CN104122169A - 一种页岩残余气含量测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种页岩残余气测试系统，包括岩样密闭破碎装置、残余气含量测量机构和计算机；所述密闭破碎装置包括电机、大减速轮、小减速轮、太阳轮、行星轮、密闭球磨罐，用于在密闭条件下对岩样进行破碎至60目以下；残余气含量测量机构设有温度传感器、压力传感器、电源和数据采集卡，两种传感器用于对密闭球磨罐内的各参数测量；所述计算机安装有残余气含量测试软件，用于对测量装置测得的数据进行处理、计算、保存和查询，及在测量结束后自动完成编制和打印测量报告；本发明的页岩残余气测试系统能够实现从最原始的岩样密闭破碎到最终的残余气含量测量，自动化程度高，操作简单，测量结果可靠。

Description

一种页岩残余气含量测试系统

技术领域

本发明涉及一种页岩残余气含量测试系统，由岩样密闭破碎装置、残余气含量测量机构和安装有自编制软件的计算机组成，属于地质勘探领域。

背景技术

残余气是指页岩岩样正常解析实验工作终止后仍然残留在岩芯中的天然气或经过更长的时间才能获得的天然气，通常情况下，自然解析时，它很难从样品中解析出来，或者即使通过一些手段，也可能解析不彻底而导致仍有部分残余气残留于样品中。

根据市场产品调查结果来看，目前国内还没有一套完整的能够实现从岩样破碎到测量对页岩残余气进行测量的仪器设备或系统,我国的相关技术仍停留在测量方法研究上，比较常见的测量方法有：

(1)延时法:延时法是在快速解吸实验后，延长解吸时间，以使页岩得到充分的解吸。延长时间至六个月，或在连续20天内每天平均解吸量不大于0.1cm³时结束。

(2)破碎法:破碎法主要是借助煤层气的残余气含量测定方法(2008年，由国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会颁布实施，编号为GB/T19559-2008的国标)来进行测量的。其方法如下：

·慢速解吸时残余气量的测定方法

自然解吸结束后，将样品捣碎至2～3cm大小，取300～500g，装入球磨罐密封进行残余气量测定。将用于残余气测定的球磨罐固定在球磨机上，破碎2～4h，放入恒温装置，待恢复储层温度后观测读数并记录相关数据，之后，按每24h间隔进行解吸测定。解吸持续到连续7天平均每天解吸量不大于10cm³，残余气量测定终止。残余气测定结束后，开罐，用0.2464mm(60目)标准筛筛分样品，称量筛下煤样的质量，进行残余气量计算。

·快速气含量测定时残余气量的测定

快速解吸结束之后，将样品球磨破碎15～30min(灰分较高或高煤级的煤破碎60min)，放入恒温装置自然解吸；以后重复破碎、解吸。直到连续两次破碎、解吸的气量均小于10cm³时，残余气量测定结束。

计算公式为：G_CR＝V_R/m_R                   (1-1)

其中：G_CR—残余气含量，单位为(cm³/g)；V_R—残余气体积，单位为(cm³)；m_R—残余气样品质量，单位为(g)。

(3)曲线拟合法:曲线拟合法类似于朗格缪尔公式的数值计算方法。朗格缪尔公式是根据汽化和凝聚动力学平衡建立的，其方程简单实用，已被广泛应用于煤和其他吸附剂对气体的吸附，同时，根据其动态平衡的假设，该方程同样可以描述煤层气解吸过程。因此变化朗格缪尔公式的字母意义得到：

G＝G_L T/(T+T_L)               (1-2)

式中：G—实测解吸气含量，m³/t；T—实测解吸时间，h；G_L—极限解吸气含量，m³/t。

变换公式(1-2)得到：

T＝G_L T/G-T_L               (1-3)

根据实测解吸数据，参照公式(1-3)得到T/G与T的对应关系图，拟合即可得到G_L即极限解吸气含量。又因为

G_L＝Q₁+Q₂               (1-4)

