相邻的所述反应单元之间设置有两条管路，其中一条管路的两端分别与两个所述反应单元相连；另一条管路上设置有控制其通断的阀门，且其一端与其中一个反应单元相连，另一端与所述检测单元相连。

在一个实施方式中，所述输入单元包括通过管路依次相连的恒压恒流泵和压力容器，所述压力容器与第一个所述反应单元的上游端相连，所述恒压恒流泵将所述压力容器中的液体输入至所述反应单元中进行反应。

在一个实施方式中，所述压力容器与第一个所述反应单元之间连接有预热器，所述压力容器中的液体经过所述预热器被加热后再进入第一个所述反应单元。

在一个实施方式中，所述恒压恒流泵和所述压力容器之间的管路上、所述压力容器和所述预热器之间的管路上以及所述预热器与第一个所述反应单元之间的管路上均设置有阀门。

在一个实施方式中，所述输入单元还包括与所述恒压恒流泵相连的气源，所述气源通过所述恒压恒流泵向所述压力容器中输入气体。

在一个实施方式中，所述反应单元为带有加热套的反应釜。

在一个实施方式中，所述检测单元包括化学信号采集器和带有压力计的分离器，所述化学信号采集器设置在最后一个所述反应单元与所述分离器相连的管路上。

在一个实施方式中，最后一个所述反应单元与所述分离器相连的管路上还设置有回压阀。

本发明还提供一种采用上述的模拟断裂-流体体系环境的水岩反应装置进行水岩反应的方法，包括以下步骤：

反应单元不装载样品，使输入单元向反应单元中输入纯水，通过检测单元检测流体中背景离子浓度；

反应单元中分别装载样品，使输入单元向反应单元中输入一定浓度的含有二氧化碳的盐水溶液进行反应，反应时反应单元中与检测单元之间的管路断开；

反应一定时间以后，使反应单元与检测单元之间连通的管路的数量与模拟围岩的层位数相同，通过检测单元检测流体中离子的浓度和ph值。

在一个实施方式中，还包括以下步骤：

对反应后获得的流体中离子的浓度和ph值进行后处理，获得温度、压力、流体、岩性和围岩溶解-沉淀趋势之间的关系；

对反应单元中经过反应后的样品进行物理和化学分析。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过控制反应单元与检测单元相连的管路的通断状态，能够实现模拟不同对象以及不同反应条件的水岩反应，模拟和再现流体沿断裂运移至不同深度地层和围岩反应的连续过程，衡量连续反应过程中流体岩石相互作用的程度和控制因素，为储层改造和预测提供有效手段。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。

图1是本发明的实施例中模拟断裂-流体体系环境的水岩反应装置的结构示意图。

附图标记：

100-输入单元；200-检测单元；

1-气源；2-恒压恒流泵；3-压力容器；

4-预热器；5-第一反应釜；6-第二反应釜；

7-第三反应釜；8-第四反应釜；

9a-第一截止阀；9b-第二截止阀；9c-第三截止阀；9d-第四截止阀；

9e-第五截止阀；9f-第六截止阀；9g-第七截止阀；9h-第八截止阀；

10-回压阀；11-化学信号采集器；

12-分离器；13-压力计；

14-第一流体通道；15-第二流体通道；16-第三流体通道；17-第四流体通道。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，根据本发明的第一个方面，本发明提供一种模拟断裂-流体体系环境的水岩反应装置，该装置能够模拟深部地层断裂-流体-围岩体系的水岩反应，模拟和再现流体沿断裂运移至不同深度地层和围岩反应的连续过程，衡量连续反应过程中流体岩石相互作用的程度和控制因素，为储层改造和预测提供有效手段。

具体来说，该装置包括至少两个反应单元、输入单元100和检测单元200。反应单元中装载有样品，其能够模拟水岩反应；输入单元100用于向反应单元中输入流体；检测单元200用于采集反应后的液体的化学信号。

其中，第一个反应单元与输入单元100相连，最后一个反应单元与检测单元200相连。进一步地，相邻的反应单元之间设置有两条管路，其中一条管路的两端分别与两个反应单元相连；另一条管路上设置有控制其通断的阀门，且其一端与其中一个反应单元相连，另一端与检测单元200相连。

通过控制管路上的阀门的通断状态，能够控制与检测单元200之间连通的反应单元的数量，使反应单元与检测单元200之间连通的管路的数量与模拟围岩的层位数相同，因此能够分别模拟不同层位数的地层(例如单一地层、两组地层、三组地层等)的连续流体-岩石反应，从而克服了现有技术中只能针对单一对象和单一反应条件的缺陷。

