一种模拟表生岩溶发育的水槽实验装置的制作方法

本发明涉及油气地质勘探技术领域，并且更具体地，涉及一种模拟表生岩溶发育的水槽实验装置。

背景技术：

表生岩溶是指由于地壳上升构造运动或海平面下降，使碳酸盐岩地层长期暴露地表，大气淡水对其进行淋滤、溶蚀而发生的岩溶，又称“风化壳岩溶”。古地貌的高低决定了地下水的作用深度、活动范围及强度，继而决定了碳酸盐岩被剥蚀的程度。

研究表明，根据古地貌的高低，碳酸盐岩岩溶古地貌可被分为岩溶高地、岩溶斜坡和岩溶洼地。在前人的理论研究中，普遍认为岩溶高地和岩溶斜坡最易发生剥蚀，从而形成溶缝溶洞，从而形成良好的岩溶储层；而岩溶洼地因地势低而水流循环差，遭受剥蚀程度弱，不易形成岩溶储层。然而，在四川盆地中二叠统茅口组油气勘探开发过程中，经常发现岩溶缝洞的位置并不主要位于岩溶高地和岩溶斜坡，岩溶洼地区域岩溶缝洞储层也很发育。

目前，碳酸盐岩溶蚀作用模拟实验研究一般是在封闭体系下进行，选取合适的压力、温度、流体性质等参数，对岩样与流体的反应情况进行定时定量模拟，从而定量或者半定量评价深埋条件下碳酸盐岩的溶蚀情况。但是，对于浅层表生岩溶实验的模拟研究还比较少，相关实验技术不成熟，并且表生岩溶受古地貌的影响较大，微观的溶蚀机理研究很难有效地预测宏观上岩溶储层的分布规律。

为了解决上述问题，有必要设计一种模拟碳酸盐岩在表生岩溶条件下的装置及实验方法，从宏观角度模拟古地貌对表生岩溶作用的影响，从而预测表生岩溶碳酸盐岩储层的分布，进一步指导海相碳酸盐岩油气的勘探与开发。

技术实现要素：

针对上述现有技术中的问题，本申请提出了一种用于模拟表生岩溶发育的水槽实验装置，其通过使用石膏模型模拟古地貌三维模型，并对其进行循环酸液淋滤，从宏观角度模拟了古地貌对表生岩溶作用的影响，了解表生岩溶孔缝的发育机理，预测海相碳酸盐岩优质储层的分布规律提供了帮助。

本发明提供的模拟表生岩溶发育的水槽实验装置包括：水槽组件，其中盛放有用于模拟三维古地貌的石膏模型；淋滤组件，其用于对该水槽组件中的该石膏模型提供酸液淋滤；固液分离组件，其布置在该水槽组件下方，以对淋滤后穿过该水槽组件的石膏和酸液进行分离；以及酸液控制组件，其用于提供循环的酸液并调节用于淋滤的酸液的ph值。通过该实验装置，能够模拟古地貌对岩层表生岩溶的控制作用，且装置结构简单，操作简便。

在一个实施方式中，水槽组件包括：水槽底板；至少一块有机玻璃板，其设置在该水槽底板的上表面以与该水槽底板形成上部开口的实验腔体，该实验腔体用于盛放该石膏模型；以及固定支架，其设置在该水槽底板的下表面以支撑该水槽实验装置。

在一个实施方式中，淋滤组件包括：淋滤喷头，其设置在该实验腔体的开口上方并与该酸液控制组件连接，以对该石膏模型进行酸液淋滤；以及淋滤喷头固定支架，其一端固定设置在该水槽底板上，另一端固定连接该淋滤喷头以对该淋滤喷头提供支撑。通过该实施方式，利用酸液淋滤模拟了大气淡水沿岩层表层的淋滤、冲蚀而引发的岩溶。

在一个实施方式中，固液分离组件包括：固液分离件，其设置在该水槽底板的下方并与固定之间连接；以及酸液承接槽，其设置于该固液分离件下方以用于承接固液分离后的酸液。通过该实施方式，使淋滤后的酸液能够过滤并回收，节约了成本，同时避免对环境的污染和对实验者的伤害。

在一个实施方式中，酸液控制组件包括：循环泵；配液箱，其用于调节经过该淋滤喷头的酸液的ph值；以及ph值监测装置，其用于监测该配液箱中酸液的ph值。通过该实施方式，实现了回收酸液的循环利用，并且通过监测酸液的ph值，确保了实验结果的准确性。