式中:Q₁—实测解吸气含量，m³/t；Q₂—残余气含量，m³/t。

因此Q₂＝G_L-Q₁               (1-5)

朗格缪尔曲线拟合法残余气主要依据现场解吸数据，因此其结果的可靠性主要受限于解吸时间的长短，解吸时间越长，解吸曲线越平缓，其计算结果越可靠。

(4)高温法:高温法是在现场快速解吸过程结束后，将解吸样品加高温，获得高温解吸气量。再利用理想气体状态方程换算为地下温度压力条件下的气体体积。如2012年11月公开的中国地质大学(北京)教授张金川和朱亮亮、林腊梅等人发明了一种“利用高温法快速测定残余气量的仪器及方法”，专利号201210257108X，该方法包括：利用样品加热罐进行解吸实验；将样品加热罐放入微波加热装置内；将集气量筒内装满饱和食盐水，并与样品加热罐连接；接通微波加热装置的电源，开始加热；观测并记录集气量筒内的气体体积等数据。

上述方法不足之处在于：

(1)延时法测量的实验周期较长，耗时耗力。

(2)破碎法有国标参考依据，直接明了，操作简单，目前采用该方法测量残余气的实验较多。但其过程中要将样品暴露在空气中，容易导致气体的混杂，在破碎过程中容易漏失气体使实验结果偏小。

(3)曲线拟合法是一种纯理论计算，方法简单易行，但受前期解吸数据的影响较大，计算结果容易出现误差。

(4)高温法测量中，页岩封闭孔中的气体难以解吸出来，不能完整的测量残余气。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述不足，而在现有测量方法的基础上设计一种能够实现将岩样密闭破碎到60目以下颗粒；能够自动、精确测量，并在计算机上实时显示测量结果；完整地保存测量数据；自动完成测试报告及打印的页岩残余气测试系统，以填补国内外在页岩残余气测量系统上的空白。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：设计一种页岩残余气测试系统，包括岩样密闭破碎装置、残余气含量测量机构和计算机，所述的岩样密闭破碎装置设有底座，固定片，电机，电机连接轴，大、小减速轮，电机支架，轴承A、B、C、D，行星架，行星轮，太阳轮，球磨罐卡座，密闭球磨罐，球磨罐压块，扭动把手，带螺纹夹块，连接轴筒，右端支架，所述的电机通过固定片、螺栓和电机前端法兰固结在电机支架上，电机支架通过螺栓与底座连接；电机输出轴与电机连接轴连接；电机连接轴与小减速轮连接；小减速轮与大减速轮相啮合；所述的行星架设计有一个X形转架，X形转架左、右侧分别连接短杆、长杆，左侧短杆上安装有轴承A和大减速轮，轴承A与电机支架连接，X形转架右侧通过轴承C安装太阳轮，连接轴筒安装在行星架的长杆上，连接轴筒左端通过螺栓与太阳轮连接；连接轴筒右端通过螺栓与右端支架连接；行星架长杆右端通过轴承B与右端支架连接；右端支架通过螺栓与底座连接；所述的球磨罐卡座有4个，在每个球磨罐卡座左端的转轴上分别安装轴承D和行星轮，4个行星轮均与太阳轮相啮合；4个轴承D分别安装在行星轮的X形转架的末端圆孔中；球磨罐卡座中放置密闭球磨罐；密闭球磨罐由球磨罐体、密封圈和罐盖组成；球磨罐体在与罐盖连接处设有密封槽，密封槽内设有密封圈，球磨罐体与罐盖通过螺栓连接；扭动把手有一端部通过螺纹旋转穿过带螺纹夹块固定在球磨罐压块上；带螺纹夹块两端卡在球磨罐卡座上，密闭球磨罐通过球磨罐压块压紧在球磨罐卡座上；

所述的残余气含量测量机构设有温度传感器、压力传感器、数据采集卡和电源，温度传感器、压力传感器分别通过螺纹固定在密闭球磨罐的罐盖上；数据采集卡分别与温度传感器、压力传感器连接，并通过数据线与计算机连接；由计算机控制数据采集的频率；电源用于提供电能；

