自生自储向斜构造盆地水溶气运移模拟装置的制作方法

本实用新型涉及非常规天然气储气向斜构造盆地地层水溶解气(简称水溶气)运移能力及水溶气对储层气体碳同位素分馏机理模拟装置，属于低渗透自生自储非常规天然气(如煤层气/页岩气)构造盆地固、液和气体三相混合介质中水溶气运移规律及同位素分馏技术领域。

背景技术：

目前，水溶气对非常规天然气成藏的贡献开始受到重视，地层水中溶解的烃类气体简称水溶气，水溶气实际上也是非常规天然气(包括煤层气/页岩气)赋存状态的重要形式之一。非常规天然气生成和运移成藏过程中始终与地层水伴生，地层水可能会对非常规天然气组分、碳同位素产生分馏作用，这可能也是非常规天然气(如煤层气)碳同位素变轻的一个原因。但水溶气如何影响储层盆地含气性的分布？流动的地层水溶解和搬运储层气体后，储层气体碳同位素分馏的机理如何？这些问题都有待进一步研究。为此，本实用新型设计了室内物理模拟装置，模拟非常规天然气(煤层气/页岩气)储气构造盆地剖面几何特征和地下水流动特点，研究地下水流动过程溶解气体的能力及对气体稳定同位素分馏的影响，为煤层气成藏及成因研究提供数据支撑。

非常规天然气(煤层气/页岩气)具有自生自储的特点，对其有利的典型地质构造为向斜构造或向斜构造的一翼。向斜构造的普遍形态为两翼翘起，中部相对平缓。盆地地下水的补给为两翼含水层露头，然后沿含水层向盆地中部径流，并在水头压力差的作用下，从含水层露头相对标高较低的一翼溢出，溢出端称为排泄区，相对较高的一翼称为补给区，两翼水位标高连线之间称为承压区。如图1所示，对于自生自储的非常规天然气(包括煤层气/页岩气)储层盆地，两翼可以按储层倾斜程度划分类型，一般可划分为近水平段(α≤5°)、缓倾斜段(5°＜α≤15°)、倾斜段(15°＜α≤35°)、急倾斜段(α＞35°)，并由此计算每个划分段的长度，确定剖面不同倾斜段之间的组合关系，提取剖面形态特征，为室内模拟试验提供基础数据。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种非常规天然气储气构造盆地地层水溶解气(简称水溶气)运移能力、水溶气对储层气体碳同位素分馏影响的模拟装置，能够模拟低渗透自生自储非常规天然气(如煤层气/页岩气)构造盆地固、液和气体三相混合介质中水溶气运移规律、水溶气对储层气体含气性分布及气体同位素分馏作用，同时本实用新型装置还可以完成气体溶解能力模拟实验和三相介质的渗流模拟实验。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案包括：储层模拟系统、供水系统、气液回收系统、样品采集系统、饱和与抽真空系统、起吊控制系统、恒温控制系统及相关连接管路。储层模拟系统包括顺序连接的3条空心模拟管路，分别对应于向斜构造的两翼和核心区域，其长度和坡度根据原型盆地剖面形态按一定的相似比制作，用于模拟低渗透自生自储非常规天然气(如煤层气/页岩气)构造盆地固、液和气体三相混合介质中水溶气运移规律、水溶气同位素分馏规律、气体溶解能力和三相介质的渗流等室内模拟试验。模拟管路一端与供水系统连接，同时引出一条采样管，供水系统可为储层模拟系统提供稳定的水压力场和恒定水流；另一端与气液回收系统连接，同时也可兼做1条采样管，气液回收系统负责收集流出储层模拟系统的气体和液体。为了试验前期准备和中间采样，在模拟管路中间相互连接部位再设置2条采样管，每条采样管再一分为二，分别连接饱和与抽真空系统和样品采集系统。根据研究需要也可同时在两翼模拟管路坡度变化部位引出采样管，与样品采集系统连接。饱和与抽真空系统可使模拟管路内样品形成含气饱和状态，模拟自生自储含气饱和储层，还原原始均匀含气储层。样品采集系统可按设计要求对模拟管路不同采样点进行样品采集，用于分析模拟过程中样品属性的变化，为后续研究提供数据支撑。起吊控制系统包括固定架和起吊装置，固定架悬挂在起吊装置之下，用于固定储层模拟系统的3条模拟管路及部分采样管路，储层模拟系统与其他系统的连接采用软管柔性连接，便于起吊装置起吊和降落储层模拟系统，使模拟管路浸没在恒温控制系统的恒温箱液面之下或抬升到液面之上。恒温控制系统为储层模拟系统提供恒定的温度场。

为实现本实用新型之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种自生自储向斜构造盆地水溶气运移模拟装置，包括：储层模拟系统、供水系统、气液回收系统、样品采集系统、饱和与抽真空系统、起吊控制系统，其中：

