一种烃源岩热模拟生排烃实验系统及方法

技术领域

本发明涉及非常规油气勘探开发领域，具体涉及一种烃源岩热模拟生排烃实验系统及方法。

背景技术

生烃热模拟实验是烃源岩成烃潜力与资源评价的重要手段，可再现地质体中有机质热解演化过程，为评价盆地成烃潜力、过程与机理、推导成烃模式及动力学提供理论依据和实验资料。

通过热模拟实验来研究地质样品在一定的温度、压力条件下，所产生的烃类的数量和成分。生烃热模拟实验用到模拟仪器为生烃灶，常规的生烃灶存在以下几个方面的问题：首先，常规的生烃灶为单纯的电加热式生烃灶，该种生烃灶的热量由外向内传递给烃源岩，为了保证烃源岩热解温度的均匀，不能将生烃灶制作过大，常规生烃灶直径大概为30mm左右，小于常规全直径岩心尺寸，所以岩心需要粉碎至40-60目，粉碎过程破坏了岩心骨架与干酪根接触关系以及岩心的孔隙结构；其次，常规的生烃灶内部为常压环境，与真实烃源岩原位的压力环境严重不符，所以模拟实验结果不够准确。

发明内容

本发明的目的在于提供一种烃源岩热模拟生排烃实验系统及方法，以克服现有技术中存在的问题，本发明通过对烃源岩在不同温度、压力条件下进行加热，模拟油页岩地质条件下的生烃与排烃过程。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种烃源岩热模拟生排烃实验系统，包括用于夹持岩样的夹持器，所述夹持器上设置有若干跟踪加热瓦，所述夹持器的入口端连接有预热器，所述预热器的入口端通过流量监测装置连接至第一减压阀，所述第一减压阀的入口端连接有烃类气体供气装置以及空气和氮气联合供气装置，所述预热器上还连接有冷却装置，所述夹持器上还连接有用于增加夹持压力及泄压的增压泄压装置，所述夹持器的出口端依次设置有冷凝器、回压阀和气液分离罐，所述夹持器的出口端还连接有清洗装置，所述冷凝器和回压阀之间连接有抽真空装置，所述回压阀上连接有缓冲罐，缓冲罐下部连接有回压泵，所述气液分离罐的底部出口连接至收集池，顶部出口连接至收集罐，且收集罐顶部出口通过管路连接至烃类气体供气装置。

进一步地，所述烃类气体供气装置包括充有烃类气体的第一气瓶，第一气瓶的出口端依次连接有第一阀、第一单向阀、第一压力表、第一增压泵、第二单向阀、第二阀、第一高压储气罐、第二压力表及第四阀，第四阀的出口端与第一减压阀的入口端连接，第一压力表与第一增压泵之间连接有第一空压机，第一高压储气罐与第二压力表之间连接有第三阀；

所述收集罐顶部出口通过管路连接至第一阀和第一单向阀之间，且管路上依次设置有第三十一阀和第六单向阀。

进一步地，所述空气和氮气联合供气装置包括充有空气的第二气瓶和充有氮气的第三气瓶，所述第二气瓶的出口通过第五阀连接至第二单向阀，所述第三气瓶的出口通过第九阀连接至第二单向阀，第二单向阀的出口端依次连接有第二单向阀、第三压力表、第二增压泵和第四单向阀，所述第三压力表和第二增压泵之间连接有第二空压机，所述第四单向阀的出口端连接两条支路，其中一条支路包括依次连接的第六阀、第二高压储气罐、第四压力表和第八阀，第二高压储气罐和第四压力表之间连接有第七阀，另一条支路包括依次连接的第十阀、第三高压储罐、第五压力表和第十二阀，第三高压储罐和第五压力表之间连接有第十一阀，所述第八阀和第十二阀的出口端与第一减压阀的入口端相连。

进一步地，所述流量监测装置包括连接在第一减压阀出口端和预热器入口端之间的三条检测支路，第一条监测支路包括依次连接的第十三阀、第一流量计和第十四阀，第二条监测支路包括依次连接的第十五阀、第二流量计和第十六阀，第三条监测支路包括依次连接的第十七阀、第三流量计和第十八阀，所述第一流量计、第二流量计和第三流量计的量程不同。

