CN107063919A - 一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量的装置，包括反应容器上端设置反应容器盖子，内部设置活塞，反应容器盖子与第二三通接头连通，第二三通接头与第一三通接头相连，第二三通接头与第三三通接头相连，第三三通接头与第一储罐相连，第三三通接头与第二储罐相连，第二储罐与第一储罐下面设置电子天平，反应容器下端连接四通接头，四通接头连接压力传感器，四通接头连接计量泵，第一三通阀与真空泵相连，第一三通阀依次连接油气分离器和气体计量器，本装置通过压力变化，快速判断吸附是否平衡，克服页岩岩心取芯困难的问题，实验操作简单、迅速对运用CO2开发页岩油藏具有重要指导意义。

Description

一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量的装置及方法
技术领域
本发明涉及于石油工程和工艺技术领域，具体地涉及一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量的装置及方法。
背景技术
中国常规油气资源主要分布在陆上深层、超深层、及陆上复杂圈闭中，而页岩油气、煤层气等非常规油气资源是我国最重要的战略接替资源，页岩油在已知油区陆相地层中集中分布，是重要的战略接替资源。页岩油是富含在有机质页岩地层系统(大套暗色页岩、高碳页岩、粉砂质页岩及砂岩夹层)中开采出的原油，它是以孔隙、裂缝为主要储集空间，无运移或运移距离极短的特低孔、特低渗、连续性油藏。其特点是储源一体、储层致密、脆性矿物含量高、异常高压、热演化程度高、油质清、产量递减快、生产周期长等。由于上述原因常规的水力压裂、注水开发方案在页岩油藏中无法实施。而CO2作为一种优质的油藏注入溶剂，其具有诸多优点。CO2易于达到超临界状态，其临界温度和压力分别为31.26℃和7.2MPa。当温度和压力高于临界点时，CO2处于超临界状态，其性质会发生变化，如密度近于液体、粘度近于气体、扩散系数为液体的100倍，因而具有较高的溶解能力。溶解CO2的原油其体积膨胀量最高达到140％，降压过程中CO2通过溶解气驱将原油驱替流出油藏，同时，CO2会对原油轻质组分出现明显萃取。
因此，运用超临界CO2溶剂使原油发生膨胀和对轻质烷烃萃取作用是页岩油开发的一种重要手段。但是，由于页岩中富含的有机质，会对原油有极强的吸附和溶解能力，当注入超临界CO2时，超临界CO2与原油在对流扩散过程中会在有机质上出现明显竞争吸附作用，两者的吸附量受CO2的浓度和压力、温度等影响因素的影响，该过程对超临界CO2开发页岩油藏产能预测、措施调整、注采优化影响很大。因此，需要建立实验方法对CO2和有机质中烷烃在页岩中的竞争吸附进行定量的表征。
现有技术中有利用高压等温吸附试验测量吸附量的方法，该种方法只能测量得到单组分气相CO2在多孔介质中吸附量，不能用于测量两组分之间竞争吸附吸附量的关系。现有技术还提供了一种测定多环芳烃水溶液常压下在土壤中吸附量的方法，该方法能够对多环芳烃水溶液在多孔介质的吸附量进行测试，也可应用于常压下多组分烷烃在多孔介质中的竞争吸附量测量，该方法通过易溶于水的SDBS溶液作为提取剂，能测试常压下多组分液相吸附量，但是由于土壤与页岩自身特性的差别，土壤具有较高的孔隙度，而页岩孔隙度极低，因此，该方法不适合页岩中烷烃的吸附量测试。且该方法对实验设备要求高，需要液相色谱仪等精密装备，对实验条件要求较为苛刻。现有技术中还提供了一种CO2与CH4在页岩中竞争吸附的测试方法，该方法通过气相色谱仪测试通过长岩心的气体组分在常压下的变化量，进而得到各组分在多孔介质中吸附量变化。该方法虽然能够对超临界CO2和CH4在多孔介质中竞争吸附量进行测试，但是该装置结构复杂，由于需要通过气相色谱仪时时分析组成的变化，当组成达到稳定时则吸附达到平衡，操作过程中需要不断对通过长岩心混合物的组成进行测试，操作流程较复杂，测试成本较高。同时，该装置只能使用长岩心作为多孔介质材料，但页岩中泥土含量较高，岩心易碎，受油田现场条件所限，通常长岩心较难获取，且页岩渗透率较低，混合物在其中传递较慢(尤其是烷烃)，测试时间较长，不能够满足油田现场应用的需要。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量的装置及方法，用于定量的表征二氧化碳与烷烃在页岩中的竞争吸附量。
为实现上述目的，本发明采用下述方案：
一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量的装置，包括：压力传感器、计量泵、气体计量器、油气分离器、真空泵、反应容器盖子、反应容器、反应容器活塞、第一储罐、第二储罐、电子天平、温度控制系统、第一三通接头、第二三通接头、第三三通接头和四通接头；
所述第一三通接头包括第一接头、第二接头和第三接头，第二三通接头包括第四接头、第五接头和第六接头，第三三通接头包括第七接头、第八接头和第九接头，四通接头包括第十接头、第十一接头、第十二接头和第十三接头；
