CN105092419A - 高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置和方法，其中，该装置包括：第一高压腔、第一低压腔、第一气动执行器、第二气动执行器、第二高压腔、第二低压腔、第三气动执行器、第四气动执行器、第一自动六通阀、第二自动六通阀、气相色谱检测仪、左扩散室和右扩散室。通过该测定装置可以实现自动取气，从而解决了现有技术操作繁琐，扩散系数测定不准确的技术问题，达到了有效提供扩散系数测定结果准确性的技术效果。

Description

高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置和方法

技术领域

本发明涉及油气勘探技术领域，特别涉及一种高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置和方法。

背景技术

扩散是指烃类气体在浓度梯度的作用下，气体分子从高浓度区通过各种介质向低浓度区自由迁移达到平衡的一种物理过程。扩散作用是油气运移的重要机理之一，它对于油气，特别是天然气(因为天然气的分子小、重量轻、活动性强，因此在地下具有较强的扩散性)的运移、聚集、成藏、保存和破坏起至关重要的作用。

对于已经聚集的油气藏，除盖层自身封闭能力以及断层的影响外，盖层岩石对于烃类的扩散能力也是影响油气藏后期改造、破坏的最重要因素。然而，除了作为常规传统的破坏因素，扩散在天然气运移、聚集和成藏过程也可能产生积极作用和贡献，尤其在非常规致密砂岩、页岩气等领域。扩散系数作为描述天然气通过岩石扩散速度快慢的重要评价参数，是天然气扩散充注量和散失量计算中必不可少的重要参数。

目前，实验室中一般采用间接方式来测定扩散系数，例如：先测定一定时间内样品的扩散量或扩散浓度，然后再根据这些实测值通过某种方法确定或求得扩散系数值。然而，通过这种方式测定的扩散系数由于受到实验温压条件及地质时间的限制，与实际的地质条件下岩石真正的扩散能力存在偏差，而且在地质时期中随着埋深增加、压实成岩作用增强，天然气的扩散系数在不同地质时期也是不同的。进一步的，最大程度接近实际地质高温高压条件测定岩石烃类的扩散系数，对于准确评价岩石中烃类扩散能力，评估天然气扩散充注量和扩散散失量，开展常规、非常天然气的运移、聚集、成藏及保存研究及资源评价都具有极其重要的作用。

目前，对于岩石中烃类气体扩散系数的求取方法已有一些行业标准，一般采用如图1所示测定装置进行扩散系数的测定，在图1，1和3表示取样阀，2表示岩心夹持器，4表示恒温箱，5、7、8、9、12和13表示截止阀，6表示压差传感器，10和11表示压力表，14和15表示三通阀，16表示围压跟踪泵，17表示真空泵，18表示烃类气源，19表示氮气气源，20表示气相色谱仪。具体的，通过手动控制阀门取气进气相色谱仪20或者直接采用排水法取气再进气相色谱仪20的方式。

然而，考虑到烃类气体和氮气在水中都具有一定的溶解度，排水取气法可能造成扩散初始阶段检测不到烃类气体浓度的变化，从而推迟扩散开始的时间导致最终扩散系数值变小；而由于色谱检测需要的气量很小，人工控制阀门取气容易造成取气量偏大从而使扩散室内压力损失大而达不到实验条件的需求。进一步的，人工控制的方式还会造成两扩散室的压力不平衡，从而导致气体是由压力差突破样品而不是由浓度差扩散过去，从而使得测定结果偏大。且人工控制的方式要求操作人员每隔一段时间取气一次，不仅工作量大还容易因手工操作带来一定的分析误差。

针对上述确定的扩散系数不准确的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案，因此有必要对现有设备进行改造以克服装置的局限。

发明内容

本发明实施例提供了一种高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置，以达到准确测定扩散系数的目的，该装置包括：