所述的计算机安装有自编的残余气含量测试软件，用于将残余气含量测量机构传输的数据进行处理计算，得到残余气体积生成量并于处理后进行实验结果报告的打印。

所述的电机输出轴通过平键将电机输出转动力传递给电机连接轴；电机连接轴通过平键将转动力传递给小减速轮；大减速轮通过平键将转动力传递给行星架；行星轮通过平键将转动力传递给球磨罐卡座。

所述的行星架、行星轮和太阳轮共同组成一个行星系，在行星轮围绕太阳轮进行公转的同时，其也围绕自身轴线进行自转，使行星轮带动密闭球磨罐进行公转和自转，带动装在密闭球磨罐内的岩样跟随运动，实现岩样的破碎。

所述的岩样密闭破碎装置用于将岩样破碎至60目以下颗粒。

所述的密闭球磨罐在整个破碎过程中始终处于密封状态，传感器通过多次采集密闭球磨罐内温度和压力的变化，实现残余气含量的密闭测量。

所述的自编的残余气含量测试软件设计有密码登陆功能模块、数据处理功能模块、数据保存功能模块、历史数据查询功能模块和打印报表功能模块。

本发明的页岩残余气测试系统的实际效果是：

1、本发明的岩样密闭破碎装置能够在密闭情况下将岩样破碎至60目以下；密封效果好，能够实现样品的反复破碎与测量，直至达到测量结束所需的条件。

2、本发明的页岩残余气测试系统自动化程度高，可实时显示测量数据，查询历史数据并打印测量结果报告，大大降低了工作人员的劳动强度。

3、本发明自编的残余气含量测试软件数据采集与处理功能强大，能够实时测量到球磨罐内的压力、温度变化并通过差值计算出残余气的产生量；

4、本发明的操作系统具有符合工作人员的人性化操作界面，操作简单，对整个系统操作流程无需进行详细讲解培训就可以完成操作。

附图说明

图1是本发明的岩样密闭破碎装置和残余气含量测量机构的整体结构示意图。

图2是本发明的岩样密闭破碎装置和残余气含量测量机构的分解结构示意图。

图3是本发明中的电机连接轴的结构示意图。

图4是本发明中的行星架的结构示意图。

图5是本发明中的密闭球磨罐的分解结构示意图。

图6是本发明的岩样密闭破碎系统工作流程图。

上述图中，1-底座；2-固定片；3-电机；4-电机连接轴；5-小减速轮；6-电机支架；7-轴承A；8-大减速轮；9-行星架；10-轴承D；11-行星轮；12-球磨罐卡座；13-球磨罐体；14-罐盖；15-球磨罐压块；16-扭动把手；17-带螺纹夹块；18-温度传感器；19-轴承B；20-连接轴筒；21-压力传感器；22-右端支架；23-密封圈；24-太阳轮；25-轴承C。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详述：

实施例1：本发明提供一种页岩残余气测量系统，包括岩样密闭破碎装置、残余气含量测量机构和计算机；所述密闭破碎装置和残余气含量测量机构的结构如图1、2所示，装置设有底座1、固定片2、电机3、电机连接轴4、小减速轮5、电机支架6、轴承A 7、大减速轮8、行星架9、轴承D 10、行星轮11、球磨罐卡座12、密闭球磨罐、球磨罐压块15、扭动把手16、带螺纹夹块17、轴承B 19、连接轴筒20、右端支架22、密封圈23、太阳轮24、轴承C 25。所述的电机3通过固定片2、螺栓和电机前端法兰固结在电机支架6上，电机支座6通过螺栓与底座1连接。

电机连接轴4结构参见图3，电机3输出轴与电机连接轴4连接，电机连接轴4与小减速轮5连接，小减速轮5与大减速轮8相啮合。

参见图2、4，行星架9设计有一个X形转架，X形转架左、右侧分别连接短杆、长杆，左侧短杆上安装有轴承A 7和大减速轮8，轴承A 7与电机支架6连接，X形转架右侧通过轴承C 25安装太阳轮24，连接轴筒20安装在行星架9的长杆上，连接轴筒20左端通过螺栓与太阳轮24连接；连接轴筒20右端通过螺栓与右端支架22连接；行星架9的长杆右端通过轴承B 19与右端支架22连接；右端支架22通过螺栓与底座1连接。

