本實用新型涉及非常規(guī)天然氣儲氣向斜構(gòu)造盆地地層水溶解氣(簡稱水溶氣)運移能力及水溶氣對儲層氣體碳同位素分餾機(jī)理模擬裝置，屬于低滲透自生自儲非常規(guī)天然氣(如煤層氣/頁巖氣)構(gòu)造盆地固、液和氣體三相混合介質(zhì)中水溶氣運移規(guī)律及同位素分餾技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前，水溶氣對非常規(guī)天然氣成藏的貢獻(xiàn)開始受到重視，地層水中溶解的烴類氣體簡稱水溶氣，水溶氣實際上也是非常規(guī)天然氣(包括煤層氣/頁巖氣)賦存狀態(tài)的重要形式之一。非常規(guī)天然氣生成和運移成藏過程中始終與地層水伴生，地層水可能會對非常規(guī)天然氣組分、碳同位素產(chǎn)生分餾作用，這可能也是非常規(guī)天然氣(如煤層氣)碳同位素變輕的一個原因。但水溶氣如何影響儲層盆地含氣性的分布？流動的地層水溶解和搬運儲層氣體后，儲層氣體碳同位素分餾的機(jī)理如何？這些問題都有待進(jìn)一步研究。為此，本實用新型設(shè)計了室內(nèi)物理模擬裝置，模擬非常規(guī)天然氣(煤層氣/頁巖氣)儲氣構(gòu)造盆地剖面幾何特征和地下水流動特點，研究地下水流動過程溶解氣體的能力及對氣體穩(wěn)定同位素分餾的影響，為煤層氣成藏及成因研究提供數(shù)據(jù)支撐。

非常規(guī)天然氣(煤層氣/頁巖氣)具有自生自儲的特點，對其有利的典型地質(zhì)構(gòu)造為向斜構(gòu)造或向斜構(gòu)造的一翼。向斜構(gòu)造的普遍形態(tài)為兩翼翹起，中部相對平緩。盆地地下水的補(bǔ)給為兩翼含水層露頭，然后沿含水層向盆地中部徑流，并在水頭壓力差的作用下，從含水層露頭相對標(biāo)高較低的一翼溢出，溢出端稱為排泄區(qū)，相對較高的一翼稱為補(bǔ)給區(qū)，兩翼水位標(biāo)高連線之間稱為承壓區(qū)。如圖1所示，對于自生自儲的非常規(guī)天然氣(包括煤層氣/頁巖氣)儲層盆地，兩翼可以按儲層傾斜程度劃分類型，一般可劃分為近水平段(α≤5°)、緩傾斜段(5°＜α≤15°)、傾斜段(15°＜α≤35°)、急傾斜段(α＞35°)，并由此計算每個劃分段的長度，確定剖面不同傾斜段之間的組合關(guān)系，提取剖面形態(tài)特征，為室內(nèi)模擬試驗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種非常規(guī)天然氣儲氣構(gòu)造盆地地層水溶解氣(簡稱水溶氣)運移能力、水溶氣對儲層氣體碳同位素分餾影響的模擬裝置，能夠模擬低滲透自生自儲非常規(guī)天然氣(如煤層氣/頁巖氣)構(gòu)造盆地固、液和氣體三相混合介質(zhì)中水溶氣運移規(guī)律、水溶氣對儲層氣體含氣性分布及氣體同位素分餾作用，同時本實用新型裝置還可以完成氣體溶解能力模擬實驗和三相介質(zhì)的滲流模擬實驗。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型所采用的技術(shù)方案包括：儲層模擬系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、氣液回收系統(tǒng)、樣品采集系統(tǒng)、飽和與抽真空系統(tǒng)、起吊控制系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)及相關(guān)連接管路。儲層模擬系統(tǒng)包括順序連接的3條空心模擬管路，分別對應(yīng)于向斜構(gòu)造的兩翼和核心區(qū)域，其長度和坡度根據(jù)原型盆地剖面形態(tài)按一定的相似比制作，用于模擬低滲透自生自儲非常規(guī)天然氣(如煤層氣/頁巖氣)構(gòu)造盆地固、液和氣體三相混合介質(zhì)中水溶氣運移規(guī)律、水溶氣同位素分餾規(guī)律、氣體溶解能力和三相介質(zhì)的滲流等室內(nèi)模擬試驗。模擬管路一端與供水系統(tǒng)連接，同時引出一條采樣管，供水系統(tǒng)可為儲層模擬系統(tǒng)提供穩(wěn)定的水壓力場和恒定水流；另一端與氣液回收系統(tǒng)連接，同時也可兼做1條采樣管，氣液回收系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集流出儲層模擬系統(tǒng)的氣體和液體。為了試驗前期準(zhǔn)備和中間采樣，在模擬管路中間相互連接部位再設(shè)置2條采樣管，每條采樣管再一分為二，分別連接飽和與抽真空系統(tǒng)和樣品采集系統(tǒng)。根據(jù)研究需要也可同時在兩翼模擬管路坡度變化部位引出采樣管，與樣品采集系統(tǒng)連接。飽和與抽真空系統(tǒng)可使模擬管路內(nèi)樣品形成含氣飽和狀態(tài)，模擬自生自儲含氣飽和儲層，還原原始均勻含氣儲層。樣品采集系統(tǒng)可按設(shè)計要求對模擬管路不同采樣點進(jìn)行樣品采集，用于分析模擬過程中樣品屬性的變化，為后續(xù)研究提供數(shù)據(jù)支撐。起吊控制系統(tǒng)包括固定架和起吊裝置，固定架懸掛在起吊裝置之下，用于固定儲層模擬系統(tǒng)的3條模擬管路及部分采樣管路，儲層模擬系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的連接采用軟管柔性連接，便于起吊裝置起吊和降落儲層模擬系統(tǒng)，使模擬管路浸沒在恒溫控制系統(tǒng)的恒溫箱液面之下或抬升到液面之上。恒溫控制系統(tǒng)為儲層模擬系統(tǒng)提供恒定的溫度場。

