本技術(shù)涉及一種用于模擬氣壓升降作用下鹽穴儲氣庫鹵水-沉渣運(yùn)移特征的實(shí)驗(yàn)裝置，屬于鹽穴儲氣庫注采氣模擬。
背景技術(shù)：
1、近年來，國內(nèi)外學(xué)者對鹽穴儲氣庫沉渣開展了大量的研究，包括沉渣形成過程、物理化學(xué)性質(zhì)、堆積形式、受力狀態(tài)、空間利用及其對儲氣庫穩(wěn)定性影響等方面。研究表明沉渣空隙空間具備一定的儲氣能力，未來利用沉渣有效空隙空間進(jìn)行儲氣是趨勢。然而，當(dāng)前研究中關(guān)于沉渣-鹵水運(yùn)移特征的研究相對較少，且關(guān)注點(diǎn)有限。對于高雜質(zhì)鹽穴儲氣庫，沉渣占據(jù)鹽腔大部分體積，沉渣和鹵水的運(yùn)移對儲氣庫動態(tài)內(nèi)邊界條件的影響較大，其帶來的氣水界面位置的變化也影響到管柱下沉的深度，威脅到儲氣庫的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
2、cn117780340a開發(fā)了一種鹽穴沉渣內(nèi)氣驅(qū)排鹵的模擬試驗(yàn)裝置及方法。模擬試驗(yàn)裝置包括注氣裝置、鹽腔模擬裝置和回收裝置，其中注氣裝置通過注氣管與鹽腔模擬裝置相連，鹽腔模擬裝置內(nèi)部設(shè)置有模擬排鹵管柱，模擬排鹵管柱和回收裝置通過排液管相連。通過注氣裝置向模擬鹽腔注氣，使殘?jiān)w粒和鹵水從模擬排鹵管排出，進(jìn)入回收裝置，進(jìn)而研究鹽腔沉渣內(nèi)氣驅(qū)排鹵流動規(guī)律。又通過設(shè)置機(jī)械固砂和添加化學(xué)固砂劑對照試驗(yàn)方案，進(jìn)一步研究了排鹵管柱沉渣顆粒堵塞規(guī)律以及排鹵管柱鹽結(jié)晶堵塞規(guī)律。
3、cn116413394a開發(fā)了一種鹽穴儲氣庫腔底殘?jiān)障独媚芰υu價(jià)裝置及方法。鹽穴儲氣庫腔底沉渣空隙利用能力評價(jià)裝置包括：模擬鹽腔、氣體加壓系統(tǒng)、頂部進(jìn)氣閥、頂部進(jìn)液閥、底部進(jìn)氣閥、底部放空閥、注水泵、存水箱。其中，模擬鹽腔的頂部通過管路與頂部進(jìn)氣閥和頂部進(jìn)液閥連接，同樣，模擬鹽腔的底部通過管路和底部放空閥以及底部進(jìn)氣閥連接。氣體加壓系統(tǒng)、頂部進(jìn)氣閥和底部進(jìn)氣閥通過管路連接在一起。氣體加壓系統(tǒng)和底部排液閥通過管路與注水泵連接，存水箱和注水泵相連。沉渣裝于模擬鹽腔的底部，鹵水盛放在存水箱中。提出了一種鹽穴儲氣庫腔底沉渣空隙利用能力評價(jià)方法，通過注氣排鹵將沉渣空隙空間內(nèi)的部分鹵水排出，來評估沉渣空隙空間儲氣能力。
4、上述發(fā)明主要關(guān)注研究沉渣內(nèi)氣驅(qū)排鹵規(guī)律和評估沉渣空隙空間的儲氣能力。而本實(shí)用新型的關(guān)注點(diǎn)在于研究溫度荷載和氣壓作用下的沉渣與鹵水運(yùn)移規(guī)律，因此，本實(shí)用新型開發(fā)了一種用于模擬氣壓升降作用下鹽穴儲氣庫鹵水-沉渣運(yùn)移特征的實(shí)驗(yàn)裝置。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本實(shí)用新型技術(shù)方案如下：開發(fā)一種用于模擬氣壓升降作用下鹽穴儲氣庫鹵水-沉渣運(yùn)移特征的實(shí)驗(yàn)裝置，包括注氣系統(tǒng)、采氣系統(tǒng)、排鹵系統(tǒng)、模擬鹽腔、溫度調(diào)控系統(tǒng)以及孔壓測量系統(tǒng)。注氣系統(tǒng)由氮?dú)馄?、緩沖瓶、注氣管、第一壓力表、第一控制閥門、第二控制閥門、第三控制閥門以及第四控制閥門組成，注氣管可連接模擬鹽腔蓋板上的注氣孔。模擬鹽腔包括有刻度的模擬鹽腔側(cè)壁、蓋板和底座。