本发明属于水岩反应过程技术领域，具体涉及一种模拟水岩反应的装置及方法。
背景技术：
碳酸盐岩的原生孔隙和地表及埋藏过程中溶蚀形成的次生孔隙是重要的油气储集空间。深部含烃碳酸盐岩储层中流体岩石相互作用是影响储层储集性能的重要因素。流体岩石相互作用包括溶蚀和沉淀两个过程，溶蚀扩大孔隙提升岩石储集性能，沉淀减小孔隙降低岩石储集性能。岩石作为多孔介质，其内部孔隙空间的发育规模、空间分布对流体渗流的影响程度，流体和岩石相互作用机理以及相互作用过程中发生的物质变化和能量变化等问题，还需要通过深入开展模拟实验来查明。
现有的水岩化学反应装置，多针对岩心样或颗粒样采用流动法进行酸化实验，反应釜内装配有颗粒岩样或者岩心样品，反应后通过岩样的形貌变化，结构组成变化和溶液离子成分变化，计算和推测反应过程。该装置和方法有一定的滞后性和间接性，不能直接监测水岩反应的反应进程，不能动态观测流体在岩样内部的扩散过程。
岩心ct扫描技术，指的是通过ct扫描储层岩心样品，获得储层岩心的静态二维断面扫描图像，借助一定的建模工作和模拟计算，将二维图像转换成岩心三维实体模型。该方法目前主要应用于静态过程，数字化与可视化的对象是改造前或改造后的岩心样品，无法获知改造过程中岩心内部孔隙与流体的变化情况。
因此需要一种模拟和再现地层条件流体岩石相互作用过程的装置，为储层改造和预测提供有效手段。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供了一种模拟水岩反应的装置，该装置能够实时原位监控水岩反应的反应进度，可视化流体通过多孔隙介质的动态过程，模拟和再现地层条件流体岩石相互作用的过程。
本发明还提供了一种模拟水岩反应的方法，该方法能够实时监控流体在孔隙间的扩散分布趋势、饱和度分布等参数，对于监测水岩反应体系的反应进度，探索流体岩石相互作用规律具有重要的科学意义。
为此，本发明第一方面提供了一种模拟水岩反应的装置，其包括：
微型ct扫描系统；
置于微型ct扫描系统内部的反应釜；
与反应釜入口相连的流体注入系统；
与反应釜出口相连的流体离子测试分析系统；以及
用于采集微型ct扫描系统及流体离子测试分析系统中数据的数据采集处理系统。
根据本发明，所述数据采集处理系统通过电连接分别与微型ct扫描系统和流体离子测试分析系统相连。
在本发明的一些实施方式中，所述反应釜外包覆有电加热环套，电加热环套通过导线与电控温调节器相连。
在本发明的另一些实施方式中，所述流体注入系统包括与反应釜第一入口相连的co2溶液注入系统；以及与反应釜第二入口相连的示踪剂溶液注入系统。
在本发明的一些具体实施例中，所述co2溶液注入系统包括：
与反应釜第一入口相连的co2气瓶；以及
在连接所述co2气瓶和所述反应釜第一入口的管线上依次设置的第一截止阀、第一压力计、去离子水储液罐、第一恒压恒流泵、第二截止阀、第一预热器、第一热电偶和第二压力计；
所述示踪剂溶液注入系统包括：
与反应釜第二入口相连的示踪剂储液罐；以及
在连接所述示踪剂储液罐和所述反应釜第二入口的管线上依次设置的示踪剂储液罐、第二恒压恒流泵、第三截止阀、第二预热器、第二热电偶和第三压力计。
在本发明的一些实施例中，沿反应釜出口到流体离子测试分析系统的管线上依次设置有第三热电偶、第四压力计和第四截止阀。
根据本发明，所述反应釜为圆柱形的中空容器；和/或所述反应釜的材料为聚醚醚酮、聚四氟乙烯和碳纤维中的一种或多种。
本发明第二方面提供了一种利用如本发明第一方面所述的装置模拟水岩反应的方法，其包括以下步骤：
a，先用微型ct扫描系统扫描反应釜内的纯空气，再扫描反应釜内的纯水，然后扫描标准岩心样品，获得确定孔隙度分布的ct参考数据；
b，将烘干的待实验岩心样品装入反应釜内，使用微型ct系统扫描，获得待实验岩心样品内部的孔隙结构；
c，在反应所需的温度及压力下，将co2溶液和示踪剂溶液经预热后泵入反应釜内，反应开始计时；
固定时间间隔进行ct扫描，获取不同时刻co2溶液和示踪剂溶液在待实验岩心样品孔隙中分布形态的ct数据；反应后的流体进入流体离子测试分析系统，利用流体离子测试分析系统获取不同时刻流体中的离子浓度数据；
d，反应至设定时长后结束反应；整个反应过程中获取的ct数据和离子浓度数据由数据采集处理系统处理。