第一高压腔1、第一低压腔3、第一气动执行器2、第二气动执行器4、第二高压腔8、第二低压腔9、第三气动执行器10、第四气动执行器11、第一自动六通阀5、第二自动六通阀14、气相色谱检测仪7、左扩散室12和右扩散室13，其中：

所述第一高压腔1通过第一连接管线与所述左扩散室12相连，所述第一气动执行器2连接在所述第一连接管线上，所述第一气动执行器2用于对所述第一高压腔1与所述左扩散室12之间的连通性进行控制；

所述第一高压腔1通过第二连接管线与所述第一低压腔3相连，所述第二气动执行器4连接在所述第二连接管线上，所述第二气动执行器4用于对所述第一高压腔1与所述第一低压腔3之间的连通性进行控制；

所述第二高压腔8通过第三连接管线与所述右扩散室13相连，所述第三气动执行器10连接在所述第三连接管线上，所述第三气动执行器10用于对所述第二高压腔8与所述右扩散室13之间的连通性进行控制；

所述第二高压腔8通过第四连接管线与所述第二低压腔9相连，所述第四气动执行器11连接在所述第四连接管线上，所述第四气动执行器11用于对所述第二高压腔8与所述第二低压腔9之间的连通性进行控制；

所述第一自动六通阀5，与所述第一低压腔3和所述气相色谱检测仪7相连，所述第二自动六通阀14，与所述第二低压腔9和所述气相色谱检测仪7相连，所述第一自动六通阀5用于定量收集所述第一低压腔3中的气体，所述第二自动六通阀14用于定量收集所述第二低压腔9中的气体，并将收集的气体导入所述气相色谱检测仪7中进行检测。

本发明实施例还提供了一种通过上述高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置进行扩散系数自动检测的方法，以达到准确测定扩散系数的目的，该方法包括：

在一侧的扩散室中注入待测烃类气体，在另一侧扩散室中注入氮气，开启第一气动执行器控制第一高压腔与左扩散室连通，开启第三气动执行器控制第二高压腔与右扩散室连通；

在预定时间后，关闭第一气动执行器和第三气动执行器，开启第二气动执行器控制第一高压腔与第一低压腔连通，开启第四气动执行器控制第二高压腔与第二低压腔连通；

通过第一自动六通阀和第二自动六通阀控制所述第一低压腔和所述第二低压腔中的气体定量导入气相色谱检测仪中进行检测。

在本发明实施例中，提供了一种高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置，该装置包括：高压腔、低压腔、气动执行器、自动六通阀和气相色谱检测仪等，通过该测定装置可以实现自动取气，从而解决了现有技术操作繁琐，扩散系数测定不准确的技术问题，达到了有效提供扩散系数测定结果准确性的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是现有技术中的岩石中烃类扩散系数测定装置的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置的结构示意图；

图3是根据本发明实施例的自动六通阀的结构示意图；

图4是通过本发明实施例提供的高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置进行扩散参数自动检测的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

发明人考虑到，可以对现有的岩石中烃类扩散系数测定装置进行改进，以使得其可以自动取气并且可以将色谱定量后的多余气体回注，从而克服现有的岩石中烃类扩散系数测定装置的局限。为此，提出了一种岩石中烃类扩散系数测定高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置，高压腔、低压腔、气动执行器a(第一气动执行器)、气动执行器b(第二气动执行器)各为两套，可替换高温高压岩石扩散系数测定装置中的手动取气部分，这两套分别与岩心夹持器两侧的扩散室(左扩散室和右扩散室)相连接。高压腔、低压腔和扩散室之间的连接管线上设置气动执行器来控制二者之间的连通性，其中，低压腔与高压腔相连，高压腔还与扩散室相连。自动六通阀与低压腔相连，用于定量收集低压腔内的气体并导入气相色谱检测仪。

