CN112540033A - 一种盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例中公开了一种盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，包括：驱替***、参比***以及计量***，其中：驱替***包括进气装置、进水装置、排水装置、沉渣室、储水罐等，进气装置的出气端通过第一阀门与沉渣室的顶部相连接，泄压阀与沉渣室相连接，进水***的出水端通过第二阀门与沉渣室相连接，进水***的进水端与储水罐相连接，排水装置与储水罐相连接，排水装置的进水端通过第三阀门与沉渣室相连接；参比室通过第四阀门与进气装置相连接，参比室通过第五阀门与沉渣室的顶部相连接。本方案中提及的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置可以解决盐矿沉渣空隙储气过程中遇到的驱替压力和排卤流量关系不明、驱替过程不可见等问题。
Description
技术领域
本发明涉及天然气地下存储技术领域，具体涉及一种盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置。
背景技术
盐岩具有极低的渗透率、良好的蠕变行为、良好的损伤自修复能力和塑性变形能力大等优良特性，使得盐岩储库具有良好的密闭性和抵抗破坏的能力，并在全世界范围内得到广泛利用和快速发展。
地下盐岩储库是利用水溶开采的方式在深部盐矿中溶漓出腔体，以达到存储石油、天然气等碳氢化合物的目的。我国多数盐岩矿床的高杂质地质特征使得盐腔建造过程中产生大量沉渣，这些沉渣堆积在腔体中占据大量可用储气空间，使得盐腔用于储气的空间较少，投入产出比极低，建库可行性较差。
提高盐腔储气空间，利用沉渣进行空隙储气是利用已有溶腔进行改造后储气的新方向。亟需提供一种装置对盐腔储气过程进行模拟，解决盐矿沉渣空隙储气过程中遇到的驱替压力和排卤流量关系不明、驱替过程不可见及定量分析沉渣空隙利用率等问题。
发明内容
本发明实施例中提供一种盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，能够解决盐矿沉渣空隙储气过程中遇到的驱替压力和排卤流量关系不明、驱替过程不可见及定量分析沉渣空隙利用率等问题。
本发明提供一种盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，包括：驱替***、计量***以及参比***，其中：
所述驱替***包括进气装置、进水装置、排水装置、沉渣室、储水罐、泄压阀、第一阀门、第二阀门以及第三阀门，所述进气装置的出气端通过所述第一阀门与所述沉渣室的顶部相连接，所述泄压阀与所述沉渣室的顶部相连接，所述进水***的出水端通过所述第二阀门与所述沉渣室的顶部相连接，所述进水***的进水端与所述储水罐相连接，所述排水装置的出水端与所述储水罐相连接，所述排水装置的进水端通过所述第三阀门与所述沉渣室的底部相连接；
所述参比***包括参比室、第四阀门以及第五阀门，所述参比室通过所述第四阀门与所述进气装置的出气端相连接，所述参比室通过所述第五阀门与所述沉渣室的顶部相连接；
所述计量***包括第一压力表、第二压力表以及称重设备，所述第一压力表与所述参比室相连接，所述第二压力表与所述沉渣室的顶部相连接，所述称重设备与所述储水罐的底部相连接。
在一些实施例中，所述沉渣室由透明材质构成。
在一些实施例中，所述透明材质包括PMMA材质。
在一些实施例中，所述沉渣室的形状包括圆柱体以及长方体。
在一些实施例中，所述进气装置包括空气压缩机以及定值器。
在一些实施例中，所述排水装置包括等压管。
在一些实施例中，所述沉渣室中装有沉渣样品，所述储水罐中装有卤水。
在一些实施例中，所述沉渣样品与盐矿实际沉渣的相似比为
至
在一些实施例中，所述参比室的形状包括圆柱体以及长方体。
在一些实施例中，所述进水装置包括进水泵。
