一种烃源岩自生热模拟实验系统及方法

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自生热模拟实验系统及方法。

背景技术

生烃热模拟实验主要依据干酪根热降解成烃原理和有机质热演化的时间-温度补偿原理。在实验室中通过短时间的高温高压条件下热解生烃模拟从而实现地质过程的低温、长时间有机质演化过程。实验模拟对于分析沉积盆地成烃模式、生烃潜力及资源量评估具有重要意义。

烃源岩生烃热模拟实验装置分为开放体系、半封闭体系和封闭体系三种。

开放体系热模拟实验在开放条件下进行，有机质热解后，采用流动载气从热反应区将烃类物质排出来，然后采用分析化验装置进行检测。开放体系有机质热演化生烃产物直接进入检测系统检测，无需气体收集装置，这种实验方法能够较好反应热解温度与烃类产物组成的关系，分析速度较快，实验成本较低。

半封闭体系热模拟实验装置有热解系统和产物收集系统构成，有机质在热解系统发生热演化生烃，大量烃类物质生成使得体积膨胀排出，自吹扫装置将排出的烃类物质收集，然后烃类物质的组成进行分析，以确定热模拟温度与热演化产物的关系。这种实验方法适用于恒温或单点热解模拟，不能进行连续的生烃热模拟。

封闭体系热模拟实验装置的分析系统通常直接与收集系统连接，烃源岩热演化产物经富集后，直接进入分析系统进行分析，能够有效地减少烃源岩热演化产物的损失。封闭体系能够分析模拟烃源岩生烃过程中压力、温度、水及矿物质对生烃热演化的影响，并且可以分析烃源岩热演化生烃最大生气量。但在封闭条件下，生成的液态产物不能及时排出，在封闭高压高温条件下，液态产物会再次发生裂解。

发明内容

本发明的目的在于提供一种烃源岩自生热模拟实验系统及方法，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，模拟烃源岩地质条件下生烃与排烃过程，在油气生成理论研究和油气资源评价方面具有非常重要的作用。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种烃源岩自生热模拟实验系统，包括用于夹持岩心的夹持器，所述夹持器的入口端连接有超高压预热器和溶剂冲洗装置，所述超高压预热器的入口端连接有氮气进气装置、甲烷进气装置和CO

进一步地，所述氮气进气装置包括第一气瓶，第一气瓶的出口依次通过第一气体增压泵、第一调压器、第一压力表、第一流量计和第一阀连接至超高压预热器的入口端，且第一气体增压泵上连接有第一空压机；

所述甲烷进气装置包括第二气瓶，第二气瓶的出口依次通过第二气体增压泵、第二调压器、第二压力表、第二流量计和第二阀连接至超高压预热器的入口端，且第二气体增压泵上连接有第二空压机；

所述CO

进一步地，所述溶剂冲洗装置包括溶剂罐，溶剂罐的入口端通过第四阀连接至柱塞泵，溶剂罐的出口端通过第五阀连接至夹持器的入口端。

进一步地，所述增压泄压装置包括用于存储惰性气体的第四气瓶，第四气瓶的出口依次通过第四空气增压泵、第四调压器、第五压力表和第八阀与夹持器侧面相连，且第四空气增压泵上连接有第四空压机，第四调压器和第五压力表之间设有背压阀和第七阀。

进一步地，所述超高压预热器的出口端和夹持器的入口端之间依次连接有第六阀、第四压力表和第一温度计，且夹持器中设置有若干用于实时测试岩心温度的测温探头。

进一步地，所述过滤器的出口端与排气阀之间依次设置有第六压力表和第二温度计，第二温度计和排气阀之间设置有两条支路，其中一条支路上依次设置有第九阀和第五流量计，另一条支路上依次设置有第十阀和第六流量计，所述回压阀与排烃泵之间依次设置有第十一阀和第七压力表。

进一步地，所述回压阀的出口端与缓冲罐之间设置有第十二阀，所述缓冲罐上部连接有真空泵和真空表。

进一步地，所述回压阀的出口端和气液分离罐之间设置有第十三阀，气液分离罐的底部与收集罐之间设置有第十四阀，气液分离罐上部连接有第八压力表和第三温度计，所述气液分离罐的顶部出口和气体收集泵之间设置有第十六阀，所述放空及取样支路上设置有第十五阀。