所述反应容器上端设置反应容器盖子，所述反应容器中设置反应容器活塞，所述反应容器盖子上设置反应容器与外界相连通的连通口，所述连通口通过管线与第二三通接头的第四接头连通，所述第二三通接头的第五接头通过管线与第一三通接头的第一接头相连，所述第五接头与第一接头之间的管线上设置第七截止阀，所述第二三通接头的第六接头通过管线与第三三通接头的第七接头相连，所述第六接头与第七接头之间的管线上设置第八截止阀，所述第三三通接头的第八接头通过管线与第一储罐相连，所述第八接头与第一储罐之间的管线上设置第十截止阀，所述第三三通接头的第九接头通过管线与第二储罐相连，所述第九接头与第二储罐之间的管线上设置第九截止阀，所述第二储罐与第一储罐下面设置电子天平；所述反应容器下端通过管线连接四通接头的第十接头，所述反应容器与第十接头之间的管线上设置第二截止阀，所述四通接头的第十一接头通过管线连接第一截止阀，所述四通接头的第十二接头通过管线连接压力传感器，所述四通接头的第十三接头通过管线与计量泵相连，所述第十三接头与计量泵之间的管线上设置第三截止阀；所述第一三通阀的第二接头通过管线与真空泵相连，所述第二接头与真空泵之间的管线上设置第六截止阀，所述第一三通阀的第三接头通过管线依次连接油气分离器和气体计量器，所述第一三通阀与油气分离器之间的管线上设置第五截止阀，所述油气分离器与气体计量器之间的管线上设置第四截止阀；所述反应容器盖子、反应容器、反应容器活塞、真空泵、油气分离器、气体计量器、计量泵、压力传感器、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀、第六截止阀、第七截止阀、第八截止阀、第九截止阀、第十截止阀、第一三通接头、第二三通接头、四通接头通过一个温度控制系统控制温度；所述气体计量器内装有饱和碳酸氢钠水溶液，由于CO2与水液体的溶解作用，采用饱和碳酸氢钠水溶液进行排液法计量CO2气体体积时，可减少由于CO2在水中溶解造成的体积计量误差。
优选的，所述气体计量器为一个上端有密封盖的带刻度集气计量筒。
优选的，所述反应容器的容积为50.00ml；所述计量泵的量程为50.000ml，精度为0.0027ml；所述气体计量器的量程为500.0ml，量程为0.1ml；所述电子天平的量程为2000.00g，精度为0.01g。
本发明适用于测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量，可以得到高温高压下CO2与烷烃所组成的液相两组分体系中各组分在页岩表面中的吸附量，对超临界CO2开发页岩油藏产能预测、措施调整、注采优化影响具有重要指导意义。
本发明还公开了一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量的方法，包括以下步骤：
(1)打开温度控制系统，设置温度为T；
(2)对第一三通接头、第五截止阀油气分离器及其之间相应的连接管线按顺序依次连接，
并称重，记为m1；
(3)将装置所有管线连接完整，并将反应容器活塞设置于反应容器的底部，关闭所有截止阀，此时反应容器体积为v0，打开反应容器盖子，向反应容器中加入质量为m0的页岩颗粒样品，将反应容器盖子与反应容器密封固定连接；
(4)打开第七截止阀、第六截止阀和第五截止阀，其余截止阀关闭，打开真空泵，对反应容器抽真空至设定的真空度，关闭第七截止阀和第六截止阀；
(5)将电子天平清零，打开第八截止阀、第十截止阀，其余关闭，通过负压作用将第一储罐中的烷烃吸入反应容器中，此时电子天平读数记为mh，关闭第十截止阀，将电子天平清零，打开第九截止阀，将CO2注入反应容器中，天平读数为mg，关闭第八截止阀、第十截止阀，静置三十分钟，使CO2与烷烃的温度达到环境温度；
(6)打开第二截止阀、第三截止阀，其余关闭，计量泵初始时刻体积为v1，通过计量泵进泵对反应容器加压至P1，计量泵最终时刻体积为v2；
(7)打开第七截止阀，计量泵紧随进泵，维持压力传感器示数P1不变，使反应容器、第一三通接头、第二三通接头及其之间相应的管线内部的压力保持不变，关闭第七截止阀；
(8)向气体计量器内加入饱和碳酸氢钠水溶液，记录刻度为v3，打开第四截止阀，缓慢打开第五截止阀，待压力稳定后，将气体计量器的刻度记为v4，将第一三通接头与第六、七截止阀断开，将油气分离器与第四截止阀断开，将第一三通接头、第五截止阀和油气分离器及其之间所连接的管线称重，记为m2；
(9)根据质量守恒定律，计算受测烷烃和CO2在页岩颗粒表面吸附量为初始时刻体系中物质的量与达到吸附平衡时体系中该物质的量之差，如式(1)(2)所示：
式中：
Wh—烷烃在样品表面单位质量吸附量，mol/g；
mh—注入反应容器的烷烃的质量，g；
m0—反应容器中加入页岩颗粒样品的质量，g；
mg—注入反应容器的CO2的质量，g；
—CO2在样品表面单位质量吸附量，mol/g；
Mh—烷烃摩尔质量，g/mol；
—CO2摩尔质量，g/mol；
νm—CO2-烷烃体系在测试温度压力下，吸附平衡时的摩尔体积，通过CMG软件中的Winprop模块计算得到，ml/mol；
—吸附达到平衡时自由态中CO2物质的量，mmol；
nh—吸附达到平衡时自由态中烷烃物质的量，mmol；
