CN107449693B - 一种基于无间断连续收集计算页岩含气量的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于无间断连续收集计算页岩含气量的装置，包括两集气瓶，两个集气瓶中均设有液位传感器和压力传感器，两集气瓶均连接十通阀，所述十通阀连接解吸罐，两集气瓶通过十通阀的阀位变换交替连通解吸罐，进而实现连续集气，所述解吸罐中设有温度传感器，所述温度传感器、压力传感器和液位传感器均连接控制器，所述液位传感器实时测量集气瓶的压强差，所述压力传感器实时测量解吸罐和集气瓶连通空间的系统压力，所述温度传感器实时测量解吸罐的温度。本发明测试过程测量数据连续不间断，避免了人工干预过程，实现了检测过程自动化测量，大大提高了仪器的测试效率和精度。

Description

一种基于无间断连续收集计算页岩含气量的装置和方法
技术领域
本发明涉及页岩储层领域，尤其涉及一种基于无间断连续收集计算页岩含气量的装置和方法。
背景技术
页岩气是一种存在于页岩中，自生自储的非常规天然气资源。评价页岩是否具有工业化储量，含气量是一个非常重要的参数。要有效地评价某地区是否具有工业化的前景，必须建立准确的含气量评价数据，这些含气量数据用于储层评价、资源评价和生产预测。因此，要了解页岩含气量，必须准确测试含气量，页岩气含气量测试设备的准确性与稳定性就成为了解吸法测试中的核心问题，利用页岩气含气量测试设备精准记录包括温度、压力及页岩气解吸情况的现场实验数据成为能否成功利用解吸法测试获得页岩含气量大小的关键。
目前，页岩含气量测试设备采用的测试方法有电子计量法与人工计量法。采用人工计量的方式测试人员劳动强度大，且人工读数采集的数据不连续，读数误差大，逐渐被电子计量方式代替。利用电子计量法的主要包括流量计计量法、重量换算法以及磁致伸缩传感器液位测试法等。但上述方法仍然存在以下问题：有的解吸气测定过程自动化程度低，需要人工干预过，检测数据会间断；有的仪器设备过于庞大，不便于运送到现场工作；有的未考虑温度压力对气体测定结果的影响，误差比较大；有的无法多组同时测量，很大程度上影响了现场测试效率，对损失气估算也会产生一定的影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种能连续准确测试，无需人工干预，自动化程度高的基于无间断连续收集计算页岩含气量的装置和方法。
本发明的实施例提供一种基于无间断连续收集计算页岩含气量的装置，包括两集气瓶，两集气瓶中均设有液位传感器和压力传感器，两集气瓶均连接十通阀，所述十通阀连接解吸罐，两集气瓶通过十通阀的阀位变换交替连通解吸罐，进而实现连续集气，所述解吸罐中设有温度传感器，所述温度传感器、压力传感器和液位传感器均连接控制器，所述液位传感器实时测量集气瓶的压强差，所述压力传感器实时测量解吸罐和集气瓶连通空间的系统压力，所述温度传感器实时测量解吸罐的温度，所述控制器对温度传感器、压力传感器和液位传感器测量的数据进行分析换算，进而得到标准状态下页岩的含气量。
进一步，所述液位传感器包括上采样头和下采样头，所述液位传感器的上采样头实时测量集气瓶中页岩气的压强，所述液位传感器的下采样头实时测量集气瓶中水的压强，通过页岩气和水的压强差得到集气瓶中水的高度。
进一步，所述液差传感器的量程为0-3Kpa，采用4-20毫安电流输出信号，采样率为200HZ；所述压力传感器的量程为0-120KPa，采用4-20毫安电流输出信号，采样率为200HZ；所述温度传感器的量程为0-120℃，采用4-20毫安电流输出信号，采样率为200HZ。
进一步，所述两集气瓶为一大集气瓶和一小集气瓶。
一种基于无间断连续收集计算页岩含气量的装置进行页岩气含量计算的方法，包括以下步骤：
S1.使大集气瓶和小集气瓶中均充满水；
S2.解吸罐连通小集气瓶，小集气瓶开始集气，所述温度传感器实时记录解吸罐的温度数据，所述液差传感器实时记录小集气瓶中的压强差，所述压力传感器实时记录系统压力，所述控制器将小集气瓶中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积V0；
S3.小集气瓶集气结束，第一次切换十通阀，使解吸罐连通大集气瓶，大集气瓶开始集气，所述温度传感器实时记录解吸罐的温度数据，所述液差传感器实时记录大集气瓶中的压强差，所述压力传感器实时记录系统压力，所述控制器将大集气瓶中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积V1；