进一步地，所述冷却装置包括充有CO

所述预热器的出口依次通过第五单向阀、第二温度计和第七压力表连接至夹持器的入口端。

进一步地，所述增压泄压装置包括高压空压机，所述高压空压机的出口端依次通过第二十四阀、第九压力表、第二储罐、第二减压阀、第二十三阀和第八压力表连接至夹持器的侧面，所述夹持器与第八压力表之间通过管线连接有第二十二阀。

进一步地，所述夹持器的出口端和冷凝器的入口端之间依次设置有第十压力表和第三温度计，所述清洗装置连接在夹持器的出口端和第十压力表之间，且清洗装置包括依次连接的第二十一阀和清洗泵；

所述抽真空装置包括依次连接在冷凝器和回压阀之间第二十五阀和真空泵。

进一步地，所述回压阀和缓冲罐之间设置有十一压力表，所述缓冲罐下部与回压泵之间设置有第二十七阀，且第十一压力表与缓冲罐之间连接第二十六阀；

所述回压阀和气液分离罐之间设置有第十二压力表，所述气液分离罐的底部出口与收集池之间设置有第二十八阀，且气液分离罐的侧面设置有摄像机；

所述气液分离罐顶部出口与收集罐之间依次连接有第四温度计、气量计和第三十阀，且气量计和第三十阀之间设置有第二十九阀，所述收集罐上设置有第十三压力表。

进一步地，所述夹持器采用铜套密封岩心，铜套内部安装有岩心夹持系统，所述岩心夹持系统通过增压泄压装置对岩心施加环压及泄压，所述跟踪加热瓦设置在铜套内侧，用于加热岩心并利用加热瓦自带温度传感器测量岩心表面温度。

一种烃源岩热模拟生排烃实验方法，包括以下步骤：

步骤一：检查系统气密性；

步骤二：将岩样装填至夹持器，并抽真空，以排空实验系统和管线内部空气；

步骤三：通过增压泄压装置为夹持器加环压；

步骤四：通过回压泵及回压阀设定回压压力；

步骤五：通过烃类气体供气装置或空气和氮气联合供气装置向夹持器中单独或混合通入加压气体，模拟生、排烃过程；

步骤六：实验进行过程中产生的气体和液体烃类混合物经过气液分离罐分离后，液体烃类混合物通过收集池收集并且计量，气体烃类通过收集罐收集，通过气量计计量；

步骤七：收集罐收集的烃类气体回注至系统中；

步骤八：实验结束后，将系统内压力降低至标准大气压；

步骤九：通过冷却装置为预热器降温；

步骤十：改变实验温度、压力、岩石样品条件，同理开展其他实验条件下实验；

步骤十一：完成实验后，打开清洗装置，清洗整个系统及管线。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明是封闭系统下的烃源岩生烃热模拟，是基于直接将压力施加于烃源岩岩心，研究不同类型烃源岩在不同温度、压力条件下生烃能力和排烃能力的实验设备，可以实时测定记录样品各位置温度，实时记录进出口流体的温度、压力、流量和总量等数据，对产出的油气进行收集并分别计量，同时可以依据达西定律计算出岩心的渗透率，本发明在岩心夹持器内设若干跟踪加热瓦，每块跟踪加热瓦自带若干温度传感器，测量岩心夹持器内的岩心表面温度，并且具备将裂解气回注的功能，也可使气体完全收集以备再次注入地层。