νc—吸附达到平衡时自由态流体体积，ml；吸附达到平衡时，自由态CO2与烷烃体系的体积为初始时刻反应容器体积v0与计量泵进泵量(v2-v1)和颗粒骨架体积之差为vc，如式(3)所示，
式中：ρ—页岩样品骨架密度，g/ml；
为吸附达到平衡时，自由态CO2与烷烃体系的摩尔比，可通过实验数据计算得到，计算方法如下，
式中：
PS—标准状况下压力，MPa；
—标准状况下CO2的体积，ml；
zs—标准状况下CO2的压缩因子；
R—气体状态常数，J/(mol*K)；
T—标准状况下压力温度，K；
v3—气体计量器中加入饱和碳酸氢钠水溶液后的刻度，ml；
v4—收集气体时压力稳定后气体计量器的刻度，ml；
m1—实验开始时，第一三通接头、第五截止阀、油气分离器及其之间相应的连接管线的质量之和，g；
m2—实验结束后，第一三通接头、第五截止阀、油气分离器及其之间相应的连接管线的质量之和，g。
优选的，所述步骤(1)中温度控制系统的温度控制范围为0-100℃；所述步骤(4)真空泵的抽真空时间为24h，真空度为10Pa。
优选的，所述步骤(5)加入的CO2与烷烃的摩尔比小于等于压力为P1、温度为T下，CO2在烷烃中达到饱和溶解情况下的摩尔比。
优选的，所述步骤(7)第七截止阀需要缓慢打开，并对计量泵紧随进泵，保持压力不变，否则CO2从油相中析出。
本发明主要是通过将已知质量的烷烃与CO2注入放有一定量页岩颗粒的反应容器样品腔中，通过计量泵对活塞加压，保持反应容器腔体内流体压力不变，烷烃与CO2均能在页岩表面发生明显的吸附，且吸附量受压力、温度、CO2与烷烃的摩尔比等影响，CO2与烷烃在页岩表面吸附后，会以吸附态和自由态两种状态存在，当CO2与烷烃在页岩表面达到吸附平衡后，自由态的CO2与烷烃的摩尔比发生明显变化，通过该摩尔比与反应容器腔体的体积变化，可计算得到对应的吸附态的CO2与烷烃的变化，也就是吸附量的变化。
本发明装置与方法首次通过实验手段对溶解CO2的烷烃液相体系在页岩表面的吸附量进行测定，当CO2与烷烃在页岩中吸附达到平衡后，由于CO2与烷烃在表面吸附量不同，导致液相体系中CO2与烷烃的摩尔比发生变化。
通过测试前后液相中CO2与烷烃的摩尔比变化、反应容器空腔体积变化，通过方程(1)-(4)即可得到液相中CO2与烷烃的绝对值变化，进而计算得到CO2与烷烃在页岩表面中的吸附量。计算过程为得到液相中CO2与烷烃的准确值，需要在实验压力和温度下，对吸附达到平衡后液相的摩尔体积运用状态方程(PR方程)进行计算。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本实验装置首次提出通过实验方法测试高温高压下CO2与烷烃所组成的液相两组分体系中各组分在页岩表面中的吸附量，对运用CO2开发页岩油藏具有重要指导意义；
2、本实验装置可以连续多次测量，实验操作简单、迅速；
3、本实验装置所需岩样为页岩颗粒，能克服页岩岩心取芯困难的问题，同时，由于长岩心通常只能反映油田局部岩心特性，而颗粒样品较长岩心更能反映出油藏的整体宏观特性。且颗粒样品有利于缩短CO2与烷烃向多孔介质扩散时间，缩短实验时间成本，提高检测效率；
4、本实验装置结构简单，不需要色谱测试分析组分，仅需要测试容器中气油比变化即可。装置精度较高，温度精度为±0.1℃，压力精度为0.003MPa，制作维修成本低。
5、本实验装置可通过反应容器中压力变化，简单快速判断吸附是否平衡，判断方式简便，迅速。
附图说明
图1为本发明测量页岩岩心二氧化碳与烷烃竞争吸附量的装置示意图；
其中1.压力传感器，2.计量泵，3.上端有密封盖的带刻度的集气计量筒，4.油气分离器，6.真空泵，7.反应容器盖子，8.反应容器，9.样品，10.反应容器活塞，11.液压油，12.第一储罐，13.第二储罐，14.电子天平，15.温度控制系统，101.第一截止阀，102.第二截止阀，103.第三截止阀，104.第四截止阀，105.第五截止阀，106.第六截止阀，107.第七截止阀，108.第八截止阀，109.第九截止阀，110.第十截止阀，201.第一三通接头，202.第二三通接头，203.第三三通接头，301四通接头。
具体实施方法：
下面结合附图对本发明做进一步的说明：
一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量的装置，包括：压力传感器1、计量泵2、上端有密封盖的带刻度的集气量筒3、油气分离器4、真空泵6、反应容器盖子7、反应容器8、反应容器活塞10、第一储罐12、第二储罐13、电子天平14、温度控制系统15、第一三通接头201、第二三通接头202、第三三通接头203和四通接头301；
所述第一三通接头201包括第一接头、第二接头和第三接头，第二三通接头202包括第四接头、第五接头和第六接头，第三三通接头203包括第七接头、第八接头和第九接头，四通接头301包括第十接头、第十一接头、第十二接头和第十三接头；