S4.大集气瓶集气结束，第二次切换十通阀，使解吸罐连通小集气瓶，小集气瓶开始集气，所述温度传感器实时记录解吸罐的温度数据，所述液差传感器实时记录小集气瓶中的压强差，所述压力传感器实时记录系统压力，所述控制器将小集气瓶中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积V2；
S5.重复步骤S3-S4至每小时产生的页岩气的体积小于5毫升，然后到步骤S6；
S6.若解吸罐连通大集气瓶,第n次切换十通阀，使解吸罐连通小集气瓶，所述温度传感器实时记录解吸罐的温度数据，所述液差传感器实时记录小集气瓶中的压强差，所述压力传感器实时记录系统压力，至解吸实验结束，所述控制器将小集气瓶中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积Vn；
若解吸罐连通小集气瓶,且水的高度大于小集气瓶使用高度的一半，继续在小集气瓶中集气，所述温度传感器实时记录解吸罐的温度数据，所述液差传感器实时记录小集气瓶中的压强差，所述压力传感器实时记录系统压力，至解吸实验结束，所述控制器将小集气瓶中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积Vn-1；
若解吸罐连通小集气瓶,且水的高度小于小集气瓶使用高度的一半，第n次切换十通阀，使解吸罐连通大集气瓶，使小集气瓶中充满水，第n+1次切换十通阀，所述温度传感器实时记录解吸罐的温度数据，所述液差传感器实时记录小集气瓶中的压强差，所述压力传感器实时记录系统压力，至解吸实验结束，所述控制器将小集气瓶中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积Vn+1；
即得到页岩气的含气量。
进一步，所述步骤S6中，每小时产生的页岩气的体积小于0.2毫升解吸实验结束。
进一步，所述十通阀第n+1次切换，且n为奇数时，瞬间页岩气体积的计算公式为：
式中：Vm为瞬间页岩气体积；R为大集气瓶的半径，H为大集气瓶的高度，ΔP为液差传感器此时记录的大集气瓶中的压强差，ρ为水的密度。
进一步，所述十通阀第n+1次切换，且n为偶数时，瞬间页岩气体积的计算公式为：
式中：Vm为瞬间页岩气体积；r为小集气瓶的半径，h为小集气瓶的高度，ΔP为液差传感器此时记录的小集气瓶中的压强差，ρ为水的密度。
进一步，所述页岩气标准状态下的体积计算公式为：
式中：VSTP为页岩气标准状态下的体积，Pm为此时的系统压力；Tm为此时的温度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：设计了以十通阀为控制单元的切换装置，并将其与集气瓶相连接，可以完成两集气瓶之间的“无缝”切换，测试过程测量数据连续不间断，大大提高测定数据的准确性；通过控制器对双集气瓶液面和流路进行自动控制，将十通阀、数控泵和传感器有机结合，在容器液面高度达到预设值后自动切换流路，使双集气瓶中的液体往复交替无间断式排空和补充，避免了人工干预过程，实现了检测过程自动化测量，大大提高了仪器的测试效率和精度，同时保证了检测过程解吸气数据的完整性，为损失气量的准确拟合奠定了基础。
附图说明
图1是本发明一种基于无间断连续收集计算页岩含气量的装置的一示意图。
图2是图1中集气瓶的结构示意图。
图3是图1中十通阀及其连接关系的一示意图。
图4是十通阀的阀位切换示意图。
图5是本发明一种连续收集计算页岩含气量的方法的一流程图。
图6是图5中解吸实验的一流程图。
图7是图5中解吸结束的一流程图。
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，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种基于无间断连续收集计算页岩含气量的装置，包括两集气瓶，在一实施例中，两集气瓶为大集气瓶11和小集气瓶12，大集气瓶11和小集气瓶12的高度相同，内径不同，所述大集气瓶11的内径是小集气瓶12内径的2.5-2.7倍，在最佳实施例中，小集气瓶的半径为15mm，大集气瓶的半径为40mm，大集气瓶和小集气瓶的高度均为280mm，大集气瓶和小集气瓶的高度均为220mm，小集气瓶的集气体积为155mL，大集气瓶的集气体积为1100mL。