為實現(xiàn)本實用新型之目的，采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種自生自儲向斜構(gòu)造盆地水溶氣運移模擬裝置，包括：儲層模擬系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、氣液回收系統(tǒng)、樣品采集系統(tǒng)、飽和與抽真空系統(tǒng)、起吊控制系統(tǒng)，其中：

儲層模擬系統(tǒng)包括模擬管路，模擬管路上設(shè)置有多個采樣點；

供水系統(tǒng)與儲層模擬系統(tǒng)通過管路連接，為儲層模擬系統(tǒng)供水；

氣液回收系統(tǒng)和樣品采集系統(tǒng)均與儲層模擬系統(tǒng)通過管路連接；

飽和與抽真空系統(tǒng)通過管路與儲層模擬系統(tǒng)連接；

起吊控制系統(tǒng)用于懸吊儲層模擬系統(tǒng)。

所述的自生自儲向斜構(gòu)造盆地水溶氣運移模擬裝置，其中：該裝置還包括恒溫控制系統(tǒng)，恒溫控制系統(tǒng)包括恒溫箱，恒溫箱中盛有液體，儲層模擬裝置通過起吊控制系統(tǒng)懸吊浸泡在恒溫箱中的液體內(nèi)。

所述的自生自儲向斜構(gòu)造盆地水溶氣運移模擬裝置，其中：

儲層模擬系統(tǒng)包括第一模擬管路、第二模擬管路和第三模擬管路，第一模擬管路和第二模擬管路下端通過第三模擬管路相互連通，第一模擬管路和第二模擬管路的上端分別設(shè)置第四采樣點和第一采樣點，所述第四采樣點和第一采樣點分別通過連接管路連接樣品采集系統(tǒng)和氣液回收系統(tǒng)，第四采樣點通過連接管路連接供水系統(tǒng)；在第一模擬管路與第三模擬管路的連接處以及第二模擬管路與第三模擬管路的連接處分別設(shè)置第三采樣點和第二采樣點，第三采樣點和第二采樣點中的任一個分別通過連接管路與樣品采集系統(tǒng)和氣液回收系統(tǒng)連接以及與飽和與抽真空系統(tǒng)連接。

所述的自生自儲向斜構(gòu)造盆地水溶氣運移模擬裝置，其中：

供水系統(tǒng)包括供水泵、水壓表、供水閥門、定壓閥和儲水箱；

供水泵與儲層模擬系統(tǒng)通過供水管路連接，該供水管路與供水泵之間設(shè)置供水閥門和水壓表，儲水箱為供水泵提供水源，定壓閥安裝在連接器與第一采樣點之間的連接管路上，配合供水泵設(shè)定儲層模擬系統(tǒng)壓力。

所述的自生自儲向斜構(gòu)造盆地水溶氣運移模擬裝置，其中：

氣液回收系統(tǒng)包括氣壓表、第一排泄管、閥門、氣液分離器、氣體回收容器、液體回收容器；

所述氣液分離器為一個帶豎向中隔板的容器，中隔板從上向下把容器豎向一分為二，分為氣液分離室和溢流室，中隔板除了其底邊不與容器底部內(nèi)壁連接外，中隔板的上邊、兩側(cè)邊均分別與容器頂部內(nèi)壁，側(cè)部內(nèi)壁密閉連接，因此容器底部不封閉可使兩邊連通。溢流室頂部開有一個孔，與液體回收容器通過管路連接，氣液分離室頂部開有兩個孔，一孔通過管路與氣體回收容器連通，該管路上設(shè)有閥門，另一孔通過第一排泄管與連接器的出端口連接，該管路上設(shè)置有液體回收閥門，第一排泄管管端插于氣液分離室中距氣液分離室底部不大于氣液分離室的1/2高度，且距氣液分離室底部不小于2～3倍的中隔板底部距氣液分離室底部的距離。工作時，氣液分離器中預(yù)先裝滿水，或裝水高度至少淹沒第一排泄管管端。

所述的自生自儲向斜構(gòu)造盆地水溶氣運移模擬裝置，其特征在于樣品采集系統(tǒng)包括氣液分離裝置，其中：

所述氣液分離裝置包括閥門、氣液分離器、氣體壓力平衡瓶、氣體收集管、第二排泄管和溫度傳感器；

所述氣液分離器為底部側(cè)面開孔和頂部開孔的密閉透明容器，且側(cè)面標(biāo)畫刻度，頂部開孔中的一個孔安裝氣體收集管，氣體收集管上安裝氣體收集閥門，氣體收集管管端與容器頂部齊平；另一個孔插第二排泄管，第二排泄管上設(shè)置有閥門，第二排泄管管端深插于氣液分離器中液面之下距氣液分離器底部不大于氣液分離器的1/3高度處；第三孔安裝溫度傳感器；

所述氣體壓力平衡瓶為側(cè)面開2孔的透明敞口容器，一孔靠近上部，為溢流孔，溢流孔下沿高度與氣液分離瓶頂部齊平；另一孔靠近容器底部，開孔位置與氣液分離瓶底部側(cè)面開孔高度相同，該另一孔與氣體分離瓶底部側(cè)面開孔通過管路連通，氣體壓力平衡瓶內(nèi)放置供水管，供水管另一端連接儲水箱，供水管上設(shè)置閥門。

所述的自生自儲向斜構(gòu)造盆地水溶氣運移模擬裝置，其中：

飽和與抽真空系統(tǒng)包括真空泵、閥門、高壓供氣源、壓力閥門、減壓閥、氣壓表、供氣質(zhì)量流量計、三通；

高壓供氣源根據(jù)供氣需要提供不同種類的氣體；

三通第一端與高壓供氣源之間的主供氣管路上設(shè)置有壓力閥門、減壓閥、氣壓表和供氣質(zhì)量流量計；三通第二端通過管路與真空泵連接，該管路上也設(shè)有閥門；三通第三端連接供氣管路的一端，該供氣管路另一端分出兩條支路，每條支路分別與第二采樣點和第三采樣點連接，兩條支路上分別設(shè)置有一個閥門。