所述反应容器8上端设置反应容器盖子7，所述反应容器8中设置反应容器活塞10，所述反应容器盖子7上设置反应容器8与外界相连通的连通口，所述连通口通过管线与第二三通接头202的第四接头连通所述第二三通接头202的第五接头通过管线与第一三通接头201的第一接头相连，所述第五接头与第一接头之间的管线上设置第七截止阀107，所述第二三通接头202的第六接头通过管线与第三三通接头203的第七接头相连，所述第六接头与第七接头之间的管线上设置第八截止阀108，所述第三三通接头203的第八接头通过管线与第一储罐12相连，所述第八接头与第一储罐12之间的管线上设置第十截止阀110，所述第三三通接头203的第九接头通过管线与第二储罐13相连，所述第九接头203与第二储罐13之间的管线上设置第九截止阀109，所述第二储罐13与第一储罐12下面设置电子天平14；所述反应容器8下端通过管线连接四通接头301的第十接头，所述反应容器8与第十接头之间的管线上设置第二截止阀102，所述四通接头301的第十一接头通过管线连接第一截止阀101，所述四通接头301的第十二接头通过管线连接压力传感器1，所述四通接头301的第十三接头通过管线与计量泵2连接，所述第十三接头与计量泵2之间的管线上设置第三截止阀103；所述第一三通接头201的第二接头通过管线与真空泵6相连，所述第二接头与真空泵6之间的管线上设置第六截止阀106，所述第一三通接头201的第三接头通过管线依次连接油气分离器4和上端有密封盖的带刻度的集气量筒3，所述第一三通接头201的第三接头与油气分离器4之间的管线上设置第五截止阀105，所述油气分离器4与上端有密封盖的带刻度的集气量筒3之间的管线上设置第四截止阀104；所述反应容器盖子、反应容器、反应容器活塞10、真空泵6、油气分离器4、上端有密封盖的带刻度的集气量筒3、计量泵2、压力传感器1、样品9、第一截止阀101、第二截止阀102、第三截止阀103、第四截止阀104、第五截止阀105、第六截止阀106、第七截止阀107、第八截止阀108、第九截止阀109、第十截止阀110、第一三通接头201、第二三通接头202、四通接头301通过一个温度控制系统15控制温度。
所述上端有密封盖的带刻度的集气量筒3内装有饱和碳酸氢钠水溶液，由于CO2与液体的溶解作用，采用饱和碳酸氢钠水溶液进行排液法计量CO2气体体积时，可减少由于CO2在水中溶解造成的体积计量误差。
所述反应容器8的容积为50.00ml；所述计量泵2的量程为50.000ml，精度为0.0027ml；所述上端有密封盖的带刻度的集气量筒3的量程为500.0ml，量程为0.1ml；所述电子天平的量程为2000.00g，精度为0.01g。
一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量的方法，包括以下步骤：
(1)打开温度控制系统15，设置温度为T；
(2)对第一三通接头201、第五截止阀105、油气分离器4及其之间相应的连接管线按顺序依次连接，并称重，记为m1；
(3)将装置所有管线连接完整，并将反应容器活塞10设置于反应容器8的底部，关闭所有截止阀，此时反应容器8体积为v0，打开反应容器盖子7，向反应容器8中加入质量为m0的页岩颗粒样品9，将反应容器盖子7与反应容器密封固定连接；
(4)打开第七截止阀107、第六截止阀106和第五截止阀105，其余截止阀关闭，打开真空泵6，对反应容器8抽真空24h至真空度为10Pa，关闭第七截止阀107和第六截止阀106；
(5)将电子天平14清零，打开第八截止阀108、第十截止阀110，其余关闭，通过负压作用将第一储罐12中的烷烃吸入反应容器8中，此时电子天平14读数记为mh，关闭第十截止阀110，将电子天平14清零，打开第九截止阀109，将CO2注入反应容器8中，天平读数为mg，关闭第八截止阀108、第十截止阀110，静置三十分钟，使CO2与烷烃的温度达到环境温度；
(6)打开第二截止阀102、第三截止阀103，其余关闭，计量泵2初始时刻体积为v1，通过计量泵2进泵对反应容器加压至P1，计量泵2最终时刻体积为v2；
(7)缓慢打开第七截止阀107，计量泵2紧随进泵，维持压力传感器示数P1不变，使反应容器8、第一三通接头201、第二三通接头202及其之间相应的管线内部的压力保持不变，关闭第七截止阀107；
(8)向上端有密封盖的带刻度的集气量筒3内加入饱和碳酸氢钠水溶液，记录刻度为v3，打开第四截止阀104，缓慢打开第五截止阀105，待压力稳定后，将上端有密封盖的带刻度的集气量筒3的刻度记为v4，将第一三通接头201、第五截止阀105、和油气分离器4及其之间所连接的管线称重，记为m2；
(9)根据质量守恒定律，计算受测烷烃和CO2在页岩颗粒表面吸附量为初始时刻体系中
物质的量与达到吸附平衡时体系中该物质的量之差，如式(1)(2)所示：
式中：
Wh—烷烃在样品表面单位质量吸附量，mol/g；
mh—注入反应容器的烷烃的质量，g；
m0—反应容器中加入页岩颗粒样品的质量，g；
mg—注入反应容器的CO2的质量，g；
—CO2在样品表面单位质量吸附量，mol/g；
Mh—烷烃摩尔质量，g/mol；
—CO2摩尔质量，g/mol；
νm—CO2-烷烃体系在测试温度压力下，吸附平衡时的摩尔体积，通过CMG软件中的Winprop模块计算得到，ml/mol；
—吸附达到平衡时自由态中CO2物质的量，mmol；
nh—吸附达到平衡时自由态中烷烃物质的量，mmol；
