CN103267553B - 页岩气发气量计量装置 - Google Patents

Abstract

一种页岩气发气量计量装置，适用于页岩气等低发气量物料的发气量测量，属于不连续气流气体体积计量技术领域，包括解吸罐、伺服电机、伺服驱动器、蜗轮蜗杆减速器、丝杠螺母机构、刻度玻璃管、开口水罐、超声液位传感器和乳胶管；伺服驱动器连接伺服电机，伺服电机过蜗轮蜗杆减速器驱动连接丝杠螺母机构；开口水罐设有安装支架，安装支架与丝杠螺母机构中的螺母固定连接，开口水罐垂直安装设置在安装支架，开口水罐底部通过乳胶管连接刻度玻璃管下端，刻度玻璃管上端通过乳胶管连接解吸罐；伺服电机通过蜗轮蜗杆减速器、丝杠螺母机构带动开口水罐上下移动。本发明也可以由伺服电机通过卷绕轴拉线带动开口水罐上下移动。该装置自动化程度高，测量误差小，精度高，计算简便，测量结果更接近自然解吸结果。

Description

页岩气发气量计量装置

技术领域

本发明涉及一种页岩气发气量计量装置，适用于页岩气等低发气量物料的发气量测量，属于不连续气流气体体积计量技术领域。

背景技术

常规天然气即将开采殆尽，页岩气、煤层气、固定气等非常规天燃气储量比常规天然气更加丰富，非常规天然气即将成为新的环保、高效的优质替代能源。但是非常规天燃气开采难度大，因此对非常规天然气的岩心样品产气能力的研究尤为重要。目前世界各国竞相开展非常规天然气开发研究，美国更是走在世界前列，非常规天然气产量已经超过常规天然气产量，这也是最近中海油成功并购加拿大尼克森石油公司的部分原因。

日本研究者最近取得重大突破，已成功分离出可燃冰。在位于日本爱知县和三重县近海的东部南海板块海域地层。日本利用“地球”号深海勘探船，3月12日早晨在水深约1000米的海底挖掘探井，通过降低地层压力将甲烷水合物中的甲烷气体与水分离提取。日本经济产业大臣茂木敏充在当天新闻发布会上以美国页岩气革命为例表示，希望能在克服技术难题后实现可燃冰的大规模开采，从而让可燃冰成为日本的“国产能源”。据估算，日本周边海域可燃冰的天然气潜在蕴藏量相当于日本100年的天然气消费量。日本新的海洋基本计划草案提出，争取在2018年为可燃冰进入商业化开采确立技术基础。

形势迫在眉睫，我国非常规天然气研究起步较晚，目前对产气量很小的矿物产气计量方法主要为手工排水集气法。劳动强度大，人为误差大。多家研究单位正在研发自动计量装置，多数采用国外进口的价格昂贵的高精度热式流量计进行计量，然而任何流量计都只能在一定压差条件下使用，小量程的热式流量计用于大流量测量、大量程仪器测量微小流量都不准确。因此多数研究单位采用多个不同大小量程的系列流量计，分别在样品释放气体的不同阶段切换使用，基本保证随样品产气量逐渐减小各阶段都能准确测出流量。但这样做仪器成本成倍提高，体积增大，且憋气造成测量数据不准确，甚至远远偏离生产上普遍要求的自然解吸——在一个大气压恒压下解吸。对大范围推广使用不利。另外目前高精度的气体流量计多为质量流量计，要根据抽样成分换算成为气体体积，这些是目前特种天然气开发行业亟待解决的问题。

能源问题关系到经济的发展和社会的稳定甚至国家安全，不断增长的世界能源需求和现有资源的日趋枯竭引起的供求差距越来越大，传统能源开采对环境的破坏严重，新型替代能源的选择日益迫切，常规能源尤其是常规天然气储量极其有限，非常规天燃气的开采越来越受到世界各国的重视，况且它的估计储量是常规天然气的2.2倍，虽然非常规天然气有着良好的预期，但是其开采难度远高于常规天然气。

