一种天然气成藏模拟装置和天然气成藏模拟方法

技术领域

本发明涉及油气田开发技术领域，特别涉及一种天然气成藏模拟装置和天然气成藏模拟方法。

背景技术

在天然气生成以及运移至储集层的过程中，伴随着天然气的进入与地层水的流出，以形成天然气藏。岩层经过沉积、溶蚀、埋藏、构造等复杂地质作用，储集层深埋地下并发育储集空间，在地层温度、压力条件下，天然气在成藏动力驱动下克服岩石毛细管力、粘滞力、重力等阻力向储集层运移，并经过漫长的地质历史时期形成天然气圈闭。在天然气运聚成藏过程中，大量的地层水被束缚在储层孔隙内，占据部分孔隙空间，成为天然气开发时的渗流阻力来源。因此，认识天然气运聚成藏过程中地层水在储层孔隙中的微观分布状态，对于成藏机理研究、油气田开发方案制定具有重要意义。

目前关于油气成藏模拟的实验方法主要集中在模型可视化及地质构造仿真，再现油气运聚成藏的地质过程，为科学普及提供演示手段，但其并不关注成藏过程中的气水运移与赋存状态。也有采用微观可视化模型进行气驱水实验，定性地展示了气驱水过程中的气水流动与赋存状态，但受限于模型的耐温耐压性能，无法体现地层条件下的天然气运聚成藏过程与微观机理。还有采用岩芯气驱水或离心至不产水时的状态作为岩芯束缚水状态，进行核磁共振测试获得束缚水孔隙分布，但无论哪种气驱水方式均不符合地层条件，也与真实天然气运移成藏的过程相差较远。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种天然气成藏模拟装置和天然气成藏模拟方法。

第一方面，本发明实施例提供一种天然气成藏模拟装置，该装置可以包括：恒温箱、岩芯夹持器、加压机构、流体注入机构和检测组件；

所述岩芯夹持器设置有环形腔和夹持室，所述夹持室用于夹持待检测岩芯；

所述岩芯夹持器位于所述恒温箱内，所述恒温箱用于向所述待检测岩芯供热至预设的温度；

所述加压机构与所述岩芯夹持器的环形腔连通，用于向所述夹持室提供预设的围压；

所述流体注入机构与所述夹持室连通，用于向所述待检测岩芯注入地层水和气体；

所述检测组件用于检测待检测岩芯的射线强度、岩芯夹持器两端和夹持室内部的压力。

可选的，所述恒温箱内设置有两组滑轨，所述滑轨与所述岩芯夹持器的位置对应；

所述检测组件可以包括：射线发生器、射线探测器和若干个压力传感器；

所述射线发生器和所述射线探测器分别卡接在所述滑轨上，所述射线发生器用于对所述待检测岩芯进行沿程扫描，所述射线探测器用于获得所述待检测岩芯的岩芯射线强度；

若干个所述压力传感器可以包括：位于所述流体注入机构和所述夹持室之间的第一压力传感器、位于所述夹持室和与所述夹持室外接的气液分离器之间的第二压力传感器、以及与所述夹持室连通的第三压力传感器；

所述第一压力传感器用于检测所述夹持室的入口端的压力值，所述第二压力传感器用于检测所述夹持室的出口端的压力值，所述第三压力传感器用于检测所述夹持室内部的压力值。

可选的，所述检测组件还可以包括与所述第一压力传感器连接的第一阀门、与所述第二压力传感器连接的第二阀门、和与所述第三压力传感器连接的第三阀门。

可选的，所述加压机构可以包括：流体储存罐和第一驱替泵，所述流体储存罐通过所述第一驱替泵与所述环形腔连通，用于向所述环形腔内注入流体以使所述夹持室达到预设的围压。

可选的，所述加压机构还可以包括：位于所述第一驱替泵和所述环形腔之间的第四阀门和压力表。

可选的，所述流体注入机构可以包括：地层水储存罐、第二驱替泵、气体储存罐和第三驱替泵；

所述地层水储存罐通过所述第二驱替泵与所述夹持室连通，用于向所述夹持室内夹持的待检测岩芯注入地层水；

所述气体储存罐通过所述第三驱替泵与所述夹持室连通，用于向所述待检测岩芯注入气体。

可选的，所述流体注入机构还可以包括：位于所述第二驱替泵和所述夹持室之间的第五阀门，以及位于所述第三驱替泵和所述夹持室之间的第六阀门。

可选的，所述夹持室内还设置有用于包裹待检测岩芯的胶皮套。

可选的，该装置还可以包括：与所述岩芯夹持器的夹持室连通气液分离器。

第二方面，本发明实施例提供一种天然气成藏模拟方法，该方法根据第一方面所述的天然气成藏模拟装置模拟，可以包括：

将待检测岩芯烘干放入到所述岩芯夹持器的夹持室内，通过所述加压机构注入流体，以使所述环形腔的压力与所述待检测岩芯所在地层的围压一致，并通过所述恒温箱对所述待检测岩芯供热至所述待检测岩芯所在地层的温度；