储层模拟系统包括模拟管路，模拟管路上设置有多个采样点；

供水系统与储层模拟系统通过管路连接，为储层模拟系统供水；

气液回收系统和样品采集系统均与储层模拟系统通过管路连接；

饱和与抽真空系统通过管路与储层模拟系统连接；

起吊控制系统用于悬吊储层模拟系统。

所述的自生自储向斜构造盆地水溶气运移模拟装置，其中：该装置还包括恒温控制系统，恒温控制系统包括恒温箱，恒温箱中盛有液体，储层模拟装置通过起吊控制系统悬吊浸泡在恒温箱中的液体内。

所述的自生自储向斜构造盆地水溶气运移模拟装置，其中：

储层模拟系统包括第一模拟管路、第二模拟管路和第三模拟管路，第一模拟管路和第二模拟管路下端通过第三模拟管路相互连通，第一模拟管路和第二模拟管路的上端分别设置第四采样点和第一采样点，所述第四采样点和第一采样点分别通过连接管路连接样品采集系统和气液回收系统，第四采样点通过连接管路连接供水系统；在第一模拟管路与第三模拟管路的连接处以及第二模拟管路与第三模拟管路的连接处分别设置第三采样点和第二采样点，第三采样点和第二采样点中的任一个分别通过连接管路与样品采集系统和气液回收系统连接以及与饱和与抽真空系统连接。

所述的自生自储向斜构造盆地水溶气运移模拟装置，其中：

供水系统包括供水泵、水压表、供水阀门、定压阀和储水箱；

供水泵与储层模拟系统通过供水管路连接，该供水管路与供水泵之间设置供水阀门和水压表，储水箱为供水泵提供水源，定压阀安装在连接器与第一采样点之间的连接管路上，配合供水泵设定储层模拟系统压力。

所述的自生自储向斜构造盆地水溶气运移模拟装置，其中：

气液回收系统包括气压表、第一排泄管、阀门、气液分离器、气体回收容器、液体回收容器；

所述气液分离器为一个带竖向中隔板的容器，中隔板从上向下把容器竖向一分为二，分为气液分离室和溢流室，中隔板除了其底边不与容器底部内壁连接外，中隔板的上边、两侧边均分别与容器顶部内壁，侧部内壁密闭连接，因此容器底部不封闭可使两边连通。溢流室顶部开有一个孔，与液体回收容器通过管路连接，气液分离室顶部开有两个孔，一孔通过管路与气体回收容器连通，该管路上设有阀门，另一孔通过第一排泄管与连接器的出端口连接，该管路上设置有液体回收阀门，第一排泄管管端插于气液分离室中距气液分离室底部不大于气液分离室的1/2高度，且距气液分离室底部不小于2～3倍的中隔板底部距气液分离室底部的距离。工作时，气液分离器中预先装满水，或装水高度至少淹没第一排泄管管端。

所述的自生自储向斜构造盆地水溶气运移模拟装置，其特征在于样品采集系统包括气液分离装置，其中：

所述气液分离装置包括阀门、气液分离器、气体压力平衡瓶、气体收集管、第二排泄管和温度传感器；

所述气液分离器为底部侧面开孔和顶部开孔的密闭透明容器，且侧面标画刻度，顶部开孔中的一个孔安装气体收集管，气体收集管上安装气体收集阀门，气体收集管管端与容器顶部齐平；另一个孔插第二排泄管，第二排泄管上设置有阀门，第二排泄管管端深插于气液分离器中液面之下距气液分离器底部不大于气液分离器的1/3高度处；第三孔安装温度传感器；

所述气体压力平衡瓶为侧面开2孔的透明敞口容器，一孔靠近上部，为溢流孔，溢流孔下沿高度与气液分离瓶顶部齐平；另一孔靠近容器底部，开孔位置与气液分离瓶底部侧面开孔高度相同，该另一孔与气体分离瓶底部侧面开孔通过管路连通，气体压力平衡瓶内放置供水管，供水管另一端连接储水箱，供水管上设置阀门。

所述的自生自储向斜构造盆地水溶气运移模拟装置，其中：

饱和与抽真空系统包括真空泵、阀门、高压供气源、压力阀门、减压阀、气压表、供气质量流量计、三通；

高压供气源根据供气需要提供不同种类的气体；

三通第一端与高压供气源之间的主供气管路上设置有压力阀门、减压阀、气压表和供气质量流量计；三通第二端通过管路与真空泵连接，该管路上也设有阀门；三通第三端连接供气管路的一端，该供气管路另一端分出两条支路，每条支路分别与第二采样点和第三采样点连接，两条支路上分别设置有一个阀门。