在一个实施方式中，水槽底板的上表面包括：至少一条凹槽，其用于接合该至少一块有机玻璃板以形成该实验腔体；以及至少一个流水孔，其设置在该至少一条凹槽之间。

在一个实施方式中，至少一条凹槽包括：固定凹槽，其用于固定连接有机玻璃板；和/或至少一条横向活动凹槽以及至少一条纵向活动凹槽，其用于活动连接有机玻璃板。通过该实施方式，使得可以根据石膏模型的尺寸而动态调整实验腔体的尺寸，增加了实验的灵活性和可用性。

在一个实施方式中，流水孔为圆形孔，其直径为27.5mm。

在一个实施方式中，固液分离件与该固定支架焊接连接。通过该实施方式，保证了固液分离件在实验过程中的稳定性，避免酸液和石膏泄漏的发生。

在一个实施方式中，水槽底板的尺寸为50mm×50mm。

本发明相比于现有技术具有如下的优点，即从宏观角度模拟了古地貌对岩层的表生岩溶的控制作用，加深了对表生岩溶孔缝发育机理的理解，进而预测海相碳酸盐岩优质储层的分布规律，从而指导下一步的油气勘探，并且该水槽实验装置结构简单，操作方便，该实验装置的尺寸能够根据实验对象的尺寸而灵活改变。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1显示了根据本发明实施例的用于模拟表生岩溶发育的水槽实验装置的结构示意图；

图2显示了根据本发明实施例的水槽底板的结构示意图。

在附图中：

100-实验水槽装置；101-淋滤喷头固定支架；102-淋滤喷头；103-有机玻璃板；104-酸循环管；105-固定支架；106-酸液承接槽；107-固液分离件；108-石膏模型；109-水槽底板；110-酸液输出管；111-循环泵；112-配液箱；113-ph值监测装置；114-实验腔体。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1示出了本发明的水槽实验装置100的结构示意图。如图1所示，该水槽实验装置100包括：

水槽组件，其中盛放有用于模拟三维古地貌的石膏模型108；

淋滤组件，其用于对该水槽组件中的该石膏模型108提供酸液淋滤；

固液分离组件，其布置在该水槽组件下方，以对淋滤后穿过该水槽组件的反应物进行固液分离；以及

酸液控制组件，其用于提供循环的酸液并调节用于淋滤的酸液的ph值。

具体地，在该水槽实验装置100中，该水槽组件由以下部件组成：

水槽底板109；

至少一块有机玻璃板103，其设置在该水槽底板109的上表面以与该水槽底板109形成上部开口的实验腔体114，该实验腔体114用于盛放该石膏模型108；以及

固定支架105，其设置在该水槽底板109的下表面以支撑该水槽实验装置100。

其中，如图2所示，作为一个优选的实施例，该水槽底板109的上表面设置有至少一条凹槽和至少一个流水孔201。凹槽用于与有机玻璃板103接合，以便形成上部开口的实验腔体114，该至少一条凹槽限定了实验腔体114的边界，确定了该实验腔体114的尺寸，同时至少一个流水孔201分布在至少一条凹槽之间以使其位于实验腔体114的底面范围内。

优选地，如图2所示，该至少一条凹槽包括平行排列的至少一条横向活动凹槽203和平行排列的至少一条纵向活动凹槽204，至少一条横向活动凹槽203横向分布在水槽底板109上表面上，至少一条纵向活动凹槽204纵向分布在水槽底板109上表面上，二者相互交叉在水槽底板109上表面形成网格状结构，至少一个流水孔201分布在该网格内。横向活动凹槽203和纵向活动凹槽204能够活动式接合有机玻璃板103，以使得在实验过程中根据石膏模型108的尺寸灵活选择不同的活动凹槽，以改变该实验腔体114的尺寸，增加了实验的灵活性。

可选地，该至少一条凹槽还包括固定凹槽202，其用于固定连接有机玻璃板103。这样，就可以在仅调整另外的有机玻璃板103的情况下改变实验腔体114的尺寸。

在图2中，该至少一条凹槽由固定凹槽202、横向活动凹槽203和两条纵向活动凹槽204围成方形构造，由此对应形成的实验腔体114为方形构造。

可选地，本发明的水槽实验装置100的至少一条凹槽也可以由别的方式组成，例如至少一条凹槽由四条固定凹槽202围成，该构造可以保证该实验腔体114的牢固性，避免了实验过程中发生垮塌的风险；该至少一条凹槽也可以由两条横向活动凹槽203和两条纵向活动凹槽204围成，该构造可以最大程度地根据石膏模型108的尺寸在两个维度上调节有机玻璃板103的位置。