附圖說明

圖1為非常規(guī)天然氣(煤層氣/頁巖氣)盆地形態(tài)及地下水徑流示意圖；

圖2為自生自儲向斜構(gòu)造盆地水溶氣運移模擬裝置示意圖；

圖3為儲層模擬系統(tǒng)俯視圖；

圖4為氣液分離器放大圖；

圖5為固定架前視放大圖；

圖6為固定架俯視放大圖。

圖中，1為模擬管路；2為模擬管路；3為模擬管路；4為恒溫箱及控制系統(tǒng)；5為真空泵；6為閥門；7為高壓供氣源；8為閥門；9為減壓閥；10為三通；11為氣壓表；12為供氣質(zhì)量流量計；13為恒壓恒流供水泵；14為水壓表；15為閥門；16(1)和16(2)為閥門；17為儲水箱；18為固定架；18(1)為水平支撐；18(2)為定位管卡；19(1)～19(4)為氣壓表；20為定壓閥；21為溫度傳感器；22為起吊橫梁；23為固定架；23(1)為豎向支撐；23(2)為定位管卡；23(3)為環(huán)向支撐；23(4)為水平內(nèi)撐；24為閥門；25(1)～25(4)為軟管；26(1)為第一排泄管；26(2)為第二排泄管；27為氣液分離器；28為氣體壓力平衡瓶；29為溢流孔；30為氣體收集管；31為閥門；32為橡膠管；33為閥門；34(1)～34(4)為采樣點；35(1)～35(4)為閥門；36為連接器；36(1)～36(4)為進(jìn)端口；36(e)為出端口；37為溫度傳感器；38為氣液分離器；38(1)為氣液分離室；38(2)為溢流室；38(3)為中隔板；39為氣體回收容器；40為液體回收容器；41(1)和41(2)為閥門，42為刻度。

具體實施方式

如圖2所示，自生自儲向斜構(gòu)造盆地水溶氣運移模擬裝置包括：儲層模擬系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、氣液回收系統(tǒng)、樣品采集系統(tǒng)、飽和與抽真空系統(tǒng)、起吊控制系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)、連接管路系統(tǒng)(包括連接器和與各系統(tǒng)連接的多條連接管路)。

恒溫控制系統(tǒng)包括恒溫箱4和溫度傳感器21，恒溫箱4中盛有液體，如水、煤油等，儲層模擬裝置浸泡在恒溫箱4中的液體內(nèi)。該恒溫控制系統(tǒng)的作用是保證試驗過程中所需的恒定溫度場，溫度傳感器21一端伸入恒溫箱4中監(jiān)測液體溫度，另一端包括溫度顯示裝置，設(shè)置在恒溫箱外部，用于顯示液體溫度。

儲層模擬系統(tǒng)包括3條空心模擬管路，分別為模擬管路1、模擬管路2和模擬管路3。模擬管路1用于模擬盆地補(bǔ)給側(cè)所在向斜翼，模擬管路2用于模擬盆地排泄側(cè)所在向斜翼，模擬管路3用于模擬盆地核心部近水平段。模擬管路1和模擬管路2呈環(huán)形盤繞彎曲，其分段長度由幾何相似比確定，分段坡度同原型剖面，分段坡度的變化通過改變模擬環(huán)形管路的管路間距h_i或H_j實現(xiàn)(i、j為自然數(shù))。模擬管路3為水平蛇形彎曲，其長度由幾何相似比確定。由公式(1)～(3)確定：

s＝l_i/l_原i＝L_i/L_原i＝b/B_原 (1)

sinα_i＝h_i/l_i (2)

sinβ_i＝H_j/L_j (3)

式中：s為模型與原型的幾何相似比；

l_原i、L_原i分別為原型盆地補(bǔ)給側(cè)和排泄側(cè)的分段長度；

b、B_原分別為向斜盆地模型與原型核部近水平段長度；

α_i、β_i分別為原型盆地補(bǔ)給側(cè)和排泄側(cè)的分段坡度統(tǒng)計中位數(shù)；

h_i、l_i分別為盆地補(bǔ)給側(cè)按相似比確定模擬管路分段間距和分段長度；

H_j、L_j為盆地排泄側(cè)按相似比確定的模擬管路分段間距和分段長度。

模擬管路1和模擬管路2下端通過模擬管路3相互連通，模擬管路1上端連接供水系統(tǒng)，模擬管路2上端連接氣液回收系統(tǒng)，模擬管路1和模擬管路2的上端分別布置第四采樣點34(4)和第一采樣點34(1)，第一采樣點34(1)和第四采樣點34(4)分別連接樣品采集系統(tǒng)。儲層模擬系統(tǒng)至少還需在以下兩個地方設(shè)置采樣點：第三采樣點34(3)為模擬管路1與模擬管路3的連接處，第二采樣點34(2)為模擬管路2與模擬管路3的連接處，從采樣點34(2)和34(3)分別設(shè)置三通引出支線管路，支線管路再一分為二，分別與樣品采集系統(tǒng)和飽和與抽真空系統(tǒng)連接。根據(jù)研究需要，同時也可在模擬管路1和模擬管路2的坡度變化處設(shè)置采樣管路，引出支線管路，分別與樣品采集系統(tǒng)連接。