實(shí)驗(yàn)時(shí)，用固定螺栓將底座與壓力室側(cè)壁連接起來，并且安裝上模擬鹽腔側(cè)壁，然后加入沉渣和鹵水。采氣系統(tǒng)由儲氣瓶、排氣管和第五控制閥門組成，排氣管可連接蓋板上的排氣孔。排鹵系統(tǒng)包括模擬排鹵管、排水管、第六控制閥門、第七控制閥門以及量杯，同樣，排鹵管可連接蓋板上的排鹵孔。溫度調(diào)控系統(tǒng)包括壓力室側(cè)壁、壓力室半筒狀電熱板、壓力室電熱偶、壓力室溫度調(diào)控器、水容器側(cè)壁、水容器電熱板、水容器電熱偶、水容器底座以及水容器溫度調(diào)控器。孔壓測量系統(tǒng)包括透水石、孔隙水壓力量測孔、孔隙水壓力量測管、孔壓傳感器、數(shù)據(jù)采集器以及結(jié)果顯示端。溫度調(diào)控系統(tǒng)和孔壓測量系統(tǒng)通過管線與模擬鹽腔相連。
2、本實(shí)用新型所用沉渣可以使用實(shí)際沉渣樣品或根據(jù)現(xiàn)場沉渣物性實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果人工制備的沉渣實(shí)驗(yàn)樣品。
3、本實(shí)用新型所用鹵水使用人工調(diào)制飽和鹵水。
4、本實(shí)用新型所述模擬鹽腔包括透明圓柱形容器、透明正方體容器或透明長方體容器。透明圓柱形容器包括蓋板、模擬鹽腔側(cè)壁和模擬鹽腔底座。
5、本實(shí)用新型模擬鹽腔側(cè)壁使用透明亞克力圓柱筒(有刻度)。
6、本實(shí)用新型所述蓋板上設(shè)置有注氣管穿入孔、排氣管穿入孔、液位測孔、排鹵孔以及電熱偶穿入孔；所述蓋板上設(shè)置有液位傳感器，參考mik-mp超聲波液位計(jì)，可以監(jiān)測鹵水位的變化；所述蓋板與模擬鹽腔側(cè)壁之間采用法蘭連接
7、所述模擬排鹵管和排水管使用不銹鋼軟管。
8、所述模擬排鹵管進(jìn)液口設(shè)置篩孔，篩孔直積2mm。
9、所述模擬排鹵管的底部密封，下端右側(cè)設(shè)置有進(jìn)液口。管口進(jìn)行防砂處理，可采用機(jī)械防砂(設(shè)置防砂帶)、化學(xué)防砂(固砂劑：環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂泡沫溶液)。
10、所述注氣管上設(shè)置有第一控制閥門、第二控制閥門、第三控制閥門、第四控制閥門、第一壓力表以及第二壓力表。第二控制閥門和第三控制閥門控制緩沖瓶進(jìn)氣量的大小，第一壓力表可以實(shí)時(shí)監(jiān)測緩沖瓶的壓力；通過第四控制閥門可以控制腔體注氣量的大小，通過所述第二壓力表可以實(shí)時(shí)監(jiān)測腔體壓力，這樣就可以在模擬實(shí)驗(yàn)過程中調(diào)節(jié)不同注氣壓力；上述所有閥門和壓力表配合可以測量沉渣空隙率大小。壓力表參考數(shù)顯壓力表，其具有rs485接口。
11、所述采氣管上設(shè)置有第五控制閥門。
12、所述排水管上設(shè)置有第六控制閥門和第七控制閥門，可以控制排水量大小。
13、所述閥門采用單向閥門，這樣可以防止液體和氣體倒流，提高裝置穩(wěn)定性以及可靠性；
14、所述孔隙水壓力量測管上設(shè)置有第八控制閥門。
15、本實(shí)用新型實(shí)施例子中，模擬鹽腔側(cè)壁的高度為30cm，其直徑為20cm。注氣孔、采氣孔、液位測孔、排鹵孔以及測溫孔的直徑均為2cm，注氣孔、采氣孔、液位測孔、排鹵孔以及測溫孔之間的間隔為也2cm，注氣圓管、采氣圓管、液位測定圓管、排鹵圓管以及測溫圓管的高度均為4cm，相隔0.5cm。
16、本實(shí)用新型所述壓力室側(cè)壁采用不銹鋼材料制作，壓力室半筒狀電熱板嵌入壓力室側(cè)壁內(nèi)，其電阻絲的兩端與溫度調(diào)控器連接，電熱板的外側(cè)充填隔熱用石棉。
