CN101806695A - 吸附气含量测量仪及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于一种吸附气含量测量仪及其实验方法，该测量仪包括密封罐、集气量筒和实验箱，密封罐设有阀口，集气量筒设有排水孔调节阀以及与阀口匹配的通气孔开关阀，实验箱内主要有加热元件和温控仪。该方法主要包括：向密封罐内装入含气样品和饱和盐水并密封，向实验箱内装水并加热，将密封罐放入实验箱水浴，向集气量筒内装入饱和盐水，连通集气量筒与密封罐、并打开集气量筒的排水孔，记录集气量筒内的液面位置，实验结束断开连通。本发明设备结构紧凑、体积小、气密性好、测量精确、便于移动和携带、适合野外现场使用、加热均匀，且实验方法操作方便简单，可专门用于各种气体尤其是小体积气体的收集和测量，从而更加适于实用。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体解析实验设备及其实验方法，特别涉及一种吸附气含量测量仪及其实验方法。
背景技术
吸附气是指以吸附态存在于储层孔隙和裂缝中的天然气。在常规天然气储层中，吸附气含量很低，一般小于20％；在非常规天然气储层中，吸附气含量较高，煤层气储层天然气吸附气含量一般大于85％，页岩气储层天然气吸附气含量为20-85％。吸附含气量的大小直接关系到天然气聚集体的品质和开发过程中需要的相应技术，特别是对煤层气、页岩气等非常规天然气来说，吸附气含量是储层评价、储量估算以及开发设计的关键因素。因此，含气样品中天然气吸附气含量的测试实验，已被广泛应用在天然气勘探开发过程中，是天然气资源开发中的重要环节。此外，在金属矿山开采与瓦斯防爆、环境保护与监测、土壤学研究、化学工业等领域中也被广泛应用。
目前，还没有用于吸附气含量精确测量的专用实验设备。利用常规实验室设备进行吸附气含量测试实验时，需要将含气样品放置在密封罐中进行解析反应，导气管一端通过穿刺针头与密封罐内部连通，另一端伸入量管开口，量管开口朝下并置于水槽液面以下，量管底部连通集气导管。其中，导气管和集气导管上根据需要设置弹簧夹或螺旋夹。
利用上述实验室常规设备组装而成的实验系统，可基本满足天然气解析反应、收集以及含量测定的要求，但是，在实际使用中我们发现，上述实验系统存在如下缺陷：
1、实验中需要使用多段相应长度的气体导管，导管在测试前必定充满空气，当解析气量微小时，利用现有实验系统收集到的解析气体，含量的测试结果很可能为零或与实际结果偏差较大；同时，密封罐中所残留的空气无法排除干净；在对解吸气进行收集的过程中也容易混入新的空气；实验系统暴露面积大，受环境影响较大。因此，实验精度差，无法满足精确测量的要求；
2、实验所需准备时间长，操作过程复杂、也不便于多个测试同时进行，不能很好地满足实际需要；
3、实验时需要将样品还原到原始的温度，而现有的实验系统无法精确、稳定地控制相应的实验温度。
4、设备体积较大且主要为玻璃器具，安全性、稳定性差，携带到现场实验存在体积大、份量重、易碎易伤害等困难；
由此可见，上述现有的吸附气含量测量设备及其实验方法，在结构与使用上显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。如何能创设一种结构紧凑、体积小、气密性好、加热均匀、操作方便、简单快捷、测量精确、便于移动和携带、适合野外现场使用、且可专门用于天然气等各种气体尤其是小体积气体的收集和测量的新的吸附气含量测量仪，并对应设计出使用该测量仪的实验方法，实属当前本领域的重要研究课题之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种吸附气含量测量仪，使其结构紧凑、体积小、气密性好、加热均匀、操作方便、简单快捷、测量精确、便于移动和携带、适合野外现场使用、且可专用于各种气体尤其是小体积气体的收集和测量，从而克服现有的吸附气含量测量设备的不足。