如圖2、3、5、6所示起吊控制系統(tǒng)包括起吊橫梁22、兩個垂直固定架23(包括豎向支撐23(1)、定位管卡23(2)、環(huán)向支撐23(3)、水平內(nèi)撐23(4))、水平固定架18(包括水平支撐18(1)和定位管卡18(2))和起吊裝置。兩個固定架23基本垂直于水平固定架18地設(shè)置，固定架23的構(gòu)造形式為底部和頂部分別設(shè)有環(huán)向支撐23(3)，上下環(huán)向支撐23(3)平面各設(shè)置垂直相交的兩根水平內(nèi)撐23(4)，上下兩根水平內(nèi)撐兩兩相互平行，上下水平內(nèi)撐23(4)與環(huán)向支撐23(3)相交處，設(shè)置四根垂直環(huán)向支撐平面的豎向支撐23(1)，豎向支撐23(1)安裝可上下移動的定位管卡23(2)，分別用于固定模擬管路1和模擬管路2以及采樣點引出支管；固定架18為兩根平行的水平支撐18(1)，水平支撐18(1)兩端與固定架23的底面環(huán)向支撐23(3)及水平內(nèi)撐23(4)固定連接，水平支撐18(1)上設(shè)置定位管卡18(2)，用于固定模擬管路3。上述水平支撐18(1)、水平內(nèi)撐23(4)以及豎向支撐23(1)可以是支撐桿、空心支撐柱，材料為鐵、鋼等金屬，上下環(huán)向支撐23(3)可以是實心或空心圓環(huán)；水平支撐、豎向支撐、環(huán)向支撐互相之間的連接采用焊接或螺栓等方式。兩個固定架23分別懸掛在起吊橫梁22下面兩側(cè)的位置，固定架18在兩個固定架23的下部呈基本水平的設(shè)置，兩端分別與該兩個固定架23相連，起吊橫梁22、固定架23和固定架18構(gòu)成一個完整的固定裝置，懸掛于起吊裝置之下，通過控制起吊裝置可使儲層模擬系統(tǒng)沉入保溫箱4的液面以下和抬升到保溫箱4的液面之上。

在儲層模擬系統(tǒng)的模擬管路1、模擬管路2和模擬管路3中充填有樣品，樣品為多孔含氣介質(zhì)，所含氣體可為純凈甲烷氣、煤層氣、天然氣、頁巖氣等，含氣飽和度達(dá)85％以上，介質(zhì)可為煤巖樣品、頁巖、泥巖、活性炭等，未含氣介質(zhì)需預(yù)處理，通過飽和與抽真空系統(tǒng)對充填樣品進(jìn)行抽真空，然后對樣品進(jìn)行飽和充氣處理，使其含氣飽和度達(dá)85％以上。上述模擬管路連接以后，固定在起吊控制系統(tǒng)固定架上，由起吊裝置放入溫度控制系統(tǒng)中的恒溫箱中，由供水系統(tǒng)供水，為儲層模擬系統(tǒng)管路內(nèi)充填樣品提供一個穩(wěn)定水壓場和穩(wěn)定滲流水流，同時由恒溫控制系統(tǒng)保持穩(wěn)定的溫度場。水流流過儲層模擬系統(tǒng)，在流動的過程中，樣品所含氣體(氣體可為純凈甲烷、煤層氣、頁巖氣等)溶解于水形成水溶氣，一部分水溶氣隨著水流動，氣體被帶到管路其他地方，與煤巖樣品吸附氣通過解吸與吸附作用發(fā)生交換，一部分被帶出儲層模擬系統(tǒng)，進(jìn)入氣液回收系統(tǒng)，氣體散失，從而打破煤巖樣品的原來的含氣性平衡，從而可以實現(xiàn)模擬低滲透自生自儲非常規(guī)天然氣(如煤層氣/頁巖氣)構(gòu)造盆地固、液和氣體三相混合介質(zhì)中水溶氣運移規(guī)律和水溶氣同位素分餾規(guī)律。模擬管路的材質(zhì)可選用耐高壓、高溫、氣密性質(zhì)材，如玻璃管、鋼管、銅管等，對空心管路內(nèi)部需鈍化處理。

供水系統(tǒng)包括恒壓恒速供水泵13、水壓表14、供水閥門15、定壓閥20和儲水箱17。供水系統(tǒng)與儲層模擬系統(tǒng)的模擬管路1上端采樣點34(4)通過軟管25(4)連接。軟管25(4)與恒壓恒速供水泵13之間設(shè)置供水閥門15和水壓表14，儲水箱17通過管路為恒壓恒速供水泵13提供水源，定壓閥20安裝在進(jìn)端口36(1)與采樣點34(1)之間的連接管路上。供水根據(jù)模擬實驗的目的可選擇盆地地層水、去離子水或純凈水等。通過調(diào)節(jié)供水泵13壓力和定壓閥20可實現(xiàn)供水系統(tǒng)為儲層模擬系統(tǒng)的樣品穩(wěn)定供水，同時為儲層模擬系統(tǒng)提供一個恒定的水壓力場和穩(wěn)定水流，試驗流量為0.05～1m³/min，供水壓力按原型盆地儲層靜水壓力p＝γh(γ為水的重度，h為儲層埋深)確定。

氣液回收系統(tǒng)包括氣壓表19(1)、軟管25(1)、第一排泄管26(1)、閥門31、閥門35(1)、氣液分離器38(包括氣液分離室38(1)、溢流室38(2)和中隔板38(3))、氣體回收容器39、液體回收容器40和液體回收閥門41(1)。氣液分離器38為一個帶豎向中隔板38(3)的容器，中隔板38(3)從上向下把容器豎向一分為二，分為氣液分離室38(1)和溢流室38(2)，中隔板38(3)除了其底邊不與容器底部內(nèi)壁連接外，中隔板38(3)的上邊、兩側(cè)邊均分別與容器頂部內(nèi)壁，側(cè)部內(nèi)壁密閉連接，中隔板38(3)底沿與容器底部很接近，即距離容器底部的距離很小，呈一條縫隙狀，因此容器底部不封閉可使兩邊連通。溢流室38(2)頂部開1孔，與液體回收容器40通過軟管連接。氣液分離室38(1)頂部開2孔，一孔通過氣體回收管路與氣體回收容器39連通，氣體回收管路上有閥門31，另一孔通過第一排泄管26(1)與連接器36出端口36(e)連接，第一排泄管26(1)上設(shè)置有液體回收閥門41(1)，第一排泄管26(1)管端插于氣液分離室38(1)中距容器底部距離不大于容器的1/2高度，且距容器底部的距離不小于2～3倍的中隔板38(3)底沿距離容器底部的距離。第一排泄管26(1)通過管路與連接器36出端口36(e)連接，然后經(jīng)連接器36，由進(jìn)端口36(1)通過連接管路與軟管25(1)連接，再由軟管25(1)與儲層模擬系統(tǒng)的模擬管路2上端的采樣點34(1)連接，進(jìn)端口36(1)與采樣點34(1)之間的連接管路依次安裝有閥門35(1)、壓力表19(1)和定壓閥20。氣液回收系統(tǒng)可以收集儲層模擬系統(tǒng)流出的氣體和液體，使模擬系統(tǒng)構(gòu)成完整循環(huán)。