参见图2，所述的球磨罐卡座12有4个，在每个球磨罐卡座12左端的转轴上分别安装轴承D10和行星轮11，4个行星轮11均与太阳轮24相啮合；4个轴承D10分别安装在行星轮的X形转架的末端圆孔中；球磨罐卡座12中放置密闭球磨罐。

参见图5，密闭球磨罐由球磨罐体13、密封圈23和罐盖14组成；球磨罐体13与罐盖14连接处设有密封槽，密封圈23放在密封槽内，球磨罐体13与罐盖14通过螺栓连接；扭动把手16有一端部通过螺纹旋转穿过带螺纹夹块17固定在球磨罐压块15上；带螺纹夹块两端卡在球磨罐卡座12上，密闭球磨罐通过球磨罐压块15压紧在球磨罐卡座12上。

所述的岩样密闭破碎装置用于破碎岩样，可以将岩样装在密闭球磨罐内破碎至60目以下大小的颗粒。

所述的残余气含量测量机构设有温度传感器18、压力传感器21、数据采集卡和电源，温度传感器18、压力传感器21分别通过螺纹固定在密闭球磨罐的罐盖14上；数据采集卡分别与温度传感器18、压力传感器21连接，并通过数据线与计算机连接；由计算机控制数据采集的频率。

所述的计算机安装有自编的残余气含量测试软件，用于将残余气含量测量机构传输的数据进行处理计算，得到残余气体积生成量并于测量最后打印处理结果报告。

实施例2：应用实施例1提供的一种页岩残余气测量系统进行的残余气含量测量。系统整个工作过程如图6所示：

岩样密闭破碎的过程是：将岩样放入每个密闭球磨罐内，密闭球磨罐通过球磨罐压块15压紧在球磨罐卡座12上。

电机3转动通过平键带动电机连接轴、小减速轮5转动，小减速轮5通过平键带动大减速轮8转动；大减速轮8通过平键带动行星架9转动，于是行星架9与大减速轮8同速转动；行星架9带动行星轮11公转；太阳轮24通过螺栓与连接轴筒20连接，连接轴筒20又通过螺栓与右端支架22连接；太阳轮24与4个行星轮11啮合，因此行星轮11在公转的同时又进行自转；行星轮11带动密闭球磨罐公转并且自转，使球磨罐内部岩样在复杂的作用力下破碎至60目以下。

当密闭球磨罐完成破碎过程后，在进行残余气含量测量时：

1、先打开计算机和软件，首先点击注册，注册完成后输入相应的用户名和密码，点击登录进入主操作界面。

2、在主操作界面填写好相应的测量内容及参数后点击开始采集，则软件功能模块开始运作，计算机指令残余气含量测量机构中的温度传感器、压力传感器与数据采集卡工作。数据采集卡能够以每秒1000次的频率采集密闭球磨罐中的温度、压力的测量数据，求取它们的平均值并在计算机上显示出图像；计算机计算岩样破碎前后密闭球磨罐内的温度差和压力差，并以理想气态方程为基础，通过软件计算得到残余气的生成量，以波形图表的方式显示于界面。同时，计算机将每一个数据以及工作参数都保存在Excel中以供后期处理。

3、在总体图像中可以看到残余气量和解吸速度随着温度和压力的变化规律；计算机中的数据保存模块能够实时的将测量的数据进行保存；历史数据查询模块能够根据用户需求查询到任何一组测量数据；在数据回放中可以查看采集的历史数据。

4、实验过程中如果有重要事宜需要记录则可以点击打印报表，在相应地方进行记录。

5、完成测试后，点击退出采集，则软件退出并以Word文档的形式打印测量结果报告，工作人员可选择报告的储存位置进行保存。

本发明的页岩残余气测试系统能够实现从最原始的岩样密闭破碎到最终的残余气含量测量，自动化程度高，操作简单，测量结果可靠。

Claims (6)