具体地，如图2所示，该高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置包括：第一高压腔1、第一低压腔3、第一气动执行器2、第二气动执行器4、第二高压腔8、第二低压腔9、第三气动执行器10、第四气动执行器11、第一自动六通阀5、第二自动六通阀14、气相色谱检测仪7、左扩散室12和右扩散室13，其中：

第一高压腔1通过第一连接管线与左扩散室12相连，第一气动执行器2连接在第一连接管线上，第一气动执行器2用于对第一高压腔1与左扩散室12之间的连通性进行控制；

第一高压腔1通过第二连接管线与第一低压腔3相连，第二气动执行器4连接在第二连接管线上，第二气动执行器4用于对第一高压腔1与第一低压腔3之间的连通性进行控制；

第二高压腔8通过第三连接管线与右扩散室13相连，第三气动执行器10连接在第三连接管线上，第三气动执行器10用于对第二高压腔8与右扩散室13之间的连通性进行控制；

第二高压腔8通过第四连接管线与第二低压腔9相连，第四气动执行器11连接在第四连接管线上，第四气动执行器11用于对第二高压腔8与第二低压腔9之间的连通性进行控制；

第一自动六通阀，与第一低压腔3和气相色谱检测仪7相连，第二自动六通阀，与第二低压腔9和气相色谱检测仪7相连，第一自动六通阀用于定量收集第一低压腔3中的气体，第二自动六通阀14用于定量收集第二低压腔9中的气体，并将收集的气体导入气相色谱检测仪7中进行检测。

通过上述高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置可以有效解决现有高温高压岩石中烃类扩散系数测定装置不能自动取气及回注的在线检测问题，可以实现设备自动取气并联机在线检测，避免了人为操作带来的实验误差，同时也减少了操作人员的工作量。该设备能够帮助准确高效地测定高温高压下岩石中烃类的扩散系数，为开展天然气扩散充注量、散失量评价提供科学的数据支持，对盖层封闭机理研究和封气能力评价具有重要意义，应用前景广阔。

为了解决余气回注的问题，将经色谱定量后的剩余气体注回扩散室内，减小扩散室内的压力损失，如图2所示，还可以在上述高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置中设置回注泵6，该回注泵6分别与第一低压腔3和第二低压腔9相连，用于将定量后剩余的气体注回左扩散室12和右扩散室13。

考虑到人为控制容易导致测量结果不准确，在本例中，通过控制器，对第一气动执行器2、第二气动执行器4、第三气动执行器10、第四气动执行器11、第一自动六通阀5和第二自动六通阀14进行集中控制，具体地，就是通过该控制器对第一气动执行器2、第二气动执行器4、第三气动执行器10、第四气动执行器11、第一自动六通阀5和第二自动六通阀14的开闭状态和开闭时间进行控制，从而实现对气体的扩散和取气流程的控制。

进一步的，考虑到实际生产和检测的需要，第一高压腔1、第一低压腔3、第二高压腔8、第二低压腔9、左扩散室12和右扩散室13对气体压力的承压能力不低于80MPa，耐温性不低于220℃。岩心夹持器的对围压的承压能力不低于100MPa，耐温性不低于220℃，各连接管线可以选择常规的耐高温高压管线，例如可以选择不锈钢材质的管线。如图3所示为自动六通阀的示意图，由图3可以看出，在自动六通阀的内部包含一个定量管，这个定量管的规格可以选择0.25ml的定量管，在采样和进样时候，自动六通阀的连接方式是不同的。气相色谱检测仪7可以同时实现对两路气体的检测和显示，从而可以实现最终的扩散系数的检测。

对于图2所示的高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置，可以按照以下方式使用，即采用以下方式进行扩散系数测定，如图4所示，包括以下步骤：

步骤401：在岩心夹持器一侧的扩散室中注入待测烃类气体，在另一侧扩散室中注入氮气，开启第一气动执行器控制第一高压腔与左扩散室连通，开启第三气动执行器控制第二高压腔与右扩散室连通；

