頁巖氣含氣量測(cè)試儀及其測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及勘探測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種頁巖氣含氣量測(cè)試儀及其測(cè)試方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 國土資源部2012年發(fā)布的《全國頁巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)及有利區(qū)優(yōu)選》研究成 果表明，我國陸域頁巖氣地質(zhì)資源潛力為134. 42萬億擴(kuò)，可采資源潛力為25. 08萬億擴(kuò)。頁 巖氣開發(fā)潛力巨大，但目前我國對(duì)該領(lǐng)域的開發(fā)尚屬起步階段，尤其是頁巖含氣量測(cè)定、評(píng) 估的設(shè)備遠(yuǎn)不能滿足目前的需求。
[0003] 頁巖含氣量是評(píng)估頁巖原始?xì)饬康年P(guān)鍵參數(shù)，對(duì)頁巖含氣性評(píng)價(jià)、資源儲(chǔ)量的預(yù) 測(cè)都具有重要的意義。解吸法是測(cè)試頁巖含氣量中非常重要的一種方法，目前在國內(nèi)外的 頁巖氣勘探、開發(fā)過程中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，是評(píng)價(jià)頁巖氣資源儲(chǔ)量最常用的方法。頁 巖氣解吸速率較慢，常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件下，一天通常才能收集約500mL氣體，屬于極微量測(cè)量， 所以對(duì)測(cè)量精度的要求極高。
[0004] 對(duì)于解吸氣體量的測(cè)量，常用的方法有氣體流量測(cè)量法、燃燒氣體體積法以及排 水計(jì)氣法。以氣體流量計(jì)自動(dòng)獲取解吸數(shù)據(jù)的，對(duì)于解吸速率較低時(shí)氣體流速的測(cè)量誤差 較大，并且流體的體積極易受環(huán)境溫度和壓力的影響，測(cè)量的精度不足；以集氣量筒排水直 接測(cè)量氣體體積的，測(cè)量精密度不足，人為因素影響較大，操作不便且效率低下；現(xiàn)有的排 水法，大多不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)實(shí)時(shí)測(cè)量，操作過程中人為誤差更加明顯，測(cè)量精度低下。而國外 一些精度較高的含氣量測(cè)試儀，雖然自動(dòng)化程度高，穩(wěn)定性好，但是大多成本高昂。所以， 研發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，測(cè)試精度高，自動(dòng)化程度高的頁巖氣含氣量測(cè)試儀顯得尤為重 要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，測(cè)試精度高，自動(dòng)化程度 高的頁巖氣含氣量測(cè)試儀及其測(cè)試方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] 本發(fā)明頁巖氣含氣量測(cè)試儀，包括樣品解析裝置、實(shí)時(shí)測(cè)量裝置、排氣裝置和采集 與控制系統(tǒng)，解析裝置通過第一金屬管線與實(shí)時(shí)測(cè)量裝置連接，實(shí)時(shí)測(cè)量裝置包括箱體、密 封罐、重量傳感器和鹽水槽，密封罐、重量傳感器和鹽水槽均置于箱體內(nèi)，密封罐設(shè)置于重 量傳感器上，解析裝置通過第一金屬管線與密封罐的進(jìn)氣口連接，第一金屬管線上串聯(lián)有 第一電磁閥，密封罐的排水口通過第二金屬管線與鹽水槽連通，第二金屬管線與密封罐連 接一端伸入密封罐底部，第二金屬管線另一端伸入鹽水槽底部；排氣裝置包括容積栗，密封 罐的排氣口通過第三金屬管線與容積栗進(jìn)氣口連接，第三金屬管線上串聯(lián)有第二電磁閥， 容積栗出氣口連接第四金屬管線，第四金屬管線上串聯(lián)有第三電磁閥，第一電磁閥、第二電 磁閥、第三電磁閥和重量傳感器分別通過導(dǎo)線與采集與控制系統(tǒng)連接。
[0008] 本發(fā)明頁巖氣含氣量測(cè)試儀，進(jìn)一步的，所述解析裝置包括恒溫水浴鍋和解析罐， 解析罐置于恒溫水浴鍋中，恒溫水浴鍋中設(shè)有與解析罐底部形狀相契合的結(jié)構(gòu)，將解析罐 置于契合結(jié)構(gòu)中實(shí)施固定，所述恒溫水浴鍋中設(shè)置有溫度變送器，所述溫度變送器通過導(dǎo) 線與采集與控制系統(tǒng)連接。
[0009] 本發(fā)明頁巖氣含氣量測(cè)試儀，進(jìn)一步的，所述解吸罐包括罐體、罐蓋、快速接頭、0 型密封圈和保護(hù)蓋，罐體與罐蓋之間設(shè)有0型密封圈，罐體與罐蓋之間通過壓緊螺栓連接， 快速接頭通過螺紋連接固定在罐蓋上，快速接頭外部通過可拆卸結(jié)構(gòu)固定有保護(hù)蓋。
[0010] 本發(fā)明頁巖氣含氣量測(cè)試儀，進(jìn)一步的，所述實(shí)時(shí)測(cè)量裝置還包括套罐，套罐固定 在重量傳感上，密封罐置于套罐內(nèi)，套罐內(nèi)徑大于密封罐外徑0. 5-lmm。