附图说明

图1为非常规天然气(煤层气/页岩气)盆地形态及地下水径流示意图；

图2为自生自储向斜构造盆地水溶气运移模拟装置示意图；

图3为储层模拟系统俯视图；

图4为气液分离器放大图；

图5为固定架前视放大图；

图6为固定架俯视放大图。

图中，1为模拟管路；2为模拟管路；3为模拟管路；4为恒温箱及控制系统；5为真空泵；6为阀门；7为高压供气源；8为阀门；9为减压阀；10为三通；11为气压表；12为供气质量流量计；13为恒压恒流供水泵；14为水压表；15为阀门；16(1)和16(2)为阀门；17为储水箱；18为固定架；18(1)为水平支撑；18(2)为定位管卡；19(1)～19(4)为气压表；20为定压阀；21为温度传感器；22为起吊横梁；23为固定架；23(1)为竖向支撑；23(2)为定位管卡；23(3)为环向支撑；23(4)为水平內撑；24为阀门；25(1)～25(4)为软管；26(1)为第一排泄管；26(2)为第二排泄管；27为气液分离器；28为气体压力平衡瓶；29为溢流孔；30为气体收集管；31为阀门；32为橡胶管；33为阀门；34(1)～34(4)为采样点；35(1)～35(4)为阀门；36为连接器；36(1)～36(4)为进端口；36(e)为出端口；37为温度传感器；38为气液分离器；38(1)为气液分离室；38(2)为溢流室；38(3)为中隔板；39为气体回收容器；40为液体回收容器；41(1)和41(2)为阀门，42为刻度。

具体实施方式

如图2所示，自生自储向斜构造盆地水溶气运移模拟装置包括：储层模拟系统、供水系统、气液回收系统、样品采集系统、饱和与抽真空系统、起吊控制系统、恒温控制系统、连接管路系统(包括连接器和与各系统连接的多条连接管路)。

恒温控制系统包括恒温箱4和温度传感器21，恒温箱4中盛有液体，如水、煤油等，储层模拟装置浸泡在恒温箱4中的液体内。该恒温控制系统的作用是保证试验过程中所需的恒定温度场，温度传感器21一端伸入恒温箱4中监测液体温度，另一端包括温度显示装置，设置在恒温箱外部，用于显示液体温度。

储层模拟系统包括3条空心模拟管路，分别为模拟管路1、模拟管路2和模拟管路3。模拟管路1用于模拟盆地补给侧所在向斜翼，模拟管路2用于模拟盆地排泄侧所在向斜翼，模拟管路3用于模拟盆地核心部近水平段。模拟管路1和模拟管路2呈环形盘绕弯曲，其分段长度由几何相似比确定，分段坡度同原型剖面，分段坡度的变化通过改变模拟环形管路的管路间距h_i或H_j实现(i、j为自然数)。模拟管路3为水平蛇形弯曲，其长度由几何相似比确定。由公式(1)～(3)确定：

s＝l_i/l_原i＝L_i/L_原i＝b/B_原 (1)

sinα_i＝h_i/l_i (2)

sinβ_i＝H_j/L_j (3)

式中：s为模型与原型的几何相似比；

l_原i、L_原i分别为原型盆地补给侧和排泄侧的分段长度；

b、B_原分别为向斜盆地模型与原型核部近水平段长度；

α_i、β_i分别为原型盆地补给侧和排泄侧的分段坡度统计中位数；

h_i、l_i分别为盆地补给侧按相似比确定模拟管路分段间距和分段长度；

H_j、L_j为盆地排泄侧按相似比确定的模拟管路分段间距和分段长度。

模拟管路1和模拟管路2下端通过模拟管路3相互连通，模拟管路1上端连接供水系统，模拟管路2上端连接气液回收系统，模拟管路1和模拟管路2的上端分别布置第四采样点34(4)和第一采样点34(1)，第一采样点34(1)和第四采样点34(4)分别连接样品采集系统。储层模拟系统至少还需在以下两个地方设置采样点：第三采样点34(3)为模拟管路1与模拟管路3的连接处，第二采样点34(2)为模拟管路2与模拟管路3的连接处，从采样点34(2)和34(3)分别设置三通引出支线管路，支线管路再一分为二，分别与样品采集系统和饱和与抽真空系统连接。根据研究需要，同时也可在模拟管路1和模拟管路2的坡度变化处设置采样管路，引出支线管路，分别与样品采集系统连接。