可选地，该至少一条凹槽也可以包括至少一条斜向凹槽，该至少一条斜向凹槽可以围成更多可能的形状，以对应形成更多可能的实验腔体114的形状，如三棱柱、六棱柱等。同样地，该斜向凹槽可以是固定凹槽，也可以是活动凹槽，至少一个流水孔分布在该至少一条斜向凹槽围成的形状中。

应理解，以上组合均在本发明的保护范围内，本领域技术人员可以根据实验需求灵活变换。

优选地，本发明中的流水孔201均匀分布在水槽底板109上，以确保淋滤的酸液和石膏能够均匀快速地流入下方的固液分离组件中。

该水槽底板109可以具有任意的尺寸，且该流水孔201可以具有任意的形状和尺寸，本发明在此不做限定。优选地，该水槽底板109的尺寸为50mm×50mm，该流水孔201为圆形孔，其直径d为27.5mm，在该水槽底板109上均匀分布有100个流水孔201。

返回参照图1，该实验水槽装置100的淋滤组件包括以下部件：

淋滤喷头102，该淋滤喷头102设置在实验腔体114的开口上方，并通过酸循环管104与酸液控制组件连接，即接收由酸液控制组件供给的循环酸液，对实验腔体114中的石膏模型108进行淋滤；

淋滤喷头固定支架101，其一端固定连接该水槽底板109，另一端固定连接淋滤喷头102实现对淋滤喷头102的支撑。

可选地，该淋滤喷头固定支架101能够伸缩，以调节该淋滤喷头距离石膏模型108的距离。

固液分离组件包括以下部件：固液分离件107和酸液承接槽106，其中，固液分离件107设置在水槽底板109的下方，用于在淋滤后从石膏模型108上冲蚀而留下的反应物进行固液分离，石膏停留在该固液分离件107的上方，而酸液则穿过该固液分离件107而进入酸液承接槽106中，使得淋滤后的酸液能够得以回收，既节约了成本，又避免了酸液对环境的污染和对实验者的伤害。

优选地，该固液分离件107可以以多种方式与固定支架105连接，例如铆接、卡扣或者焊接连接。在连接方式为焊接时，在确保该固液分离件107不会掉落。同时，该固液分离件107可以以支撑件的形式加强该实验水槽装置100的整体结构的稳定性；在采用铆接或卡扣连接时，除了同样增加整体结构稳定性以外，该构造还有利于对该固液分离件107的清理。

酸液控制组件包括以下部件循环泵111、配液箱112以及ph值监测装置113，配液箱112通过管道连接在循环泵111和ph值监测装置113之间。具体地，该循环泵111与酸液承接槽106通过酸液输出管110连接，以便在实验过程中能够对由酸液承接槽106接收的回收酸液进行循环利用。

同时，一方面，由于在淋滤过程中，酸液的ph值由于冲蚀石膏模型108而发生变化，因此需要配置该配液箱112以对来自酸液承接槽106的酸液调节其ph值，使得在实验过程中循环酸液的ph值能够维持在稳定的水平；另一方面，针对石膏模型108，需要检测其在不同环境下的表生岩溶的发育情况，可以使用配液箱112调节循环酸液的ph值，使其达到实验所需要的水平。

在实验过程中，通过使用ph值监测装置113检测配液箱112调节的循环酸液是否达到预期的水平。

循环泵111通过酸循环管104将循环酸液泵入淋滤喷头102中，与对石膏模型108进行循环淋滤。

本发明通过以下的工作过程实现：

(1)制作古地貌三维模型

1)根据研究区地层发育情况建立三维坐标系；

2)根据petrel或者surfer软件恢复的古地貌特征，细分网格线，确定模型上关键控制点的三维坐标；

3)按照古地貌特征，以古地貌最低点为水平基准面，采用包括但不限于插值法的方法，确定关键控制点之间点的坐标。

(2)制作石膏模型

模型捏制需要材料包括：水、高强硬度特白石膏粉、水盆、水泥电动搅拌器、合适尺寸的纸箱、山体塑型布、毛刷、手持式电动刻刀。

1)根据研究地层的岩性变化情况，用水和石膏重量以适当的比例混合，模拟灰泥灰岩、泥晶云岩、颗粒灰岩和粗晶云岩，制作符合研究对象岩石物理性质的模型108。

2)确定按比例称好相应的石膏粉和水，使用水盆作为容器，将石膏粉均匀撒入水中，先加水后加石膏粉，边用电动搅拌器搅匀混合液边震动容器以减少气泡，搅拌越均匀，牢度越高。