17、由于注氣系統(tǒng)和排鹵系統(tǒng)處于室溫條件下(如25℃)，而模擬鹽腔內(nèi)鹵水的溫度處于設(shè)定溫度下(如50.5℃)，導(dǎo)致排水管內(nèi)的水溫大小梯度分布，這影響到量測的精度。因此，將排水管和孔隙水壓力量測管置于溫度恒定的水容器中，這樣，模擬鹽腔內(nèi)的溫度變化不會影響水體積的量測，從而能夠精確量測沉渣孔隙水壓力和鹵水排出體積。
18、由于塑料排水管和孔隙水壓力量測管具有較大的熱膨脹系數(shù)，會給實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來很大誤差，因此本實(shí)用新型排水管和孔隙水壓力量測管采用不銹鋼材料制作，中間段為螺旋狀結(jié)構(gòu)，螺旋狀段位于常溫水容器中，可與水體進(jìn)行熱交換。
19、實(shí)驗(yàn)裝置使用前應(yīng)進(jìn)行氣密性檢查。檢查裝置氣密性的步驟包括打開第一控制閥門和第四控制閥門，關(guān)閉其他控制閥門，啟動氮?dú)馄?，調(diào)節(jié)注氣壓力，緩慢提升壓力至實(shí)驗(yàn)測試壓力，檢查實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)各裝置是否漏氣；測試結(jié)束后停止注氣，打開第五控制閥門，采氣泄壓。
20、本實(shí)用新型還提供一種用于模擬氣壓升降作用下鹽穴儲氣庫鹵水-沉渣運(yùn)移特征的實(shí)驗(yàn)方法，采用上述模擬實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行。所述實(shí)驗(yàn)方法包括自由下沉條件下鹵水和沉渣運(yùn)移規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)方法、自重壓實(shí)作用下沉渣空隙結(jié)構(gòu)演化規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)方法和注采氣下鹵水和沉渣二次運(yùn)移規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)方法，如圖3所示。
21、(1)自由下沉條件下鹵水和沉渣運(yùn)移規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)方法包括以下步驟：
22、步驟1：用固定螺栓和o型橡膠圈將壓力室側(cè)壁與模擬鹽腔底座連接起來，再安裝上模擬鹽腔側(cè)壁，準(zhǔn)備飽和鹵水和不同粒徑范圍的沉渣顆粒樣品(沉渣顆粒中加入部分示蹤砂)，先將鹵水倒入模擬鹽腔當(dāng)中。
23、步驟2：啟動溫度調(diào)控裝置，將溫度控制在50.5℃，模擬真實(shí)鹽腔溫度，同時(shí)設(shè)置多組對照實(shí)驗(yàn)，將沉渣降落高度和沉渣顆粒粒徑范圍設(shè)置為變量。
24、步驟3：將一組沉渣從某一高度勻速倒入開口容器，直到鹵水液面高于沉渣表面2～3cm為止。
25、步驟4：靜置實(shí)驗(yàn)裝置，使沉渣顆粒充分沉降，在這個(gè)過程中用蓋板將模擬鹽腔裝置密封。觀察封閉容器內(nèi)示蹤砂的流動形態(tài)、拍照記錄鹵水及沉渣顆粒的運(yùn)移規(guī)律，記錄沉渣空隙壓力變化。沉渣沉降穩(wěn)定后，拍照記錄沉渣分層沉降狀態(tài)。
26、步驟5：改變沉渣顆粒粒徑范圍或沉渣降落高度，準(zhǔn)備新的裝滿飽和鹵水的開口容器，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟3～4，分析不同沉渣顆粒粒徑范圍和不同降落高度條件下鹵水與沉渣顆粒運(yùn)移規(guī)律。