下面以具有4个反应单元的水岩反应装置为例对本发明进行详细的说明。在下文中，反应单元有时也被记载为反应釜，四个反应单元相应地分别被记载为第一反应釜5、第二反应釜6、第三反应釜7和第四反应釜8。

如图1所示，第一反应釜5、第二反应釜6、第三反应釜7和第四反应釜8依次相连，其中假定的一个反应单元为第一反应釜5，最后一个反应单元为第四反应釜8。

第一反应釜5与第二反应釜6之间的其中一条管路为第一流体通道14，其上设置有阀门，该阀门为第四截止阀9d。如果第四截止阀9d关闭，则第一流体通道14断开，从而第一反应釜5中的流体仅能进入第二反应釜6中；如果第四截止阀9d打开，则第一流体通道14导通，从而第一反应釜5中的流体可直接进入检测单元200中进行检测。

第二反应釜6与第三反应釜7之间的其中一条管路为第二流体通道15，其上设置有阀门，该阀门为第五截止阀9e。如果第五截止阀9e关闭，则第二流体通道15断开，从而第二反应釜6中的流体仅能进入第三反应釜7中；如果第五截止阀9e打开，则第二流体通道15导通，从而第二反应釜6中的流体可直接进入检测单元200中进行检测。

同样地，第三反应釜7与第四反应釜8之间的其中一条管路第三流体通道16，其上设置有阀门，该阀门为第六截止阀9f。如果第六截止阀9f关闭，则第三流体通道16断开，从而第三反应釜7中的流体仅能进入第四反应釜8中；如果第六截止阀9f打开，则第三流体通道16导通，从而第三反应釜7中的流体可直接进入检测单元200中进行检测。

第四反应釜8和检测单元200相连的管路为第四流体通道17，其上设置有阀门，该阀门为第七截止阀9g，如果第七截止阀9g关闭，则第四流体通道17断开，如果第七截止阀9g打开，则第四流体通道17导通。

在进行实验时，可以根据需要对上述四个流体通道的通断进行控制。例如将上述第四截止阀9d、第五截止阀9e、第六截止阀9f和第七截止阀9g均打开，则上述四个流体通道均为导通状态，从而能够模拟四组地层的连续流体-岩石反应。

因此本发明通过控制上述四个流体通道的通断，能够模拟深部地层断裂-流体-岩石反应体系，实现单一反应釜、双反应釜、三反应釜和四反应釜之间的串联反应功能，从而实现分别模拟单一地层、两组地层、三组地层以及四组地层的连续流体-岩石反应。克服了现有的实验装置无法兼顾多对象-流体-连续反应的难题。由此，能够针对实际研究的地质对象设计实验方案，分别针对单对象到四对象，模拟流体的连续改造围岩的过程，并通过对比考察不同层位不同地质环境内的碳酸盐岩溶蚀-沉淀规律，为探索深部地层断裂体系内储集空间的形成和保持提供重要的科学依据。

输入单元100包括通过管路依次相连的恒压恒流泵2和压力容器3，压力容器3中承载有液体，例如纯水或氯化钠溶液。

由于恒压恒流泵2能够控制系统的压力以及流体的流速，使流体以规定的流速流入上述的反应釜中。由此本发明不仅能够模拟封闭地层环境，即流体不处于流动状态下的水岩反应，还可模拟流体连续流动情况下的水岩反应，从而克服了现有技术中反应条件单一的技术问题。

压力容器3与第一个反应单元(即，第一反应釜5)的上游端相连，恒压恒流泵2将压力容器3中的液体输入至反应单元中进行反应。

进一步地，压力容器3与第一反应釜5之间连接有预热器4，压力容器3中的液体经过预热器4被加热后再进入第一反应釜5。

此外，恒压恒流泵2和压力容器3之间的管路上、压力容器3和预热器4之间的管路上以及预热器4与第一个反应单元之间的管路上均设置有阀门。

具体来说，恒压恒流泵2和压力容器3之间的管路上设置有第一截止阀9a，其用于控制恒压恒流泵2和压力容器3的通断。压力容器3与预热器4之间的管路上设置有第二截止阀9b，其用于控制压力容器3与预热器4的通断。预热器4与第一反应釜5之间设置有第三截止阀9c，其用于控制预热器4与第一反应釜5的通断。

输入单元100还包括与恒压恒流泵2相连的气源1，其中，气源为承载气体(例如，二氧化碳)的气瓶。气源通过恒压恒流泵2向压力容器3中输入气体。

在一个实施例中，反应单元为带有加热套的反应釜。上述的四个反应釜上均套有加热套，以对反应釜的温度进行调控。

优选地，上述四个反应釜的釜体均采用哈氏合金材料(如镍钼系哈斯特洛伊(hastelloy)b-2，镍铬钼系哈斯特洛伊(hastelloy)c-4等)制成，其强度高、耐酸碱腐蚀性好，耐高温性好，耐高压性好。使反应釜本身能够满足高温高压及不同类型流体的实验需要。

