一种岩石-流体交互作用模拟实验系统及方法与流程

本发明涉及石油天然气工程、地质工程等相关领域室内岩心分析评价实验，特别是一种岩石-流体交互作用模拟实验系统及方法。

背景技术

在石油天然气开采、地层水质污染评价、核废料埋存、co2地质埋存以及地质灾害预测等众多地质工程中，为了分析岩石-流体交互作用规律，需要在室内开展岩石-流体交互作用模拟实验研究，从而得到岩石在不同状态下的物理、力学、化学性质及其变化规律，为相关地质工程提供指导和帮助。

岩石-流体交互作用模拟实验研究是地质工程相关领域最关键、最基础的研究之一，目前关于岩石-流体交互作用模拟实验主要为岩心抽真空加压饱和实验，实验设备仅由带密封上盖的密封罐体、真空泵、压力计、盐水罐以及管线阀门组成，在实验过程中只能对整个岩心进行单次单相饱和，无法采用一套实验系统开展岩石自吸、负压饱和、正压饱和、两相饱和以及不同流体多次饱和的岩石-流体交互作用模拟实验，不具备系统性实验研究功能，给室内岩石-流体交互作用模拟实验研究带来了一定的局限性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种结构紧凑、能够开展岩石自吸、负压饱和、正压饱和、两相饱和、不同流体多次饱和模拟的岩石-流体交互作用模拟实验系统及方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种岩石-流体交互作用模拟实验系统，它包括岩心室、溶液进出管汇、气体进出管汇和抽真空管汇，所述岩心室包括罐体、设置于罐体的盖体、放置于盖体顶部的多个测重仪，所述罐体的内壁上设置有加热仪，罐体的外侧壁上设置有用于测量罐体内温度的温度计，温度计的输出端口与加热仪的输入端口经信号线连接，所述测重仪的底部固设有细线，细线向下贯穿盖体且伸入于罐体内，细线的底部悬挂有岩心；

所述溶液进出管汇包括进液管线和出液管线，所述进液管线包括气泵、手动阀a、封闭式溶液缸和进液阀，封闭式溶液缸的侧壁上设置有刻度尺，气泵的出气口处连接有手动阀a，手动阀a的末端从上往下伸入于封闭式溶液缸中，进液阀的一端从上贯穿盖体且伸入于罐体内，进液阀的另一端从上往下伸入于封闭式溶液缸中，所述出液管线包括顺次连接的压力表a和出液阀，压力表a的另一端贯穿盖体且伸入于罐体内；

所述气体进出管汇包括进气管线和出气管线，所述进气管线包括顺次连接的气瓶、增压泵和进气阀，进气阀的另一端贯穿盖体且伸入于罐体内，所述出气管线包括顺次连接的压力表b和出气阀，压力表b的另一端贯穿盖体且伸入于罐体内；

所述抽真空管汇包括顺次连接的真空泵、手动阀b、真空表和手动阀c，手动阀c的另一端贯穿盖体且伸入于罐体内。

所述进液阀的另一端连接有分流接头a，分流接头a的末端从上往下伸入于封闭式溶液缸中。

所述进气阀和增压泵之间设置有分流接头b。

所述实验系统模拟岩石-流体交互作用的方法，它包括以下步骤：

s1、实验材料的准备：向封闭式溶液缸中灌装溶液，溶液为人工配制的模拟地层水；准备用于实验的气瓶，气瓶内盛装气体的类型可根据设计的实验方案自行确定，气体类型为甲烷、二氧化碳或氮气；天然岩心或人造岩心；

s2、实验管路连接：实验前，检查岩心室、溶液进出管汇、气体进出管汇和抽真空管汇上的所有阀门是否都处于关闭状态，确认所有阀门关闭之后，将气瓶放置在合适位置后，将其出口与增压泵的入口端相连；