[0011] 本發(fā)明頁巖氣含氣量測(cè)試儀，進(jìn)一步的，所述套罐通過螺栓連接固定在重量傳感 上，套罐采用塑料制成，密封罐采用硬質(zhì)塑料制成。
[0012] 本發(fā)明頁巖氣含氣量測(cè)試儀，進(jìn)一步的，所述排氣裝置中還包括集氣罩，集氣罩設(shè) 置在容積栗與第三電磁閥之間的第四金屬管線上，所述集氣罩伸入鹽水槽鹽水液面以下。
[0013] 本發(fā)明頁巖氣含氣量測(cè)試儀，進(jìn)一步的，所述第一、第二、第三和第四金屬管線均 為巾3金屬管線。
[0014] 本發(fā)明頁巖氣含氣量測(cè)試儀，進(jìn)一步的，所述采集與控制系統(tǒng)包括上位機(jī)、I/O控 制卡、A/D數(shù)據(jù)采集卡和RS485-USB轉(zhuǎn)換器，第一電磁閥、第二電磁閥和第三電磁閥分別通 過導(dǎo)線與I/O控制卡相連，溫度變送器和重量傳感器分別通過導(dǎo)線與A/D數(shù)據(jù)采集卡連接， I/O控制卡和A/D數(shù)據(jù)采集卡均通過RS485-USB轉(zhuǎn)換器與上位機(jī)連接。
[0015] 本發(fā)明頁巖氣含氣量測(cè)試儀的測(cè)試方法，包括以下步驟：
[0016] (1)清洗：實(shí)驗(yàn)前使用清水對(duì)鹽水槽進(jìn)行清洗，清洗完成后向鹽水槽中注滿飽和 鹽水；
[0017] (2)裝樣：將解吸罐和第一金屬管線充滿鹽水，排除掉罐內(nèi)和第一金屬管線內(nèi)氣 體，當(dāng)頁巖巖心取出井口后，迅速裝入解吸罐中，并使用細(xì)粒石英砂填滿解吸罐，排除掉解 吸罐內(nèi)的水后密封，放入恒溫水浴鍋中，讓巖心在解吸罐中自然解吸；
[0018] (3)排氣注水：開啟容積栗，將密封罐內(nèi)殘余氣體排出，使密封罐內(nèi)呈負(fù)壓，鹽水 進(jìn)入密封罐，密封罐總質(zhì)量增加，電腦實(shí)時(shí)顯示由重量傳感器獲取的質(zhì)量數(shù)據(jù)和質(zhì)量變化 曲線，當(dāng)密封罐達(dá)到重量上限時(shí)，密封罐內(nèi)已充滿鹽水，關(guān)閉容積栗；(4)收集頁巖氣：頁巖 氣從解吸罐解吸出來，進(jìn)入密封罐中，密封罐內(nèi)氣壓大于外界大氣壓，密封罐內(nèi)的氣體將密 封罐內(nèi)的鹽水排入鹽水槽中，密封罐總質(zhì)量減少，質(zhì)量參數(shù)通過重量傳感器傳入上位機(jī)，進(jìn) 行實(shí)時(shí)監(jiān)控；
[0019] 此時(shí)已收集的頁巖氣體積Vg可如下計(jì)算：
[0021] Vg:已收集的頁巖氣體積，mL ;
[0022] Amb:密封罐總質(zhì)量的變化量，g;
[0023] Pb:鹽水密度，g/ml;
[0024] 根據(jù)解吸時(shí)間可以計(jì)算出氣體的生成速率V
[0026] vg:解吸罐中氣體的生成速率，mL/s;
[0027] Vg:已解吸出的氣體體積，mL;
[0028] t:解吸所經(jīng)過的時(shí)間，s;
[0029] 當(dāng)密封罐總重量下降到質(zhì)量下限時(shí)，密封罐內(nèi)的鹽水已全部排出，密封罐內(nèi)裝滿 了頁巖氣，說明一罐頁巖氣已收集完成；
[0030] 則該罐頁巖氣的體積Vs計(jì)算公式為：
[0032] Vs:一罐頁巖氣體積，mL;
[0033] mu:密封罐總質(zhì)量質(zhì)量上限，g;
[0034] md:密封罐總質(zhì)量質(zhì)量下限，g;
[0035] Pb:鹽水密度，g/mL;
[0036] (5)然后重復(fù)步驟（3)和（4)，并記錄循環(huán)次數(shù)，當(dāng)重量傳感器采集到的質(zhì)量數(shù)據(jù) 沒有達(dá)到質(zhì)量下限，而是穩(wěn)定在一個(gè)中間值時(shí)，說明頁巖巖心已解吸完畢，上位機(jī)自動(dòng)記錄 此時(shí)的重量數(shù)據(jù)，并完成計(jì)算，得到解吸出的頁巖氣總體積V;
[0038] V:解吸出的頁巖氣總體積，mL;
[0039] n:頁巖氣循環(huán)收集次數(shù)，次；
[0040] Vs:一罐頁巖氣體積，mL;
[0041] mr:質(zhì)量穩(wěn)定后的密封罐總質(zhì)量，g;
[0042] Pb:鹽水密度，g/mL。
[0043] 本發(fā)明頁巖氣含氣量測(cè)試儀的測(cè)試方法，進(jìn)一步的，所述步驟（1)和步驟（2)之間 還包括以下步驟：
[0044] (Ia)氣密性檢驗(yàn)：開啟容積栗，容積栗抽氣使密封罐內(nèi)呈負(fù)壓，鹽水進(jìn)入密封罐， 當(dāng)?shù)竭_(dá)重量上限時(shí)，關(guān)閉容積栗，如果重量傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)在± 1%。范圍內(nèi)浮動(dòng)，且持續(xù) 6s以上，說明裝置的氣密性良好。
[0045] 本發(fā)明頁巖氣含氣量測(cè)試儀與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：
[0046] 本發(fā)明頁巖氣含氣量測(cè)試儀采用非直接測(cè)量法，通過排水集氣，利用重量傳感器 測(cè)量密封罐中在平衡氣壓的情況下的排水量，再將質(zhì)量變化量轉(zhuǎn)化為