根据本发明，基于获取的不同时刻co2溶液在待实验岩心样品孔隙中分布形态的ct数据，采用饱和差值法获得待实验岩心样品的孔隙度分布；基于获取的不同时刻示踪剂溶液在待实验岩心样品孔隙中分布形态的ct数据，将流体行进路径、扩散分布趋势和饱和度分布图像化；基于获取的反应后流体中的离子浓度数据，获得装置内离子积变化趋势，计算反应速率和整体扩散系数，评估流体岩石相互作用程度与孔隙度分布之间的关系。
在本发明的一些具体实施方式中，所述示踪剂为nai。
本发明的有益效果为：本发明所述装置能够监控水岩反应的动态过程，实现对水岩反应的实时原位图像化监测，可以扩展应用于不同岩性的岩石样品，研究水岩反应过程中的流体空间运移规律，实时监控流体在孔隙间的扩散分布趋势、饱和度分布等参数，对于监测水岩反应实验体系的反应进度，探索流体岩石相互作用规律具有重要的科学意义。另外，本发明所述方法可同时完成图像化和定量计算，实时在线监测程度高，便于应用推广。
附图说明
下面将结合附图来说明本发明。
图1为本发明实施例中所采用的模拟水岩反应的装置示意图；图中附图标记的含义如下：1微型ct系统；2反应釜；201反应釜第一入口；202反应釜第二入口；203反应釜出口；204石墨电加热环套；205电控温调节器；301co2气瓶；302第一截止阀；303第一压力计；304去离子水储液罐；305第一恒压恒流泵；306第二截止阀；307第一预热器；308第一热电偶；309第二压力计；310nai储液罐；311第二恒压恒流泵；312第三截止阀；313第二预热器；314第二热电偶；315第三压力计；4流体离子测试分析系统；401第三热电偶；402第四压力计；403第四截止阀；404第五截止阀；5数据采集处理系统。
具体实施方式
为使本发明容易理解，下面将详细说明本发明。
如前所述现有的水岩化学反应装置不能动态观测流体在岩样内部的扩散过程，无法获知储层改造过程中岩心内部孔隙与流体的变化情况。
发明人通过研究发现，将岩心ct扫描技术与水岩化学反应装置相结合，通过示踪剂实时原位监控水岩反应的反应进度，能够可视化水岩反应过程流体通过多孔隙介质的动态过程，模拟和再现地层条件流体岩石相互作用的过程，从孔隙尺度上衡量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。本发明正是基于上述方法做出的。
为此，本发明一方面所涉及的模拟水岩反应的装置，其包括：
微型ct扫描系统；
置于微型ct扫描系统内部的反应釜；
与反应釜入口相连的流体注入系统；
与反应釜出口相连的流体离子测试分析系统；以及
用于采集微型ct扫描系统及流体离子测试分析系统中数据的数据采集处理系统。
根据本发明，所述数据采集处理系统通过电连接分别与微型ct扫描系统和流体离子测试分析系统相连。
本发明中，所述微型ct扫描系统为环形设计、体积小且与反应釜的尺寸匹配。
在本发明的一些实施方式中，所述反应釜的形状为圆柱形的中空容器；所述反应釜的材料为聚醚醚酮、聚四氟乙烯和碳纤维中的一种或多种，这些高分子材料的强度高、耐酸碱腐蚀、耐高温，能够满足反应釜耐高温高压的实验要求，另外反应釜材料的非金属特性，可保证ct扫描的顺利进行。
在本发明的另一些实施方式中，所述反应釜外包覆有电加热环套，电加热环套通过导线与电控温调节器相连，电控温调节器通过调节电加热环套的温度用以控制反应釜内的温度；在本发明的一些具体实施例中，所述电加热环套为石墨电加热环套。
本发明中，所述流体注入系统包括与反应釜第一入口相连的co2溶液注入系统；以及与反应釜第二入口相连的示踪剂溶液注入系统。
在本发明的一些具体实施例中，所述co2溶液注入系统包括：与反应釜第一入口相连的co2气瓶；以及在连接所述co2气瓶和所述反应釜第一入口的管线上依次设置的第一截止阀、第一压力计、去离子水储液罐、第一恒压恒流泵、第二截止阀、第一预热器、第一热电偶和第二压力计；
在co2溶液注入系统中，co2气体和去离子水在去离子水储液罐中按比例混合后，经第一恒压恒流泵泵入第一预热器中加热，随后注入反应釜中和岩心样品反应。
在本发明的另一些具体实施例中，所述示踪剂溶液注入系统包括：
与反应釜第二入口相连的示踪剂储液罐；以及在连接所述示踪剂储液罐和所述反应釜第二入口的管线上依次设置的示踪剂储液罐、第二恒压恒流泵、第三截止阀、第二预热器、第二热电偶和第三压力计；示踪剂溶液从示踪剂储液罐中经第二恒压恒流泵泵入第二预热器中加热，随后注入反应釜中；具体地，所述示踪剂为nai。