1.一种页岩残余气含量测试系统，包括岩样密闭破碎装置、残余气含量测量机构和计算机，其特征在于：所述的岩样密闭破碎装置设有底座，固定片，电机，电机连接轴，大、小减速轮，电机支架，轴承A、B、C、D，行星架，行星轮，太阳轮，球磨罐卡座，密闭球磨罐，球磨罐压块，扭动把手，带螺纹夹块，连接轴筒，右端支架，所述的电机通过固定片、螺栓和电机前端法兰固结在电机支架上，电机支架通过螺栓与底座连接；电机输出轴与电机连接轴连接；电机连接轴与小减速轮连接；小减速轮与大减速轮相啮合；所述的行星架设计有一个X形转架，X形转架左、右侧分别连接短杆、长杆，左侧短杆上安装有轴承A和大减速轮，轴承A与电机支架连接，X形转架右侧通过轴承C安装太阳轮，连接轴筒安装在行星架的长杆上，连接轴筒左端通过螺栓与太阳轮连接；连接轴筒右端通过螺栓与右端支架连接；行星架长杆右端通过轴承B与右端支架连接；右端支架通过螺栓与底座连接；所述的球磨罐卡座有4个，在每个球磨罐卡座左端的转轴上分别安装轴承D和行星轮，4个行星轮均与太阳轮相啮合；4个轴承D分别安装在行星轮的X形转架的末端圆孔中；球磨罐卡座中放置密闭球磨罐；密闭球磨罐由球磨罐体、密封圈和罐盖组成；球磨罐体在与罐盖连接处设有密封槽，密封槽内设有密封圈，球磨罐体与罐盖通过螺栓连接；扭动把手有一端部通过螺纹旋转穿过带螺纹夹块固定在球磨罐压块上；带螺纹夹块两端卡在球磨罐卡座上，密闭球磨罐通过球磨罐压块压紧在球磨罐卡座上；

所述的残余气含量测量机构设有温度传感器、压力传感器、数据采集卡和电源，温度传感器、压力传感器分别通过螺纹固定在密闭球磨罐的罐盖上；数据采集卡分别与温度传感器、压力传感器连接，并通过数据线与计算机连接；由计算机控制数据采集的频率；电源用于提供电能；

所述的计算机安装有自编的残余气含量测试软件，用于将残余气含量测量机构传输的数据进行处理计算，得到残余气体积生成量并于处理后进行实验结果报告的打印。

2.根据权利要求1所述的一种页岩残余气含量测试系统，其特征在于：所述的电机输出轴通过平键将电机输出转动力传递给电机连接轴；电机连接轴通过平键将转动力传递给小减速轮；大减速轮通过平键将转动力传递给行星架；行星轮通过平键将转动力传递给球磨罐卡座。

3.根据权利要求1所述的页岩残余气含量测试系统，其特征在于：所述的行星架、行星轮和太阳轮共同组成一个行星系，在行星轮围绕太阳轮进行公转的同时，其也围绕自身轴线进行自转，使行星轮带动密闭球磨罐进行公转和自转，带动装在密闭球磨罐内的岩样跟随运动，实现岩样的破碎。

4.根据权利要求1所述的页岩残余气含量测试系统，其特征在于：所述的岩样密闭破碎装置用于将岩样破碎至60目以下颗粒。

5.根据权利要求1所述的页岩残余气含量测试系统，其特征在于：所述的密闭球磨罐在整个破碎过程中始终处于密封状态，传感器通过多次采集密闭球磨罐内温度和压力的变化，实现残余气含量的密闭测量。

6.根据权利要求1所述的页岩残余气含量测试系统，其特征在于：所述的自编的残余气含量测试软件设计有密码登陆功能模块、数据处理功能模块、数据保存功能模块、历史数据查询功能模块和打印报表功能模块。