本申请实施例中，盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，包括：驱替***、参比***以及计量***，其中：所述驱替***包括进气装置、进水装置、排水装置、沉渣室、储水罐、泄压阀、第一阀门、第二阀门以及第三阀门，所述进气装置的出气端通过所述第一阀门与所述沉渣室的顶部相连接，所述泄压阀与所述沉渣室的顶部相连接，所述进水***的出水端通过所述第二阀门与所述沉渣室的顶部相连接，所述进水***的进水端与所述储水罐相连接，所述排水装置的出水端与所述储水罐相连接，所述排水装置的进水端通过所述第三阀门与所述沉渣室的底部相连接；所述参比***包括参比室、第四阀门以及第五阀门，所述参比室通过所述第四阀门与所述进气装置的出气端相连接，所述参比室通过所述第五阀门与所述沉渣室的顶部相连接；所述计量***包括第一压力表、第二压力表以及称重设备，所述第一压力表与所述参比室相连接，所述第二压力表与所述沉渣室的顶部相连接，所述称重设备与所述储水罐的底部相连接。本方案中提及的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置可以解决盐矿沉渣空隙储气过程中遇到的驱替压力和排卤流量关系不明、驱替过程不可见等问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置一个实施例结构示意图；
图2是本发明实施例驱替压力和卤水流量试验结果全过程的曲线示意图；
图3是本发明实施例驱替沉渣空隙卤水阶段驱替压力和卤水流量的试验结果曲线示意图。
具体实施例
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，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本发明中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本发明所公开的原理和特征的最广范围相一致。
本发明实施例提供一种盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，该盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置包括驱替***、计量***以及参比***，其中，所述驱替***包括进气装置、进水装置、排水装置、沉渣室、储水罐、泄压阀、第一阀门、第二阀门以及第三阀门，所述参比***包括参比室、第四阀门以及第五阀门，所述计量***包括第一压力表、第二压力表以及称重设备。测试人员可以通过该装置进行盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的测试，解决盐矿沉渣空隙储气过程中遇到的驱替压力和排卤流量关系不明、驱替过程不可见等问题。
以下分别进行详细说明。
请参阅图1，图1是本发明实施例提供的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置一个实施例结构示意图。
如图1所示，本发明实施例中，盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置包括：驱替***、参比***以及计量***，其中：驱替***包括进气装置11、进水装置12、排水装置13、沉渣室14、储水罐15、泄压阀16、第一阀门17、第二阀门18以及第三阀门19，进气装置11的出气端通过第一阀门17与沉渣室14的顶部相连接，泄压阀16与沉渣室14的顶部相连接，进水***的出水端通过第二阀门18与沉渣室14的顶部相连接，进水***的进水端与储水罐15相连接，排水装置13的出水端与储水罐15相连接，排水装置13的进水端通过第三阀门19与沉渣室14的底部相连接；
参比***包括参比室21、第四阀门22以及第五阀门23，参比室21通过第四阀门22与进气装置11的出气端相连接，参比室21通过第五阀门23与沉渣室14的顶部相连接；
计量***包括第一压力表31、第二压力表32以及称重设备33，第一压力表与参比室21相连接，第二压力表与沉渣室14的顶部相连接，称重设备33与储水罐15的底部相连接。
需要说明的是，上面提到的除计量***之外的连接关系，均可通过管道进行连接，具体地，参比***与沉渣室14的连接关系、参比***与进气装置11的连接关系、以及进气装置11与沉渣室14之间的连接关系均由运送气体的管道113进行连接；其他的连接关系，例如，进水装置12与沉渣室14及储水罐15之间的连接关系通过运送液体的管道121进行连接、储水罐15与沉渣室14之间的连接关系由运送液体的管道131进行连接，其中，运送气体的管道和运动液体的管道可以为同一种管道类型，例如，管道均为3PE(三层结构聚乙烯防腐层)防腐钢管，也可以为不同类型的管道类型，例如运送气体的管道为3PE防腐钢管，运送液体的管道为塑料管道，具体管道的材质此处不做限定。
还需要说明的是，进气装置11与参比***可以先通过管道汇合，再与沉渣室14进行连接。
在一些实施例中，沉渣室14由透明材质构成，其中，该透明材质包括PMMA材质。沉渣室14由透明材质构成，在进行气体驱替卤水的测试时，可以观察到卤水下降或上升的情况，使得驱替过程可见。