在本发明的一些实施例中，沿反应釜出口到流体离子测试分析系统的管线上依次设置有第三热电偶、第四压力计和第四截止阀。
本发明所述装置中，在co2气体注入口、co2溶液进入反应釜的第一入口、示踪剂溶液进入反应釜的第二入口和反应釜出口分别装配的第一压力计、第二压力计、第三压力计和第四压力计，用于监测反应装置反应过程的压力；反应釜第一入口、反应釜第二入口和反应釜出口分别装配的第一热电偶、第二热电偶和第三热电偶，用于监测反应装置反应过程的温度。
本发明中，所述去离子水储液罐、示踪剂储液罐和装置中管线的材料均为耐高温高压耐酸的哈氏合金。
本发明第二方面所涉及的利用如本发明第一方面所涉及的装置模拟水岩反应的方法，其包括以下步骤：
(1)实验前调试：连接管路，在整个反应装置内通入纯水，提高温度和压力，测试反应装置的密封性能，然后打开微型ct扫描系统扫描反应釜，检查图像，消除伪影；测试流体离子测试分析系统；
(2)基准数据获取：首先用微型ct扫描系统扫描反应釜内的纯空气，再扫描反应釜内的纯水，然后扫描标准岩心样品，得到的数据作为确定孔隙度分布的ct参考数据；将烘干的待实验岩心样品装入反应釜内，使用微型ct系统扫描，获得待实验岩心样品内部的孔隙结构；
(3)反应启动：打开co2气瓶的第一截止阀，将co2气体通入去离子水储液罐中，获得一定浓度co2溶液；
通过第一恒压恒流泵和第二恒压恒流泵调节反应装置压力；通过第一压力计、第二压力计、第三压力计和第四压力计监控反应装置压力达到反应设定压力；调节电控温调节器，通过电加热环套加热反应釜，通过第一热电偶、第二热电偶和第三热电偶，监控反应装置温度达到反应设定温度；
待温度压力稳定后，通过第一恒压恒流泵和第二恒压恒流泵分别泵入去离子水储液罐中的co2溶液和示踪剂储液罐中的示踪剂溶液，co2溶液和示踪剂溶液分别经管线上的第一预热器和第二预热器预热后，泵入反应釜内，反应开始计时；
固定时间间隔进行ct扫描，通过微型ct系统取到不同时刻co2溶液和示踪剂溶液在待实验岩心样品孔隙中分布形态的ct数据(二维岩心断面图像数据)，获得的ct图像数据能够显示出co2溶液密度的变化，随着示踪剂的扩散,co2溶液密度变化的趋势被图像化；反应后的流体进入流体离子测试分析系统，连续在线监测不同时刻流体中的离子(ca2+与mg2+等)浓度数据；
反应至设定时长后，结束反应；整个反应过程中获取的ct数据和离子浓度数据由数据采集处理系统处理；
(4)数据后处理：基于获取的不同时刻co2溶液在待实验岩心样品孔隙中分布形态的ct数据，采用饱和差值法获得待实验岩心样品的孔隙度分布；基于获取的不同时刻示踪剂溶液在待实验岩心样品孔隙中分布形态的ct数据，将流体行进路径、扩散分布趋势和饱和度分布图像化；基于获取的反应后流体中的离子浓度数据，获得装置内离子积变化趋势，计算反应速率和整体扩散系数，评估流体岩石相互作用程度与孔隙度分布之间的关系。
在本发明的一些具体实施方式中，所述示踪剂为nai，加入的nai在ct设备x射线的作用下，能够将nai分子随着流体在岩心样品孔隙中的流动路径和扩散分布进行可视化，能够观察流速、不同流体、不同孔隙度、不同岩性对水岩反应溶解-沉淀过程的影响程度和作用规律。
所述方法利用ct扫描技术，能够实时原位图像化监控水岩反应的反应进度，可视化水岩过程流体通过多孔隙介质的动态过程，量化计算水岩反应的反应速率，扩散系数以及饱和度，从孔隙尺度上衡量流体岩石相互作用的程度和控制因素。通过示踪剂nai在ct设备x射线下的示踪作用，能够将水岩反应过程图像化可视化，明确流体通过不同孔隙度岩心的空间运移规律，理清不同流体和岩石之间相互作用的特点和模式。流体离子监测分析也能够实时的监测反应流体中不同离子随反应进程的溶出规律，可以用于计算反应速率，反应级数和饱和度指数，明确不同条件下水岩反应的反应动力学机制。
实施例
为使本发明更加容易理解，下面将结合附图和实施例来进一步详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。本发明中所使用的原料或组分若无特殊说明均可以通过商业途径或常规方法制得。