νc—吸附达到平衡时自由态流体体积，ml；吸附达到平衡时，自由态CO2与烷烃体系的体积为初始时刻反应容器体积v0与计量泵进泵量(v2-v1)和颗粒骨架体积之差为vc，如式(3)所示，
式中：ρ—页岩样品骨架密度，g/ml；
为吸附达到平衡时，自由态CO2与烷烃体系的摩尔比，可通过实验数据计算得到，计算方法如下，
式中：
PS—标准状况下压力，MPa；
—标准状况下CO2的体积，ml；
zs—标准状况下CO2的压缩因子；
R—气体状态常数，J/(mol*K)；
T—标准状况下压力温度，K；
v3—气体计量器中加入饱和碳酸氢钠水溶液后的刻度，ml；
v4—收集气体时压力稳定后气体计量器的刻度，ml；
m1—实验开始时，第一三通接头、第五截止阀、油气分离器及其之间相应的连接管线的质量之和，g；
m2—实验结束后，第一三通接头、第五截止阀、油气分离器及其之间相应的连接管线的质量之和，g。
所述步骤(1)中温度控制系统15的温度控制范围为0-100℃。
所述步骤(5)加入的CO2与烷烃的摩尔比小于等于压力为P1、温度为T下，CO2在烷烃中达到饱和溶解情况下的摩尔比。
所述步骤(7)第七截止阀107需要缓慢打开，并对计量泵2紧随进泵，保持压力不变，否则CO2从油相中析出。
实施例1
称取骨架密度为ρ＝2.5155g/cm3的页岩颗粒m0＝25.00g，颗粒目数为200目，将其放入体积为v0＝52.8ml反应容器8上部，通过称量第一三通接头201、第五截止阀105和油气分离器4及其管线质量为m1＝180.326g，并按照图1所示连接。对页岩颗粒抽真空后，分别向中间容器8中加入正十二烷mh＝9.10g、CO2质量mg＝0.85g，通过计量泵2控制反应容器8压力为8.00MPa。设置温度控制系统温度为60℃，系统吸附平衡后，计量泵2初始时刻和平衡时刻的体积分别是v1＝0ml、v2＝26.8ml，通过第一三通接头201、第五截止阀105和油气分离器4、上端有密封盖的带刻度的集气量筒3及其管线分别对吸附平衡后的CO2与正十二烷的量进行测试，上端有密封盖的带刻度的集气量筒3初始时刻和平衡时刻的刻度分别是v3＝2.0ml、v4＝88.5ml，实验结束后，对第一三通接头201、第五截止阀105和油气分离器4及其管线称量得到质量为m2＝180.868g。通过公式(3)、(4)计算得到吸附达到平衡后CO2与正十二烷的摩尔比为nCO2/nC12＝0.276，通过CMG软件winprop模块运用PR状态方程对60℃、8.00MPa、摩尔比为0.276的CO2与正十二烷体系计算得到其摩尔体积vm＝182.2ml/mol，通过方程(1)、(2)、(5)计算上述页岩样品在压力8.00MPa、温度60℃、摩尔比为0.276条件下，CO2的吸附量为WCO2＝0.000182mol/g，C12吸附量为WC12＝0.000123mol/g。
实施例2
称取骨架密度为ρ＝2.5155g/cm3的页岩颗粒m0＝25.00g，颗粒目数为200目，将其放入体积为v0＝52.8ml反应容器8上部，通过称量第一三通接头201、第五截止阀105和油气分离器4及其管线质量为m1＝180.326g，并按照图1所示连接。对页岩颗粒抽真空后，分别向中间容器8中加入正十二烷mh＝9.27g、CO2质量mg＝1.86g，通过计量泵2控制反应容器8压力为12.00MPa。设置温度控制系统温度为60℃，系统吸附平衡后，计量泵2初始时刻和平衡时刻的体积分别是v1＝0ml、v2＝30.6ml，通过第一三通接头201、第五截止阀105和油气分离器4、上端有密封盖的带刻度的集气量筒3及其管线分别对吸附平衡后的CO2与正十二烷的量进行测试，上端有密封盖的带刻度的集气量筒3初始时刻和平衡时刻的刻度分别是v3＝3.5ml、v4＝242.2ml，实验结束后对第一三通接头201、第五截止阀105和油气分离器4及其管线称量得到质量为m2＝180.812g。通过公式(3)、(4)计算得到吸附达到平衡后CO2与正十二烷的摩尔比为nCO2/nC12＝0.684，通过CMG软件winprop模块运用PR状态方程对60℃、12.00MPa、摩尔比为0.684的CO2与正十二烷体系计算得到其摩尔体积vm＝150.03ml/mol，通过方程(1)、(2)、(5)计算上述页岩样品在压力12.00MPa、温度60℃、摩尔比为0.276条件下，CO2的吸附量为WCO2＝0.000303mol/g，C12吸附量为WC12＝0.000273mol/g。
实施例3