进一步地，上述四个反应釜的加热套上均设置有温度传感器，以控制其温度。

此外，上述四个反应釜之间的管路上还设置有压力传感器，用于检测系统的压力。

检测单元200包括化学信号采集器11和带有压力计13的分离器12，化学信号采集器11设置在最后一个反应单元(即，第四反应釜8)与分离器12相连的管路上。

在一个实施例中，化学信号采集器11为离子检测传感器。因此化学信号采集器11能够实时监控流体中离子(例如ca²⁺和mg²⁺)的浓度和ph值，实现反应过程的在线检测，达到衡量沿断裂运移的流体对围岩改造作用的程度和控制因素的目的。

此外，第四反应釜8与分离器12相连的管路上还设置有回压阀10。

因此根据化学信号采集器11中获得的离子的浓度和ph值，可计算流体碳酸钙离子积变化趋势，并对沿断裂运移的流体的成分变化进行估算，从而评估断裂系统内流体-碳酸盐岩相互作用程度并获得温度、压力、流体、岩性和围岩溶解-沉淀趋势之间的关系。

因此本发明能够监测深部地层环境中水岩反应的动态过程，能够考察储集空间随时间、地层深度、流体饱和度、岩性等影响因素的演变过程。

根据本发明的第二个方面，本发明提供一种采用上述的模拟断裂-流体体系环境的水岩反应装置进行水岩反应的方法，包括以下步骤：

反应单元不装载样品，使输入单元向反应单元中输入纯水，通过检测单元检测流体中背景离子浓度；

反应单元中分别装载样品，使输入单元向反应单元中输入一定浓度的含有二氧化碳的盐水溶液进行反应，反应时反应单元中与检测单元之间的管路断开；

反应一定时间以后，使反应单元与检测单元之间连通的管路的数量与模拟围岩的层位数相同，通过检测单元检测流体中离子的浓度和ph值。

进一步地，本发明的水岩反应的方法还包括以下步骤：

对反应后获得的流体中离子的浓度和ph值进行后处理，获得温度、压力、流体、岩性和围岩溶解-沉淀趋势之间的关系；

对反应单元中经过反应后的样品进行物理和化学分析。

下面以4个反应釜为例对本发明的方法进行详细的说明。

第一步，预处理。

反应釜中均不装载样品。

分别打开第一截止阀9a、第二截止阀9b、第三截止阀9c、第七截止阀9g和第八截止阀9h；并关闭第四截止阀9d、第五截止阀9e和第六截止阀9f。

在此状态下，流体依次经过以下部件：压力容器3、预热器4、第一反应釜5、第二反应釜6、第三反应釜7、第四反应釜8、化学信号采集器11和分离器12，并由分离器12被导出。

为了测试上述部件的密封性能，在整个系统内通入纯水。

具体地，向压力容器3中注入去离子水，控制恒压恒流泵2推送压力容器3中的纯水进入预热器4预热，再推送至第一反应釜5、第二反应釜6、第三反应釜7和第四反应釜8，并通过化学信号采集器11测试纯水中背景离子的浓度。

第二步，配制反应流体。

关闭第二截止阀9b。清空压力容器3中的纯水，向其中注入浓度为3.5％的nacl溶液以清空去离子水。

将气瓶1内的co2气体通过恒压恒流泵2通入压力容器3中直至co2饱和，获得浓度为0.3％的co2盐水溶液。

第三步，进行反应。

分别将10g样品装入第一反应釜5、第二反应釜6、第三反应釜7和第四反应釜8中。

调节预热器4，使其温度为50℃。

关闭第三截止阀9c和第八截止阀9h，通过恒压恒流泵2将压力容器3中浓度为0.3％的co2盐水溶液通入预热器4进行预热。

待温度压力稳定后，打开第三截止阀9c，将恒压恒流泵2调整为恒流模式，其流速为1ml/min。通过恒压恒流泵2以1ml/min的速度将压力容器3中浓度为0.3％的co2盐水溶液泵入第一反应釜5、第二反应釜6、第三反应釜7和第四反应釜8中。

分别调节第一反应釜5、第二反应釜6、第三反应釜7和第四反应釜8的加热套，使第一反应釜5、第二反应釜6、第三反应釜7和第四反应釜8的温度分别为50℃、60℃、70℃、80℃，以模拟不同地层之间温度的梯度，将恒压恒流泵2调整为恒压模式，其压力为30mpa，通过恒压恒流泵2可将系统的压力保持为30mpa。