请参考图2，两个集气瓶中均设有液位传感器13和压力传感器14，液位传感器13包括上采样头131和下采样头132，所述液位传感器13的上采样头131实时测量集气瓶中页岩气的压强，所述液位传感器131的下采样头实时测量集气瓶中水的压强，通过页岩气和水的压强差得到集气瓶中水的高度。在一实施例中，液差传感器13的量程为0-3Kpa，采用4-20毫安电流输出信号，采样率为200HZ；所述压力传感器14的量程为0-120KPa，采用4-20毫安电流输出信号，采样率为200HZ。
集气瓶的上方侧面开有进水/气口15和排气口16，所述集气瓶的下方侧面开有排水口17，所述集气瓶通过进水/气口15进水和集气，通过排气口16排气，通过排水口17排水。
两集气瓶均连接十通阀1，十通阀1连接解吸罐3和数控泵4，数控泵4连接水槽5，所述水槽5连通两集气瓶，两集气瓶通过十通阀1的阀位变换交替连接解吸罐3和数控泵4，进而交替进行进水和集气。在一实施例中，十通阀1与集气瓶、解吸罐3和数控泵4均通过硅胶管(图中未示出)连接。
解吸罐3设有温度传感器31，在一实施例中，温度传感器31的量程为0-120℃，采用4-20毫安电流输出信号，采样率为200HZ。
请参考图3，十通阀1连接驱动器(图中未示出)构成电动的十通阀。十通阀1包括十个阀口和五个阀门，十个阀口分别为一号口111、二号口112、三号口113、四号口114、五号口115、六号口116、七号口117、八号口118、九号口119和十号口120，五个阀门分别为第一阀121、第二阀122、第三阀123、第四阀124和第五阀125。
一号口111连通解吸罐3，所述三号口113和九号口119连接数控泵4，所述四号口114、六号口116和八号口118连通水槽5，大集气瓶11的进水/气口15连通十号口120，大集气瓶11的排水口17连通七号口117，所述小集气瓶12的进水/气口15连通二号口112，小集气瓶12的排水口17连通五号口115。
请参考图4，小集气瓶11集气时，所述第一阀121将一号口111和二号口112连通，所述第二阀122将三号口113和四号口114连通，所述第三阀123将五号口115和六号口116连通，所述第四阀124将七号口117和八号口118连通，所述第五阀125将九号口119和十号口120连通，此为阀位A,进而使小集气瓶11连通解吸罐3，大集气瓶12连通数控泵4，数控泵4的开关通过控制器6控制，控制器6打开数控泵4，数控泵4将水槽5中的水泵入大集气瓶12，同时，小集气瓶11集气的水排入水槽5中，在小集气瓶11集气过程中，液位传感器13实时测量小集气瓶11的压强差，所述压力传感器14实时测量解吸罐3和小集气瓶11连通空间的系统压力，用于拟合损失的页岩气，进而校正页岩气的体积，所述温度传感器31实时测量解吸罐3的温度，所述温度传感器31、压力传感器14和液位传感器13均连接控制器6，所述控制器6对液位传感器13、压力传感器14和温度传感器31测量的数据进行分析换算，进而得到标准状态下页岩的含气量。
大集气瓶12集气时，控制器6控制转动十通阀1，所述第一阀121将一号口111和十号口120连通，所述第二阀122将三号口113和二号口112连通，所述第三阀123将五号口115和四号口114连通，所述第四阀124将七号口117和六号口116连通，所述第五阀125将九号口119和八号口118连通，此为阀位B,进而使大集气瓶12连通解吸罐3，小集气瓶11连通数控泵4，控制器6打开数控泵4，数控泵4将水槽5中的水泵入小集气瓶11，同时，大集气瓶12集气的水排入水槽5中，在大集气瓶12集气过程中，液位传感器13实时测量大集气瓶12的压强差，所述压力传感器14实时测量解吸罐3和大集气瓶12连通空间的系统压力，用于拟合损失的页岩气，进而校正页岩气的体积，所述温度传感器31实时测量解吸罐3的温度，所述温度传感器31、压力传感器14和液位传感器13均连接控制器6，所述控制器6对液位传感器13、压力传感器14和温度传感器31测量的数据进行分析换算，进而得到标准状态下页岩的含气量。
请参考图5-图7，一种基于无间断连续收集计算页岩含气量的装置进行连续收集计算页岩含气量的方法，包括以下步骤：
解吸准备：
S1.解吸实验开始前，通过数控泵4将水槽5中的水依次泵入大集气瓶11和小集气瓶12中，使大集气瓶11和小集气瓶12均充满水；
解吸实验：
S2.解吸实验开始，解吸罐3连通小集气瓶11，小集气瓶11开始集气，所述温度传感器31实时记录解吸罐3的温度数据，所述液差传感器13实时记录小集气瓶11中的压强差，所述压力传感器14实时记录系统压力，所述控制器6将小集气瓶11中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积V0；