称取骨架密度为ρ＝3.0408g/cm3的13X型分子筛m0＝20.00g，颗粒直径为3.0mm，将其放入体积为v0＝52.8ml反应容器8上部，通过称量第一三通接头201、第五截止阀105和油气分离器4及其管线质量为m1＝180.326g，并按照图1所示连接。对页岩颗粒抽真空后，分别向中间容器8中加入正十二烷mh＝20.01g、CO2质量mg＝1.02g，通过计量泵2控制反应容器8压力为8.00MPa。设置温度控制系统温度为60℃，系统吸附平衡后，计量泵2初始时刻和平衡时刻的体积分别是v1＝0ml、v2＝18.38ml，通过第一三通接头201、第五截止阀105和油气分离器4、上端有密封盖的带刻度的集气量筒3及其管线分别对吸附平衡后的CO2与正十二烷的量进行测试，上端有密封盖的带刻度的集气量筒3初始时刻和平衡时刻的刻度分别是v3＝16.0ml、v4＝37.4ml，实验结束后对第一三通接头201、第五截止阀105和油气分离器4及其管线称量得到质量为m2＝180.909g。通过公式(3)、(4)计算得到吸附达到平衡后CO2与正十二烷的摩尔比为nCO2/nC12＝0.074，通过CMG软件winprop模块运用PR状态方程对60℃、8.00MPa、摩尔比为0.074的CO2与正十二烷体系计算得到其摩尔体积vm＝206.55ml/mol，通过方程(1)、(2)、(5)计算上述页岩样品在压力8.00MPa、温度60℃、摩尔比为0.276条件下，CO2的吸附量为WCO2＝0.00135mol/g，C12吸附量为WC12＝0.000045mol/g。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量的装置，其特征是，包括：压力传感器、计量泵、气体计量器、油气分离器、真空泵、反应容器盖子、反应容器、反应容器活塞、第一储罐、第二储罐、电子天平、温度控制系统、第一三通接头、第二三通接头、第三三通接头和四通接头；
所述第一三通接头包括第一接头、第二接头和第三接头，第二三通接头包括第四接头、第五接头和第六接头，第三三通接头包括第七接头、第八接头和第九接头，四通接头包括第十接头、第十一接头、第十二接头和第十三接头；
所述反应容器上端设置反应容器盖子，所述反应容器中设置反应容器活塞，所述反应容器盖子上设置反应容器与外界相连通的连通口，所述连通口通过管线与第二三通接头的第四接头连通，所述第二三通接头的第五接头通过管线与第一三通接头的第一接头相连，所述第五接头与第一接头之间的管线上设置第七截止阀，所述第二三通接头的第六接头通过管线与第三三通接头的第七接头相连，所述第六接头与第七接头之间的管线上设置第八截止阀，所述第三三通接头的第八接头通过管线与第一储罐相连，所述第八接头与第一储罐之间的管线上设置第十截止阀，所述第三三通接头的第九接头通过管线与第二储罐相连，所述第九接头与第二储罐之间的管线上设置第九截止阀，所述第二储罐与第一储罐下面设置电子天平；所述反应容器下端通过管线连接四通接头的第十接头，所述反应容器与第十接头之间的管线上设置第二截止阀，所述四通接头的第十一接头通过管线连接第一截止阀，所述四通接头的第十二接头通过管线连接压力传感器，所述四通接头的第十三接头通过管线与计量泵相连，所述第十三接头与计量泵之间的管线上设置第三截止阀；所述第一三通阀的第二接头通过管线与真空泵相连，所述第二接头与真空泵之间的管线上设置第六截止阀，所述第一三通阀的第三接头通过管线依次连接油气分离器和气体计量器，所述第一三通阀与油气分离器之间的管线上设置第五截止阀，所述油气分离器与气体计量器之间的管线上设置第四截止阀；所述反应容器盖子、反应容器、反应容器活塞、真空泵、油气分离器、气体计量器、计量泵、压力传感器、第一截止阀、第二截止阀、第三截止阀、第四截止阀、第五截止阀、第六截止阀、第七截止阀、第八截止阀、第九截止阀、第十截止阀、第一三通接头、第二三通接头、四通接头通过一个温度控制系统控制温度；所述气体计量器内装有饱和碳酸氢钠水溶液。
2.如权利要求1所述的一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量的装置，其特征是，所述气体计量器为一个上端有密封盖的带刻度集气计量筒。
3.如权利要求1所述的一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量的装置，其特征是，所述反应容器的容积为50.00ml；所述计量泵的量程为50.000ml，精度为0.0027ml；所述气体计量器的量程为500.0ml，量程为0.1ml；所述电子天平的量程为2000.00g，精度为0.01g。
4.如权利要求1所述的一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量装置的测量方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)打开温度控制系统，设置温度为T；
(2)对第一三通接头、第五截止阀油气分离器及其之间相应的连接管线按顺序依次连接，并称重，记为m1；
(3)将装置所有管线连接完整，并将反应容器活塞设置于反应容器的底部，关闭所有截止阀，此时反应容器体积为v0，打开反应容器盖子，向反应容器中加入质量为m0的页岩颗粒样品，将反应容器盖子与反应容器密封固定连接；
(4)打开第七截止阀、第六截止阀和第五截止阀，其余截止阀关闭，打开真空泵，对反应容器抽真空至设定的真空度，关闭第七截止阀和第六截止阀；
(5)将电子天平清零，打开第八截止阀、第十截止阀，其余关闭，通过负压作用将第一储罐中的烷烃吸入反应容器中，此时电子天平读数记为mh，关闭第十截止阀，将电子天平清零，打开第九截止阀，将CO2注入反应容器中，天平读数为mg，关闭第八截止阀、第十截止阀，静置三十分钟，使CO2与烷烃的温度达到环境温度；