如图2、3、5、6所示起吊控制系统包括起吊横梁22、两个垂直固定架23(包括竖向支撑23(1)、定位管卡23(2)、环向支撑23(3)、水平內撑23(4))、水平固定架18(包括水平支撑18(1)和定位管卡18(2))和起吊装置。两个固定架23基本垂直于水平固定架18地设置，固定架23的构造形式为底部和顶部分别设有环向支撑23(3)，上下环向支撑23(3)平面各设置垂直相交的两根水平內撑23(4)，上下两根水平內撑两两相互平行，上下水平內撑23(4)与环向支撑23(3)相交处，设置四根垂直环向支撑平面的竖向支撑23(1)，竖向支撑23(1)安装可上下移动的定位管卡23(2)，分别用于固定模拟管路1和模拟管路2以及采样点引出支管；固定架18为两根平行的水平支撑18(1)，水平支撑18(1)两端与固定架23的底面环向支撑23(3)及水平内撑23(4)固定连接，水平支撑18(1)上设置定位管卡18(2)，用于固定模拟管路3。上述水平支撑18(1)、水平内撑23(4)以及竖向支撑23(1)可以是支撑杆、空心支撑柱，材料为铁、钢等金属，上下环向支撑23(3)可以是实心或空心圆环；水平支撑、竖向支撑、环向支撑互相之间的连接采用焊接或螺栓等方式。两个固定架23分别悬挂在起吊横梁22下面两侧的位置，固定架18在两个固定架23的下部呈基本水平的设置，两端分别与该两个固定架23相连，起吊横梁22、固定架23和固定架18构成一个完整的固定装置，悬挂于起吊装置之下，通过控制起吊装置可使储层模拟系统沉入保温箱4的液面以下和抬升到保温箱4的液面之上。

在储层模拟系统的模拟管路1、模拟管路2和模拟管路3中充填有样品，样品为多孔含气介质，所含气体可为纯净甲烷气、煤层气、天然气、页岩气等，含气饱和度达85％以上，介质可为煤岩样品、页岩、泥岩、活性炭等，未含气介质需预处理，通过饱和与抽真空系统对充填样品进行抽真空，然后对样品进行饱和充气处理，使其含气饱和度达85％以上。上述模拟管路连接以后，固定在起吊控制系统固定架上，由起吊装置放入温度控制系统中的恒温箱中，由供水系统供水，为储层模拟系统管路内充填样品提供一个稳定水压场和稳定渗流水流，同时由恒温控制系统保持稳定的温度场。水流流过储层模拟系统，在流动的过程中，样品所含气体(气体可为纯净甲烷、煤层气、页岩气等)溶解于水形成水溶气，一部分水溶气随着水流动，气体被带到管路其他地方，与煤岩样品吸附气通过解吸与吸附作用发生交换，一部分被带出储层模拟系统，进入气液回收系统，气体散失，从而打破煤岩样品的原来的含气性平衡，从而可以实现模拟低渗透自生自储非常规天然气(如煤层气/页岩气)构造盆地固、液和气体三相混合介质中水溶气运移规律和水溶气同位素分馏规律。模拟管路的材质可选用耐高压、高温、气密性质材，如玻璃管、钢管、铜管等，对空心管路内部需钝化处理。

供水系统包括恒压恒速供水泵13、水压表14、供水阀门15、定压阀20和储水箱17。供水系统与储层模拟系统的模拟管路1上端采样点34(4)通过软管25(4)连接。软管25(4)与恒压恒速供水泵13之间设置供水阀门15和水压表14，储水箱17通过管路为恒压恒速供水泵13提供水源，定压阀20安装在进端口36(1)与采样点34(1)之间的连接管路上。供水根据模拟实验的目的可选择盆地地层水、去离子水或纯净水等。通过调节供水泵13压力和定压阀20可实现供水系统为储层模拟系统的样品稳定供水，同时为储层模拟系统提供一个恒定的水压力场和稳定水流，试验流量为0.05～1m³/min，供水压力按原型盆地储层静水压力p＝γh(γ为水的重度，h为储层埋深)确定。

气液回收系统包括气压表19(1)、软管25(1)、第一排泄管26(1)、阀门31、阀门35(1)、气液分离器38(包括气液分离室38(1)、溢流室38(2)和中隔板38(3))、气体回收容器39、液体回收容器40和液体回收阀门41(1)。气液分离器38为一个带竖向中隔板38(3)的容器，中隔板38(3)从上向下把容器竖向一分为二，分为气液分离室38(1)和溢流室38(2)，中隔板38(3)除了其底边不与容器底部内壁连接外，中隔板38(3)的上边、两侧边均分别与容器顶部内壁，侧部内壁密闭连接，中隔板38(3)底沿与容器底部很接近，即距离容器底部的距离很小，呈一条缝隙状，因此容器底部不封闭可使两边连通。溢流室38(2)顶部开1孔，与液体回收容器40通过软管连接。气液分离室38(1)顶部开2孔，一孔通过气体回收管路与气体回收容器39连通，气体回收管路上有阀门31，另一孔通过第一排泄管26(1)与连接器36出端口36(e)连接，第一排泄管26(1)上设置有液体回收阀门41(1)，第一排泄管26(1)管端插于气液分离室38(1)中距容器底部距离不大于容器的1/2高度，且距容器底部的距离不小于2～3倍的中隔板38(3)底沿距离容器底部的距离。第一排泄管26(1)通过管路与连接器36出端口36(e)连接，然后经连接器36，由进端口36(1)通过连接管路与软管25(1)连接，再由软管25(1)与储层模拟系统的模拟管路2上端的采样点34(1)连接，进端口36(1)与采样点34(1)之间的连接管路依次安装有阀门35(1)、压力表19(1)和定压阀20。气液回收系统可以收集储层模拟系统流出的气体和液体，使模拟系统构成完整循环。