进一步地，所述气体净化器和取样袋之间依次连接有第九压力表、第四温度计、第十七阀、气量计和第十八阀，且第四温度计和第十七阀之间设计有安全阀。

一种烃源岩自生热模拟实验方法，包括以下步骤：

步骤一：检查系统气密性；

步骤二：将岩心装夹在夹持器上，并抽真空，以排空实验系统和管线内部空气；

步骤三：设定排烃压力至实验目标压力；

步骤四：通过氮气进气装置、甲烷进气装置和CO

步骤五：将超高压预热器中加压预热后的气体通入夹持器中，并对夹持器中的岩样加热，使岩心生烃、排烃；

步骤六：从压差传感器中读取压差数据，从而依据达西定律计算岩心渗透率，排烃流体进入气液分离罐中；

步骤七：高温流体经过气液分离罐冷却后，将重烃类有机质液化收集在气液分离罐内部，烃类气体通过气体收集泵收集并经气体净化器净化后，通过取样袋进行收集，并且在收集过程中可计量气体体积；

步骤八：完成实验后，通过将增压泄压装置系统中的流体排除，使得压力降至常压，通过溶剂冲洗装置将溶剂注入到夹持器内部，通过冲洗的方式将有机物溶解出来。

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，将压力直接施加于烃源岩岩心，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。该试验系统具有一次性排烃、边生边排等多种排烃方式，实现在排烃过程中补充流体。实现烃源岩样品在高压条件下，利用高温高压气体作为加热介质，对烃源岩进行加热的裂解实验，并实时测定记录样品各位置温度，进出口流体的温度、压力、流量和总量等数据，对产出的油气收集并分别计量，依据达西定律测定岩心渗透率，这一技术在油气生成理论研究和油气资源评价方面具有非常重要的作用。

进一步地，超高压预热器直接对流经的气体进行加热，加热效率高，它的内部采用多路控温技术，极大提高控温精度，可以做到传输到实验模型入口处温度保持不变。

进一步地，柱塞泵将水通过管线注入到溶剂罐内底部，清洗设备时，可以通过活塞将溶剂罐顶部的溶剂通过管线注入系统中，用于溶解清洗装置内残留的有机质。

进一步地，夹持器在满足高温高压实验性能的基础上增加了环压接口，可以满足岩心样品在高环压的条件下实验，夹持器内部有长短不一的测温探头可以实时测定岩心温度，测温探头传感器的数量依据实验设定。

进一步地，第四气瓶内部储存足量的惰性气体，将第四气瓶中的惰性气体增压通入夹持器中，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。惰性气体在环压中作为环压传递介质，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，第十二阀作为缓冲阀，缓冲罐起到抽真空的时候，防止液体倒吸损坏设备，以及缓冲稳定压力的作用。

进一步地，气液分离罐对内部流体具有冷却降温功能，高温流体通过岩心出夹持器后，使用低温冷却流体，并且将重烃类有机质液化收集在内部，轻烃、烃类气体经过低温冷却流体后被后端收集器收集。

附图说明

图1为本发明烃源岩自生热模拟实验系统结构图。

其中，1第一空压机；2第一气瓶；3第一气体增压泵；4第一调压器；5第一压力表；6第一流量计；7第一阀；8第二空压机；9第二气瓶；10第二气体增压泵；11第二调压器；12第二压力表；13第二流量计；14第二阀；15第三空压机；16第三气瓶；17第三气体增压泵；18第三调压器；19第三压力表；20第三流量计；21第三阀；22柱塞泵；23第四阀；24溶剂罐；25第五阀；26超高压预热器；27第六阀；28第四压力表；29第一温度计；30压差传感器；31夹持器；32第四气瓶；33第四空压机；34第四气体增压泵；35第四调压器；36背压阀；37第七阀；38第五压力表；39第八阀；40过滤器；41第六压力表；42第二温度计；43第九阀；44第五流量计；45第十阀；46第六流量计；47排出阀；48回压阀；49第十一阀；50第七压力表；51排烃泵；52第十二阀；53真空泵；54真空表；55缓冲罐；56第十三阀；57气液分离罐；58第十四阀；59收集罐；60第十五阀；61第十六阀；62第八压力表；63第三温度计；64气体收集泵；65电机；66气体净化器；67第九压力表；68第四温度计；69安全阀；70第十七阀；71气量计；72第十八阀；73取样袋。

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。

一种烃源岩自生热模拟实验系统，本实验系统根据实验需要，考虑到利用氮气、甲烷、CO

如图1所示，通过管线将第一气瓶2、第一气体增压泵3、第一调压器4、第一压力表5、第一流量计6、第一阀7与超高压预热器26入口依次相连。

第一空压机1与第一气体增压泵3侧面相连，为第一空压机1提供动力。

通过管线将第二气瓶9、第二气体增压泵10、第二调压器11、第二压力表12、第二流量计13、第二阀14与超高压预热器26入口依次相连。第二空压机8与第二气体增压泵10侧面相连，为第二气体增压泵10提供动力。

