CN108458947A - 一种重量法高温高压等温吸附测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种重量法高温高压等温吸附测量装置及方法，包括称重系统，称重系统包括天平、称重转换装置、砝码和样品筒，天平安装在天平支架上，在天平的底部设置有挂载钩，称重转换装置由三组电机、拨叉和限位器组成，拨叉水平设置在天平支架上，限位器平行设置在拨叉上方和下方，电机设置在拨叉的一端用于带动拨叉上下移动，所述的砝码共有砝码Ⅰ和砝码Ⅱ两个，砝码Ⅰ和砝码Ⅱ通过金属丝挂在挂载钩上，样品筒通过金属丝挂在挂载钩上且位于砝码Ⅰ和砝码Ⅱ之间。测量方法通过样品处理、空白实验、浮力实验和吸附实验等步骤完成。本发明技术方案在保证实验精准度和可靠性的基础上，降低了仪器成本，有利于重量法等温吸附实验方法的推广。

Description

一种重量法高温高压等温吸附测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测定多孔介质吸附性能的技术，具体涉及一种重量法高温高压等温吸附测量装置及方法。

背景技术

近年来，随着勘探的不断深入，常规石油天然气资源增储增产难度越来越大，非常规油气资源的战略地位日趋重要。其中煤层气和页岩气作为一种非常规天然气资源，其资源丰富，开发潜力巨大，是优质清洁能源。煤层气和页岩气主要以游离态和吸附态赋存于储层中，其中，吸附气含量是计算煤层气和页岩气资源量的关键性参数，对储层含气性评价、地质储量、可采储量预测具有重要的意义。

目前，对于煤岩和页岩吸附性能的研究主要是在室内开展的等温吸附试验，但是这些实验基本都是采用的容量法，容量法是一种间接测量吸附气含量的方法，测试精度依赖于气体状态方程的选取、自由空间体积的标定及压力和温度传感器的精度，测试误差较难控制，并且实验压力较低。而重量法是一种直接测量吸附气含量的方法，实验中不涉及到气体状态方程选取和压缩因子计算的问题，其测试精度只依赖于天平的精度，测试误差较易控制。

但是基于重量法的吸附实验需要解决高温高压环境下对天平造成的影响，已有的技术方案使用磁悬浮天平，磁悬浮天平不在高温高压系统内，因此不受高温高压坏境的影响，但磁悬浮天平价格昂贵，以至整个仪器价格较贵，例如磁悬浮天平重量法高压等温吸附仪，不利于重量法等温吸附实验的推广。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种重量法高温高压等温吸附测量装置及方法，不仅解决了高温高压环境对天平的影响，而且所采用的天平减少了整个装置的成本。

为了实现上述所述的技术目的，本发明主要通过以下技术方案实现：

一种重量法高温高压等温吸附测量装置，包括称重系统，所述的称重系统包括天平、称重转换装置、砝码和样品筒，所述的天平安装在天平支架上，在天平的底部设置有挂载钩，所述的称重转换装置由三组电机、拨叉和限位器组成，所述的拨叉水平设置在天平支架上，所述的限位器平行设置在拨叉上方和下方，所述的电机设置在拨叉的一端用于带动拨叉上下移动，所述的砝码共有砝码Ⅰ和砝码Ⅱ两个，所述的砝码Ⅰ和砝码Ⅱ通过金属丝挂在挂载钩上，所述的样品筒通过金属丝挂在挂载钩上且位于砝码Ⅰ和砝码Ⅱ之间。

所述的称重转换装置中悬挂样品筒的金属丝与拨叉Ⅰ对应，悬挂砝码Ⅰ的金属丝与拨叉Ⅱ对应，悬挂砝码Ⅱ的金属丝与拨叉Ⅲ对应。

所述的测量装置还包括高压釜体，所述的高压釜体包括支架、釜体盖、釜体座、连接管和内套，所述的釜体座安装在支架上，所述的釜体盖通过设置在釜体座侧边的螺纹连接固定，所述釜体座上开有圆柱形通孔，所述连接管安装在釜体座的通孔上，所述内套与连接管连接，所述的所述砝码和样品筒由金属丝通过釜体座的通孔和连接管吊装于内套中。