连接器36为具有多个进端口和一个出端口36(e)的管路连接装置，连接器36的第一进端口～第四进端口36(1)～36(4)分别通过第一采样管路～第四采样管路连接软管25(1)～25(4)，软管25(1)～25(4)再与模拟管路第一采样点～第四采样点34(1)～34(4)连接，用于采集各个采样点的样品，每个管路上分别设有阀门35(1)～35(4)，其中端口36(1)与采样点34(1)之间的连接管路同时作为气液回收系统的连接管路。连接器36的出端口36(e)通过第一排泄管26(1)连接气液回收系统和样品采集系统，其中第一排泄管26(1)与气液回收系统相连，管路上设置样品回收阀门41(1)；连接器36的端口36(e)还通过第二排泄管26(2)与样品采集系统相连，管路上设置样品采集阀门41(2)。连接器36的进端口可以扩充，数目与储层模拟系统采样点相匹配。

样品采集系统包括样品采集管路和气液分离装置两部分，样品采集管路为连接器36的进端口36(1)～36(4)与模拟管路采样点34(1)～34(4)之间的连接管路，每条管路上均设置气压表19和阀门35。样品采集管路根据储层模拟系统设置的采样点34(i)(i为自然数，＝1，2，…)个数和位置配置相应的采样管路，用于采集储层模拟系统不同部位的气液混合样品，不同采样点的管路汇集至连接器36，与连接器36的进端口36(i，i为自然数，与采样点的数量相同)连接，然后由连接器36的出端口36(e)通过第二排泄管路26(2)连接气液分离装置。连接器36的进端口36(i)、管路上气压表19(i)、阀门35(i)等构件均按照采样点34(i)数量和编号方法设置，按照“构件名+(编号)”命名，如采样点34(1)对应的构件为进端口36(1)、气压表19(1)、阀门35(1)，其他依次类推，并依次连接相应管路。

气液分离装置包括阀门24、第二排泄管26(2)、气液分离器27、气体压力平衡瓶28(该气体压力平衡瓶28上部侧壁上设置有液体溢流孔29)、气体收集管30、橡胶管32、阀门33和温度传感器37。如图4所示，气液分离器27为下部侧面和顶面开孔的密闭透明容器，且侧面标画刻度42。顶部开孔中的一个孔安装气体收集管30，气体收集管30上安装有气体收集阀门33，气体收集管30管端与容器顶部齐平；另一个孔插第二排泄管26(2)，第二排泄管26(2)管端深插于气液分离器27中液面之下距瓶底不大于气液分离器27的1/3高度处；第三孔安装温度传感器37，所有开孔壁与插管(或温度传感器)外壁之间密封。气体压力平衡瓶28为侧面开2孔的透明敞口容器，一孔靠近上部，为溢流孔29，溢流孔29开孔下沿高度与气液分离器27顶部齐平；另一孔靠近容器底部，开孔位置与气液分离器27底部侧面开孔高度相同，该另一孔与气体分离器27底部侧面开孔通过橡胶管32连通。气体压力平衡瓶28敞口，其内放置供水管，供水管另一端连接储水箱17，供水管上设置阀门24。工作时，气液分离器27和气体压力平衡瓶28中注满水，水位高度为溢流孔29下沿所在位置，气液分离器27顶部不留空隙。该样品采集系统功能可以实现对储层模拟系统各个采样点采集的气液混合样品进行气液分离，制备气体样品，为后续测试提供试验样品。