进一步地，预热器用于预热注入气体，气体温度控制范围为室温至700℃，控温精度达到1℃。

进一步地，清洗泵将清洗溶剂通入试验系统中，使试验系统内的残留有机物溶解，达到清洁的目的。

进一步地，第二储罐中的气体为惰性气体，惰性气体具有良好的气体保温性能，且不与夹持器的其他部件发生反应，不会腐蚀设备部件。

进一步地，真空泵用于将系统中抽真空，防止受到空气的干扰，影响实验结果的准确性。

附图说明

图1为本发明烃源岩热模拟生排烃实验系统结构图。

其中，1第一气瓶，2第一阀，3第一单向阀，4第一空压机，5第一压力表，6第一增压泵，7第二单向阀，8第二阀，9第一高压储气罐，10第三阀，11第二压力表，12第四阀，13第二气瓶，14第五阀，15第二单向阀，16第三压力表，17第二增压泵，18第四单向阀，19第六阀，20第二高压储气罐，21第七阀，22第四压力表，23第八阀，24第三气瓶，25第九阀，26第二空压机，27第十阀，28第十一阀，29第五压力表，30第十二阀，31第三高压储气罐，32第一减压阀，33第十三阀，34第一流量计，35第十四阀，36第十五阀，37第二流量计，38第十六阀，39第十七阀，40第三流量计，41第十八阀，42第四气瓶，43第一储罐，44第一温度计，45第六压力表，46第十九阀，47恒速恒压泵，48第二十阀，49预热器，50第五单向阀，51第二温度计，52第七压力表，53夹持器，54清洗泵，55第二十一阀，56第二十二阀，57第八压力表，58第二十三阀，59第二减压阀，60第二储罐，61第九压力表，62第二十四阀，63高压空压机，64第十压力表，65第三温度计，66冷凝器，67第二十五阀，68真空泵，69回压阀，70第十一压力表，71第二十六阀，72缓冲罐，73第二十七阀，74回压泵，75第十二压力表，76第四温度计，77气液分离罐，78摄像机，79第二十八阀，80收集池，81气量计，82第二十九阀，83第三十阀，84收集罐，85第十三压力表，86第三十一阀，87第六单向阀。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1所示，所述实验系统中，通过管线将第一气瓶1、第一阀2、第一单向阀3、第一压力表5、第一增压泵6、第二单向阀7、第二阀8、第一高压储气罐9、第二压力表11、第四阀12与第一减压阀32入口依次连接；第一空压机4通过管线连接第一压力表5与第一增压泵6之间；第三阀10连接在第一高压储气罐9与第二压力表11之间。

所述实验系统中，如图所示，通过管线将第二气瓶13、第五阀14、第九阀25、第三气瓶24依次相连；第二空压机26接在第三压力表16、第二增压泵17之间；在第五阀14、第九阀25之间依次连接第二单向阀15、第三压力表16、第二增压泵17、第四单向阀18后分为两个支路：

第一支路：通过管线将第六阀19、第二高压储气罐20、第四压力表22、第八阀23与第一减压阀32入口相连。第七阀21通过管线接在第二高压储气罐20、第四压力表22之间。

第二支路：通过管线将第十阀27、第三高压储罐31、第五压力表29、第十二阀30、第一减压阀32入口依次相连。第十一阀28通过管线接在第三高压储气罐31、第五压力表29之间。

减压阀32的出口分为三条支路：

第一条支路中通过管线将第十三阀33、第一流量计34、第十四阀35、预热器49入口相连；

第二条支路中通过管线将第十五阀36、第二流量计37、第十六阀38、预热器49入口相连；

第三条支路中通过管线将第十七阀39、第三流量计40、第十八阀41、预热器49入口相连；

上述三条之路汇合后与预热器49入口相连。

所述实验系统中，通过管线将第四气瓶42、第一储罐43、第一温度计44、第六压力表45、第十九阀46、恒速恒压泵47、第二十阀48、预热器49冷却口依次相连。

所述实验系统中，通过管线将预热器49出口、第五单向阀50、第二温度计51、第七压力表52、夹持器53依次相连。

所述实验系统中，通过管线将夹持器53环压口与第八压力表57、第二十三阀58、第二减压阀59、第二储罐60、第九压力表61、第二十四阀62、高压空压机63依次相连。在夹持器53与第八压力表57之间通过管线连接第二十二阀56。