即，留出一段时间让待测烃类气体在岩心中进行扩散，这样过了预定时间后，两侧扩散室和高压腔中的气体就是气体扩散后的气体。

步骤402：在预定时间后，关闭第一气动执行器和第三气动执行器，开启第二气动执行器控制第一高压腔与第一低压腔连通，开启第四气动执行器控制第二高压腔与第二低压腔连通；

在该步骤中，主要是为了使得高压腔中的气体进入低压腔，从而最终进入气相色谱仪，例如可以设定该预定时间为1小时，即，每过1小时执行一次取气一次。

步骤403：通过第一自动六通阀和第二自动六通阀控制第一低压腔和第二低压腔中的气体定量导入气相色谱检测仪中进行检测。

为了减少扩散室中的压力损失，在上述步骤403之后，还可以包括：通过回注泵将经第一低压腔中定量后剩余的气体注回左扩散室，将经第二低压腔中定量后剩余的气体注回右扩散室，因为剩余气体被送回扩散室中，从而减少了扩散室中压力的损失。

在整个过程中，气体的走向大概可以总结为：气体扩散，高压腔与扩散室相连通，气体进入高压腔，然后开始取气，启动执行器a自动关闭高压腔，同时启动执行器b打开，气体从高压腔进入低压腔，从而使压力降低，进而气体再进入自动六通阀进行定量，并在载气的推动下气体进入气相色谱检测仪进行检测，经气相色谱定量后的剩余气体经回注泵注回扩散室内，以减小扩散室的压力损失。

下面从使用前的连接方法和一个具体操作实例对上述高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置进行说明：

连接方法：

1)将高压腔与岩石扩散系数测定仪中的扩散室相连接，在连接管线上设置气动执行器来控制二者之间的连通性；

2)将低压腔与高压腔相连接，并在连接管线上设置气动执行器来控制二者之间的连通性；

3)按照上述连接流程连接另一侧扩散室的相同装置；

4)将自动六通阀与两侧的低压腔相连，用于定量收集低压腔内的气体并导入气相色谱检测仪；

5)将气相色谱检测仪与自动六通阀相连；

6)将回注泵与低压腔相连接。

连接后的操作方法：

安装过程完毕后，开始进行气体扩散，每隔一段时间(具体间隔可以按照实际需要设定)，通过气动执行器自动关闭高压腔，同时通过气动执行器自动打开低压腔，使高压气体进入低压腔，从而使压力降低，然后气体进入自动六通阀进行定量，并在载气的推动下进入气相色谱检测仪进行检测，从而完成最终的检测操作。

将同一扩散室内的气体分别采用人工排水取气的方法和上述实施例中的自动在线检测方法对气体浓度进行检测，可以得到如表1所示的结果：

表1

由表1可以看出：采用人工排水法取气测量的烃类气体浓度偏大，这主要是因为在扩散起始阶段检测不到气体浓度的变化，造成最终结果相对偏小，而通过本申请所提供的方式可以获得更为精确的测定结果。

由上述内容，可以发现：采用本例所提供的高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置进行扩散系数自动检测，除了安装样品和设定实验条件外，其它操作都可以全部实现自动化，从而可以避免人为操作带来的实验误差，减少操作人员的工作量。且可以实现自动取气，从而保证了气体浓度测量的准确性。进一步的，实现了余气回注，减少了扩散室内压力的损失，实现了高压气体的低压转换，减小了高压气体对阀门和检测仪器的损害。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置，其特征在于，包括：第一高压腔(1)、第一低压腔(3)、第一气动执行器(2)、第二气动执行器(4)、第二高压腔(8)、第二低压腔(9)、第三气动执行器(10)、第四气动执行器(11)、第一自动六通阀(5)、第二自动六通阀(14)、气相色谱检测仪(7)、左扩散室(12)和右扩散室(13)，其中：