饱和与抽真空系统包括真空泵5、真空泵阀门6、高压供气源7、压力阀门8、减压阀9、三通10、气压表11、供气质量流量计12及其连接管路。饱和与抽真空系统与采样点34(2)和采样点34(3)通过供气管路连接，采样点34(2)为模拟管路2与模拟管路3连接处，采样点34(3)为模拟管路1与模拟管路3的连接处，并在供气管路上分别设置供气阀门16(1)和16(2)。高压供气源7可以根据供气需要，分别提供纯净的氮气、纯净的甲烷气体或模拟盆地储层气，如煤层气、页岩气和纯净甲烷。三通10第一端与高压供气源7之间的主供气管路上设置压力阀门8、减压阀9、气压表11和供气质量流量计12；三通10第二端通过抽气管路与真空泵6连接，该抽气管路上设有真空泵阀门6；三通10第三端连接供气管路的一端，该供气管路另一端分出两条供气支路，每条支路分别与采样点34(2)和采样点34(3)连接，第一供气支路和第二供气支路上分别设置有第一供气阀门16(1)和第二供气阀门16(2)。该饱和与抽真空系统可以对储层模拟系统中充填的不含气样品抽真空，然后设定供气压力P对样品进行饱和充气处理，制备高压含气样品，样品含气饱和度达到85％以上，模拟自生自储含气储层，还原原始均匀含气储层。

储层模拟系统与供水系统、气液回收系统、样品采集系统和饱和与抽真空系统采用软管25(i，i为自然数，i＝1，2，3，4)柔性连接，可使储层模拟系统方便抬升和降低，利于试验前模拟管路内试样安装，试验中控制模拟温度，试验后将模拟管路内试样取出。软管25(i)为耐高温、高压弹性软管，材质可选用不锈钢或橡胶等。

以下通过实施例一、二对利用本实用新型的自生自储向斜构造盆地水溶气运移模拟装置进行的水溶气对储层非常规天然气(如煤层气)同位素分馏的影响实验方法进行说明：

实施例一：

如图2所示，本实用新型自生自储向斜构造盆地水溶气运移模拟装置包括储层模拟系统、供水系统、气液回收系统、样品采集系统、饱和与抽真空系统、起吊控制系统、恒温控制系统及相关连接管路。这个模拟实验方法分为实验前准备、模拟实验和采样分析

一、实验前准备

1)根据储气构造盆地原型剖面，划分剖面含气自生自储储层分段长度与坡度，确定剖面类型。由原型向斜盆地，确定盆地储层剖面，根据储层剖面坡度特征，提取表征储层剖面特征的主要坡度类型、长度及组合关系，坡度类型按下列坡度分类原则划分：近水平段(α≤5°)、缓倾斜段(5°＜α≤15°)、倾斜段(15°＜α≤35°)、急倾斜段(35°＜α)。向斜两翼一般各划分不超过3个主要坡度类型，确定剖面坡度类型主要组合关系，如缓倾-倾斜-急倾或缓倾-急倾-倾斜等不同组合关系，不同地段坡度相同者，其长度不影响剖面类型组合关系的次要坡度段，可以归入决定剖面类型主长度坡度段，然后确定各主要坡度类型长度。

2)计算模拟管路分段长度、模拟管路分段间距及组合关系。确定模拟几何相似比，由模拟几何相似比确定储层模拟系统相对应模拟管路1、模拟管路2和模拟管路3的总长度及分段长度，模拟管路1和模拟管路2的分段坡度，根据坡度分类原则划分和统计后，按原型盆地各分段坡度统计中位数确定，由公式(1)～(3)确定模拟管路长度及模拟管路分段间距：

s＝l_i/l_原i＝L_i/L_原i＝b/B_原 (1)

sinα_i＝h_i/l_i (2)

sinβ_i＝H_j/L_j (3)

式中：s为模型与原型的几何相似比；

l_原i、L_原i分别为原型盆地补给侧和排泄侧的分段长度；

b、B_原分别为向斜盆地模型与原型核部近水平段长度；

α_i、β_i分别为原型盆地补给侧和排泄侧的分段坡度统计中位数；

h_i、l_i分别为盆地补给侧按相似比确定模拟管路分段间距和分段长度；

H_j、L_j为代表盆地排泄侧按相似比确定的模拟管路分段间距和分段长度。

i，j为自然数，分别代表盆地补给侧模拟管路和盆地排泄侧模拟管路的分段数。

3)制作剖面模拟管路，连接系统管路。制作完成对应长度及坡度的模拟管路1、模拟管路2和模拟管路3后，按照剖面类型组合关系，连接模拟管路，将其分别固定在两个垂直固定架23和一个水平固定架18上，其中模拟管路1、模拟管路2分别固定在两个垂直固定架23上，并根据分段间距，调整管卡23(2)位置逐段固定，模拟管路3固定在水平固定架18上的管卡18(2)上，水平固定架18分别与两个垂直固定架23的底部连接，将两个垂直固定架23与起吊横梁22组合后，将起吊横梁22悬挂在起吊装置上，然后依次把储层模拟系统与其他系统连接。