为解决上述技术问题，本发明一种吸附气含量测量仪，主要包括密封罐、集气量筒和实验箱，其中：密封罐包括罐体、与罐体一端固定连接的顶盖、与罐体另一端可拆卸连接的底盖以及固定于顶盖上的阀口；集气量筒包括封闭且标有刻度线的筒体，以及设有排水孔和通气孔的封口，排水孔设有调节阀，通气孔设有与密封罐的阀口相匹配的开关阀；实验箱内固定有加热元件、监控箱体内温度的温控仪以及顶板，顶板上设有多个与密封罐、集气量筒外径相当的通孔，密封罐和集气量筒放置于相应的通孔中，加热元件和温控仪与设置于箱体外部的电源接口连接。
作为本发明的一种改进，所述的密封罐的阀口为快速连接扣的公扣，集气量筒的开关阀为与该公扣匹配的母扣。
所述的集气量筒的调节阀由限流盘、调节手轮和调节螺栓组成：限流盘位于封口内侧，沿圆周方向从小到大依次分布有直径不等的限流孔；调节手轮位于封口外侧，并设有与限流孔数量、位置对应的通孔，且各通孔的直径均与最大限流孔的直径相当；集气量筒封口上的排水孔与调节手轮上一个通孔的位置、大小相当；限流盘和调节手轮通过调节螺栓连接并同步转动。
所述的密封罐的顶盖中部设有凸起，且中部与顶盖外缘之间为斜面。
所述的密封罐的底盖向罐体内一侧上设有凸台。
所述的实验箱还包括盖体、排水阀、分区隔板和固着隔板，其中：盖体覆于实验箱上方；排水阀设置于实验箱底部；所述的加热元件固定在箱体底部内壁，分区隔板固定在加热元件上方，并设有多个通孔；固着隔板上设有与顶板对应的孔，并可拆卸的安装在实验箱中部。
所述的密封罐的罐体与底盖为扣接。
还包括支撑和稳定集气量筒的托架。
此外，本发明还提供了使用上述吸附气含量测量仪的实验方法，包括以下步骤：A.自实验箱中取出密封罐和集气量筒；B.打开密封罐底盖，装入含气样品，并装满饱和盐水后密封；C.向实验箱内装入清水，接通电源，利用温控仪和加热元件将水加热至需要温度后，将密封罐顶盖朝上竖直放入实验箱内；D.将集气量筒内装满饱和盐水；E.将集气量筒封口朝下与密封罐连通，并打开集气量筒的排水孔；F.定时记录集气量筒内液面的位置；G.实验结束，关闭集气量筒的排水孔，并断开其与密封罐的连通。
所述的步骤A、B之间还包括以下步骤：向集气量筒内装入饱和盐水，且封口朝下竖直放置，调整调节阀，选定盐水不会外流的最大孔径作为步骤E排水孔的打开孔径，之后关闭排水孔待用。
采用这样的设计后，本发明吸附气含量测量仪，结构紧凑、体积小、气密性好、测量精确、便于移动和携带、操作简单快捷、适合野外现场使用、加热均匀，且其对应的实验方法操作方便简单，可专门用于各种气体尤其是小体积气体的收集和测量，从而更加适于实用。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明吸附气含量测量仪的密封罐与集气量筒组合结构示意图。
图2是本发明吸附气含量测量仪集气量筒的限流盘结构示意图。
图3是本发明吸附气含量测量仪实验箱的使用状态示意图。
图4是本发明吸附气含量测量仪的实验箱箱体内部结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1-4所示，本发明吸附气含量测量仪，主要包括密封罐1、集气量筒2和实验箱3。
其中，密封罐1包括罐体11、与罐体一端固定连接的顶盖12、与罐体另一端可拆卸连接的底盖13以及固定于顶盖上的阀口14。
较佳的，阀口14优选为快速连接扣的公扣，例如美国Colder Product sCompany生产的快速连接头。顶盖12中部设有凸起，且中部与顶盖外缘之间为斜面，便于当气体体积非常小的时候进行收集。罐体11与底盖13之间扣接，可提高操作效率，避免气体逸散。底盖13向罐体内一侧上设有凸台，利于在扣合的同时排净罐内的空气。
集气量筒2包括封闭且标有刻度线的筒体21，以及设有排水孔和通气孔的封口22，排水孔设有调节阀，通气孔设有与密封罐的阀口14相匹配的开关阀23。