在一些实施例中，沉渣室14的形状包括圆柱体以及长方体。
在一些实施例中，进气装置11包括空气压缩机111以及定值器112，其中，空气压缩机111以及定值器112可以通过运送气体的管道进行连接。
在一些实施例中，排水装置13包括等压管132。
在一些实施例中，沉渣室14中装有沉渣样品，储水罐15中装有卤水。
在一些实施例中，沉渣样品与盐矿实际沉渣的相似比为
至
其中，本发明中的沉渣样品为浸水后并过滤的沉渣样品。
在一些实施例中，参比室21的形状可以为圆柱体以及长方体。
在一些实施例中，进水装置12还包括进水泵122。
在一些实施例中，称重设备33为电子秤。
本发明实施例中，可以通过参比***、驱替***中的进气装置11、沉渣室14以及计量***中的第一压力表31以及第二压力表32获取沉渣室14中沉渣样品的空隙率。
沉渣空隙的体积以及沉渣样品空隙率的具体获取方法如下：
(1)将浸水后的待测沉渣样品装入沉渣室14，关闭第一阀门17、第二阀门18、第三阀门19以及第五阀门23，打开第四阀门22；计算此时沉渣室14中沉渣样品的堆积体Va及上部空间体积Vb；参比室21体积为V0，利用空气压缩机111和定值器112缓慢向参比室21充入气体，当第一压力表31显示压力为Pa(Pa为预设的大于标准大气压力的值，具体数值可以为0.4MPa，也可以为其他数值，Pa的具体数值此处不做限定)时，关闭第四阀门22；
(2)打开第五阀门23，使参比室21内气体等温膨胀到沉渣室14，试验过程中控制室温20℃，当第二压力表32显示的压力值的压力稳定且不发生波动时，记录第二压力表的压力为Pb；试验中可忽略气体压力对沉渣固体体积的影响，根据玻义耳定律得到：
Pb(V0+Vb+V)＝PaV0+P0(Vb+V)；
其中：V为沉渣空隙的体积，P0为标准大气压力，通过该公式即可得到沉渣空隙的体积。
根据下列公式，计算得到沉渣样品空隙率。
其中：n为沉渣空隙率。
得到沉渣样品的沉渣空隙率之后，还可以通过该装置利用上一步测量空隙率后的沉渣样品实现气体驱替沉渣空隙卤水过程的试验，具体驱替过程包括以下步骤：
(1)利用上一步测量空隙率后的沉渣样品，打开泄压阀16，使沉渣室14内压力下降到标准大气压；关闭第五阀门23，打开第二阀门18，利用进水泵122向沉渣室14泵入卤水，称重设备33能够自动记录储水罐15泵水前后的质量变化m1；当加入的卤水超过沉渣面10～15cm时，关闭第二阀门18，停止加水。
(2)打开第三阀门19，使得沉渣室14内水面和等压管132内水面齐平后，此时记录电子秤显示质量m2；利用空气压缩机111和定值器112产生的稳定驱替压力，缓慢打开第一阀门17使气体驱替沉渣室14中的卤水，并缓慢增大驱替压力，沉渣室14是由PMMA透明材质制作的耐压容器，可实时观察气体卤水界面的状态；当观察到沉渣室14内液面开始向下降时，记录此时第二压力表的压力，记为启动压力Pbrine；当沉渣室14内卤水液面到达沉渣样品上表面时，记录此时驱替压力Psediment；实时记录电子秤所测的质量变化，该电子秤能够实时监测驱替出的卤水质量变化过程，根据排水装置13中运送液体的管道131的直径，可以换算得到驱替流量变化；试验过程中可实时调整驱替压力，观察卤水液面及驱替卤水质量变化。
(3)当沉渣室内卤水界面达到沉渣底部时，关闭第三阀门19，模拟试验结束。此时还可打开第二阀门18，向沉渣室14加水，重复上述试验过程，反复进行驱替试验。
本发明可以研究不同地区及层位的盐岩层中获取的沉渣样品空隙率及气体驱替卤水效果。通过现场获取不同盐矿地区，不同盐岩地层的不溶沉渣，并按照相似比300-500，制备出进行室内模拟试验的沉渣样品。利用本发明所提供的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，测量沉渣样品空隙率，并且在不扰动沉渣样品的前提下，同时进行气体驱替沉渣空隙卤水试验，试验过程中实时监测驱卤压力和出卤流量的变化。驱卤试验结束后，可再次测量该沉渣样品空隙率。通过驱卤前后该沉渣样品空隙率的变化及驱替出水量，得到沉渣空隙可利用储气的体积与空隙总体积的比值，试验结果可指导现场注气驱卤施工方案设计，为我国利用沉渣空隙储气技术的发展提供指导。
为了便于理解，下面提供一个具体的场景实施例来具体描述本发明提供的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置的使用方法。
假设某盐矿建设的盐穴储气库要利用沉渣空隙储气，盐穴所在盐岩层埋深1800m～2000m。现场获得该盐岩层沉渣样品，下面为利用盐矿沉渣样品进行盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的测试，其中试验步骤：