所述第一高压腔(1)通过第一连接管线与所述左扩散室(12)相连，所述第一气动执行器(2)连接在所述第一连接管线上，所述第一气动执行器(2)用于对所述第一高压腔(1)与所述左扩散室(12)之间的连通性进行控制；

所述第一高压腔(1)通过第二连接管线与所述第一低压腔(3)相连，所述第二气动执行器(4)连接在所述第二连接管线上，所述第二气动执行器(4)用于对所述第一高压腔(1)与所述第一低压腔(3)之间的连通性进行控制；

所述第二高压腔(8)通过第三连接管线与所述右扩散室(13)相连，所述第三气动执行器(10)连接在所述第三连接管线上，所述第三气动执行器(10)用于对所述第二高压腔(8)与所述右扩散室(13)之间的连通性进行控制；

所述第二高压腔(8)通过第四连接管线与所述第二低压腔(9)相连，所述第四气动执行器(11)连接在所述第四连接管线上，所述第四气动执行器(11)用于对所述第二高压腔(8)与所述第二低压腔(9)之间的连通性进行控制；

所述第一自动六通阀(5)，与所述第一低压腔(3)和所述气相色谱检测仪(7)相连，所述第二自动六通阀(14)，与所述第二低压腔(9)和所述气相色谱检测仪(7)相连，所述第一自动六通阀(5)用于定量收集所述第一低压腔(3)中的气体，所述第二自动六通阀(14)用于定量收集所述第二低压腔(9)中的气体，并将收集的气体导入所述气相色谱检测仪(7)中进行检测。

2.如权利要求1所述的高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置，其特征在于，还包括：回注泵(6)，分别与所述第一低压腔(3)和所述第二低压腔(9)相连，用于将定量后剩余的气体注回所述左扩散室(12)和所述右扩散室(13)。

3.如权利要求1所述的高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置，其特征在于，还包括：控制器，分别与所述第一气动执行器(2)、所述第二气动执行器(4)、所述第三气动执行器(10)、所述第四气动执行器(11)、所述第一自动六通阀(5)和所述第二自动六通阀(14)相连，用于对所述第一气动执行器(2)、所述第二气动执行器(4)、所述第三气动执行器(10)、所述第四气动执行器(11)、所述第一自动六通阀(5)和所述第二自动六通阀(14)的开闭状态和开闭时间进行控制。

4.如权利要求1所述的高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置，其特征在于，所述第一高压腔(1)、所述第一低压腔(3)、所述第二高压腔(8)、所述第二低压腔(9)、所述左扩散室(12)和所述右扩散室(13)对气体压力的承压能力大于等于80MPa，耐温性大于等于220摄氏度。

5.如权利要求1所述的高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置，其特征在于，所述第一连接管线、所述第二连接管线、所述第三连接管线和所述第四连接管线为不锈钢材质的管线。

6.一种通过权利要求1至5中任一项所述的高温高压下岩石中烃类扩散系数自动检测的装置进行扩散系数自动检测的方法，其特征在于，包括：

在一侧的扩散室中注入待测烃类气体，在另一侧扩散室中注入氮气，开启第一气动执行器控制第一高压腔与左扩散室连通，开启第三气动执行器控制第二高压腔与右扩散室连通；

在预定时间后，关闭第一气动执行器和第三气动执行器，开启第二气动执行器控制第一高压腔与第一低压腔连通，开启第四气动执行器控制第二高压腔与第二低压腔连通；

通过第一自动六通阀和第二自动六通阀控制所述第一低压腔和所述第二低压腔中的气体定量导入气相色谱检测仪中进行检测。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在通过第一自动六通阀和第二自动六通阀控制所述第一低压腔和所述第二低压腔中的气体定量导入气相色谱检测仪中进行检测之后，所述方法还包括：

通过回注泵将经第一低压腔中定量后剩余的气体注回左扩散室，将经第二低压腔中定量后剩余的气体注回右扩散室。