(6)打开第二截止阀、第三截止阀，其余关闭，计量泵初始时刻体积为v1，通过计量泵进泵对反应容器加压至P1，计量泵最终时刻体积为v2；
(7)打开第七截止阀，计量泵紧随进泵，维持压力传感器示数P1不变，使反应容器、第一三通接头、第二三通接头及其之间相应的管线内部的压力保持不变，关闭第七截止阀；
(8)向气体计量器内加入饱和碳酸氢钠水溶液，记录刻度为v3，打开第四截止阀，缓慢打开第五截止阀，待压力稳定后，将气体计量器的刻度记为v4，将第一三通接头与第六、七截止阀断开，将油气分离器与第四截止阀断开，将第一三通接头、第五截止阀和油气分离器及其之间所连接的管线称重，记为m2；
(9)根据质量守恒定律，计算受测烷烃和CO2在页岩颗粒表面吸附量为初始时刻体系中物质的量与达到吸附平衡时体系中该物质的量之差，如式(1)(2)所示：
<mrow> <msub> <mi>W</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mfrac> <msub> <mi>m</mi> <mi>h</mi> </msub> <msub> <mi>M</mi> <mi>h</mi> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>v</mi> <mi>c</mi> </msub> <msub> <mi>v</mi> <mi>m</mi> </msub> </mfrac> <mfrac> <msub> <mi>n</mi> <mi>h</mi> </msub> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mrow> <msub> <mi>CO</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>h</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow> <msub> <mi>m</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mfrac> <msub> <mi>m</mi> <mi>h</mi> </msub> <msub> <mi>M</mi> <mi>h</mi> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>v</mi> <mi>c</mi> </msub> <msub> <mi>v</mi> <mi>m</mi> </msub> </mfrac> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mfrac> <msub> <mi>n</mi> <mrow> <msub> <mi>CO</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </msub> <msub> <mi>n</mi> <mi>h</mi> </msub> </mfrac> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> </mrow> <msub> <mi>m</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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式中：
Wh—烷烃在样品表面单位质量吸附量，mol/g；
mh—注入反应容器的烷烃的质量，g；
m0—反应容器中加入页岩颗粒样品的质量，g；
mg—注入反应容器的CO2的质量，g；
—CO2在样品表面单位质量吸附量，mol/g；
Mh—烷烃摩尔质量，g/mol；
—CO2摩尔质量，g/mol；
νm—CO2-烷烃体系在测试温度压力下，吸附平衡时的摩尔体积，通过CMG软件中的Winprop模块计算得到，ml/mol；
—吸附达到平衡时自由态中CO2物质的量，mmol；
nh—吸附达到平衡时自由态中烷烃物质的量，mmol；
νc—吸附达到平衡时自由态流体体积，ml；吸附达到平衡时，自由态CO2与烷烃体系的体积为初始时刻反应容器体积v0与计量泵进泵量(v2-v1)和颗粒骨架体积之差为vc，如式(3)所示，
<mrow> <msub> <mi>v</mi> <mi>c</mi> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>v</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>v</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>v</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>m</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>&amp;rho;</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中：ρ—页岩样品骨架密度，g/ml；