图1为本发明实施例中所采用的模拟水岩反应的装置示意图；如图1所示，所述的反应装置包括：微型ct扫描系统1、置于微型ct扫描系统内部的反应釜2、与反应釜入口相连的流体注入系统、与反应釜出口相连的流体离子测试分析系统4；以及用于采集微型ct扫描系统2及流体离子测试分析系统4中数据的数据采集处理系统5；所述数据采集处理系统5通过电连接分别与微型ct扫描系统2和流体离子测试分析系统5相连。
所述反应釜2外包覆有石墨电加热环套204，石墨电加热环套204通过导线与电控温调节器205相连。
所述流体注入系统包括与反应釜第一入口201相连的co2溶液注入系统；以及与反应釜第二入口202相连的示踪剂溶液注入系统。
所述co2溶液注入系统包括：
与反应釜第一入口201相连的co2气瓶301；以及在连接所述co2气瓶301和所述反应釜第一入口201的管线上依次设置的第一截止阀302、第一压力计303、去离子水储液罐304、第一恒压恒流泵305、第二截止阀306、第一预热器307、第一热电偶308和第二压力计309
所述示踪剂溶液注入系统包括：
与反应釜第二入口202相连的示踪剂储液罐310；以及在连接所述示踪剂储液罐310和所述反应釜第二入口202的管线上依次设置的第二恒压恒流泵311、第三截止阀312、第二预热器313、第二热电偶314和第三压力计315。
沿反应釜出口203到流体离子测试分析系统4的管线上依次设置有第三热电偶401、第四压力计402和第四截止阀403。
所述的流体离子测试分析系统4为电感耦合等离子体发射光谱仪。
所述的第一热电偶308、第二热电偶314和第三热电偶401的型号均不限于pt100。
利用上述装置模拟水岩反应的方法，包括以下步骤：
(1)实验前调试：连接管路，打开第一截止阀302、第二截止阀306、第三截止阀312、第四截止阀403、第五截止阀404，在整个反应装置内通入纯水，测试密封性能，打开微型ct系统1扫描材质为聚四氟乙烯的反应釜2，检查图像，消除伪影；测试流体离子测试分析系统4；
(2)基准数据获取：首先用微型ct扫描系统1扫描反应釜2内的纯空气，再扫描反应釜2内的纯水，然后扫描标准岩心样品，得到的数据作为确定孔隙度分布的ct参考数据；将烘干的四川盆地地区碳酸盐岩岩心样品装入反应釜2内，使用微型ct系统1扫描，获得岩心样品内部的孔隙结构；
(3)反应启动：打开co2气瓶301的第一截止阀302，将co2气体通入去离子水储液罐304中至饱和，获得体积浓度为3％的co2溶液；
通过第一恒压恒流泵304和第二恒压恒流泵311调节反应装置压力至10mpa；通过第一压力计303、第二压力计309、第三压力计315和第四压力计402监控反应装置压力达到反应设定压力10mpa；调节电控温调节器205，通过石墨电加热环套204加热反应釜2至80℃，通过第一热电偶308、第二热电偶314和第三热电偶401，监控反应装置温度达到反应设定温度80℃；
待温度压力稳定后，通过第一恒压恒流泵305和第二恒压恒流泵311以1ml/min的速度，分别泵入去离子水储液罐304中的体积浓度为3％的co2溶液和nai储液罐310中的质量浓度为10％的nai溶液，体积浓度为3％的co2溶液和质量浓度为10％的nai溶液分别经管线上的第一预热器307和第二预热器313预热后，泵入反应釜2内，反应开始计时；
每间隔1分钟进行ct扫描，通过微型ct系统1获取自零时刻起co2溶液和nai溶液在碳酸盐岩岩心样品孔隙中分布形态的ct数据；反应后的流体进入流体离子测试分析系统4，连续在线监测不同时刻流体中的ca2+、mg2+和na+的离子浓度数据；
反应至设定时长5小时后，结束反应；整个反应过程中获取的ct数据和离子浓度数据由数据采集处理系统处理5。
(5)数据后处理：基于获取的不同时刻co2溶液在待实验岩心样品孔隙中分布形态的ct数据，采用饱和差值法获得待实验岩心样品的孔隙度分布；基于获取的不同时刻nai在待实验岩心样品孔隙中分布形态的ct数据，将流体行进路径、扩散分布趋势和饱和度分布图像化；基于获取的反应后流体中ca2+、mg2+和na+的离子浓度数据，获得装置内碳酸钙离子积变化趋势，计算碳酸钙-co2溶液反应速率和co2溶液整体扩散系数，评估co2流体-碳酸盐岩相互作用程度与孔隙度分布之间的关系。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。