所述实验系统中，通过管线将夹持器53、第十压力表64、第三温度计65、冷凝器66、回压阀69、第十二压力表75、气液分离罐77入口依次相连。

气液分离罐77出口通过管线与第四温度计76、气量计81、第三十阀83、收集罐84依次相连，气量计81和第三十阀83之间设置有第二十九阀82。

如图所示，在夹持器53与第十压力表64中间，通过管线将第二十一阀55、清洗泵54相连。

如图所示，在冷凝器66与回压阀69之间，通过管线将第二十五阀67、真空泵68相连。

如图所示，回压阀69底部与第十一压力表70、缓冲罐72、第二十七阀73、回压泵74依次相连。在第十一压力表70与缓冲罐72之间连接第二十六阀71。

如图所示，气液分离罐77底部与第二十八阀79、收集池80相连。摄像机78放置于气液分离罐77旁边。

如图所示，收集罐84、第三十一阀86、第六单向阀87连接至第一阀2与第一单向阀3之间。收集罐84上面设计有第十三压力表85。

所述第一气瓶1内充入足量的烃类气体，第一增压泵6将烃类气体增压，通过第一高压储气罐9储存高压气体。第一压力表5监测气瓶出气的压力，第二压力表11监测增压后的压力，当试验结束后第三阀10作为放空阀使用。

所述第二气瓶13内充入足量的空气，第三气瓶24内充入足量的氮气。第三压力表16监测两个气瓶出气压力，第二增压泵17将气体增压。第四压力表22监测空气增压后的压力，第五压力表29监测氮气增压后的压力。当实验结束后第七阀21、第十一阀28作为放空阀使用。

本实验系统也可同时进行三种气体混合实验，将第一气瓶1、第二气瓶13、第三气瓶24，三个气瓶都打开增压后，将气体混合通入预热器49中。

所述三个流量监测器支路中，第一流量计34为小量程流量计，第二流量计37为中量程流量计，第三流量计40为大量程流量计，根据实验需要灵活选择使用。

所述第四气瓶42内充入足量CO

所述预热器49用于预热注入气体，推荐气体温度控制范围为室温至700℃，控温精度达到1℃。

所述夹持器53为岩心夹持器，采用铜套密封岩心，内部安装岩心夹持系统，给岩心施加环压，外部带夹套冷却，承压大于20MPa。在铜套内侧安装跟踪加热瓦，跟踪加热瓦内部设有多个温度传感器。跟踪加热瓦可直接对岩心加热并通过该温度传感器监测岩心表面温度，夹持器中追踪加热瓦数量依据实验设定。岩心端面钻孔后，在不同深度位置放置热电偶后填实，用于监测岩心内部的温度，热电偶的数量应不少于5个。所用岩样可以为颗粒、粉末、或者柱状岩心，岩心尺寸可以灵活设计。

打开第二十一阀55和清洗泵54，可以将清洗溶剂通入试验系统中，使试验系统内的残留有机物溶解，达到清洁的目的。

所述高压空压机63将第二储罐60中的气体加压，通过第二减压阀59减压到符合实验要求的压力，通入夹持器53中，为夹持器53提供环压。所述第二储罐60内部储存足量的惰性气体，一般推荐使用氩气，将第二储罐60中的氩气增压通入夹持器53中，为夹持器提供环压。根据实验方案需要，环压加压到实验目标压力。氩气是惰性气体，在环压中作为环压传递介质，惰性气体具有良好的气体保温性能，且不与夹持器的其他部件发生反应，不会腐蚀设备部件。

所述第八压力表57为环压表，第二十二阀56为放空阀。

所述第十压力表64、第三温度计65监测夹持器53出口介质温度、压力。

所述真空泵68用于将系统中抽真空，防止受到空气的干扰，影响实验的准确性。

所述缓冲罐72为活塞式缓冲罐，通过回压泵74设定回压压力，使满足实验需要的压力流体通过回压阀69。缓冲罐72起到抽真空的时候，防止液体倒吸损坏设备，以及缓冲稳定压力的作用。