所述的釜体座呈台阶型，天平支架安装在釜体座第一台阶上，第一台阶侧边设有安装密封圈的凹槽，第二台阶侧边设有螺纹，用于釜体盖与釜体底座的连接密封。

所述连接管上开有气体注入孔，所述气体注入孔与高压气源和真空系统连接。

所述的测量装置还包括恒温装置，所述的恒温装置为一套在内套外的U形容器。

所述的测量装置还包括数据采集处理系统，所述的测量装置通过数据采集处理系统控制温度和压力，并采集处理实验过程中的数据。

本发明的另一目的，提供一种重量法高温高压等温吸附测量的方法，具体包括以下步骤：

1)样品处理，样品经破碎后置于烘箱中烘干待用；

2)空白实验，空白实验时不装样品，采用氮气作为介质，利用恒温装置对高压釜体进行恒温控制，待温度恒定时，在实验压力内设定不同的压力点，获取砝码Ⅰ、砝码Ⅱ和样品筒的一组天平重量读数，分别为Δm_Ⅰ1、Δm_Ⅱ1和Δm_sc：

Δm_Ⅰ1＝m_Ⅰ+Δm_t-ρ_gV_Ⅰ 公式(1)

Δm_Ⅱ1＝m_Ⅱ+Δm_t-ρ_gV_Ⅱ 公式(2)

Δm_sc＝m_sc+Δm_t-ρ_gV_sc 公式(3)

其中m_Ⅰ为砝码Ⅰ的质量，V_Ⅰ为砝码Ⅰ的体积，m_Ⅱ为砝码Ⅱ的质量，V_Ⅱ为砝码Ⅱ的体积，m_sc为样品筒的质量，V_sc为样品筒的体积，Δm_t为天平在当前测试环境下的误差值；

3)浮力实验：将样品装入样品筒中，采用氦气作为介质，利用恒温装置对高压釜体进行恒温控制，在测试温度下对样品和系统进行抽真空以排除系统内的杂质气体，待抽好真空后，向高压系统内充入氦气，在实验压力内设定不同的压力点，获取砝码Ⅰ、砝码Ⅱ、样品筒和样品的一组天平重量读数，分别为Δm_Ⅰ2、Δm_Ⅱ2、Δm₁

Δm_Ⅰ2＝m_Ⅰ+Δm_t-ρ_gV_Ⅰ 公式(4)

Δm_Ⅱ2＝m_Ⅱ+Δm_t-ρ_gV_Ⅱ 公式(5)

Δm₁＝m_sc+m_s+Δm_t-ρ_g(V_sc+V_s) 公式(6)

其中m_s为样品的质量，V_s为样品的体积；

4)吸附实验：吸附实验采用高纯度天然气，第一个压力点设为真空，在测试温度下对样品和系统进行抽真空以排除系统内的杂质气体，待抽好真空后，向高压系统内充入高纯度天然气，在实验压力内设定不同的压力点，获取砝码Ⅰ、砝码Ⅱ、样品筒和样品总重量的一组天平重量读数，分别为Δm_Ⅰ3、Δm_Ⅱ3、Δm₂：

Δm_Ⅰ3＝m_Ⅰ+Δm_t-ρ_gV_Ⅰ 公式(7)

Δm_Ⅱ3＝m_Ⅱ+Δm_t-ρgV_Ⅱ 公式(8)

Δm₂＝m_sc+m_s+m_a+Δm_t-ρ_g(V_sc+V_s+V_a) 公式(9)

其中m_a为样品的绝对吸附量，V_a为吸附相体积，由于吸附相体积V_a不能通过实验得到，因此定义过剩吸附量mex，其与绝对吸附量m_a的关系为：

m_ex＝m_a-ρ_gV_a 公式(10)

于是，可以获得样品的过剩吸附量为：

m_ex＝Δm₂-m_sc-m_s+ρ_g(V_sc+V_s) 公式(11)。

本发明所述的重量法高温高压等温吸附测量的方法在实验过程中，所有的压力控制均通过数据采集处理系统，所获得的实验数据也经数据采集处理系统中的程序进行计算处理并最终获得样品的过剩吸附量m_ex和绝对吸附量m_a。

本发明的有益效果为：

1)相比磁悬浮天平重量法高压等温吸附仪来说，本发明提供的一种重量法高温高压等温吸附装置中称重用天平采用高精度分析天平，在保证实验精准度和可靠性的基础上，降低了仪器成本，有利于重量法等温吸附实验方法的推广。

