一种模拟地质条件下油气运移过程的装置和实验方法与流程

本发明是应用于地质勘探领域里的一种模拟地质条件下油气运移过程的装置和实验方法。

背景技术：

烃源岩的排烃效率是准确计算油气资源的关键参数之一，从20世纪开始石油地质地球化学家一直关注着运移机理、排烃的时间、运移方式、排烃效率或排烃量、有机地球化学指标、定量模型等。但由于油气的运移过程是一个极其复杂的地质过程，至今仍是石油地质研究领域中的薄弱环节。就油气运移机理至少包括压实机理、异常高压作用下的微裂缝机理和扩散机理三种。(1)压实作用：压实的直接结果是沉积物孔隙体积的减少和孔隙流体的排出。在沉积物埋藏较浅、孔隙度较高的时期，压实作用是孔隙流体排出的主要原因。如果这时候烃源岩中有油气形成，那么油气就会在压实作用的影响下发生运移，油气从烃源岩中排出。(2)微裂缝机理：主要适用于烃源岩埋藏较深、可压实性较小的时期，对幕式微裂缝排液的驱动机制可以归纳为二点:一种是由于超压体系内部能量的积累，剩余压力超过了岩石的承受能力，使得封隔层发生破裂，封存箱内部的剩余能量随裂缝或压裂面等得到释放；另一种是超压体系外部因素，主要是由于构造活动的影响，破坏了超压体系能量场的相对稳定状态，表现为超压体系内部的能量由于活动断裂等的卸压得到释放或转移。油气流体以混相的方式发生运移。这一过程可重复多次，大量的烃类即可以从烃源岩中排出。(3)扩散作用：是物质在浓度梯度的作用下，自发地从高浓度区向低浓度区转移以达到浓度平衡的一种传递过程。在自然界只要有浓度梯度存在，就可以发生扩散作用。因此，烃类通过扩散作用从烃源岩进入储集层是一种必然的过程。

现有的油气运移物理模拟多是建立在生烃模拟实验基础上，采用的方法通常是以含一定有机质丰度的岩石为样品，通过升温热解生烃，依靠较高温度差与生烃过程中流体体积膨胀引起的压力驱动烃类排出，有一些模拟实验装置外部施加了模拟烃源岩岩石的压实压力，通过压实作用排出生成的油气。由于油气运移模拟主要是在生烃模拟基础上发展起来的，在模拟实验条件的设置上主要只是考虑了生烃条件，而很少真正从运移机理上选择与控制与油气排出的地质条件相近的模拟实验条件，如岩石孔隙度、岩石压实作用、地层流体压力、地层水等，从而使模拟实验所设置的烃源岩中油气运移条件严重偏离实际地质情况，不能较真实地再现地层温度压力条件下油气的运移过程。

现有的可控烃源岩热压生烃模拟装置有大庆石油学院研制的有机质地化演化模拟实验装置和内加热式热压模拟实验装置、大庆油田研制的高压控温压实验装置、中国石油大学(北京)研制的压实成岩作用与油气生成和排驱模拟实验装置、中石化无锡石油地质所研制的烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪、中科院广州地化所研制的加压开放式热解生烃模拟装置及流体压力和静态压力作用下有机质生烃模拟装置等。

大庆石油学院研制的有机质地化演化模拟实验装置和内加热式热压模拟实验装置、大庆油田研制的高压控温压实验装置、中国石油大学(北京)研制的压实成岩作用与油气生成和排驱模拟实验装置设计的最高静岩压力和流体压力远达不到实际地质条件的要求，最高静岩压力130mpa、最高地层流体压力30mpa，且流体压力具不可调控性。中科院广州地化所研制的加压开放式热解生烃模拟装置及流体压力和静态压力作用下有机质生烃模拟装置的流体压力均靠高压氮气来维持，这与地层条件下烃源岩孔隙间充满流体的状态完全不同。中石化无锡石油地质所研制的烃源岩地层孔隙热压生烃模拟仪静岩压力和流体压力均能控制在较大范围，但由于生烃装置外部无可控流体压力调节装置，人为调控操作误差大。目前所有的生排烃模拟装置，排烃都是热解生烃后依靠较高温度差与生烃过程中流体体积膨胀引起的压力驱动将烃类排出的，排烃系统仅是常温常压下的产物收集系统。此法计算出的排烃率通常都比较大，难以应用到实际的地质工作中。为了能较真实的模拟地质条件下的油气运移过程，除考虑各种地质影响因素如：温度、时间、静岩压力、地层流体压力、围压、孔隙空间、孔隙流体性质及岩石矿物组成等因素外，必须结合油气在压实作用、多种增压机制微裂缝作用、浓度扩散等多种作用综合控制下的油气运移过程，这样获得的生排烃产率及地化参数才能更好地应用于油气勘探研究与生产之中，而目前的模拟装置与试验方法无法满足这些要求。