较佳的，开关阀23可选用与阀口14快速连接扣公扣相匹配的母扣，以实现密封罐与集气量筒之间快捷的无导管直接连接，筒体21与封口22扣接，且调节阀由限流盘24、调节手轮25和调节螺栓26组成。其中，限流盘24位于封口22内侧，如图2所示，沿圆周方向从小到大依次分布有直径不等的限流孔，例如可设置8个直径分别为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm的限流孔。调节手轮25位于封口22外侧，并设有与限流孔数量、位置对应的通孔，且各通孔的直径均与最大限流孔的直径相当；封口22上的排水孔与调节手轮25上一个通孔的位置、大小相当；限流盘24和调节手轮25通过调节螺栓26连接并同步转动。当转动调节手轮25，使调节手轮25上的通孔、限流盘24上的限流孔与封口22上的排水孔重合时，排水孔即被打开，筒体21内部与外界连通。
由于本发明的集气量筒2有较好的气密性，因此除了作为解析气体积测量之外，还可作为气样保存设备，直接接入到气体成分分析仪器上采样。
实验箱3内固定有加热元件31、监控箱体内温度的温控仪32以及顶板33，顶板33上设有多个与密封罐1、集气量筒2外径相当的通孔，密封罐2和集气量筒3即放置于相应的通孔中，加热元件31和温控仪32均与设置于箱体外部的电源接口34连接。
较佳的，实验箱3还可包括盖体35、排水阀36、分区隔板37和固着隔板38。其中，盖体35覆于实验箱3的上方；排水阀36设置于实验箱底部；加热元件31固定在箱体3底部内壁，分区隔板37固定在加热元件31上方，并设有多个通孔；固着隔板38上设有与顶板33对应的孔，并可拆卸的安装在实验箱3的中部。
本发明的实验箱3集恒温水浴、实验操作平台、器皿存放和搬运携带功能于一体，加热均匀、保温持久，可使密封罐1中的含气样品在地层原始温度条件下自然解析，且体积小、易携带、野外现场使用更方便。
此外，由于本发明的集气量筒2在使用时，需倒置直立于密封罐1的上方，因此，还可增设一托架4，起到支撑和稳定集气量筒2的作用。还可根据需要在各零部件连接处增设密封圈，既起到缓冲操作、防止设备损坏的作用，也可进一步提高设备的气密性。
使用本发明吸附气含量测量仪的实验方法，主要包括A～G七个步骤。
步骤A.自实验箱中取出密封罐和集气量筒。
较佳的，在步骤A之后，还可包括一实验前的测定步骤：向集气量筒内装入饱和盐水，且封口朝下竖直放置，调整调节阀，选定盐水不会外流的最大孔径作为步骤E排水孔的打开孔径，之后关闭排水孔待用。例如，转动调节手轮，使限流盘上最小的限流孔至较大限流孔依次与封口的排水孔重合，以盐水不会外流的最大限流孔做为选定的排水孔径，在集气量筒与密封罐连通后，再将排水孔开启至该选定的排水孔径即可。
本发明集气量筒的排水孔采用了毛细管力原理，按照上述测定步骤所选定的排水孔径，即使将集气量筒封口朝下放置，饱和盐水在表面张力作用下也不会流出，且排水孔内外压力相等。而一旦有气体进入集气量筒内，则筒体内盐水就会被压出，且压出的盐水体积必然与收集的气体体积相当。
步骤B.打开密封罐底盖，装入含气样品，并装满饱和盐水后密封。加入饱和盐水可排出密封罐内原有的空气，并可最大程度避免解析气体溶解于水中，使实验结果更加精确。
步骤C.向实验箱内装入清水，接通电源，利用温控仪和加热元件将水加热至需要温度后，将密封罐顶盖朝上竖直放入实验箱内。此时，实验箱为密封罐及其内装样品提供了满足解析实验要求的恒温水浴环境。
步骤D.将集气量筒内装满饱和盐水。具体来说，先打开排水孔，使用一个一端接有公扣，另一端接有漏斗的导管向集气量筒内装入饱和盐水，之后关闭排水孔。装入饱和盐水，可完全排出集气量筒内的空气，后期收集到的气体将全部为解析气，从而使样品吸附气含量测定结果更加精确。较佳的，还可向装入饱和盐水中加入适量红色色素，一起加入集气量筒，以更便于观察和计量。
步骤E.将集气量筒封口朝下与密封罐连通，并打开集气量筒的排水孔。例如，将集气量筒的开关阀23母扣与密封罐的阀口14公扣对接，此时通气孔被打开，按照实验前测定步骤选定的孔径打开排水孔，密封罐1内岩石自然解析出的气体在浮力作用下进入集气量筒2中，集气量筒2中的等体积盐水通过排水孔排出。
步骤F.定时记录集气量筒内液面的位置。所记录的数据即为当前采集的解析气体积，可实时或在实验结束后将数据带入计算机处理系统，得出吸附气含量、解析速率等结论。