連接器36為具有多個進(jìn)端口和一個出端口36(e)的管路連接裝置，連接器36的第一進(jìn)端口～第四進(jìn)端口36(1)～36(4)分別通過第一采樣管路～第四采樣管路連接軟管25(1)～25(4)，軟管25(1)～25(4)再與模擬管路第一采樣點～第四采樣點34(1)～34(4)連接，用于采集各個采樣點的樣品，每個管路上分別設(shè)有閥門35(1)～35(4)，其中端口36(1)與采樣點34(1)之間的連接管路同時作為氣液回收系統(tǒng)的連接管路。連接器36的出端口36(e)通過第一排泄管26(1)連接氣液回收系統(tǒng)和樣品采集系統(tǒng)，其中第一排泄管26(1)與氣液回收系統(tǒng)相連，管路上設(shè)置樣品回收閥門41(1)；連接器36的端口36(e)還通過第二排泄管26(2)與樣品采集系統(tǒng)相連，管路上設(shè)置樣品采集閥門41(2)。連接器36的進(jìn)端口可以擴(kuò)充，數(shù)目與儲層模擬系統(tǒng)采樣點相匹配。

樣品采集系統(tǒng)包括樣品采集管路和氣液分離裝置兩部分，樣品采集管路為連接器36的進(jìn)端口36(1)～36(4)與模擬管路采樣點34(1)～34(4)之間的連接管路，每條管路上均設(shè)置氣壓表19和閥門35。樣品采集管路根據(jù)儲層模擬系統(tǒng)設(shè)置的采樣點34(i)(i為自然數(shù)，＝1，2，…)個數(shù)和位置配置相應(yīng)的采樣管路，用于采集儲層模擬系統(tǒng)不同部位的氣液混合樣品，不同采樣點的管路匯集至連接器36，與連接器36的進(jìn)端口36(i，i為自然數(shù)，與采樣點的數(shù)量相同)連接，然后由連接器36的出端口36(e)通過第二排泄管路26(2)連接氣液分離裝置。連接器36的進(jìn)端口36(i)、管路上氣壓表19(i)、閥門35(i)等構(gòu)件均按照采樣點34(i)數(shù)量和編號方法設(shè)置，按照“構(gòu)件名+(編號)”命名，如采樣點34(1)對應(yīng)的構(gòu)件為進(jìn)端口36(1)、氣壓表19(1)、閥門35(1)，其他依次類推，并依次連接相應(yīng)管路。

氣液分離裝置包括閥門24、第二排泄管26(2)、氣液分離器27、氣體壓力平衡瓶28(該氣體壓力平衡瓶28上部側(cè)壁上設(shè)置有液體溢流孔29)、氣體收集管30、橡膠管32、閥門33和溫度傳感器37。如圖4所示，氣液分離器27為下部側(cè)面和頂面開孔的密閉透明容器，且側(cè)面標(biāo)畫刻度42。頂部開孔中的一個孔安裝氣體收集管30，氣體收集管30上安裝有氣體收集閥門33，氣體收集管30管端與容器頂部齊平；另一個孔插第二排泄管26(2)，第二排泄管26(2)管端深插于氣液分離器27中液面之下距瓶底不大于氣液分離器27的1/3高度處；第三孔安裝溫度傳感器37，所有開孔壁與插管(或溫度傳感器)外壁之間密封。氣體壓力平衡瓶28為側(cè)面開2孔的透明敞口容器，一孔靠近上部，為溢流孔29，溢流孔29開孔下沿高度與氣液分離器27頂部齊平；另一孔靠近容器底部，開孔位置與氣液分離器27底部側(cè)面開孔高度相同，該另一孔與氣體分離器27底部側(cè)面開孔通過橡膠管32連通。氣體壓力平衡瓶28敞口，其內(nèi)放置供水管，供水管另一端連接儲水箱17，供水管上設(shè)置閥門24。工作時，氣液分離器27和氣體壓力平衡瓶28中注滿水，水位高度為溢流孔29下沿所在位置，氣液分離器27頂部不留空隙。該樣品采集系統(tǒng)功能可以實現(xiàn)對儲層模擬系統(tǒng)各個采樣點采集的氣液混合樣品進(jìn)行氣液分離，制備氣體樣品，為后續(xù)測試提供試驗樣品。

飽和與抽真空系統(tǒng)包括真空泵5、真空泵閥門6、高壓供氣源7、壓力閥門8、減壓閥9、三通10、氣壓表11、供氣質(zhì)量流量計12及其連接管路。飽和與抽真空系統(tǒng)與采樣點34(2)和采樣點34(3)通過供氣管路連接，采樣點34(2)為模擬管路2與模擬管路3連接處，采樣點34(3)為模擬管路1與模擬管路3的連接處，并在供氣管路上分別設(shè)置供氣閥門16(1)和16(2)。高壓供氣源7可以根據(jù)供氣需要，分別提供純凈的氮氣、純凈的甲烷氣體或模擬盆地儲層氣，如煤層氣、頁巖氣和純凈甲烷。三通10第一端與高壓供氣源7之間的主供氣管路上設(shè)置壓力閥門8、減壓閥9、氣壓表11和供氣質(zhì)量流量計12；三通10第二端通過抽氣管路與真空泵6連接，該抽氣管路上設(shè)有真空泵閥門6；三通10第三端連接供氣管路的一端，該供氣管路另一端分出兩條供氣支路，每條支路分別與采樣點34(2)和采樣點34(3)連接，第一供氣支路和第二供氣支路上分別設(shè)置有第一供氣閥門16(1)和第二供氣閥門16(2)。該飽和與抽真空系統(tǒng)可以對儲層模擬系統(tǒng)中充填的不含氣樣品抽真空，然后設(shè)定供氣壓力P對樣品進(jìn)行飽和充氣處理，制備高壓含氣樣品，樣品含氣飽和度達(dá)到85％以上，模擬自生自儲含氣儲層，還原原始均勻含氣儲層。