S3.小集气瓶11集气结束，第一次切换十通阀1，在一实施例中，所述液差传感器13测量到水的高度为15mm，即对应集气瓶中集气结束，控制器6控制十通阀1进行阀位切换，使解吸罐3连通大集气瓶12，大集气瓶12开始集气，所述温度传感器31实时记录解吸罐3的温度数据，所述液差传感器13实时记录大集气瓶12中的压强差，所述压力传感器14实时记录系统压力，所述控制器6将大集气瓶12中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积V1；
S4.大集气瓶12集气结束，第二次切换十通阀1，使解吸罐3连通小集气瓶11，小集气瓶11开始集气，所述温度传感器31实时记录解吸罐3的温度数据，所述液差传感器13实时记录小集气瓶12中的压强差，所述压力传感器14实时记录系统压力，所述控制器6将小集气瓶11中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积V2；
S5.重复步骤S3-S4至每小时产生的页岩气的体积小于5毫升，进入解吸实验结束阶段；
解吸结束：
S6.若解吸罐3连通大集气瓶12,第n次切换十通阀，使解吸罐3连通小集气瓶11，所述温度传感器31实时记录解吸罐3的温度数据，所述液差传感器13实时记录小集气瓶11中的压强差，所述压力传感器14实时记录系统压力，至解吸实验结束，在一实施例中，每小时产生的页岩气的体积小于0.2毫升即解吸实验结束，所述控制器6将小集气瓶11中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积Vn；
若解吸罐3连通小集气瓶11,且水的高度大于小集气瓶11使用高度的一半，即大于100mm，继续在小集气瓶11中集气，所述温度传感器31实时记录解吸罐3的温度数据，所述液差传感器13实时记录小集气瓶11中的压强差，所述压力传感器14实时记录系统压力，至解吸实验结束，所述控制器6将小集气瓶11中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积Vn-1；
若解吸罐3连通小集气瓶11,且水的高度小于小集气瓶11使用高度的一半，即小于100mm，第n次切换十通阀1，使解吸罐3连通大集气瓶12，小集气瓶11连通水槽5，并进水至充满水，第n+1次切换十通阀1，所述温度传感器31实时记录解吸罐3的温度数据，所述液差传感器13实时记录小集气瓶11中的压强差，所述压力传感器14实时记录系统压力，至解吸实验结束，所述控制器6将小集气瓶11中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积Vn+1；
即得到页岩气的含气量。
解吸实验过程中，十通阀第n+1次切换，且n为奇数时，瞬间页岩气体积的计算公式为：
式中：Vm为瞬间页岩气体积；R为大集气瓶的半径，H为大集气瓶的高度，ΔP为液差传感器此时记录的大集气瓶中的压强差，ρ为水的密度。
十通阀第n+1次切换，且n为偶数时，瞬间页岩气体积的计算公式为：
式中：Vm为瞬间页岩气体积；r为小集气瓶的半径，h为小集气瓶的高度，ΔP为液差传感器此时记录的小集气瓶中的压强差，ρ为水的密度。
页岩气标准状态下的体积计算公式为：
式中：VSTP为页岩气标准状态下的体积，Pm为此时的系统压力；Tm为此时的温度。
本发明设计了以十通阀为控制单元的切换装置，并将其与集气瓶相连接，可以完成两集气瓶之间的“无缝”切换，测试过程测量数据连续不间断，大大提高测定数据的准确性；通过控制器对双集气瓶液面和流路进行自动控制，将十通阀、数控泵和传感器有机结合，在容器液面高度达到预设值后自动切换流路，使双集气瓶中的液体往复交替无间断式排空和补充，避免了人工干预过程，实现了检测过程自动化测量，大大提高了仪器的测试效率和精度，同时保证了检测过程解吸气数据的完整性，为损失气量的准确拟合奠定了基础。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (3)

1.一种基于无间断连续收集计算页岩含气量的方法，其特征在于，该方法基于无间断连续收集计算页岩含气量的装置，
