本發明涉及石油天然氣地質領域，尤其涉及一種超深層碳酸鹽巖溶蝕模擬實驗裝置與方法。

背景技術：

1、隨著中淺層(埋深<4500m)油氣資源的開采和資源量的衰減，進入地球深層(埋深4500～6000m)乃至超深層(埋深>6000m)尋找油氣資源成為當今油氣勘探的現實需求及重要趨勢。

2、但是，超深層碳酸鹽巖地質條件復雜、認識程度底、勘探難度大，因此超深層碳酸鹽巖規模儲層形成機制與分布規律成為油氣勘探亟需解決的關鍵科學問題。

3、水巖反應模擬實驗是研究碳酸鹽巖溶蝕作用機理的重要方法，可通過設置不同的實驗條件再現溫壓-流體控制下的碳酸鹽巖溶蝕過程，從而為查明碳酸鹽巖溶蝕規律、預測有利儲層發育區提供依據。

4、中國發明專利申請cn102435716a公開了一種成巖作用模擬實驗裝置，中國發明專利申請cn104407118a公開了一種碳酸鹽巖溶蝕作用與溶蝕效益的分析方法，其實現了應用實際巖石柱塞樣品開展巖石內部溶蝕實驗模擬，優勢是實驗過程中水巖比和水動力方式比較接近地下條件，并能分析溶蝕前后巖石內部孔隙演化。但是，白云巖樣品孔隙類型復雜多樣，包括了晶間孔、鮞模孔、溶洞、裂縫等，溶蝕過程中孔隙結構往往發生變化并形成流體運移優勢通道，這會引起流體與巖石接觸面積發生改變，導致巖石溶蝕量下降，必然會影響溫度、壓力和流體因素對溶蝕作用的準確認識，且白云巖水巖反應數據不具有重復性和再現性。

5、中國發明專利申請cn105137033a公開了一種膏鹽-碳酸鹽巖儲層表生巖溶效果定量評價方法及裝置，其只關注表生環境下膏鹽-碳酸鹽巖溶蝕效果與定量評價，不適用于埋藏階段白云巖水巖反應的高溫高壓條件；雖然其考慮了巖石樣品中膏鹽成分對溶蝕的影響，但忽略了地層水屬性因素，然而地層中白云石廣泛存在，流體性質才是影響白云巖溶蝕和沉淀的關鍵因素；采用巖石樣品浸泡于溶液的形式，水巖比和水動力方式不符合地下實際，且巖石溶蝕量所代表的化學內涵不明確。

6、中國發明專利cn106323812b(專利號：cn201510387709.6)公開了一種用于水巖模擬流動試驗的試驗裝置，包括控制單元；內部設置有多個樣品管的反應釜；恒流泵，恒流泵包括多個活塞缸、多個換向單元和驅動機構。在該裝置中可以同時進行多組水巖模擬流動的對照試驗，該試驗裝置可以保證多組巖石樣品在同樣的試驗條件下與反應液進行反應。但是該裝置的不足為：模擬實驗中人工配置的co2流體、乙酸流體、h2s溶液之間與巖石進行反應，沒有考慮到地下流體要跨域不同層系及運移過程中流體屬性發生變化；進入反應釜與巖石反應流體只有恒流泵驅動這一單一方式，沒有區分流體驅動力類型，不能客觀模擬地質邊界條件下流體與儲集層發生的溶蝕、膠結或交代等成巖作用。

7、地下碳酸鹽巖廣泛分布，碳酸鹽巖與酸性流體之間的反應很快達到化學平衡。

8、楊云坤等(基于模擬實驗的原位觀察對碳酸鹽巖深部溶蝕的再認識[j]，北京大學學報(自然科學版)，2014，50(2)：316-322)據此利用金剛石壓腔(dac)技術，針對碳酸鹽巖設計了一套隨埋深增加的水-巖作用模擬實驗，盡管可以原位觀察明顯的膠結(沉淀)。但不能定量分析碳酸鹽巖水巖反應的溶蝕量，更不能分析地層水屬性在白云巖水巖反應過程中的具體作用。

9、范明等(酸性流體對碳酸鹽巖儲層的改造作用[j]，地球化學，2009，38(1)：20-26)自主設計了碳酸鹽巖溶蝕速率測定儀。但該實驗裝置和實驗方法致力于評價碳酸鹽巖的溶蝕速度，要求碳酸鹽巖水巖反應結果遠離化學平衡，由于巖石樣品量少的緣故，反應生成的流體仍然具備和巖石反應的能力。