儲層模擬系統(tǒng)與供水系統(tǒng)、氣液回收系統(tǒng)、樣品采集系統(tǒng)和飽和與抽真空系統(tǒng)采用軟管25(i，i為自然數(shù)，i＝1，2，3，4)柔性連接，可使儲層模擬系統(tǒng)方便抬升和降低，利于試驗前模擬管路內(nèi)試樣安裝，試驗中控制模擬溫度，試驗后將模擬管路內(nèi)試樣取出。軟管25(i)為耐高溫、高壓彈性軟管，材質(zhì)可選用不銹鋼或橡膠等。

以下通過實施例一、二對利用本實用新型的自生自儲向斜構(gòu)造盆地水溶氣運移模擬裝置進(jìn)行的水溶氣對儲層非常規(guī)天然氣(如煤層氣)同位素分餾的影響實驗方法進(jìn)行說明：

實施例一：

如圖2所示，本實用新型自生自儲向斜構(gòu)造盆地水溶氣運移模擬裝置包括儲層模擬系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、氣液回收系統(tǒng)、樣品采集系統(tǒng)、飽和與抽真空系統(tǒng)、起吊控制系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)及相關(guān)連接管路。這個模擬實驗方法分為實驗前準(zhǔn)備、模擬實驗和采樣分析

一、實驗前準(zhǔn)備

1)根據(jù)儲氣構(gòu)造盆地原型剖面，劃分剖面含氣自生自儲儲層分段長度與坡度，確定剖面類型。由原型向斜盆地，確定盆地儲層剖面，根據(jù)儲層剖面坡度特征，提取表征儲層剖面特征的主要坡度類型、長度及組合關(guān)系，坡度類型按下列坡度分類原則劃分：近水平段(α≤5°)、緩傾斜段(5°＜α≤15°)、傾斜段(15°＜α≤35°)、急傾斜段(35°＜α)。向斜兩翼一般各劃分不超過3個主要坡度類型，確定剖面坡度類型主要組合關(guān)系，如緩傾-傾斜-急傾或緩傾-急傾-傾斜等不同組合關(guān)系，不同地段坡度相同者，其長度不影響剖面類型組合關(guān)系的次要坡度段，可以歸入決定剖面類型主長度坡度段，然后確定各主要坡度類型長度。

2)計算模擬管路分段長度、模擬管路分段間距及組合關(guān)系。確定模擬幾何相似比，由模擬幾何相似比確定儲層模擬系統(tǒng)相對應(yīng)模擬管路1、模擬管路2和模擬管路3的總長度及分段長度，模擬管路1和模擬管路2的分段坡度，根據(jù)坡度分類原則劃分和統(tǒng)計后，按原型盆地各分段坡度統(tǒng)計中位數(shù)確定，由公式(1)～(3)確定模擬管路長度及模擬管路分段間距：

s＝l_i/l_原i＝L_i/L_原i＝b/B_原 (1)

sinα_i＝h_i/l_i (2)

sinβ_i＝H_j/L_j (3)

式中：s為模型與原型的幾何相似比；

l_原i、L_原i分別為原型盆地補(bǔ)給側(cè)和排泄側(cè)的分段長度；

b、B_原分別為向斜盆地模型與原型核部近水平段長度；

α_i、β_i分別為原型盆地補(bǔ)給側(cè)和排泄側(cè)的分段坡度統(tǒng)計中位數(shù)；

h_i、l_i分別為盆地補(bǔ)給側(cè)按相似比確定模擬管路分段間距和分段長度；

H_j、L_j為代表盆地排泄側(cè)按相似比確定的模擬管路分段間距和分段長度。

i，j為自然數(shù)，分別代表盆地補(bǔ)給側(cè)模擬管路和盆地排泄側(cè)模擬管路的分段數(shù)。

3)制作剖面模擬管路，連接系統(tǒng)管路。制作完成對應(yīng)長度及坡度的模擬管路1、模擬管路2和模擬管路3后，按照剖面類型組合關(guān)系，連接模擬管路，將其分別固定在兩個垂直固定架23和一個水平固定架18上，其中模擬管路1、模擬管路2分別固定在兩個垂直固定架23上，并根據(jù)分段間距，調(diào)整管卡23(2)位置逐段固定，模擬管路3固定在水平固定架18上的管卡18(2)上，水平固定架18分別與兩個垂直固定架23的底部連接，將兩個垂直固定架23與起吊橫梁22組合后，將起吊橫梁22懸掛在起吊裝置上，然后依次把儲層模擬系統(tǒng)與其他系統(tǒng)連接。

儲層模擬系統(tǒng)連接方式為：模擬管路1上端連接軟管25(4)后連接供水系統(tǒng)，該管路上端同時作為采樣點34(4)與進(jìn)端口36(4)通過采樣管路連接；模擬管路2上端連接軟管25(1)后與氣液回收系統(tǒng)連通，該管路上端同時作為采樣點34(1)與進(jìn)端口36(1)通過采樣管路連接；模擬管路1與模擬管路3連接處引出支管作為采樣點34(3)，該支線管路再一分為二，分別與進(jìn)端口36(3)和飽和與抽真空系統(tǒng)連接；模擬管路2與模擬管路3連接處引出支管作為采樣點34(2)，該支線管路再一分為二，分別與進(jìn)端口36(2)和飽和與抽真空系統(tǒng)連接。采樣點34(1)～34(4)通過采樣管路匯集連接至連接器36的進(jìn)端口36(1)～34(4)，再由連接器36的出端口36(e)連接氣液回收系統(tǒng)和樣品采集系統(tǒng)。