s3、利用该实验系统模拟以下之任意一项或多项实验：

岩石-流体正压饱和交互作用实验；

岩石-流体负压饱和交互作用实验；

岩石-流体两相饱和交互作用实验；

岩石-流体自吸交互作用实验；

不同流体多次饱和的岩石-流体交互作用实验；

所述模拟岩石-流体正压饱和交互作用实验，包括以下子步骤：

s41、将岩心悬挂于罐体内，并密封盖体；

s42、确定溶液的用量；

s43、将封闭式溶液缸内的溶液压入罐体内，随后关闭溶液进出管汇和抽真空管汇上的阀门；

s44、根据实验要求确定是否需要对罐体进行升温，如果需要则打开加热仪，待温度稳定后关闭出气阀，打开进气阀，并将气瓶中的气源和增压泵相连通；

s45、打开气瓶，调节增压泵，使罐体内的压力达到实验设定值，待压力稳定之后，关闭进气阀；

s46、实验时间到达后，打开进气阀并调节增压泵以降低罐体内压力，关闭加热仪，随后将气泵连接到出气阀接口处，打开气泵以将罐体内的溶液从出液阀处排出；

s47、拆卸掉罐体上的盖体，并取出岩心，结束实验；

所述岩石-流体负压饱和交互作用实验，包括以下子步骤：

s51、将岩心悬挂于罐体内，并密封盖体；

s52、确定溶液的用量；

s53、将封闭式溶液缸内的溶液压入罐体内，随后关闭溶液进出管汇上的阀门；

s54、根据实验要求确定是否需要对罐体进行升温，如果需要则打开加热仪以对罐体内溶液进行加热；

s55、通过温度计判断罐体内温度是否稳定，温度稳定后关闭进气阀和出气阀；

s56、启动真空泵，并打开手动阀b和手动阀c，真空泵对罐体未充液部分进行抽真空操作，当真空表上压力值达到设定的负压值后关闭手动阀b；

s57、当实验时间到达后，关闭真空泵，打开出气阀恢复罐体内压力，同时关闭加热仪，随后将气泵连接到出气阀接口处，打开气泵以将罐体内的溶液从出液阀处排出，拆卸掉罐体上的盖体，并取出岩心，结束实验；

所述岩石-流体两相饱和交互作用实验，包括以下子步骤：

s61、将岩心悬挂于罐体内，并密封盖体；

s62、将溶液压入罐体内直至溶液充满罐体，充满后关闭溶液进出管汇和抽真空管汇上的阀门；

s63、根据实验要求确定是否需要对罐体进行升温，如果需要则打开加热仪；

s64、通过温度计判断罐体内温度是否稳定，待温度稳定后打开进气阀，将气瓶中的气源和增压泵相连通；

s65、调节增压泵，使进入到罐体内的气体和罐体内原有的溶液相混合，并使罐体内的压力达到实验设定值，待压力稳定后关闭进气阀；

s66、当实验时间到达后，打开出液阀和出气阀以降低罐体内压力，同时关闭加热仪，随后将气泵连接到出气阀接口处，打开气泵以将罐体内的溶液从出液阀处排出；

s67、拆卸掉罐体上的盖体，并取出岩心，结束实验；

所述岩石-流体自吸交互作用实验，包括以下子步骤：

在模拟岩石-流体正压饱和交互作用实验、模拟岩石-流体负压饱和交互作用实验、模拟岩石-流体两相饱和交互作用实验的过程中，通过实时测量测重仪上的数据来反应岩石-流体自吸交互作用的情况；

所述不同流体多次饱和的岩石-流体交互作用实验，包括以下子步骤：

在模拟岩石-流体正压饱和交互作用实验和模拟岩石-流体负压饱和交互作用实验的基础上，增加以下步骤：在第一次模拟岩石-流体自吸交互作用实验后，首先排出罐体内的流体，然后关闭进气阀、出气阀、进液阀和出液阀；打开抽真空管汇上的所有阀门，启动真空泵以对罐体抽真空，抽真空结束后关闭真空泵；再次按照模拟岩石-流体正压饱和交互作用实验或者模拟岩石-流体负压饱和交互作用实验的操作步骤，对岩心进行第二次实验，直至实验结束。

本发明具有以下优点：本发明控制岩心浸泡深度，使用一套实验系统便可开展自吸、负压饱和、正压饱和、两相饱和以及不同流体多次饱和的岩石-流体交互作用模拟实验。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中，1-气瓶，2-增压泵，3-出气阀，4-进气阀，5-压力表b，6-罐体，7-加热仪，8-温度计，9-真空泵，10-测重仪，11-进液阀，12-出液阀，13-分流接头a，14-封闭式溶液缸，15-岩心，16-手动阀a，17-气泵，18-真空表，19-手动阀b，20-手动阀c，21-细线，22-分流接头b，23-盖体，24-压力表a。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1所示，一种岩石-流体交互作用模拟实验系统，它包括岩心室、溶液进出管汇、气体进出管汇和抽真空管汇，所述岩心室包括罐体6、设置于罐体6的盖体23、放置于盖体23顶部的多个测重仪10，所述罐体6的内壁上设置有加热仪7，罐体6的外侧壁上设置有用于测量罐体6内温度的温度计8，温度计8的输出端口与加热仪7的输入端口经信号线连接，所述测重仪10的底部固设有细线21，细线21向下贯穿盖体23且伸入于罐体6内，细线21的底部悬挂有岩心15。