待系统温度压力稳定后，关闭第七截止阀9g。反应开始计时，反应1小时后，打开第四截止阀9d、第五截止阀9e、第六截止阀9f和第七截止阀9g，将恒压恒流泵2调整为恒流模式，其流速为0.5ml/min。

反应后的流体通过化学信号采集器10可监测其中ca²⁺的浓度、mg²⁺的浓度以及ph值。连续反应8h，并记录离子浓度变化。

检测完毕后的流体通过分离器12进行收集。

反应完毕后打开第一反应釜5、第二反应釜6、第三反应釜7和第四反应釜8，对其中的样品进行后续检测，如比表面积、微观形貌和矿物组成等。

第四步，数据处理。

基于获得的反应后溶液中ca²⁺的浓度、mg²⁺的浓度及ph值，可计算反应流体碳酸钙离子积变化趋势，并估算沿断裂运移的流体的成分变化，从而评估断裂系统内流体-碳酸盐岩相互作用程度，以及温度、压力、流体、岩性和围岩溶解-沉淀趋势之间的关系。

根据样品后续的微观形貌分析、矿物组成分析以及三维ct扫描，可以分析开放环境下储层中储集空间孔、洞、缝的演化过程，分析不同岩性地层在沿断裂上行/下行流体的改造过程。

此外，为了加快对本发明的审查进度，本发明提供以下现有技术来与本发明进行对比，并由此来表明本发明的创造性。

现有技术1：名称为一种致密岩体水岩动态反应教学实验装置及方法，公开号为cn104077950a，公开日为2014年10月1的中国专利。

现有技术1中记载的技术方案是通过水溶液储存箱和致密岩体反应池完成水岩反应，收集与致密岩体内部动态反应过后的实验水溶液进行后续测试分析。与现有技术1相比，本发明通过化学信号采集器11能够实现实时检测流体中ca²⁺和mg²⁺的浓度，而该专利不能实时监测流体中的离子。

现有技术2：名称为封闭环境下温度压力检测系统、公开号为cn102445237a、公开日为2012年5月9日的中国专利。

现有技术2中记载的技术方案是通过固定在盒子内的温度压力记录器记录系统内的温度和压力数据并通过数据线传输数据。与现有技术2相比，本发明通过恒流恒压泵2控制反应系统的温度和压力，由反应釜的加热套上的温度传感器及反应管线上的压力传感器来检测温度和压力数据，因此本发明的温度和压力的检测方式与现有技术2不同。

现有技术3：名称为一种深部地层环境二氧化碳地质储存模拟实验系统、公开号为cn103927913、公开日为2014年7月16日的中国专利。

现有技术3中记载的技术方案是通过温度压力流动应力耦合岩心装置，模拟地层岩心样品在深部地层的原位环境中的流动实验。与现有技术3相比，本发明是通过串联四个反应釜来模拟反应环境，并且四个反应釜可以实现单一反应或者任意几个反应釜串联同步反应。

现有技术4：名称为一种成岩作用模拟实验装置通过多阶段连续流反应装置及岩心渗透率演化在线检测装置、公开号为cn102435716、公开日为2014年7月16日的中国专利。

现有技术4中记载的技术方案是能够实现不同的温度和压力条件并且保持流体连续流动情况下的两个以上阶段水岩反应过程，实现连续的多阶段水岩反应实验模拟。与现有技术3相比，本发明通过控制恒压恒流泵2和压力容器3之间的通断，既可以模拟封闭地层环境(即流体不处于流动状态)下的水岩反应；还可以模拟流动地层环境(即流体处于流动状态)下的水岩反应，并且各个反应釜之间独立完成水岩反应，同时本发明还可通过控制多通道的通断完成多对象多阶段水岩反应实验模拟。

综上所述，本发明通过利用控制多个流体通道的通断，能够模拟深部地层高温高压条件下，流体沿断裂运移并且连续改造不同深度不同层位围岩的流体-岩石相互作用的过程，可以实时监测这一体系中水岩反应的进度，取样检测不影响反应进程，并且可以扩展应用于不同数量不同岩性的岩石样品，也可以研究连续的多阶段构造抬升-沉降过程中碳酸盐岩储层物性随着温度压力流体饱和度变化溶蚀-充填的过程，考察研究水岩反应过程中的流体运移规律，监控流体在孔隙间的扩散分布趋势、饱和度分布等参数，对于监测深部地层断裂体系中水岩反应的反应进度，探索断裂体系流体岩石相互作用规律具有重要的科学意义。因此本发明实际应用意义强，便于应用推广。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。