技术实现要素：

为了解决现有技术方案的缺陷，本发明一种用于模拟地质条件下油气运移过程的装置和实验方法，可再现油气在压实渗流作用、多种增压机制微裂缝作用、浓度扩散等综合作用控制下的运移过程，为油气资源评价提供可靠准确的数据参数。

一种模拟地质条件下油气运移过程的装置，包括：生烃系统和油气运移系统；所述生烃系统包括：

生烃釜，用于盛放烃原岩样品；

电热炉，设置在生烃釜四周，用于给生烃釜加热；

流体高压容器，其一端设置有高压计量泵，用于向生烃釜注入高压流体；

以及液压设备，用于密封生烃釜内的烃原岩样品并对烃原岩样品施加静岩压力；

所述油气运移系统包括：

排烃运移装置，包括上部腔体和下部腔体，上部腔体分别与生烃釜和流体高压容器连通，下部腔体与排烃计量泵连通；

管式加热炉，设置在排烃运移装置四周，用于加热排烃运移装置；

以及收集气动阀，与上部腔体连通，用于排除上部腔体内的压力。

所述生烃系统还包括龙门架和定位顶柱，所述龙门架包括相互平行的顶梁和底座，以及两个垂直于所述顶梁和底座的竖直梁，其中，所述定位顶柱一端与生烃釜顶部接触，另一端贯穿龙门架顶梁并与所述顶梁固定连接，将所述生烃釜固定在龙门架中央。

所述液压设备包括液压油缸、安装在液压油缸上的外活塞杆和设置在外活塞杆中央的内活塞杆，所述液压油缸设置在龙门架底座外侧中央，所述内活塞杆用于密封生烃釜，所述内活塞杆用于对生烃釜内部原岩样品施加静岩压力。

所述生烃釜顶部开设有上排烃口，所述生烃釜一侧开设有下进排烃口。

所述生烃系统与排烃运移系统通过上排烃截止阀、下排烃截止阀以及排烃高压气动阀连接；所述上排烃截止阀和下排烃截止阀用于控制生烃釜内排烃流量大小，所述排烃高压气动阀用于开启和关闭生烃系统和排烃系统之间的连通通道；所述流体高压容器出口设置有注入电磁阀，所述注入电磁阀出口分别通过流体高压气动阀和反驱动电磁阀与下进排烃口连接和排烃运移装置的上部腔体连通，将地层流体压力注入到生烃釜和排烃运移装置中。

一种模拟地质条件下油气运移过程的方法，

包括以下步骤：

步骤一、根据烃原岩样品所在地区地下实际埋深演化的温度和压力，设定不同演化阶段对应的温度、静岩压力以及地层流体压力值；

步骤二、将所述烃原岩样品放入生烃釜内，通过液压油缸驱动外活塞杆对生烃釜进行密封，根据设定的静岩压力驱动内活塞杆对烃原岩样品施加静岩压力；

步骤三、通过流体高压容器分别向生烃釜和排烃运移装置施加地层流体压力，并静置3-5小时；

步骤四、在生烃系统和油气运移系统压力不再变化后，关闭上排烃截止阀、下排烃截止阀以及排烃高压气动阀，打开收集气动阀，排出排烃运移装置内的压力，使排烃运移装置内的压力为零；然后关闭收集气动阀、流体高压气动阀、注入电磁阀以及反驱电磁阀；启动液压油缸对烃原岩样品施加静岩压力，同时对排烃运移装置以及生烃釜加热，直至生烃釜和排烃运移装置内部的温度一致时，进行生烃模拟油气运移实验。

所述生烃模拟油气运移实验包括：模拟压实渗流作用油气运移方式、模拟增压微裂缝排烃运移方式、模拟在油气扩散运移方式。

所述模拟压实渗流作用油气运移方式为：打开上排烃截止阀、下排烃截止阀，并控制流量大小，再打开排烃高压气动阀，使油气在压力差作用下一次性由生烃系统排入到油气运移系统。

所述模拟增压微裂缝排烃运移方式为：

(1)、打开上排烃截止阀和下排烃截止阀，并控制流量，关闭排烃高压气动阀，使生烃釜与排烃运移装置处于非连通状态；

(2)、根据实际地质条件设定生烃釜与排烃运移装置之间的压差；

(3)、当生烃釜内流体压力值与排烃运移装置内的流体压力值之差大于所述设定的压差时，排烃高压气动阀自动开启，进行排烃，直至生烃釜与排烃运移装置内的压力平衡后，通过进退排烃计量泵调节压力至所述设定的压差值，自动关闭排烃高压气动阀；