3)待适当时间后，混合液微凝固时，倒入准备好的纸箱中。用直尺量高，控制模型高度。将山体塑性布覆盖于模型顶面上。山体塑型布粘石膏水后经过一定时间后会凝固，未凝固期间可以手工塑型。根据古地貌形态，捏制模型顶面，用直尺随时丈量高度来矫正。

(3)安装水槽

首先用玻璃胶将一块有机玻璃板粘在水槽底板109上的固定槽202。然后，根据石膏模型的长宽尺寸，将另外三块有机玻璃板粘在水槽底板109的横向活动槽203和纵向活动槽204上。若多次进行实验，可以移动横向活动槽203和纵向活动槽204上的有机玻璃板。把石膏模型放置于水槽中。

(4)配置酸溶液

在配液箱中配置酸液，用hcl与水以1：5的体积比均匀混合，用酸碱ph值监测装置113测得确定的ph值。

(5)打开水泵电源，开始通液

循环泵111将配液箱112中的酸液抽至淋滤喷头102，控制喷淋速度，保证反应溶液循环通畅，对石膏模型108进行喷淋，反应后的酸液从水槽底板109渗流而下，固体反应物留在固液分离装置107中，液体流入酸液承接水槽106，再由循环泵111抽至配液箱112中。整个反应过程中，酸碱ph值监测装置113对配液箱112中的酸液进行监控，保证对石膏模型喷淋的酸液浓度恒定不变。

(6)观察实验现象

在整个喷淋过程中观察模型的溶蚀变化情况，每隔2h对模型顶面各点的高度和孔隙发育情况进行拍照和记录。

(7)实验结束

待石膏模型表面发生明显变化后，关闭循环泵111停止淋滤，等待模型中的水自然排净、晾干。

(8)结论

对模型进行拍照、测量和记录，将缝洞形态的变化对应未溶蚀前的岩溶形态位置，对岩溶高地、岩溶斜坡和岩溶洼地的岩溶情况进行评估。如：模型表面各点下降高度、溶蚀形成的溶洞长宽、溶缝的宽度和深度。

本发明所述的技术，已经由专利申请单位进行了试制，并成功应用于四川盆地茅口组古岩溶优质储层预测。根据四川盆地的发育形态，可将其按照等比例缩放为30cm×20cm的长方形，因此选用长宽高30cm×30cm×40cm的纸箱作为石膏成型模具，打开纸箱的顶面(长宽为30cm×30cm)，其它五面用透明胶带粘牢。模型捏制使用到的材料包括：纯净水、高强硬度(8.5mpa)特白石膏粉(2000目)、不锈钢盆(直径20cm)、水泥电动搅拌器(1800w)、长宽高30cm×30cm×40cm的纸箱、山体塑型布(50cm×50cm)、毛刷、手持式电动刻刀。本实验中使用到的循环泵为32w，淋滤喷头为40cm×40cm的方形喷头。根据前述本发明的实现方式，打开循环泵通液后，经过1200h后，石膏模型表面发生明显变化。岩溶高地顶部发育少量溶孔，高度下降2.7cm；岩溶斜坡上发育大量垂直溶孔，并见有少量溶沟；岩溶洼地下降高度为4.6cm，溶沟大量发育。利用该方法，实现了模拟碳酸盐岩表生岩溶发育规律的工作。

应理解，本发明的实验水槽装置并不仅限适用于碳酸盐岩表生熔岩的发育模拟，针对其它类似的岩层种类的表生岩溶的发育模拟同样适用。

通过本发明提供的用于模拟表生岩溶发育的实验水槽装置，从宏观角度模拟了古地貌对岩层的表生岩溶的控制作用，加深了对表生岩溶孔缝发育机理的理解，进而预测海相碳酸盐岩优质储层的分布规律，从而指导下一步的油气勘探，并且该水槽实验装置结构简单，操作方便，该实验装置的尺寸能够根据实验对象的尺寸而灵活改变。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“左”、“右”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。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中该的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他该实施例中。