如图1所示，所述溶液进出管汇包括进液管线和出液管线，所述进液管线包括气泵17、手动阀a16、封闭式溶液缸14和进液阀11，封闭式溶液缸14的侧壁上设置有刻度尺，气泵17的出气口处连接有手动阀a16，手动阀a16的末端从上往下伸入于封闭式溶液缸14中，进液阀11的一端从上贯穿盖体23且伸入于罐体6内，进液阀11的另一端从上往下伸入于封闭式溶液缸14中，所述出液管线包括顺次连接的压力表a24和出液阀12，压力表a24的另一端贯穿盖体23且伸入于罐体6内。

如图1所示，所述气体进出管汇包括进气管线和出气管线，所述进气管线包括顺次连接的气瓶1、增压泵2和进气阀4，进气阀4的另一端贯穿盖体23且伸入于罐体6内，所述出气管线包括顺次连接的压力表b5和出气阀3，压力表b5的另一端贯穿盖体23且伸入于罐体6内。

如图1所示，所述抽真空管汇包括顺次连接的真空泵9、手动阀b19、真空表18和手动阀c20，手动阀c20的另一端贯穿盖体23且伸入于罐体6内。所述进液阀11的另一端连接有分流接头a13，分流接头a13的末端从上往下伸入于封闭式溶液缸14中。所述进气阀4和增压泵2之间设置有分流接头b22。

所述实验系统模拟岩石-流体交互作用的方法，它包括以下步骤：

s1、实验材料的准备：向封闭式溶液缸14中灌装溶液，溶液为人工配制的模拟地层水；准备用于实验的气瓶1，气瓶1内盛装气体的类型可根据设计的实验方案自行确定，气体类型为甲烷、二氧化碳或氮气；天然岩心或人造岩心；

s2、实验管路连接：实验前，检查岩心室、溶液进出管汇、气体进出管汇和抽真空管汇上的所有阀门是否都处于关闭状态，确认所有阀门关闭之后，将气瓶1放置在合适位置后，将其出口与增压泵2的入口端相连；

s3、利用该实验系统模拟以下之任意一项或多项实验：

岩石-流体正压饱和交互作用实验；

岩石-流体负压饱和交互作用实验；

岩石-流体两相饱和交互作用实验；

岩石-流体自吸交互作用实验；

不同流体多次饱和的岩石-流体交互作用实验；

所述岩石-流体正压饱和交互作用实验，包括以下子步骤：

s41、将岩心15悬挂于罐体6内，并密封盖体23；

s42、确定溶液的用量；

s43、将封闭式溶液缸14内的溶液压入罐体6内，随后关闭溶液进出管汇和抽真空管汇上的阀门；

s44、根据实验要求确定是否需要对罐体6进行升温，如果需要则打开加热仪7，待温度稳定后关闭出气阀3，打开进气阀4，并将气瓶1中的气源和增压泵2相连通；

s45、打开气瓶1，调节增压泵2，使罐体6内的压力达到实验设定值，待压力稳定之后，关闭进气阀4；

s46、实验时间到达后，打开进气阀4并调节增压泵2以降低罐体6内压力，关闭加热仪7，随后将气泵17连接到出气阀3接口处，打开气泵17以将罐体6内的溶液从出液阀12处排出；

s47、拆卸掉罐体6上的盖体23，并取出岩心，结束实验。

模拟岩石-流体正压饱和交互作用实验的具体实施步骤为：

s41、选用2个半径×高为25mm×50mm的标准岩心作为实验样品，打开罐体6的盖体23并将2个岩心15悬挂在罐体6中，罐体6的半径×高为100mm×200mm，调整岩心15高度，使岩心15底面距罐体6底面的相对高度h为50mm，调整岩心15浸泡深度h为30mm，岩心15悬挂完毕之后，将盖体23密封于罐体6顶部；

s42、确定溶液的用量v:

v＝πr²(h+h)-nπr²h------------------------------(1)