该装置包括两集气瓶，两集气瓶中均设有液差传感器和压力传感器，两集气瓶均连接十通阀，所述十通阀连接解吸罐，两集气瓶通过十通阀的阀位变换交替连通解吸罐，进而实现连续集气，所述解吸罐中设有温度传感器，所述温度传感器、压力传感器和液差传感器均连接控制器，所述液差传感器实时测量集气瓶的压强差，所述压力传感器实时测量解吸罐和集气瓶连通空间的系统压力，所述温度传感器实时测量解吸罐的温度，所述控制器对温度传感器、压力传感器和液差传感器测量的数据进行分析换算，进而得到标准状态下页岩的含气量；
所述两集气瓶为一大集气瓶和一小集气瓶；
该方法包括以下步骤：
S1.使大集气瓶和小集气瓶中均充满水；
S2.解吸罐连通小集气瓶，小集气瓶开始集气，所述温度传感器实时记录解吸罐的温度数据，所述液差传感器实时记录小集气瓶中的压强差，所述压力传感器实时记录系统压力，所述控制器将小集气瓶中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积V0；
S3.小集气瓶集气结束，第一次切换十通阀，使解吸罐连通大集气瓶，大集气瓶开始集气，所述温度传感器实时记录解吸罐的温度数据，所述液差传感器实时记录大集气瓶中的压强差，所述压力传感器实时记录系统压力，所述控制器将大集气瓶中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积V1；
S4.大集气瓶集气结束，第二次切换十通阀，使解吸罐连通小集气瓶，小集气瓶开始集气，所述温度传感器实时记录解吸罐的温度数据，所述液差传感器实时记录小集气瓶中的压强差，所述压力传感器实时记录系统压力，所述控制器将小集气瓶中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积V2；
S5.重复步骤S3-S4至每小时产生的页岩气的体积小于5毫升，然后到步骤S6；
S6.若解吸罐连通大集气瓶,第n次切换十通阀，使解吸罐连通小集气瓶，所述温度传感器实时记录解吸罐的温度数据，所述液差传感器实时记录小集气瓶中的压强差，所述压力传感器实时记录系统压力，至解吸实验结束，所述控制器将小集气瓶中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积Vn；
若解吸罐连通小集气瓶,且水的高度大于小集气瓶使用高度的一半，继续在小集气瓶中集气，所述温度传感器实时记录解吸罐的温度数据，所述液差传感器实时记录小集气瓶中的压强差，所述压力传感器实时记录系统压力，至解吸实验结束，所述控制器将小集气瓶中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积Vn-1；
若解吸罐连通小集气瓶,且水的高度小于小集气瓶使用高度的一半，第n次切换十通阀，使解吸罐连通大集气瓶，使小集气瓶中充满水，第n+1次切换十通阀，所述温度传感器实时记录解吸罐的温度数据，所述液差传感器实时记录小集气瓶中的压强差，所述压力传感器实时记录系统压力，至解吸实验结束，所述控制器将小集气瓶中的压强差换算为页岩气的体积，并记录此时产生的页岩气的体积Vn+1；
即得到页岩气的含气量；
所述步骤S6中，每小时产生的页岩气的体积小于0.2毫升解吸实验结束；
所述十通阀第n+1次切换，且n为奇数时，瞬间页岩气体积的计算公式为：
式中：Vm为瞬间页岩气体积；R为大集气瓶的半径，H为大集气瓶的高度，为液差传感器此时记录的大集气瓶中的压强差，/>为水的密度；
所述十通阀第n+1次切换，且n为偶数时，瞬间页岩气体积的计算公式为：
式中：Vm为瞬间页岩气体积；r为小集气瓶的半径，h为小集气瓶的高度，为液差传感器此时记录的小集气瓶中的压强差，/>为水的密度；
所述页岩气标准状态下的体积计算公式为：
式中：VSTP为页岩气标准状态下的体积，Pm为此时的系统压力；Tm为此时的温度。
2.根据权利要求1所述的基于无间断连续收集计算页岩含气量的方法，其特征在于，所述液差传感器包括上采样头和下采样头，所述液差传感器的上采样头实时测量集气瓶中页岩气的压强，所述液差传感器的下采样头实时测量集气瓶中水的压强，通过页岩气和水的压强差得到集气瓶中水的高度。
3.根据权利要求1所述的基于无间断连续收集计算页岩含气量的方法，其特征在于，所述液差传感器的量程为0-3Kpa，采用4-20毫安电流输出信号，采样率为200HZ；所述压力传感器的量程为0-120KPa，采用4-20毫安电流输出信号，采样率为200HZ；所述温度传感器的量程为0-120℃，采用4-20毫安电流输出信号，采样率为200HZ。
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