江苏工业发达，能源消耗量大，应当在新能源开发方面做出自己的贡献，全国仅有的两家特种天然气研究中心，一处在北京，另一处在扬州的华东石油勘探地质局内，该中心与国内众多矿区的联系紧密，为我们课题的研究带来方便，大量的试验样品为课题的研究提供了一手材料。成果将促进地区能源创新研究。

任何热式流量计都需要一定的进出口压差，这就必须憋气，才能测出流量，研究发现高精度热式流量计如果进气压力变化范围过大也会带来流量测量误差，随着样品解吸过程的进行，产气能力越来越小，不可能保证进口压力恒定，总的趋势为进口压力越小显示流量越偏低。憋气的存在本身就不符合国家标准要求自然解吸的要求，因为憋气压力越大气体解吸越困难，影响解吸速度。

发明内容

本发明的目的是针对目前常用的排水集气法劳动强度大、精密流量计法存在憋气的缺陷，提供一种符合自然解吸要求的页岩气发气量计量装置，该装置自动化程度高，测量误差小，精度高，计算简便，测量结果更接近自然解吸结果。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，页岩气发气量计量装置，包括解吸罐、伺服电机、伺服驱动器、蜗轮蜗杆减速器、丝杠螺母机构、刻度玻璃管、开口水罐、超声液位传感器和乳胶管；伺服驱动器连接伺服电机，伺服电机上设有垂直安装的导向杆；伺服电机过蜗轮蜗杆减速器驱动连接丝杠螺母机构，丝杠垂直设置，开口水罐设有安装支架，安装支架与丝杠螺母机构中的螺母固定连接，开口水罐垂直安装设置在安装支架，安装支架上设有导向孔并穿套在导向杆上，开口水罐底部通过乳胶管连接刻度玻璃管下端，刻度玻璃管上端通过乳胶管连接解吸罐；刻度玻璃管上端的乳胶管上设有两个压力传感器和一个电磁阀，电磁阀设置在两个压力传感器之间；超声液位传感器安装设置在导向杆顶端，用于监测开口水罐或刻度玻璃管中的水位；伺服电机通过蜗轮蜗杆减速器、丝杠螺母机构带动开口水罐上下移动。

所述开口水罐上方设有大气压传感器。

上述页岩气发气量计量装置还设有温度传感器。

所述超声液位传感器的分辨率为1mm、量程为1300mm。

所述蜗轮蜗杆减速器的传动比为1:10。

本发明还可以通过以下技术方案实现，页岩气发气量计量装置，包括解吸罐、伺服电机、伺服驱动器、刻度玻璃管、开口水罐、超声液位传感器和乳胶管；伺服驱动器连接伺服电机，伺服电机设有卷绕轴拉线连接开口水罐；开口水罐垂直设置，开口水罐底部通过乳胶管连接刻度玻璃管下端，刻度玻璃管上端通过乳胶管连接解吸罐；刻度玻璃管上端的乳胶管上设有两个压力传感器和一个电磁阀，电磁阀设置在两个压力传感器之间；超声液位传感器安装设置在导向杆顶端，用于监测开口水罐或刻度玻璃管中的水位；伺服电机通过卷绕轴拉线上下移动开口水罐。

所述开口水罐上方设有大气压传感器。

上述页岩气发气量计量装置还设有温度传感器。

所述超声液位传感器的分辨率为1mm、量程为1300mm。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

第一，自动化程度高。本发明完全模拟人工排水集气方法，采用伺服电机通过蜗轮蜗杆机构带动丝杠螺母上下移动水罐，或直接由电机轴带动卷绕轴拉线带动水罐上下移动，保持水罐中的水平面与刻度玻璃管中的水平面始终在同一水平面上，从而实现页岩气在大气压下的自然解吸，若采用人工跟踪其劳动强度是难以想象的。

第二，测量误差小。本发明拟参考美国矿务局的USBM直接法，按照GB-T 19559-2008的试验要求设计高精度、严格符合自然解吸规范的自动含气量测量仪器。仪器模拟人工排水集气法，采用伺服控制系统，并保证严格意义上的自然解吸，这样可以避免各种热式流量计法需要一定的进出口压力差，形成憋气，从而偏离了自然解吸导致解吸速度减慢带来的解吸特性曲线误差。本发明可以直接测出气体体积并换算成标准状态体积，而不是质量，直接得出样品的发气量指标。