步骤G.实验结束，关闭集气量筒的排水孔，并断开其与密封罐的连通。此时，集气量筒2的开关阀23自动封闭，气样可以一直保存在筒体21内而无需转移至其他容器，如需采集筒体21内的气体，将开关阀23朝上，使用相匹配的公扣连通即可取样。
实验结束后，将实验箱内的水倒出，再将密封罐和装有气样的集气量筒放入实验箱内带回即可。
本发明吸附气含量测量仪，专用于天然气勘探开发中吸附气含量的测量，特别是页岩气、煤层气等非常规天然气吸附气含量的测量，可迅速评价研究区储层的资源潜力和勘探前景，研究不同地区的含气性特征，含气量分布规律和储层的储气能力。也可广泛地应用于矿山的瓦斯气预防检测、安全评价，土壤学研究、环境保护与监测、表面化学、化学工业等领域中。设备气密性好，可移动性强，携带方便，能够用于野外现场测试，并且尽可能排除了干扰因素，操作简单，测量结果精确可信。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种吸附气含量测量仪，其特征在于主要包括密封罐、集气量筒和实验箱，其中：
密封罐包括罐体、与罐体一端固定连接的顶盖、与罐体另一端可拆卸连接的底盖以及固定于顶盖上的阀口；
集气量筒包括封闭且标有刻度线的筒体，以及设有排水孔和通气孔的封口，排水孔设有调节阀，通气孔设有与密封罐的阀口相匹配的开关阀；
实验箱内固定有加热元件、监控箱体内温度的温控仪以及顶板，顶板上设有多个与密封罐、集气量筒外径相当的通孔，密封罐和集气量筒放置于相应的通孔中，加热元件和温控仪与设置于箱体外部的电源接口连接。
2.根据权利要求1所述的吸附气含量测量仪，其特征在于所述的密封罐的阀口为快速连接扣的公扣，集气量筒的开关阀为与该公扣匹配的母扣。
3.根据权利要求1所述的吸附气含量测量仪，其特征在于所述的集气量筒的调节阀由限流盘、调节手轮和调节螺栓组成：
限流盘位于封口内侧，沿圆周方向从小到大依次分布有直径不等的限流孔；
调节手轮位于封口外侧，并设有与限流孔数量、位置对应的通孔，且各通孔的直径均与最大限流孔的直径相当；
集气量筒封口上的排水孔与调节手轮上一个通孔的位置、大小相当；
限流盘和调节手轮通过调节螺栓连接并同步转动。
4.根据权利要求1所述的吸附气含量测量仪，其特征在于所述的密封罐的顶盖中部设有凸起，且中部与顶盖外缘之间为斜面。
5.根据权利要求1所述的吸附气含量测量仪，其特征在于所述的密封罐的底盖向罐体内一侧上设有凸台。
6.根据权利要求1所述的吸附气含量测量仪，其特征在于所述的实验箱还包括盖体、排水阀、分区隔板和固着隔板，其中：
盖体覆于实验箱上方；
排水阀设置于实验箱底部；
所述的加热元件固定在箱体底部内壁，分区隔板固定在加热元件上方，并设有多个通孔；
固着隔板上设有与顶板对应的孔，并可拆卸的安装在实验箱中部。
7.根据权利要求1所述的吸附气含量测量仪，其特征在于所述的密封罐的罐体与底盖为扣接。
8.根据权利要求1所述的吸附气含量测量仪，其特征在于还包括支撑和稳定集气量筒的托架。
9.一种使用权利要求1-8中任一项所述的吸附气含量测量仪的实验方法，其特征在于包括以下步骤：
A.自实验箱中取出密封罐和集气量筒；
B.打开密封罐底盖，装入含气样品，并装满饱和盐水后密封；
C.向实验箱内装入清水，接通电源，利用温控仪和加热元件将水加热至需要温度后，将密封罐顶盖朝上竖直放入实验箱内；
D.将集气量筒内装满饱和盐水；
E.将集气量筒封口朝下与密封罐连通，并打开集气量筒的排水孔；
F.定时记录集气量筒内液面的位置；
G.实验结束，关闭集气量筒的排水孔，并断开其与密封罐的连通。
10.根据权利要求9所述的实验方法，其特征在于所述的步骤A、B之间还包括以下步骤：
向集气量筒内装入饱和盐水，且封口朝下竖直放置，调整调节阀，选定盐水不会外流的最大孔径作为步骤E排水孔的打开孔径，之后关闭排水孔待用。
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