10、縱觀國內外研究現狀，根據水巖反應方式，碳酸鹽巖溶蝕模擬實驗裝置可分為巖石表面溶蝕和巖石內部溶蝕：巖石表面溶蝕實驗裝置主要包括酸巖反應旋轉巖盤儀、高溫高壓管式流動反應裝置、金剛石壓腔和熔融毛細硅管；巖石內部溶蝕實驗裝置包括高溫高壓巖心滲流模擬裝置。

11、顯而易見，巖石表面溶蝕實驗樣品多采用巖石顆粒或塊體，水巖反應主要發生在巖石的表面，具“水包巖”特征，水巖比與水動力條件與埋藏環境相差較大，主要側重于碳酸鹽巖水巖反應實驗中的化學反應。但是，正如有地質家對碳酸鹽巖儲層發生埋藏溶蝕增孔提出疑問，認為碳酸鹽巖與酸性流體發生溶解增孔的化學機制毋庸置疑，問題是酸性流體在長距離運移過程中保留酸性的機制是什么，埋藏溶蝕增孔規模有多大，埋藏溶蝕有利分布主控因素和分布規律是什么？因此，不能將碳酸鹽巖埋藏溶蝕簡化為化學反應作用，要圍繞超深層碳酸鹽巖規模儲層形成機制與分布規律這一核心地質問題，從地質系統角度開展地質模式約束下的碳酸鹽巖溶蝕模擬實驗。

12、就目前技術現狀來看，盡管現有設備均不能滿足中國超深層-強改造碳酸鹽巖溶蝕模擬實驗的需求，但經過長期研究積累，上述實驗設備為研發超深層碳酸鹽巖溶蝕模擬實驗裝置打下了堅實的基礎。

13、目前來看，以往碳酸鹽巖溶蝕模擬實驗多聚焦于6000米以淺的埋藏深度，且實驗流體以有機酸溶液為主，尚未系統開展超深層(埋深>6000m)和強改造地質背景下的碳酸鹽巖溶蝕模擬實驗，對超深埋藏環境下礦物溶蝕-沉淀機制及其成儲效應仍然不清，例如，超深層環境下碳酸鹽巖能否發生規模溶蝕作用？深源熱流體(熱液)能否改善儲層儲集性能？如何定量模擬碳酸鹽巖溶蝕增孔-膠結減孔這一動態過程的演變規律及其主控因素？侵蝕性流體跨構造期長距離運移過程中能否保留酸性？

14、這些機理問題均是超深層碳酸鹽巖規模儲層形成機制與分布規律的研究焦點和難點，進而對仿真超深層溫度-應力-流體耦合作用下碳酸鹽巖溶蝕的模擬實驗裝置，提出更高的要求，既要滿足更高工作溫度、壓力和耐腐蝕性要求，更要實現水巖比與水動力方式接近地質實際、溶蝕增孔效應定量評價、溶蝕-沉淀作用下巖石內部孔隙結構的動態演化過程表征、流體跨構造期運移、高溫高壓流體屬性原位分析等必要的功能。

15、綜上，現有技術中難以對萬米超深層-強改造碳酸鹽巖溶蝕進行模擬實驗。

技術實現思路

1、本發明的目的是提供一種超深層碳酸鹽巖溶蝕模擬實驗裝置與方法，以解決現有技術中難以對萬米超深層-強改造碳酸鹽巖溶蝕進行模擬實驗的技術問題。

2、本發明的上述目的可采用下列技術方案來實現：

3、本發明提供一種超深層碳酸鹽巖溶蝕模擬實驗裝置，包括：

4、至少兩個串聯布置的反應釜，所述反應釜包括圍壓機構和軸壓機構，所述圍壓機構具有用于容納巖心的巖心腔并能夠對所述巖心施加圍壓，所述軸壓機構用于對所述巖心腔中的巖心施加軸壓，所述軸壓機構設置有與所述巖心腔連通的反應溶液接口；

5、溶液壓力容器系統，其能夠提供反應溶液并經所述反應溶液接口注入到所述巖心腔中；

6、至少兩個回壓控制裝置，各個所述反應釜的所述巖心腔的出口端連接所述回壓控制裝置；

7、檢測系統；

8、所述反應釜的巖心腔串聯連通，所述溶液壓力容器系統提供的反應溶液能夠順次流經串聯連通的所述巖心腔，所述檢測系統用于分別對各個所述巖心腔進行檢測。

9、在優選的實施方式中，所述檢測系統包括至少兩個原位視窗檢測機構，所述原位視窗檢測機構包括高溫高壓流體原位檢測池和光譜儀，所述高溫高壓流體原位檢測池串聯于所述巖心腔的出口端與所述回壓控制裝置之間。