储层模拟系统连接方式为：模拟管路1上端连接软管25(4)后连接供水系统，该管路上端同时作为采样点34(4)与进端口36(4)通过采样管路连接；模拟管路2上端连接软管25(1)后与气液回收系统连通，该管路上端同时作为采样点34(1)与进端口36(1)通过采样管路连接；模拟管路1与模拟管路3连接处引出支管作为采样点34(3)，该支线管路再一分为二，分别与进端口36(3)和饱和与抽真空系统连接；模拟管路2与模拟管路3连接处引出支管作为采样点34(2)，该支线管路再一分为二，分别与进端口36(2)和饱和与抽真空系统连接。采样点34(1)～34(4)通过采样管路汇集连接至连接器36的进端口36(1)～34(4)，再由连接器36的出端口36(e)连接气液回收系统和样品采集系统。

储层模拟系统、供水系统、气液回收系统、样品采集系统和饱和与抽真空系统所有管路连接好后，由起吊控制系统把储层模拟系统的模拟管路放置在恒温控制系统的恒温箱4的液面以下，与此同时，设定恒温控制系统的温度，对恒温箱中液体温度加热至设定温度。试验开始前模拟装置所有阀门处于关闭状态。

4)调试样品采集系统和气液回收系统。打开阀门24，将样品采集系统气液分离器27和气体压力平衡瓶28的容器内注满水，水位高度为溢流孔29下沿所在位置，气液分离器27充水后顶部不留空隙，关闭阀门24。在气液回收系统的气液分离器38(1)中预先装满水，或装水高度至少淹没第一排泄管26(1)管端。

5)气密性检查。首先在高压供气源7中选择氮气，打开供气阀门8，调节定压阀20和减压阀9，设定储层模拟系统模拟管路内的压力为测试压力W，(测试压力W＝(1.5～2.0)p，p为原型盆地储层静水压力，p＝γh，其中γ为水的重度，h为储层埋深)，检查整个装置管路的密封性。

6)模拟管路装样。密封性完好的管路系统，由起吊装置把模拟管路1～模拟管路3起吊至恒温箱4的液面以上，选择预先制备好的新鲜、干燥煤岩样品，所述煤岩样品需经过充分解吸，不含有残余气，煤岩样品粒径为模拟管路内径的1/5～1/10，把破碎后的煤岩样品分段充填模拟管路1、模拟管路2和模拟管路3，充填完煤样后，重新连接模拟管路接口及连接管路，保证密封完好，然后由起吊装置把模拟管路1～模拟管路3全部浸没在保温箱4的液面以下，实验开始。

二、模拟实验

模拟实验按照以下步骤进行：

1)系统开始测试前，系统所有阀门处于关闭状态；

2)打开真空泵阀门6、供气阀门16(1)和16(2)和真空泵5，对储层模拟系统持续抽真空6～8h以上后关闭真空泵5、阀门6、供气阀门16(1)和16(2)，然后静置3～5小时以上，检查气压表19(1)～19(4)读数，检查所有气压表读数是否稳定，不稳定，说明储层模拟系统内装样品存在残余气体，然后继续抽真空，重新检查，如此反复，直到气压表读数稳定，进入实验下一步；

3)将高压供气源7换为高压待测气瓶，如煤层气，打开主供气管路上的阀门8、供气支路上的供气阀门16(1)和16(2)，调节减压阀9，设定供气压力P(P＝(1.2～1.5)p，p为原型盆地储层静水压力，p＝γh，其中γ为水的重度，h为储层埋深)。向储层模拟系统的模拟管中充入煤层气，注入时间持续24h以上，关闭阀门8、供气阀门16(1)和16(2)，静置1小时以上，连续观察气压表19(i)(19(1)～19(4))，如读数稳定，表示模拟管内充填样品吸附和解吸煤层气达到平衡，进入下一步；如果任意一个气压表19(i)读数不稳定，重新打开阀门8、供气阀门16(1)和16(2)，向储层模拟系统的模拟管继续充入煤层气。如此反复，直至全部气压表19(i)读数稳定，关闭阀门8、供气阀门16(1)和16(2)，进入实验下一步。同时记录气体质量流量计12和气压表19(i)示数值，确定系统待测气体累计充入质量及平衡后的供气压力。

4)依次打开供水阀门15，调节定压阀20，打开恒速恒压泵13，以略高于原型盆地储层静水压力p的水平向储层模拟系统模拟管路1、模拟管路2和模拟管路3中稳定注水，试验流量为0.1～0.5m³/min，待水流到达阀门35(1)时，依次打开阀门35(1)、阀门41(1)和阀门31，管中液体到达气液分离器38，在气液分离器38(1)中实现气液分离，气体通过阀门31排出，由回收容器39收集，液体流经溢流室38(2)，由液体回收容器40收集，按规定排放或处置。