第三，精度高。本发明关键在于伺服控制系统是否能保持两边液面始终相平，其次是实时精确记录玻璃管中的液位。对于前者取决于超声液位传感器测量液位的精度，拟采用分辨率1mm量程1300mm的超声液位传感器保证液位测量的准确度。由于玻璃管中测出的液位为绝对距离，与初始位置之差即为产气体积，根据实时监测的大气压温度数据，经过气态方程计算即可得出产气的标准状态体积。

第四，计算简便，测量结果更接近自然解吸结果。采用超声测距传感器测量刻度玻璃管和开口水罐中的水位（压力平衡时两边水位相同，只要测量一边即可），通过伺服电机调节开口水罐高度，始终保持两边水面相平。由于伺服控制系统始终保持解吸气压力为一个大气压，因此刻度玻璃管中的超声液位传感器随时输出液位信号，利用大气压传感器、温度传感器和成分定期取样化验结果根据气态方程计算出实时解吸气量，并换算成为标准状态101325Pa，20℃的产气量。与原来天然气GB-T 19559-2008标准中间隔5，10，15，…分钟采样一次相比较数据更接近自然解吸结果。

附图说明

图1是本发明页岩气发气量计量装置的结构示意图；

图2是产气量与时间的关系图，其中a为自动平衡记录体积，b为人工间隔记录体积；

其中：1解吸罐、2伺服驱动器、3伺服电机、4蜗轮蜗杆减速器、5丝杠、6螺母、7导向杆、8刻度玻璃管、9开口水罐、10乳胶管、11超声液位传感器、12压力传感器、13电磁阀、14安装支架、15大气压传感器。

具体实施方式

如图1所示，页岩气发气量计量装置，包括解吸罐1、伺服电机3、伺服驱动器2、蜗轮蜗杆减速器4、丝杠螺母机构、刻度玻璃管8、开口水罐9、超声液位传感器11和乳胶管10。

伺服驱动器2连接伺服电机3。伺服电机3上设有垂直安装的导向杆7。伺服电机3通过蜗轮蜗杆减速器4驱动连接丝杠螺母机构，丝杠5垂直设置。开口水罐9设有安装支架14，安装支架14与丝杠螺母机构中的6螺母固定连接，开口水罐9垂直安装设置在安装支架14，安装支架14上设有导向孔并穿套在导向杆7上。伺服电机3通过蜗轮蜗杆减速器4带动丝杠螺母机构上下移动开口水罐9。开口水罐9底部通过乳胶管10连接刻度玻璃管8下端，刻度玻璃管8上端通过乳胶管连接解吸罐1；刻度玻璃管8上端的乳胶管10上设有两个压力传感器12和一个电磁阀13，电磁阀13设置在两个压力传感器12之间开口水罐9上方设有大气压传感器15。

页岩气发气量计量装置还可以通过以下结构实现，包括解吸罐1、伺服电机3、伺服驱动器2、刻度玻璃管8、开口水罐9、超声液位传感器11和乳胶管。伺服驱动器2连接伺服电机3，伺服电机3设有卷绕轴拉线连接开口水罐9。伺服电机3通过卷绕轴拉线带动开口水罐9上下移动。开口水罐9垂直设置，开口水罐9底部通过乳胶管连接刻度玻璃管8下端，刻度玻璃管8上端通过乳胶管连接解吸罐1。刻度玻璃管8上端的乳胶管10上设有两个压力传感器12和一个电磁阀13，电磁阀13设置在两个压力传感器12之间。

上述页岩气发气量计量装置还设有温度传感器，用于测量测试环境的温度。便于换算成为标准状态气体体积。

超声液位传感器11设置在导向杆7顶端。超声液位传感器11的分辨率为1mm、量程为1300mm。超声液位传感器11用于监测开口水罐9或刻度玻璃管8中的水位。

蜗轮蜗杆减速器4的传动比为1:10。

页岩气发气量计量装置的使用方法：

第一步：按照GB要求装罐密封、连接气路系统后，伺服系统启动，第一级压力传感器检测密封解吸罐内压力，根据罐内压力控制电磁阀通断占空比，把第二级压力（刻度玻璃管上端的压力）保持在0.01MPa以下水平，如果第一级压力（密封解吸罐内压力）小于0.01MPa，则电磁阀常开。