(4)、重复步骤(3)直至增压微裂缝排烃运移过程结束。

所述模拟在油气扩散运移方式包括：

(一)、打开排烃高压气动阀、上排烃截止阀以及下排烃截止阀，使生烃釜与排烃运移装置处于连通状态，使排烃运移装置与生烃釜流体压力相等；

(二)、当生烃系统和油气运移系统内的压力大于设定的地层流体压力值时，排烃计量泵调节压力直至回到地层流体压力值；

(三)、重复步骤(二)，直至油气扩散运移过程结束。

通过该实验方法不仅可模拟压实渗流作用油气运移过程、模拟油气扩散运移过程，还能模拟实现油气在增压微裂缝排烃时的油气进行运移过程。油气运移装置装可按照实际地质条件设定较高地层流体压力，彻底改变以往仅依靠生储系统的温差和流体体积膨胀产生的压力差进行油气运移过程的模拟，能较真实地模拟地质情况下油气的运移条件，得出的数据参数更为科学合理，为开展油气运移、油气生成量和油气资源预测方面的研究提供了一种有效的手段。

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。其中：

图1是本发明模拟地质条件下油气运移过程的装置的示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

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，一种模拟地质条件下油气运移过程的装置，包括：生烃系统和油气运移系统；

所述生烃系统包括：生烃釜106，用于盛放烃原岩样品107；电热炉105，设置在生烃釜106四周，用于给生烃釜106加热，所述生烃釜一侧装有生烃温度传感器108，用于检测生烃釜内的温度；流体高压容器117，与生烃釜106连通，用于盛放高压流体，并通过高压计量泵120向生烃釜106注入高压流体；液压设备，用于密封生烃釜内的烃原岩样品107并对烃原岩样品107施加静岩压力；所述生烃系统还包括龙门架和定位顶柱111，所述龙门架包括相互平行的顶梁109和底座114，以及两个垂直于所述顶梁109和底座114的竖直梁104，其中，所述定位顶柱111一端与生烃釜106顶部接触，另一端贯穿龙门架顶梁109并与所述顶梁固定连接，将所述生烃釜106固定在龙门架中央。

所述的生烃釜106为一中空柱体，由耐高压高温耐腐蚀的高强度合金材料制成，内部直接置入烃原岩样品107；生烃釜106顶部安装有上排烃口112和地层压力传感器110；生烃釜106中侧部安装有下排进烃口113。

所述液压设备包括液压油缸101、和安装在液压油缸上的外活塞杆102和设置在外活塞杆102中央的内活塞杆103，所述外活塞杆102和内活塞杆103同向施压，所述液压油缸101设置在龙门架底座114外侧中央，所述外活塞杆102对生烃釜106尽心密封，所述所述内活塞杆103贯穿底座114与生烃釜内部的烃原岩样品接触，对烃原岩样品施加静岩压力。

所述流体高压容器117上端与注入压力传感器119和电动高压计量泵120连接；下端出口通过注入电磁阀116、流体高压气动阀115与下进排液口113连接，用于对生烃釜106注入高压地层流体；所述反驱电磁阀118进口分别与注入电磁阀116、流体高压气动阀115连接，出口与排烃运移装置207、收集气动阀204连接；用于对排烃运移装置207注入高压地层流体。

所述油气运移系统包括排烃运移装置207，分别与所述生烃釜106和流体高压容器117连通，通过排烃计量泵208调整排烃运移装置207内部的压力；管式加热炉206，设置在排烃运移装置207四周，用于加热排烃运移装置207；收集气动阀204，一端与排烃运移装置207连通，用于排除排烃运移装置207内的压力。

所述生烃系统和排烃运移系统通过上排烃截止阀201、下排烃截止阀209和排烃高压气动阀202连接；所述的上排烃截止阀201、下排烃截止阀209用于控制高温高压生烃釜106排烃流量的大小，所述的排烃高压气动阀202用于开启和关闭生烃系统和排烃收集系统之间的连接通道；所述排烃运移装置207上部腔体的出口安装有排烃压力传感器203和收集气动阀204；下部腔体装有高压液体介质，并连接有排烃计量泵208；所述排烃运移装置207安装在管式加热炉206内；所述管式加热炉206侧装有排烃温度传感器205；用于对排烃运移装置207恒温加热。

一种模拟地质条件下油气运移过程的方法，包括以下步骤：

步骤一、根据烃原岩样品107所在地区地下实际埋深演化的温度和压力，设定不同演化阶段对应的温度、静岩压力以及地层流体压力值；

步骤二、将所述烃原岩样品107放入生烃釜106内，通过液压油缸101驱动外活塞杆102对生烃釜106进行密封，根据设定的静岩压力驱动内活塞杆103对烃原岩样品107施加静岩压力；