式中：r为罐体半径，mm；r为岩心半径，mm；n为岩心个数；

将h、h、n、r的具体数值代入公式1中得到：

v＝π×100²(30+50)-2×π×12.5²×30＝2483.8cm³；

s43、打开出气阀3、进液阀11、手动阀a16和气泵17，气泵17对封闭式溶液缸14加压，封闭式溶液缸14内的溶液压入罐体6内，同时观察刻度，当读取到压入罐体6内的溶液体积v为2483.8cm³时立即关闭进液阀11和气泵17；

s44、打开加热仪7，使罐体6内温度升高，使温度升高到设定温度40℃后，通过温度计8判断罐体6内的温度是否为40℃恒定不变；

s45、待温度稳定后关闭出气阀3，并打开进气阀4；

s46、打开气瓶1并调节增压泵2，气瓶1内的气体在增压泵2的加压下经进气阀4进入罐体6内，使罐体6内的压力达到实验设定值10mpa，观察压力表b5上的压力是否恒定不变，待压力稳定之后，关闭进气阀4，从此时设定为实验开始时间；

s47、将岩石-流体正压饱和交互作用模拟实验时间设置为10小时，实验过程中，每间隔30min从测重仪10上记录一次岩心的重量；

s48、当实验时间到达后，打开进气阀4，然后通过增压泵2降低罐体6内压力，待压力下降至常压后，打开出气阀3和出液阀12，并关闭进气阀4和关闭加热仪7，随后将气泵17连接到出气阀3接口处，打开气泵17，气泵17将罐体6内的溶液从出液阀12排出到罐体6外部；

s49、待罐体6冷却至室温后，打开盖体23取出岩心15，并关闭所有阀门；

s40、对从出液阀12处排出的溶液进行元素和成分分析；对岩心进行孔隙度、渗透率、饱和度、力学性能等分析。

所述岩石-流体负压饱和交互作用实验，包括以下子步骤：

s51、将岩心15悬挂于罐体6内，并密封盖体23；

s52、确定溶液的用量；

s53、将溶液压入罐体6内，随后关闭溶液进出管汇上的阀门；

s54、根据实验要求确定是否需要对罐体6进行升温，如果需要则打开加热仪7以对罐体6内溶液进行加热；

s55、通过温度计8判断罐体6内温度是否稳定，温度稳定后关闭进气阀4和出气阀3；

s56、启动真空泵9，并打开手动阀b19和手动阀c20，真空泵9对罐体6未充液部分进行抽真空操作，当真空表18上压力值达到设定的负压值后关闭手动阀b19；

s57、当实验时间到达后，关闭真空泵9，打开出气阀3恢复罐体6内压力，同时关闭加热仪7，随后将气泵17连接到出气阀3接口处，打开气泵17，气泵17将罐体6内的溶液从出液阀12处排出，拆卸掉罐体6上的盖体23，并取出岩心，结束实验。

模拟岩石-流体负压饱和交互作用实验的具体实施步骤为：

s51、选用2个半径×高为25mm×50mm的标准岩心作为实验样品，打开罐体6的盖体23并将2个岩心15悬挂在罐体6中，罐体6的半径×高为100mm×200mm，调整岩心15高度，使岩心15底面距罐体6底面的相对高度h为50mm，调整岩心15浸泡深度h为30mm，岩心15悬挂完毕之后，将盖体23密封于罐体6顶部；

s52、确定溶液的用量v:

v＝πr²(h+h)-nπr²h--------------------------------(2)

式中：r为罐体半径，mm；r为岩心半径，mm；n为岩心个数；

将h、h、n、r的具体数值代入公式2中得到：

v＝π×100²(30+50)-2×π×12.5²×30＝2483.8cm³；

s53、打开出气阀3、进液阀11、手动阀a16和气泵17，气泵17对封闭式溶液缸14加压，封闭式溶液缸14内的溶液压入罐体6内，同时观察刻度，当读取到压入罐体6内的溶液体积v为2483.8cm³时立即关闭进液阀11和气泵17；