使用所述检测组件对所述待检测岩芯在烘干状态下进行沿程扫描，确定所述待检测岩芯在烘干状态下的各点对应切面的X射线强度平均值；

取出所述待检测岩芯，抽真空后饱和地层水，基于核磁共振测试获得初始横向弛豫时间；

将饱和地层水的所述待检测岩芯放入到所述岩芯夹持器的夹持室内，通过所述加压机构注入流体，以使所述环形腔的压力与所述待检测岩芯所在地层的围压一致，并通过所述恒温箱对所述待检测岩芯供热至所述待检测岩芯所在地层的温度；

使用所述检测组件对所述待检测岩芯在饱和水状态下进行沿程扫描，确定所述待检测岩芯在饱和水状态下的各点对应切面的X射线强度平均值；

使用所述流体注入机构向所述待检测岩芯注入地层水，直至与所述待检测岩芯所在地层的流体压力一致，以模拟天然气成藏过程，并实时监测所述待检测岩芯各点对应切面的X射线强度；

取出所述待检测岩芯，基于核磁共振测试获得第一横向弛豫时间，以根据所述初始横向弛豫时间和所述第一横向弛豫时间确定所述待检测岩芯不同部位孔隙水微观赋存状态变化。

可选的，所述模拟天然气成藏过程，并实时监测所述待检测岩芯各点对应切面的X射线强度，可以包括：

使用所述流体注入机构向所述待检测岩芯注气，以驱替所述地层水溢出，同时使用所述检测组件对所述待检测岩芯进行沿程扫描，获得各点对应切面的X射线强度。

本发明实施例中提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例中提供了一种天然气成藏模拟装置和天然气成藏模拟方法，该装置可以包括：恒温箱、岩芯夹持器、加压机构、流体注入机构和检测组件；岩芯夹持器设置有环形腔和夹持室，夹持室用于夹持待检测岩芯；岩芯夹持器位于恒温箱内，恒温箱用于向待检测岩芯供热至预设的温度；加压机构与岩芯夹持器的环形腔连通，用于向夹持室提供预设的围压；流体注入机构与夹持室连通，用于向待检测岩芯注入地层水和气体；检测组件用于检测待检测岩芯的射线强度、岩芯夹持器两端和夹持室内部的压力。本发明实施例中提供的上述装置，能够模拟与表征天然气成藏过程中孔隙水赋存状态及运移规律，提高天然气成藏模拟的真实性，能实时获取岩石内部含水饱和度，同时表征岩石中孔隙水微观赋存状态，进而深入揭示气藏成藏机理，明确气水微观赋存状态及运移规律，为气藏成藏机理、气藏开发产水机理等奠定关键理论与技术基础。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中提供的天然气成藏模拟装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的天然气成藏模拟方法的流程图；

图3为本发明实施例中提供的模拟与表征天然气成藏过程中X射线实时扫描获得的岩芯成藏过程中含水饱和度变化图；

图4为本发明实施例中提供的模拟天然气成藏后获得的孔隙水在成藏前后的核磁共振T

其中，1为恒温箱；2为岩芯夹持器；3为加压机构；4为流体注入机构；5为检测组件；6为气液分离器；7为处理器；8为计算机服务器；

21为环形腔；22为夹持室；

31为流体储存罐；32为第一驱替泵；33为第四阀门；34为压力表；

41为地层水储存罐；42为第二驱替泵；43为气体储存罐；44为第三驱替泵；45为第五阀门；46为第六阀门；

51为射线发生器；52为射线探测器；53为第一压力传感器；54为第二压力传感器；55为第三压力传感器；56为第一阀门；57为第二阀门；58为第三阀门。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“远”、“近”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例中提供了一种天然气成藏模拟装置，该装置用于模拟与表征天然气成藏过程中孔隙水赋存状态及运移规律的变化，具体是模拟地层高压高温条件下，天然气充注成藏过程中，该装置能够对成藏过程中及成藏后储层水(地层水)在储层微观孔隙中的分布状态与运移规律进行实时检测。参照图1所示，该装置可以包括：恒温箱1、岩芯夹持器2、加压机构3、流体注入机构4和检测组件5；