通过管线将第三气瓶16、第三气体增压泵17、第三调压器18、第三压力表19、第三流量计20、第三阀21与超高压预热器26入口依次相连。第三空压机15与第三气体增压泵17侧面相连，第三气体增压泵17提供动力。

通过管线将超高压预热器26出口与第六阀27、第四压力表28、第一温度计29、夹持器31入口依次相连。所述第四压力表28、第一温度计29用于监测增温、增压后进入夹持器31的气体的温度、压力。

通过管线将柱塞泵22、第四阀23、溶剂罐24、第五阀25依次与夹持器31入口相连接。

所述夹持器31的出入口两端设计有压差传感器30。

通过管线将第四气瓶32、第四空气增压泵34、第四调压器35、第五压力表38、第八阀39与夹持器31侧面相连。第四空气增压泵34侧面与第四空压机33通过管线相连。在第四调压器35、第五压力表38中间设有背压阀36和第七阀37。

通过管线将夹持器31出口与过滤器40、第六压力表41、第二温度计42依次相连，然后分三条之路：

第一条支路：将第九阀43、第五流量计44通过管线依次相连。

第二条支路：将第十阀45、第六流量计46通过管线依次相连。

第三条支路：将排出阀47、回压阀48相连接。

回压阀48侧面、第十一阀49、第七压力表50、排烃泵51通过管线依次相连。

回压阀48出口分两条支路：

第一条支路：通过管线将第十二阀52、缓冲罐55上部相连，缓冲罐55上部连接有真空泵53和真空表54。

第二条支路：通过管线将第十三阀56、气液分离罐57入口、第十四阀58、收集罐59依次相连。

气液分离罐57顶部设有第八压力表62、第三温度计63，气液分离罐57顶部设有2个出口，第一出口通过管线经第十五阀60连接至放空及取样支路。第二出口通过管线经第十六阀61与气体收集泵64入口相连。

气体收集泵64底部通过电线与电机65相连，电机65为气体收集泵64提供动力。

气体收集泵64出口通过管线与气体净化器66、第九压力表67、第四温度计68、第十七阀70、气量计71、第十八阀72、取样袋73依次相连；第四温度计68和第十七阀70之间设计有安全阀69。

所述第一气瓶2内部储存足量的氮气，第一气体增压泵3将氮气增压，通过第一调压器4调压到实验所需压力，第一流量计6可实时监测并控制氮气的流量。第二气瓶9内部储存足量的甲烷气体，第二气体增压泵10将甲烷气体增压，通过第二调压器11调压到实验所需压力，第二流量计13可实时监测并控制甲烷的流量。第三气瓶16内部储存足量的CO

所述超高压预热器26，采用小直径不锈钢管为主管路的热交换器和新型电加热单元，直接对流经的气体进行加热，加热效率高，它的内部采用多路控温技术，极大提高控温精度，可以做到从蒸汽发生器出口，传输到实验模型入口处温度保持不变，它还具有超温超压报警及继电保护系统，使用安全。

所述溶剂罐24为活塞容器，顶部盖子可以打开装有清洗用的溶剂。柱塞泵22将水通过管线注入到溶剂罐24内底部，清洗设备时，可以通过活塞将溶剂罐24顶部的溶剂通过管线注入系统中，用于溶解清洗装置内残留的有机质。

所述夹持器31使用具有良好延展性并且耐高温高压的材料作为环压密封套筒介质，一般可以选择紫铜材料，可以耐高温，并且具有良好的延展性，能够很好的包裹岩心。夹持器31在满足高温高压实验性能的基础上增加了环压接口，可以满足岩心样品在高环压的条件下实验。夹持器31内部有长短不一的测温探头可以实时测定岩心温度，传感器的数量依据实验设定。自生热模拟实验装置的密封系统是整个仪器设计研制过程中需要解决的重点，高温高压反应系统能否正常运行很大程度上取决于密封方式和材料的选择。夹持器31出、入口采用轴向自紧静密封，环压口采用半自紧动密封。

所述第四气瓶32内部储存足量的惰性气体，一般推荐使用氩气，将第四气瓶32中的氩气增压通入夹持器31中，为夹持器31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31的其他部件发生反应，不会腐蚀设备部件。

所述第五流量计44和第六流量计46区别在于量程不同，在实验过程中依据实验需要，在保证计量精度的情况下灵活选择。通过夹持器31两端的压差传感器30，获得压差数据，再依据达西定律，通过流量计的数据计算渗透率。