s54、打开加热仪7，使罐体6内温度升高，使温度升高到设定温度50℃后，通过温度计8判断罐体6内的温度是否为50℃恒定不变；

s55、待温度稳定后，关闭出气阀3并打开进气阀4；

s56、打开手动阀b19和手动阀c20，启动真空泵9，对罐体6中未充液部分进行抽真空操作，当压力值达到5000pa后关闭手动阀b19，并从此时设定实验开始时间；

s57、将岩石-流体负压饱和交互作用模拟实验时间设置为5小时，实验过程中，每间隔20min从测重仪10上记录一次岩心的重量；

s58、实验时间到达后，关闭真空泵9和加热仪7，打开出液阀12，并打开出气阀3以恢复罐体6内压力，随后将气泵17连接到出气阀3接口处，打开气泵17，气泵17将罐体6内的溶液从出液阀12处排出；

s59、待罐体6冷却至室温后，打开盖体23取出岩心15，并关闭所有阀门；

s50、对从出液阀12处排出的溶液进行元素和成分分析；对岩心进行孔隙度、渗透率、饱和度、力学性能等分析。

所述岩石-流体两相饱和交互作用实验，包括以下子步骤：

s61、将岩心15悬挂于罐体6内，并密封盖体23；

s62、将溶液压入罐体6内直至溶液充满罐体6，充满后关闭溶液进出管汇和抽真空管汇上的阀门；

s63、根据实验要求确定是否需要对罐体6进行升温，如果需要则打开加热仪7；

s64、通过温度计8判断罐体6内温度是否稳定，待温度稳定后打开进气阀4，将气瓶1中的气源和增压泵2相连通；

s65、调节增压泵2，使进入到罐体6内的气体和罐体6内原有的溶液相混合，并使罐体6内的压力达到实验设定值，待压力稳定后关闭进气阀4；

s66、当实验时间到达后，打开出液阀12和出气阀3以降低罐体6内压力，同时关闭加热仪，随后将气泵17连接到出气阀3接口处，打开气泵17，气泵17将罐体6内的溶液从出液阀12处排出；

s67、拆卸掉罐体6上的盖体23，并取出岩心，结束实验；

模拟岩石-流体两相饱和交互作用实验的具体实验步骤为：

s61、重复步骤s41～s45；

s62、打开气瓶1并调节增压泵2，气瓶1内的气体在增压泵2的加压下经进气阀4进入罐体6内，使气体和罐体6内的溶液相混合，并确保罐体6内的压力达到6mpa，观察压力表b5上的压力是否恒定不变，待压力稳定之后，关闭进气阀4，从此时设定为实验开始时间；

s63、将岩石-流体两相饱和交互作用模拟实验时间设置为5小时，实验过程中，每间隔20min从测重仪10上记录一次岩心重量；

s64、实验时间到达后，打开出液阀12和出气阀3以降低罐体6内压力，关闭加热仪7，随后将气泵17连接到出气阀3接口处，打开气泵17，气泵17将罐体6内的溶液从出液阀12处排出；

s65、待罐体6冷却至室温后，打开盖体23取出岩心15，并关闭所有阀门；

s66、对从出液阀12处排出的溶液进行元素和成分分析；对岩心进行孔隙度、渗透率、饱和度、力学性能等分析。

所述岩石-流体自吸交互作用实验，包括以下子步骤：

在模拟岩石-流体正压饱和交互作用实验、模拟岩石-流体负压饱和交互作用实验、模拟岩石-流体两相饱和交互作用实验的过程中，通过实时测量测重仪10上的数据来反应岩石-流体自吸交互作用的情况。

所述不同流体多次饱和的岩石-流体交互作用实验，包括以下子步骤：

在模拟岩石-流体正压饱和交互作用实验和模拟岩石-流体负压饱和交互作用实验的基础上，增加以下步骤：在第一次模拟岩石-流体自吸交互作用实验后，首先排出罐体6内的流体，然后关闭进气阀4、出气阀3、进液阀11和出液阀12；打开抽真空管汇上的所有阀门，启动真空泵9以对罐体6抽真空，抽真空结束后关闭真空泵9；再次按照模拟岩石-流体正压饱和交互作用实验或者模拟岩石-流体负压饱和交互作用实验的操作步骤，对岩心进行第二次实验，直至实验结束。

因此本系统能够进行模拟岩石-流体正压饱和交互作用实验、模拟岩石-流体负压饱和交互作用实验、模拟岩石-流体两相饱和交互作用实验、模拟岩石-流体自吸交互作用实验、模拟不同流体多次饱和的岩石-流体交互作用实验，克服了现有技术的不足，打破了现有技术的局限性，应用范围更广。