为吸附达到平衡时，自由态CO2与烷烃体系的摩尔比，可通过实验数据计算得到，计算方法如下，
<mrow> <mfrac> <msub> <mi>n</mi> <mrow> <msub> <mi>CO</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </msub> <msub> <mi>n</mi> <mi>h</mi> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>p</mi> <mi>S</mi> </msub> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <msub> <mi>CO</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>z</mi> <mi>S</mi> </msub> <mi>R</mi> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> <mfrac> <msub> <mi>m</mi> <mi>h</mi> </msub> <msub> <mi>M</mi> <mi>h</mi> </msub> </mfrac> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>p</mi> <mi>S</mi> </msub> <msub> <mi>M</mi> <mi>h</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>z</mi> <mi>S</mi> </msub> <mi>R</mi> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> <mfrac> <msub> <mi>v</mi> <mrow> <msub> <mi>CO</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </msub> <msub> <mi>m</mi> <mi>h</mi> </msub> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>p</mi> <mi>S</mi> </msub> <msub> <mi>M</mi> <mi>h</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>z</mi> <mi>S</mi> </msub> <mi>R</mi> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>v</mi> <mn>4</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>v</mi> <mn>3</mn> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>m</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>m</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中：
PS—标准状况下压力，MPa；
VCO2—标准状况下CO2的体积，ml；
zs—标准状况下CO2的压缩因子；
R—气体状态常数，J/(mol*K)；
T—标准状况下压力温度，K；
v3—气体计量器中加入饱和碳酸氢钠水溶液后的刻度，ml；
v4—收集气体时压力稳定后气体计量器的刻度，ml；
m1—实验开始时，第一三通接头、第五截止阀、油气分离器及其之间相应的连接管线的质量之和，g；
m2—实验结束后，第一三通接头、第五截止阀、油气分离器及其之间相应的连接管线的质量之和，g。
5.如权利要求4所述的一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量装置的测量方法，其特征是，所述步骤(1)中温度控制系统的温度控制范围为0-100℃；所述步骤(4)真空泵的抽真空时间为24h，真空度为10Pa。
6.如权利要求4所述的一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量装置的测量方法，其特征是，所述步骤(5)加入的CO2与烷烃的摩尔比小于等于压力为P1、温度为T下，CO2在烷烃中达到饱和溶解情况下的摩尔比。
7.如权利要求4所述的一种测量页岩中二氧化碳与烷烃竞争吸附量装置的测量方法，其特征是，所述步骤(7)第七截止阀107需要缓慢打开，并对计量泵2紧随进泵，保持压力不变。
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