(一)提供的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置的基本参数如下:
沉渣室14为采用PMMA透明亚克力材质，筒体内径D＝20cm，筒体高度H＝60cm；沉渣室14上部预留高度10cm，可容纳的沉渣样品体积为V＝S×H1；其中S为沉渣室横截面积，s＝πD2/4＝3.14×202/4＝314cm2；H1为沉渣样品高度。
参比室采用直径14cm，高度32.5cm的压力容器，体积为V0＝5000.45cm3。
(二)驱替试验前，沉渣样品空隙率测量:
将浸水后的待测沉渣样品装入沉渣室14，读取沉渣样品高H1为40cm，关闭关闭第一阀门17、第二阀门18、第三阀门19以及第五阀门23，打开第四阀门22；计算此时沉渣样品的堆积体积Va＝12560cm3及上部空间体积Vb＝6280cm3；参比室体积为V0＝5000.45cm3，利用空气压缩机111和定值器112缓慢向参比室21充入气体，当第一压力表显示压力为0.4MPa时，关闭第四阀门22；
打开第五阀门23，使参比室21内气体等温膨胀到沉渣室14，试验过程中控制室温20℃，当第二压力表32的压力稳定且不发生波动时，记录第二压力表32的压力为0.19MPa；试验过程中可忽略气体压力对沉渣固体体积的影响。根据公式，计算得到沉渣样品空隙率n＝43.93％。
(三)气体驱替卤水试验
利用上一步测量空隙率后的沉渣样品，打开泄压阀12，使沉渣室内压力下降到标准大气压；关闭阀门K2，打开阀门K4，利用进水泵向沉渣室泵入卤水，电子秤能够自动记录泵水前后的质量变化m1＝10.39kg；此时加入的卤水超过沉渣面10cm时，关闭阀门K4，停止加水。
打开第三阀门19，使得沉渣室14内水面和等压管132内水面齐平后，记录此时电子秤显示质量m2＝10.41kg；利用空气压缩机111和定值器112产生的驱替压力，缓慢打开第一阀门17使气体驱替沉渣室14中的卤水，缓慢调节驱替压力，调节速度为每小时0.005MPa，同时观察卤水界面的状态。当观察到沉渣室14内液面开始向下降时，记录此时压力表32的驱替压力0.01MPa，记为启动压力Pbrine＝0.01MPa；当沉渣室14内卤水液面到达沉渣样品上表面时，记录此时驱替压力Psediment＝0.06MPa；实时记录电子秤显示的质量变化，该电子秤能够实时监测驱替出的卤水质量变化及演化过程。试验过程中可实时调整驱替压力，但是增加速度不能超过每小时0.01MPa。导出电子秤试验数据，计算卤水流量，得到卤水流量随驱替压力的变化如表一所示；图2为驱替压力和卤水流量试验结果全过程的曲线示意图；图3为驱替沉渣空隙卤水阶段驱替压力和卤水流量的试验结果曲线示意图。
表一：驱替压力和卤水流量对应试验结果
| 序号 | 驱替压力(MPa) | 驱替时间(min) | 卤水流量(cm<sup>3</sup>/s) |
| 1 | 0.000 | 0 | 0.00 |
| 2 | 0.005 | 10 | 0.00 |
| 3 | 0.010 | 10 | 0.00 |
| 4 | 0.020 | 10 | 0.12 |
| 5 | 0.030 | 10 | 0.25 |
| 6 | 0.040 | 10 | 0.35 |
| 7 | 0.050 | 10 | 0.55 |
| 8 | 0.060 | 10 | 0.85 |
| 9 | 0.061 | 10 | 0.86 |
| 10 | 0.062 | 10 | 0.87 |
| 11 | 0.063 | 10 | 0.88 |
| 12 | 0.064 | 10 | 0.89 |
| 13 | 0.065 | 10 | 0.90 |
| 14 | 0.066 | 10 | 0.91 |
| 15 | 0.067 | 10 | 0.92 |
| 16 | 0.068 | 10 | 0.93 |
| 17 | 0.069 | 10 | 0.94 |
| 18 | 0.070 | 10 | 0.95 |
| 19 | 0.071 | 10 | 0.94 |
| 20 | 0.072 | 10 | 0.94 |
| 21 | 0.073 | 10 | 0.95 |
(四)循环驱替卤水试验：
当沉渣室内卤水界面达到沉渣底部时，关闭第三阀门19，本次模拟试验结束。可打开第二阀门18，向沉渣室14加水，重复上述试验过程，调节驱替压力实现不同速度的驱替过程，驱替压力可以逐渐增加到0.08MPa、0.09MPa，反复进行沉渣驱替卤水试验，得到更精准的结果。