岩芯夹持器2设置有环形腔21和夹持室22，夹持室22用于夹持待检测岩芯(图中未示出)；岩芯夹持器2位于恒温箱1内，恒温箱1用于向待检测岩芯供热至预设的温度；加压机构3与岩芯夹持器2的环形腔21连通，用于向夹持室22提供预设的围压；流体注入机构4与夹持室22连通，用于向待检测岩芯注入地层水和气体；检测组件5用于检测待检测岩芯的射线强度、岩芯夹持器两端和夹持室内部的压力。

在具体实施时，本发明实施例中的上述岩芯夹持器由耐高温高压且不吸收X射线的材料制备而成，例如钛合金或其他不吸收X射线的材质制作，X射线可以穿过岩芯夹持器而不被其吸收。在具体实施时，所述岩芯夹持器具有耐高温和耐高压的性质，耐高压70MPa，耐高温150℃。本发明实施例中的上述加压机构与环形腔，以及流体注入机构与夹持室均是通过管路连通，以实现注水或者注气。

本发明实施例中提供的上述装置，能够模拟与表征天然气成藏过程中孔隙水赋存状态及运移规律，提高天然气成藏模拟的真实性，能实时获取岩石内部含水饱和度，同时表征岩石中孔隙水微观赋存状态，进而深入揭示气藏成藏机理，明确气水微观赋存状态及运移规律，为气藏成藏机理、气藏开发产水机理等奠定关键理论与技术基础。

进一步的，本发明实施例中提供的上述装置，避免了油气成藏模拟过程中不能连续获取气水运移与赋存状态，以及现有储层岩石孔隙水赋存状态及运移规律分析技术获得的结果无法反映真实成藏过程的问题。

在一个可选的实施例中，参照图1所示，上述恒温箱1内设置有两组滑轨(图中未示出)，滑轨与岩芯夹持器2的位置对应；

检测组件5可以包括：射线发生器51、射线探测器52和若干个压力传感器；

射线发生器51和射线探测器52分别卡接在滑轨上，射线发生器51用于对待检测岩芯进行沿程扫描，射线探测器52用于获得待检测岩芯的岩芯射线强度；

若干个压力传感器包括：位于流体注入机构4和夹持室22之间的第一压力传感器53、位于夹持室22和与夹持室外接的气液分离器6之间的第二压力传感器54、以及与夹持室22连通的第三压力传感器55；

第一压力传感器53用于检测夹持室22的入口端的压力值，第二压力传感器54用于检测夹持室22的出口端的压力值，第三压力传感器55用于检测夹持室22内部的压力值。

在具体实施时，本发明实施例中的滑轨与岩芯夹持器2的位置相对设置，例如一组滑轨设于岩芯夹持器下方，另一组滑轨则设于岩芯夹持器上方。滑轨上分别卡接射线发生器51和射线探测器52，便于对夹持在岩芯夹持器内部的待检测岩芯进行沿程扫描，以获得待检测岩芯的岩芯射线强度。

需要说明的是，本发明实施例中的上述第三压力传感器可以是一个，也可以是多个，在具体连接时，上述第三压力传感器位于流体注入机构夹持室之间的管路上。进一步需要说明的是，射线发生器51和射线探测器52允许岩芯在地层温度、压力条件下连续测试，步长0.1cm，采集时间间隔0.1s，保证充分连续监测成藏过程中不同部位实时含水饱和度。在通过射线探测器和射线发生器进行扫描时，射线发生器与射线探测器可以沿着滑轨从岩芯夹持器的一端到另一端，记录岩芯样本不同位置的X射线强度值。

进一步需要说明的是，参照图1所示，本发明实施例中的上述压力传感器与处理器7连接，然后处理器7将压力数据发送给计算机处理器8便于处理。

在一个可选的实施例中，参照图1所示，该检测组件5还可以包括：与第一压力传感器53连接的第一阀门56、与第二压力传感器54连接的第二阀门57、和与第三压力传感器55连接的第三阀门58。

在一个可选的实施例中，参照图1所示，加压机构3可以包括：流体储存罐31和第一驱替泵32，流体储存罐31通过第一驱替泵32与环形腔21连通，用于向环形腔21内注入流体以使夹持室22达到预设的围压。