5)气样采集。根据试验要求，确定采样时间间隔，然后依次采集点位34(1)～34(4)处的气样。采集采样点34(1)处的样品时，关闭阀门41(1)，打开阀门41(2)，静置一定时间，观察气液分离器27侧面刻度42，记录生成一定体积气体所用的时间，气体体积至少10ml以上，记录温度传感器37的读数，关闭阀门35(1)和阀门41(2)，打开阀门24，由供水管向气体压力平衡瓶28中供水，同时打开阀门33，采用真空集气瓶或采样袋收集气体样品，采样完毕关闭阀门33，对气体样品编号。待液体重新注满气液分离器27和气体压力平衡瓶28，气液分离器27充满液体后顶部不留空隙时，关闭阀门24，采样点34(1)采样完毕。

采样点34(2)处的样品采集，打开阀门35(2)和阀门41(1)，使采样点34(2)处流出的液体排出一段时间，以将上一次残存样品放出，关闭阀门41(1)，打开阀门41(2)，静置一定时间，观察气液分离器27侧面刻度42，记录生成一定体积气体所用时间，气体体积至少10ml以上，记录温度传感器37的读数，关闭阀门35(2)和阀门41(2)，打开阀门24，由供水管向气体压力平衡瓶28中供水，同时打开阀门33，采用真空集气瓶或采样袋收集气体样品，采样完毕关闭阀门33，对气体样品编号，待液体重新注满气液分离器27和气体压力平衡瓶28，气液分离器27充满液体后顶部不留空隙时，关闭阀门24，采样点34(2)采样完毕。

采样点34(3)和采样点34(4)处的样品采集过程和方法同采样点34(2)，依次打开采样点所在管路阀门35(3)或阀门35(4)，依次进行采样，对气体样品编号，采样完成以后，重新打开阀门35(1)和阀门41(1)，使流经储层模拟系统的液体重新流向气液回收系统。

6)待到下一次采样时间，重复步骤5)进行采样，如此循环，直至试验结束。

7)气体溶解度计算。气体溶解度按下式计算：

C_m＝n/(V_m×ρ) (1)

式中：C_m为一定温度和1个大气压力下的气体溶解度，mol/kg；

n为采集的气体样品摩尔数，mol；

V_m为气体样品排开液体的体积，在本实验中与采集的气体样品的体积相等，m³；

ρ为液体的密度，kg/m³。

8)改变实验条件，如储层样品的物理参数(包括煤质、颗粒大小、孔隙率等)、供气介质(纯净甲烷气)、液体介质(取离子水、纯净水)、供水水压、供水流量、温度等条件，重新按实验步骤1)～7)进行。

三、样品测试，数据分析

对采集的煤层气样品进行组分分析和稳定碳同位素、氢同位素测试，根据不同采样间隔的样品组分和稳定碳同位素、氢同位素变化规律，预测地下水流动对储层气体不同地段含气量大小与分布的影响，为煤层气成因、成藏、赋存状态研究提供实验基础，为非常规天然气有效开发提供理论支撑。

实施案例二：

一、实验前准备与模拟实验

实验前准备1)～5)同实施例一。不同之处在于

1)实验前准备过程中，步骤3)中饱和与抽真空系统中三通10第二端不需要连接抽气管路与真空泵6，仅连接高压供气源7所在的管路；步骤6)中，管路连接完成后，向模拟管路1～模拟管路3中充填样品，所述的样品选用新鲜没有解吸煤层气的原始含气煤岩样品。

模拟实验中，模拟管路1～模拟管路3充填的样品为原始含气煤岩样品，省略了步骤2)和步骤3)。从步骤4)开始执行。将新采集的原始含气煤岩样品快速破碎后直接装入储层模拟系统的模拟管路，连接实验装置，设定定压阀20的压力，打开进水阀门15，按原型盆地储层静水压力p＝γh(γ为水的重度，h为储层埋深)向模拟管路供水。然后按实施例一中模拟实验中的步骤4)～6)进行试验和采样。

二、样品测试，数据分析

对采集的煤层气样品进行组分分析和稳定碳同位素、氢同位素测试，根据不同采样间隔的样品组分和稳定碳同位素、氢同位素变化规律，预测地下水流动对储层气体不同地段含气量大小与分布的影响，为煤层气成因、成藏、赋存状态研究提供实验基础，为非常规天然气有效开发提供理论支撑。

本实用新型的自生自储向斜构造盆地水溶气运移模拟装置实现了对于自生自储构造的盆地地质情况的模拟，提供了地下水对储层不同地段原始样品煤层气含气量大小和分布的影响的实验，通过测试不同地段气体稳定碳同位素和氢同位素的变化规律、含气量的变化规律，通过建立含气量与气体稳定同位素之间的变化关系，数据的模拟采集，为煤层气成因、成藏、赋存状态研究提供了实验基础，所采用的装置结构简单，占地面积小，模拟试验方法准确，简单易行，为煤层气/页岩气的开发提供了基础理论支撑。