10、在優選的實施方式中，所述高溫高壓流體原位檢測池包括溶液腔體、固定機構和窗口部，所述溶液腔體通過所述固定機構固定于所述巖心腔的出口端與所述回壓控制裝置之間；所述溶液腔體設置有溶液入口和溶液出口，所述溶液入口與所述巖心腔的出口端連接，所述溶液出口與所述回壓控制裝置連接；所述窗口部設置于所述溶液腔體，所述光譜儀設置于所述窗口部外側，所述溶液腔體內的光線能夠經所述窗口部向所述光譜儀傳播。

11、在優選的實施方式中，所述窗口部包括金屬筒體、隔熱陶瓷套和藍寶石玻璃，所述隔熱陶瓷套和所述藍寶石玻璃分別設置于所述金屬筒體的兩端，并且，所述藍寶石玻璃具有大徑部和小徑部，所述小徑部至少部分插設于所述金屬筒體中。

12、在優選的實施方式中，所述檢測系統包括與所述反應釜一一對應的壓力檢測機構；所述壓力檢測機構包括入口壓力傳感器、出口壓力傳感器和壓差傳感器，所述入口壓力傳感器設置于所述巖心腔的入口端，所述出口壓力傳感器設置于所述巖心腔的出口端；所述壓差傳感器設置于所述巖心腔的入口端和出口端之間以檢測入口端和出口端的流體壓力差值。

13、在優選的實施方式中，所述回壓控制裝置包括回壓控制器和回壓泵，回壓泵與回壓控制器連接，所述回壓控制器設置于后一個所述巖心腔的入口端與所述高溫高壓流體原位檢測池之間。

14、在優選的實施方式中，所述圍壓機構包括銅套和支撐套，所述銅套的內腔形成所述巖心腔，所述支撐套包裹在所述銅套外部，所述支撐套設置有圍壓流體通道，圍壓流體通過所述圍壓流體通道進入所述支撐套與所述銅套之間以使所述銅套對巖心施加圍壓。

15、在優選的實施方式中，所述圍壓流體通道連接圍壓泵，所述圍壓泵用于向所述圍壓流體通道輸送圍壓流體。

16、在優選的實施方式中，所述圍壓泵和所述回壓泵連接至同一水容器。

17、在優選的實施方式中，所述反應釜包括溫度控制儀，所述溫度控制儀用于調控圍壓流體的溫度。

18、在優選的實施方式中，所述軸壓機構包括設置于所述銅套兩端的液壓推桿式堵頭，所述反應溶液接口設置于所述液壓推桿式堵頭。

19、在優選的實施方式中，所述溶液壓力容器系統包括壓力容器、氣瓶、氣體增壓泵、和體流量計、氣體緩沖罐和雙柱塞泵，所述氣體增壓泵連接至所述壓力容器，所述氣瓶、所述氣體增壓泵、氣體緩沖罐和所述氣體流量計依次串聯連接至所述壓力容器，所述壓力容器連接至所述反應溶液接口。

20、在優選的實施方式中，所述檢測系統包括電子天平；串聯連接的所有所述反應釜的末端連接取樣器，所述取樣器設置于所述電子天平上。

21、本發明提供一種超深層碳酸鹽巖溶蝕模擬實驗方法，采用上述的超深層碳酸鹽巖溶蝕模擬實驗裝置，所述實驗方法包括：

22、所述反應釜對所述巖心腔中的巖心施加圍壓和軸壓；

23、所述溶液壓力容器系統提供反應溶液并注入到所述巖心腔中，所述回壓控制裝置控制各個所述巖心腔的出口端壓力；

24、所述檢測系統分別對各個所述巖心腔進行檢測。

25、本發明的特點及優點是：

26、該超深層碳酸鹽巖溶蝕模擬實驗裝置中，多個反應釜串聯布置，溶液壓力容器系統提供的反應溶液依次流經各個反應釜中的巖心；回壓控制裝置對各個反應釜中的流體壓力進行獨立地控制，各個反應釜中的圍壓機構和軸壓機構分別對其中的巖心施加圍壓和軸壓，從而對巖心同時加載模擬靜巖壓力和流體壓力，驅動流體跨越兩個及以上溫度和壓力條件的反應釜，實現地質模式約束下的碳酸鹽巖跨構造期溶蝕模擬，進行多階段-連續流模擬，有利于滿足超深層-強改造碳酸鹽巖溶蝕模擬實驗需求。