27、(2)自重壓實(shí)條件下鹵水和沉渣運(yùn)移規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)方法包括以下步驟：
28、步驟1：繼前一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟4后，繼續(xù)靜置堆積，靜置3小時(shí)。啟動孔壓測量系統(tǒng)。每30分鐘記錄沉渣孔隙水壓力和鹵水高度。
29、步驟2：繪制沉渣孔隙水壓力和鹵水高度隨壓實(shí)時(shí)間變化的曲線圖，3小時(shí)后，連接注氣系統(tǒng)，每隔30分鐘測量一次沉渣空隙率，注氣壓力為0.3mpa，記錄沉渣孔隙率變化。
30、步驟3：改變沉渣顆粒粒徑范圍，重復(fù)步驟1～2。分析不同自重壓實(shí)時(shí)間和不同沉渣顆粒粒徑范圍下鹵水和沉渣運(yùn)移特征。
31、(3)注采氣下鹵水和沉渣二次運(yùn)移規(guī)律模擬實(shí)驗(yàn)方法包括以下步驟：
32、步驟1：繼前一個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟2后，開始模擬注氣過程。注氣加壓，觀察記錄鹵水位變化和沉渣高度變化，同時(shí)記錄鹵水溫度和沉渣孔隙水壓力隨時(shí)間的變化。
33、步驟2：模擬采氣過程。連接采氣系統(tǒng)，采氣，觀察記錄鹵水位變化和沉渣高度變化，同樣，記錄鹵水溫度和沉渣孔隙水壓力隨時(shí)間的變化。
34、步驟3：測量沉渣有效空隙率。連接排鹵系統(tǒng)，注氣排鹵，記錄排出鹵水體積，該體積即為沉渣中可用于儲氣的空隙體積。
35、步驟4：改變沉渣顆粒粒徑范圍，重復(fù)步驟1～2。分析氣壓升降作用下鹵水和沉渣二次運(yùn)移規(guī)律。
36、本實(shí)用新型所述沉渣顆粒內(nèi)鋪設(shè)1～3層彩色示蹤砂，用于在實(shí)驗(yàn)過程中分析沉渣內(nèi)鹵水和沉渣顆粒的流動規(guī)律。
37、本實(shí)用新型所述測量沉渣顆?？紫堵恃b置的原理如下：
38、采用氣體等溫膨脹原理測量沉渣顆?？障堵?，具體操作是將已知體積和壓力的氣體向未知體積的容器做等溫膨脹，測定膨脹后氣體平衡壓力，由理想氣體狀態(tài)方程，有：
39、pbvb＝z1n1rt1?(1)
40、pa(vw+vv)＝z2n2rt2?(2)
41、pe(vb+vw+vv)＝z3(n1+n2)rt3?(3)
42、式中,pb為緩沖瓶壓力,pa；pa為當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)大氣壓，pa；pe為平衡壓力，pa；vb為緩沖瓶體積，m3；vw為沉渣上部凈鹵水體積；vv為沉渣空隙體積；r為摩爾氣體常數(shù)，取8.314j/(mol·k)；z1、z2、z3分別為實(shí)驗(yàn)過程中緩沖瓶內(nèi)、壓力室內(nèi)和膨脹后的氣體壓縮系數(shù)；t1、t2、t3分別為緩沖瓶內(nèi)、壓力室內(nèi)和膨脹后的溫度(k)；n1、n2分別為緩沖瓶和壓力室中氣體摩爾數(shù)。氣體膨脹過程中，壓力室內(nèi)的壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，室溫25℃，若忽略氣體壓力對沉渣顆粒體積的影響和氣體壓縮因子的變化，有：
43、z1＝z2＝z3?(4)
44、t1＝t2＝t3?(5)
45、聯(lián)立式(1)-(5)，得到：
46、pe(vb+vw+vv)＝pbvb+pa(vw+vv)?(6)
47、又由沉渣空隙率公式：
48、
49、式中，vs為壓力室下部沉渣堆積體的總體積；n為沉渣空隙率。
50、聯(lián)立式(6)和式(7)，得到沉渣顆?？障堵视?jì)算公式如下：
51、