第二步：分别检测第二级（刻度玻璃管上端的压力）、第三级压力（大气压），如果两者不相等，驱动伺服电机至两边压力相等，记录初始水位。通常首次出气量很大，随着刻度玻璃管中水位快速下降，开口水罐中水面上升，伺服电机驱动水罐向上移动，直到液面相平，以后不再关闭电磁阀。随着气体的缓慢释放，伺服电机带动开口水罐始终保持两边液面相平，每次相平后计算机记录时间和当时的液面高度以及温度和大气压，可以用一台计算机控制10路密封罐和伺服系统。也可由单片机把数据存储于EEPROM中，试验结束后PC通过USB读取全部数据。因为有些样品可能要测试长达50天，现场模块用单片机控制为宜。

如图2所示，其中台阶曲线为按照国标间隔要求人工记录得到的累积体积预测示意图，光滑曲线为计算机不关闭气夹连续采集预测曲线示意图，后者由于不存在憋气，初期产气量应略高于前者。由于光滑曲线是在严格的自然解吸条件下得到，因此结果对将来生产更有指导意义。

Claims (3)

1.页岩气发气量计量装置，包括解吸罐（1）、刻度玻璃管（8），其特征是，设有伺服电机（3）、伺服驱动器（2）、蜗轮蜗杆减速器（4）、丝杠螺母机构、开口水罐（9）、超声液位传感器（11）和乳胶管、温度传感器；伺服驱动器（2）连接伺服电机（3），伺服电机（3）上设有垂直安装的导向杆（7）；伺服电机（3）通过蜗轮蜗杆减速器（4）驱动连接丝杠螺母机构，丝杠（5）垂直设置，开口水罐（9）设有安装支架，安装支架与丝杠螺母机构中的螺母固定连接，开口水罐（9）垂直安装设置在安装支架，安装支架上设有导向孔并穿套在导向杆（7）上，开口水罐（9）底部通过乳胶管连接刻度玻璃管（8）下端，刻度玻璃管（8）上端通过乳胶管连接解吸罐（1）；刻度玻璃管（8）上端的乳胶管上设有两个压力传感器（12）和一个电磁阀（13），电磁阀（13）设置在两个压力传感器（12）之间；超声液位传感器（11）安装设置在导向杆（7）顶端，超声液位传感器（11）的分辨率为1mm、量程为1300mm，超声液位传感器（11）用于监测开口水罐（9）或刻度玻璃管（8）中的水位；伺服电机（3）通过蜗轮蜗杆减速器（4）带动丝杠螺母机构上下移动开口水罐（9）；所述开口水罐（9）上方设有大气压传感器（15）。

2.根据权利要求1所述的页岩气发气量计量装置，其特征是，所述蜗轮蜗杆减速器（4）的传动比为1:10。

3.页岩气发气量计量装置，包括解吸罐（1）、刻度玻璃管（8），其特征是，设有伺服电机（3）、伺服驱动器（2）、开口水罐（9）、超声液位传感器（11）和乳胶管、温度传感器；伺服驱动器（2）连接伺服电机（3），伺服电机（3）设有卷绕轴拉线连接开口水罐（9）；开口水罐（9）垂直设置，开口水罐（9）底部通过乳胶管连接刻度玻璃管（8）下端，刻度玻璃管（8）上端通过乳胶管连接解吸罐（1）；刻度玻璃管（8）上端的乳胶管上设有两个压力传感器（12）和一个电磁阀（13），电磁阀（13）设置在两个压力传感器（12）之间；超声液位传感器（11）安装设置在导向杆（7）顶端，超声液位传感器（11）的分辨率为1mm、量程为1300mm，用于监测开口水罐（9）或刻度玻璃管（8）中的水位；伺服电机（3）通过卷绕轴拉线上下移动开口水罐（9）；所述开口水罐（9）上方设有大气压传感器（15）。