本发明的技术方案具有如下优点：
(1)本发明提供的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，能够真实还原盐岩储气库天然气驱替盐底沉渣空隙卤水全过程。对不同盐矿地区、不同地层以相似比还原的沉渣样品空隙卤水进行驱替试验，模拟气体驱替沉渣空隙卤水过程中的驱替压力和卤水流量的变化关系。驱替过程中实时观察气卤液面演化，实时监测排出的卤水质量得到沉渣可排卤水体积，计算沉渣空隙利用率(驱替卤水体积/沉渣空隙总体积)。
(2)本发明能够通过制备不同空隙率的沉渣样品，在不扰动沉渣样品的情况下，进行沉渣样品的气体驱替试验。研究不同空隙率沉渣样品的启动压力、驱替压力及其与流量的变化关系。能够模拟盐矿注气排卤过程，研究气体驱替卤水过程中的注气压力与排卤流量的关系。
(3)本发明设计的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，设计新颖合理，操作简单，安全可靠。气体驱替压力监测方便，精度高。驱替卤水流量采用电子秤实时监测并自动存储，记录的数据可导入电脑，计算方便快捷，准确性高。整个试验过程方法简便，易于操作。
以上对本发明实施例所提供的一种盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施例进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施例及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，其特征在于，包括：驱替***、参比***以及计量***，其中：
所述驱替***包括进气装置、进水装置、排水装置、沉渣室、储水罐、泄压阀、第一阀门、第二阀门以及第三阀门，所述进气装置的出气端通过所述第一阀门与所述沉渣室的顶部相连接，所述泄压阀与所述沉渣室的顶部相连接，所述进水***的出水端通过所述第二阀门与所述沉渣室的顶部相连接，所述进水***的进水端与所述储水罐相连接，所述排水装置的出水端与所述储水罐相连接，所述排水装置的进水端通过所述第三阀门与所述沉渣室的底部相连接；
所述参比***包括参比室、第四阀门以及第五阀门，所述参比室通过所述第四阀门与所述进气装置的出气端相连接，所述参比室通过所述第五阀门与所述沉渣室的顶部相连接；
所述计量***包括第一压力表、第二压力表以及称重设备，所述第一压力表与所述参比室相连接，所述第二压力表与所述沉渣室的顶部相连接，所述称重设备与所述储水罐的底部相连接。
2.根据权利要求1所述的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，其特征在于，所述沉渣室由透明材质构成。
3.根据权利要求2所述的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，其特征在于，所述透明材质包括PMMA材质。
4.根据权利要求1所述的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，其特征在于，所述沉渣室的形状包括圆柱体以及长方体。
5.根据权利要求1所述的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，其特征在于，所述进气装置包括空气压缩机以及定值器。
6.根据权利要求1所述的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，其特征在于，所述排水装置包括等压管。
7.根据权利要求1所述的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，其特征在于，所述沉渣室中装有沉渣样品，所述储水罐中装有卤水。
8.根据权利要求6所述的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，其特征在于，所述沉渣样品与盐矿实际沉渣的相似比为
至
9.根据权利要求1至8中任一项所述的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，其特征在于，所述参比室的形状包括圆柱体以及长方体。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的盐矿沉渣空隙率及气体驱替卤水的试验装置，其特征在于，所述进水装置包括进水泵。
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