所述气液分离罐77具有水浴功能，高温流体通过夹持器53后，通过气液分离罐为油气降温，使其分离，烃类液体混合物通过第二十八阀79取样，收集在收集池80中并计量。烃类气体混合物通过气量计81、第三十阀83进入收集罐84中收集储存。摄像机78拍摄油气分离器中的实验现象。所述收集池80可以收集并且计量的烃类液体混合物。

所述第二十九阀82用于控制取样口开关。气体收集于收集罐84中。第十三压力表85用于监测收集罐内压力，收集后的烃类气体混合物通过第三十一阀86、第六单向阀87回注到系统内部。

本发明具体实施方式介绍如下：

(1)检查气密性：如图1，将系统连接完毕，清洗好设备后，检查该系统各部件，关闭好所有阀门，检查装置气密性。

(2)装样抽真空：将岩样装填至岩心夹持器，打开第一减压阀32、第十三阀33、第十四阀35、第十五阀36、第十六阀38、第十七阀39、第十八阀41、第二十五阀67、真空泵68、回压阀69、第三十阀83、第三十一阀86，排空实验系统和管线内部空气，从而排出空气对实验的干扰，为实验做好准备。抽真空后将上述阀门关闭。所用岩样可以为颗粒、粉末、或者柱状岩心，岩心尺寸可以灵活设计。

(3)加环压：打开高压空压机63、第二十四阀62、第二储罐60、第二减压阀59、第二十三阀58为夹持器加环压。

(4)加回压：打开回压泵74、第二十七阀73、缓冲罐72、回压阀69设定好回压压力。

(5)气体注入：打开第一气瓶1、第一阀2、第一单向阀3、第一空压机4、第一增压泵6、第二单向阀7、第二阀8、第一高压储气罐9、第四阀12、第一减压阀32、根据实验情况打开流量计支路。将加压后的气体通入预热器49中。气体进入夹持器53中，模拟生、排烃过程。

(6)分离收集气体：实验进行过程中产生的油气混合气体，通过回压阀69进入气液分离罐77中，冷却降温的油气混合气体，油通过底部第二十八阀79取样，收集于收集池80中。气体通过气量计81计量气体体积，可在第二十九阀82处取样，收集于收集罐84中。所述收集池80可以收集并且计量液体烃类混合物。

(7)烃类气体混合物回注：收集后的烃类气体通过第三十一阀86、第六单向阀87回注到系统内。

(8)排空压力：试验结束后，打开第三阀10、第七阀21、第十一阀28、第二十二阀56、第二十六阀71将装置内的压力降低至标准大气压。

(9)预热器49降温：打开第四气瓶42、第一储罐43、第十九阀46、恒速恒压泵47、第二十阀48通过冷却后的CO

(10)改变气体种类继续试验：本装置共设有三种不同类型气体，当更换气体是重复上述所有操作。需要注入混合气体时，需要同时打开第一气瓶1、第一阀2、第一单向阀3、第一空压机4、第一增压泵6、第二单向阀7、第二阀8、第一高压储气罐9、第四阀12、第二气瓶13、第五阀14、第三气瓶24、第九阀25、第二单向阀15、第二空压机26、第二增压泵17、第四单向阀18、第六阀19、第二高压储气罐20、第八阀23、第十阀27、第三高压储气罐31、第十二阀30、减压阀32、根据实验情况打开流量计支路，同时向夹持器中供气。

(11)改变条件继续实验：改变实验温度、压力、岩石样品条件，同理开展其他实验条件下实验。

(12)清洗设备：完成实验后，打开清洗泵54，第二十一阀55，清洗整个装置及管线。

本发明能够实现烃源岩样品在高压条件下(围压+轴压)，采用高温高压气体作为加热介质，对烃源岩进行加热裂解。本实验系统可以实时测定记录样品各位置温度，记录夹持器进出口流体的温度、压力、流量、总量等数据，对于产出的油气及时收集并且分别计量。本实验系统可以测定岩心渗透率，岩心夹持器中外加若干加热瓦，每块加热瓦内设有若干温度传感器，传感器用于检测岩心表面温度。本发明同时可以将收集罐84收集的裂解气依次经过第三十一阀86、第六单向阀87回注。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。