所述排出阀47可以灵活控制开关，实现一次性排烃，边生边排等多种排烃方式。

所述排烃泵50调节回压阀48，设置排烃压力后，达到排烃压力的流体才会通过排出阀47进入回压阀48中。第七压力表50用来监测排烃压力。

所述第十二阀52为缓冲阀，所述缓冲罐55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57对内部流体具有冷却降温功能，高温流体通过岩心出夹持器后，使用低温冷却流体，并且将重烃类有机质液化收集在内部，轻烃、烃类气体经过低温冷却流体后被后端收集器收集。与第十五阀60连接的管线伸入罐内一半深度，具体可以根据实验目的需要灵活设计，用来对烃类气体取样；与第十六阀61连接的管线连接到伸入罐顶部，用来收集实验产生的烃类气体。第八压力表62、第三温度计63分别用来测量气液分离罐57内部的压力和温度。

所述气液分离罐57输出气体经过冷凝后进入到气体收集泵64中，气体收集泵64通过压力传感器来感知进入收集器内的气体的量，一旦进入收集器内的气体压力大于设定压力时，电机65会驱动活塞回退，将压力降到设定的压力以下。计量气体的量通过标定的容积、压力传感器的数值结合实时的温度计算出产物气体的量。

所述第九压力表67、第四温度表68监测进入取样袋73的气体温度和压力。

所述气量计71可以计量通过气体收集泵流出的混合气体的流量，得出该实验条件下生产的该类气体流量。

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。将岩心装填至岩心夹持器，打开第六阀27、排出阀47、第十二阀52、第十三阀56、第十四阀58、第十五阀60、第十六阀61、第十七阀70、第十八阀72、真空泵53，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。

(3)设定排烃压力。打开第四空压机33、第四气瓶32、第四气体增压泵34、第四调压器35、第八阀39，使夹持器31产生环压到实验目标压力。打开排出阀47、回压阀48、排烃泵51、第十一阀49设定排烃压力到实验目标压力。

(4)注入气体并加热。打开第一空压机1、第一气瓶2、第一气体增压泵3、第一调压阀4、第一流量控制器6、第一阀7，向超高压预热器26中供气。

(5)模拟生、排烃。打开第六阀27，将超高压预热器26中加压预热后的气体通入夹持器31中，并对夹持器31中的岩样加热，促使夹持器31中的岩心生烃、排烃。通过夹持器31中的温度感应探头可以实时测定记录样品各位置温度。

(6)测量。打开第九阀43、第十阀45测定流体流量，从压差传感器30中读取压差数据，从而依据达西定律计算岩心渗透率。排出的烃经过排出阀47进入回压阀48中，打开第十三阀56，关闭第十二阀52，使排烃流体进入气液分离罐57中。

(7)收集流体。通过气体收集泵64收集气体，收集烃类气体时，先打开第十六阀61、第十七阀70、第十八阀72，使得气体通过气体收集泵64进入气体净化器66，净化后的气体通过第十七阀70、气量计71、第十八阀72后进行收集。关闭第十六阀60、第十七阀70、第十八阀72。高温流体经过气液分离罐57冷却后，将重烃类有机物液化收集在气液分离罐57内部，并且计量烃类液体混合物体积，烃类气体通过上述取样袋73进行收集，并且在收集过程中，通过气量计71可计量烃类气体混合物体积。

(8)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，需要同时打开第一空压机1、第一气瓶2、第二空压机7、第二气瓶9、第三空压机13、第三气瓶16，同时向夹持器中供气。

(9)改变实验条件，同理开展其它实验条件下后续实验。

(10)清洗设备。完成实验后，打开背压阀36、第七阀37、第八阀39，将装置中的流体排除，使得压力降至常压，打开柱塞泵22、第四阀23、第五阀25，将溶剂注入到夹持器内部，通过冲洗的方式将有机物溶解出来。

本发明通过对烃源岩在不同温度、压力条件下进行加热，模拟烃源岩地质条件下生烃与排烃过程，这一技术在油气生成理论研究和油气资源评价方面具有非常重要的作用。本发明能够实现烃源岩样品在高压条件下，采用高温高压气体作为加热介质，对烃源岩进行加热的裂解实验。本发明可以实时测定记录样品各位置的温度，记录进出口流体的温度、压力、流量和总量等数据。本发明可将收集产出的烃类液体和气体混合物(模拟生成油气)分别计量，并且能够测量岩心渗透率的功能。

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。