儲層模擬系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、氣液回收系統(tǒng)、樣品采集系統(tǒng)和飽和與抽真空系統(tǒng)所有管路連接好后，由起吊控制系統(tǒng)把儲層模擬系統(tǒng)的模擬管路放置在恒溫控制系統(tǒng)的恒溫箱4的液面以下，與此同時，設(shè)定恒溫控制系統(tǒng)的溫度，對恒溫箱中液體溫度加熱至設(shè)定溫度。試驗開始前模擬裝置所有閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。

4)調(diào)試樣品采集系統(tǒng)和氣液回收系統(tǒng)。打開閥門24，將樣品采集系統(tǒng)氣液分離器27和氣體壓力平衡瓶28的容器內(nèi)注滿水，水位高度為溢流孔29下沿所在位置，氣液分離器27充水后頂部不留空隙，關(guān)閉閥門24。在氣液回收系統(tǒng)的氣液分離器38(1)中預(yù)先裝滿水，或裝水高度至少淹沒第一排泄管26(1)管端。

5)氣密性檢查。首先在高壓供氣源7中選擇氮氣，打開供氣閥門8，調(diào)節(jié)定壓閥20和減壓閥9，設(shè)定儲層模擬系統(tǒng)模擬管路內(nèi)的壓力為測試壓力W，(測試壓力W＝(1.5～2.0)p，p為原型盆地儲層靜水壓力，p＝γh，其中γ為水的重度，h為儲層埋深)，檢查整個裝置管路的密封性。

6)模擬管路裝樣。密封性完好的管路系統(tǒng)，由起吊裝置把模擬管路1～模擬管路3起吊至恒溫箱4的液面以上，選擇預(yù)先制備好的新鮮、干燥煤巖樣品，所述煤巖樣品需經(jīng)過充分解吸，不含有殘余氣，煤巖樣品粒徑為模擬管路內(nèi)徑的1/5～1/10，把破碎后的煤巖樣品分段充填模擬管路1、模擬管路2和模擬管路3，充填完煤樣后，重新連接模擬管路接口及連接管路，保證密封完好，然后由起吊裝置把模擬管路1～模擬管路3全部浸沒在保溫箱4的液面以下，實驗開始。

二、模擬實驗

模擬實驗按照以下步驟進(jìn)行：

1)系統(tǒng)開始測試前，系統(tǒng)所有閥門處于關(guān)閉狀態(tài)；

2)打開真空泵閥門6、供氣閥門16(1)和16(2)和真空泵5，對儲層模擬系統(tǒng)持續(xù)抽真空6～8h以上后關(guān)閉真空泵5、閥門6、供氣閥門16(1)和16(2)，然后靜置3～5小時以上，檢查氣壓表19(1)～19(4)讀數(shù)，檢查所有氣壓表讀數(shù)是否穩(wěn)定，不穩(wěn)定，說明儲層模擬系統(tǒng)內(nèi)裝樣品存在殘余氣體，然后繼續(xù)抽真空，重新檢查，如此反復(fù)，直到氣壓表讀數(shù)穩(wěn)定，進(jìn)入實驗下一步；

3)將高壓供氣源7換為高壓待測氣瓶，如煤層氣，打開主供氣管路上的閥門8、供氣支路上的供氣閥門16(1)和16(2)，調(diào)節(jié)減壓閥9，設(shè)定供氣壓力P(P＝(1.2～1.5)p，p為原型盆地儲層靜水壓力，p＝γh，其中γ為水的重度，h為儲層埋深)。向儲層模擬系統(tǒng)的模擬管中充入煤層氣，注入時間持續(xù)24h以上，關(guān)閉閥門8、供氣閥門16(1)和16(2)，靜置1小時以上，連續(xù)觀察氣壓表19(i)(19(1)～19(4))，如讀數(shù)穩(wěn)定，表示模擬管內(nèi)充填樣品吸附和解吸煤層氣達(dá)到平衡，進(jìn)入下一步；如果任意一個氣壓表19(i)讀數(shù)不穩(wěn)定，重新打開閥門8、供氣閥門16(1)和16(2)，向儲層模擬系統(tǒng)的模擬管繼續(xù)充入煤層氣。如此反復(fù)，直至全部氣壓表19(i)讀數(shù)穩(wěn)定，關(guān)閉閥門8、供氣閥門16(1)和16(2)，進(jìn)入實驗下一步。同時記錄氣體質(zhì)量流量計12和氣壓表19(i)示數(shù)值，確定系統(tǒng)待測氣體累計充入質(zhì)量及平衡后的供氣壓力。

4)依次打開供水閥門15，調(diào)節(jié)定壓閥20，打開恒速恒壓泵13，以略高于原型盆地儲層靜水壓力p的水平向儲層模擬系統(tǒng)模擬管路1、模擬管路2和模擬管路3中穩(wěn)定注水，試驗流量為0.1～0.5m³/min，待水流到達(dá)閥門35(1)時，依次打開閥門35(1)、閥門41(1)和閥門31，管中液體到達(dá)氣液分離器38，在氣液分離器38(1)中實現(xiàn)氣液分離，氣體通過閥門31排出，由回收容器39收集，液體流經(jīng)溢流室38(2)，由液體回收容器40收集，按規(guī)定排放或處置。