步骤三、通过流体高压容器117分别向生烃釜106和排烃运移装置207施加地层流体压力，并静置3-5小时；具体为：开启流体高压气动阀115、反驱电磁阀118、注入电磁阀116、上排烃截止阀201、下排烃截止阀209以及排烃高压气动阀202，关闭收集气动阀204；通过设定地层流体压力值驱动注入用电动高压计量泵120对高温高压生烃釜106与排烃运移装置207施加地层流体压力(最高120mpa)，静置3-5小时，使烃源岩样品107的孔隙空间以及连接管道内被高压流体(如水、气、油等；具体选用哪种介质，取决于研究者的研究目的)完全充满；同时也起到对生烃釜106、排烃运移装置207、连接管道和各阀门试漏的作用，若压力下降或连接部件有流体渗出，说明整个系统有漏点，排除后开始下步模拟实验；

步骤四、在生烃系统和油气运移系统压力不再变化后，关闭上排烃截止阀201、下排烃截止阀209以及排烃高压气动阀202，打开收集气动阀204，排出排烃运移装置内的压力，使排烃运移装置内的压力为零；然后关闭收集气动阀204、流体高压气动阀115、注入电磁阀116以及反驱电磁阀118；启动液压油缸101对烃原岩样品107施加静岩压力，同时对排烃运移装置207以及生烃釜106加热，直至生烃釜106和排烃运移装置207内部的温度一致，进行生烃模拟油气运移实验。

所述生烃模拟油气运移实验包括：模拟压实渗流作用油气运移方式、模拟增压微裂缝排烃运移方式、模拟在油气扩散运移方式。

所述模拟压实渗流作用油气运移方式为：打开上排烃截止阀201和下排烃截止阀209，并控制上排烃截止阀201和下排烃截止阀209的流量大小，再打开排烃高压气动阀202，使油气在压力差作用下一次性由生烃系统排入到油气运移系统。在电热炉105加热生烃釜106的过程中，随着温度升高和生烃作用的进行，生烃釜106内的压力不断升高，模拟实现压实作用油气一次性运移过程。

所述模拟增压微裂缝排烃运移方式为：

(1)、打开上排烃截止阀201和下排烃截止阀201，并控制上排烃截止阀201和下排烃截止阀201的流量，关闭排烃高压气动阀201，使生烃釜106与排烃运移装置207处于非连通状态；

(2)、根据实际地质条件设定生烃釜106与排烃运移装置207之间的压差；

(3)、当生烃釜106内流体压力值与排烃运移装置207内的流体压力值之差大于所述设定的压差时，排烃高压气动阀202自动开启，进行排烃，直至生烃釜106与排烃运移装置207内的压力平衡后，通过进退排烃计量泵208调节压力至所述设定的压差值，自动关闭排烃高压气动阀202；

(4)、重复步骤(3)随着烃源岩样品107的进一步压实、温度的升高和油气的继续生成，生烃釜106内流体压力会继续升高，当釜内压力与排烃运移装置207的压力之差超过设定值时，排烃高压气动阀202会再一次打开，待平衡后再次关闭，如此反复直至增压微裂缝排烃运移过程结束。随着温度升高、生烃作用的进行，生烃釜106内的压力不断升高，根据实际地质条件设置一定的高压生烃釜106与排烃装置207的压差值，模拟实现油气在增压微裂缝排烃时的油气进行运移过程。

所述模拟在油气扩散运移方式包括：

(一)、打开排烃高压气动阀202、上排烃截止阀201以及下排烃截止阀209，使生烃釜106与排烃运移装置207处于连通状态，使排烃运移装置与生烃釜流体压力相等；

(二)、当生烃系统和油气运移系统内的压力大于设定的地层流体压力值时，排烃计量泵208调节压力直至回到地层流体压力值；

(三)、重复步骤(二)，直至油气扩散运移过程结束。伴随油气的生成，油气在压实作用下向排烃装置207中运移；此过程高压生烃釜106内与排烃装置207形成浓度差，发生油气扩散运移，模拟实现油气通过压实作用和浓度扩散作用连续从烃源岩内向外进行运移的过程。

本发明由生烃系统和油气运移系统组成，两者之间通过排烃高压气动阀连接，自动调节生烃系统和油气运移系统的连通状态；根据地质条件下油气进行运移的机理，模拟压实渗流作用、增压导致微裂缝幕式开启、浓度扩散作用下的油气运移的实验装置；

通过实验方法不仅可模拟压实渗流作用油气运移过程、模拟油气扩散运移过程，还能模拟实现油气在增压微裂缝排烃时的油气进行运移过程。彻底改变以往仅依靠生储系统的温差和流体体积膨胀产生的压力差进行油气运移过程的模拟，能较真实地模拟地质情况下油气的运移条件，得出的数据参数更为科学合理,可以较真实地模拟地质情况下油气的运移过程；

设计了与地质体实际流体压力条件相近的具有一定压力差的油气运移装置。

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。