进一步的，加压机构3还可以包括：位于第一驱替泵32和环形腔21之间的第四阀门33和压力表34。

本发明实施例中的上述加压机构用于向岩芯夹持器的环形腔内注入，以使夹持室达到模拟状态下的围压，以模拟岩芯在地层深处的所承受的压力。

在另一个可选的实施例中，参照图1所示，该流体注入机构4可以包括：地层水储存罐41、第二驱替泵42、气体储存罐43和第三驱替泵44；

地层水储存罐41通过第二驱替泵42与夹持室22连通，用于向夹持室22内夹持的待检测岩芯注入地层水；

气体储存罐43通过第三驱替泵44与夹持室22连通，用于向待检测岩芯注入气体。

更为具体的，上述流体注入机构4还可以包括：位于第二驱替泵42和夹持室22之间的第五阀门45，以及位于第三驱替泵44和夹持室22之间的第六阀门46。

本发明实施例中提供的上述流体注入机构，通过注入地层水能够模拟待检测岩芯所在地层的流体压力，通过注入气体以驱替地层水溢出以模拟天然气成藏过程。

在另一个可选的实施例中，夹持室内还设置有用于包裹待检测岩芯的胶皮套(图中未示出)。本发明实施例中的上述胶皮套能够稳定的包裹岩芯，防止岩芯滑落。

在另一个可选的实施例中，参照图1所示，该装置还可以包括：与岩芯夹持器2的夹持室22连通气液分离器6。本发明实施例中的上述气液分离器安装于夹持室的出口端用于将模拟过程中或者模拟完成后排出的水气分离。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种天然气成藏模拟方法，该方法依托于上述天然气成藏模拟装置模拟实现，参照图2所示，该方法可以包括：

步骤S11、模拟待检测岩芯所在地层的高温高压环境，本步骤将待检测岩芯烘干放入到岩芯夹持器的夹持室内，通过加压机构注入流体，以使环形腔的压力与待检测岩芯所在地层的围压一致，并通过恒温箱对待检测岩芯供热至待检测岩芯所在地层的温度。

在具体实施时，所述岩芯可以为规则柱塞状无裂缝岩芯，岩芯的直径为2.5cm或3.8cm，长度最大可达100cm，能克服端面效应对含水饱和度测试的影响。

步骤S12、获取烘干状态下岩芯的射线强度。本步骤使用检测组件对待检测岩芯在烘干状态下进行沿程扫描，确定待检测岩芯在烘干状态下的各点对应切面的X射线强度平均值。

本步骤烘干状态下的各点对应切面的X射线强度平均值为

步骤S13、取出待检测岩芯，抽真空后饱和地层水，基于核磁共振测试获得初始横向弛豫时间。本步骤利用核磁共振测试获得T

步骤S14、获取饱和水状态下岩芯的射线强度。本步骤将饱和地层水的待检测岩芯放入到岩芯夹持器的夹持室内，通过加压机构注入流体，以使环形腔的压力与待检测岩芯所在地层的围压一致，并通过恒温箱对待检测岩芯供热至待检测岩芯所在地层的温度。

步骤S15、使用检测组件对待检测岩芯在饱和水状态下进行沿程扫描，确定待检测岩芯在饱和水状态下的各点对应切面的X射线强度平均值。本步骤获得饱和水岩芯各点对应切面的X射线强度平均值

步骤S16、岩芯流体加压。本步骤使用流体注入机构向待检测岩芯注入地层水，直至与待检测岩芯所在地层的流体压力一致，以模拟天然气成藏过程，并实时监测待检测岩芯各点对应切面的X射线强度。

本步骤中通过流体注入机构向待检测岩芯注入地层水，直至与待检测岩芯所在地层的流体压力一致，即流体压力P

模拟天然气成藏过程，并实时监测待检测岩芯各点对应切面的X射线强度

所述岩芯含水饱和度与X射线强度计算公式为：

步骤S17、取出待检测岩芯，基于核磁共振测试获得第一横向弛豫时间，以根据初始横向弛豫时间和第一横向弛豫时间确定待检测岩芯不同部位孔隙水微观赋存状态变化。

关闭所有阀门，取出岩芯，利用核磁共振测试获得T

在一个可选的实施例中，上述步骤S6在模拟天然气成藏过程，并实时监测待检测岩芯各点对应切面的X射线强度，具体可以包括：

使用流体注入机构向待检测岩芯注气，以驱替地层水溢出，同时使用检测组件对待检测岩芯进行沿程扫描，获得各点对应切面的X射线强度。

具体的，模拟天然气成藏过程，实时测试岩芯不同位置射线强度R

请参阅图3，本发明还提供模拟与表征天然气成藏过程中X射线实时扫描获得的岩芯成藏过程中含水饱和度变化图，能够反映天然气成藏过程中含水饱和度的宏观变化规律。

请参阅图4，本发明还提供一个模拟天然气成藏后获得的反映水在成藏前后孔隙分布特征的核磁共振T

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。