5)氣樣采集。根據(jù)試驗要求，確定采樣時間間隔，然后依次采集點位34(1)～34(4)處的氣樣。采集采樣點34(1)處的樣品時，關(guān)閉閥門41(1)，打開閥門41(2)，靜置一定時間，觀察氣液分離器27側(cè)面刻度42，記錄生成一定體積氣體所用的時間，氣體體積至少10ml以上，記錄溫度傳感器37的讀數(shù)，關(guān)閉閥門35(1)和閥門41(2)，打開閥門24，由供水管向氣體壓力平衡瓶28中供水，同時打開閥門33，采用真空集氣瓶或采樣袋收集氣體樣品，采樣完畢關(guān)閉閥門33，對氣體樣品編號。待液體重新注滿氣液分離器27和氣體壓力平衡瓶28，氣液分離器27充滿液體后頂部不留空隙時，關(guān)閉閥門24，采樣點34(1)采樣完畢。

采樣點34(2)處的樣品采集，打開閥門35(2)和閥門41(1)，使采樣點34(2)處流出的液體排出一段時間，以將上一次殘存樣品放出，關(guān)閉閥門41(1)，打開閥門41(2)，靜置一定時間，觀察氣液分離器27側(cè)面刻度42，記錄生成一定體積氣體所用時間，氣體體積至少10ml以上，記錄溫度傳感器37的讀數(shù)，關(guān)閉閥門35(2)和閥門41(2)，打開閥門24，由供水管向氣體壓力平衡瓶28中供水，同時打開閥門33，采用真空集氣瓶或采樣袋收集氣體樣品，采樣完畢關(guān)閉閥門33，對氣體樣品編號，待液體重新注滿氣液分離器27和氣體壓力平衡瓶28，氣液分離器27充滿液體后頂部不留空隙時，關(guān)閉閥門24，采樣點34(2)采樣完畢。

采樣點34(3)和采樣點34(4)處的樣品采集過程和方法同采樣點34(2)，依次打開采樣點所在管路閥門35(3)或閥門35(4)，依次進(jìn)行采樣，對氣體樣品編號，采樣完成以后，重新打開閥門35(1)和閥門41(1)，使流經(jīng)儲層模擬系統(tǒng)的液體重新流向氣液回收系統(tǒng)。

6)待到下一次采樣時間，重復(fù)步驟5)進(jìn)行采樣，如此循環(huán)，直至試驗結(jié)束。

7)氣體溶解度計算。氣體溶解度按下式計算：

C_m＝n/(V_m×ρ) (1)

式中：C_m為一定溫度和1個大氣壓力下的氣體溶解度，mol/kg；

n為采集的氣體樣品摩爾數(shù)，mol；

V_m為氣體樣品排開液體的體積，在本實驗中與采集的氣體樣品的體積相等，m³；

ρ為液體的密度，kg/m³。

8)改變實驗條件，如儲層樣品的物理參數(shù)(包括煤質(zhì)、顆粒大小、孔隙率等)、供氣介質(zhì)(純凈甲烷氣)、液體介質(zhì)(取離子水、純凈水)、供水水壓、供水流量、溫度等條件，重新按實驗步驟1)～7)進(jìn)行。

三、樣品測試，數(shù)據(jù)分析

對采集的煤層氣樣品進(jìn)行組分分析和穩(wěn)定碳同位素、氫同位素測試，根據(jù)不同采樣間隔的樣品組分和穩(wěn)定碳同位素、氫同位素變化規(guī)律，預(yù)測地下水流動對儲層氣體不同地段含氣量大小與分布的影響，為煤層氣成因、成藏、賦存狀態(tài)研究提供實驗基礎(chǔ)，為非常規(guī)天然氣有效開發(fā)提供理論支撐。

實施案例二：

一、實驗前準(zhǔn)備與模擬實驗

實驗前準(zhǔn)備1)～5)同實施例一。不同之處在于

1)實驗前準(zhǔn)備過程中，步驟3)中飽和與抽真空系統(tǒng)中三通10第二端不需要連接抽氣管路與真空泵6，僅連接高壓供氣源7所在的管路；步驟6)中，管路連接完成后，向模擬管路1～模擬管路3中充填樣品，所述的樣品選用新鮮沒有解吸煤層氣的原始含氣煤巖樣品。

模擬實驗中，模擬管路1～模擬管路3充填的樣品為原始含氣煤巖樣品，省略了步驟2)和步驟3)。從步驟4)開始執(zhí)行。將新采集的原始含氣煤巖樣品快速破碎后直接裝入儲層模擬系統(tǒng)的模擬管路，連接實驗裝置，設(shè)定定壓閥20的壓力，打開進(jìn)水閥門15，按原型盆地儲層靜水壓力p＝γh(γ為水的重度，h為儲層埋深)向模擬管路供水。然后按實施例一中模擬實驗中的步驟4)～6)進(jìn)行試驗和采樣。

二、樣品測試，數(shù)據(jù)分析

對采集的煤層氣樣品進(jìn)行組分分析和穩(wěn)定碳同位素、氫同位素測試，根據(jù)不同采樣間隔的樣品組分和穩(wěn)定碳同位素、氫同位素變化規(guī)律，預(yù)測地下水流動對儲層氣體不同地段含氣量大小與分布的影響，為煤層氣成因、成藏、賦存狀態(tài)研究提供實驗基礎(chǔ)，為非常規(guī)天然氣有效開發(fā)提供理論支撐。

本實用新型的自生自儲向斜構(gòu)造盆地水溶氣運移模擬裝置實現(xiàn)了對于自生自儲構(gòu)造的盆地地質(zhì)情況的模擬，提供了地下水對儲層不同地段原始樣品煤層氣含氣量大小和分布的影響的實驗，通過測試不同地段氣體穩(wěn)定碳同位素和氫同位素的變化規(guī)律、含氣量的變化規(guī)律，通過建立含氣量與氣體穩(wěn)定同位素之間的變化關(guān)系，數(shù)據(jù)的模擬采集，為煤層氣成因、成藏、賦存狀態(tài)研究提供了實驗基礎(chǔ)，所采用的裝置結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，模擬試驗方法準(zhǔn)確，簡單易行，為煤層氣/頁巖氣的開發(fā)提供了基礎(chǔ)理論支撐。