2)本发明提供的一种重量法高温高压等温吸附装置中设置的两个砝码和称重转换装置，以及数据处理系统中对实验所得数据的处理方法，解决了测试环境对天平的影响。其中连接管的设置和砝码、样品筒的吊装方式，以及恒温装置的加热部位设计，避免了天平受高低温的影响。

附图说明

图1是本发明重量法高温高压等温吸附装置简图；

图2是一种重量法高温高压等温吸附装置主视图；

图3是一种重量法高温高压等温吸附装置侧视图；

图中：1、天平支架；2、天平；3、挂载钩；4、电机Ⅰ；5、拨叉Ⅰ；6、限位器Ⅰ；7、电机Ⅱ；8、拨叉Ⅱ；9、限位器Ⅱ；10、电机Ⅲ；11、拨叉Ⅲ；12、限位器Ⅲ；13、釜体盖；14、釜体座；15、连接管；16、内套；17、砝码Ⅰ；18、砝码Ⅱ；19、样品筒；20、恒温装置；21、气体注入孔；22、支架；23、高压釜体；24、称重系统；25、高压气源；26、真空系统；27、数据采集处理系统。

具体实施方式

下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种重量法高温高压等温吸附装置，包括：称重系统24、高压釜体23、恒温装置20、高压气源25、真空系统26及数据采集处理系统27。其中称重系统24固定在高压釜体23的内部，在称重系统24的底部设置有恒温装置20，高压气源25和真空系统26分别连接于称重系统24，测量装置通过数据采集处理系统27控制温度和压力，并采集处理实验过程中的数据。

如图2所示称重系统24包括天平2、称重转换装置、砝码和样品筒19，天平2安装在天平支架1上，称重用天平2采用高精度分析天平2内核心部件，将其进行改装处理后安装在天平支架1上，减小了装置体积，在天平2的底部设置有挂载钩3，称重转换装置包括三个用于升降的微型电机、三个拨叉和三个控制电机运行的限位器，拨叉水平设置在天平支架1上，限位器平行设置在拨叉上方和下方，电机设置在拨叉的一端用于带动拨叉上下移动，三个拨叉分别与三个微型电机连接，微型电机运转带动拨叉上下移动，当拨叉与限位器接触时，微型电机停止运转，砝码共有砝码Ⅰ17和砝码Ⅱ18两个，砝码Ⅰ17和砝码Ⅱ18通过金属丝挂在挂载钩3上，两个砝码采用密度差异较大的材质制成，砝码质量相同，砝码用于标定测试环境对天平2造成的影响和测试不同实验条件下气体的密度，样品筒19通过金属丝挂在挂载钩3上且位于砝码Ⅰ17和砝码Ⅱ18之间。样品筒19与电机Ⅰ4、拨叉Ⅰ5和限位器Ⅰ6对应，砝码Ⅰ17与电机Ⅱ7、拨叉Ⅱ8和限位器Ⅱ9对应，砝码Ⅱ18与电机Ⅲ10、拨叉Ⅲ11和限位器Ⅲ12对应；当需要量样品时，电机Ⅰ4转动带动拨叉Ⅰ5向下运行，当拨叉Ⅰ5与限位器Ⅰ6下限位接触时，电机Ⅰ4停止转动，样品筒19挂在挂载钩3上，电机Ⅱ7和电机Ⅲ10转动带动拨叉Ⅱ8和拨叉Ⅲ11向上运行，当拨叉Ⅱ8和拨叉Ⅲ11与限位器Ⅱ9和限位器Ⅲ12的上限位接触时，电机Ⅱ7和电机Ⅲ10停止转动，砝码Ⅰ17和砝码Ⅱ18脱离挂载钩3，天平2完成对样品的称量。同理，在电机、拨叉和限位器的辅助下，天平2可完成对砝码Ⅰ17和砝码Ⅱ18的称量。

如图2所示高压釜体23包括支架22、釜体盖13、釜体座14、连接管15和内套16，釜体座14安装在支架22上，釜体座14呈台阶型，天平支架1安装在釜体座14第一台阶上，第一台阶侧边设有安装密封圈的凹槽，第二台阶侧边设有螺纹，用于釜体盖13与釜体底座的连接密封，釜体盖13通过设置在釜体座14侧边的螺纹连接固定，釜体座14上开有圆柱形通孔，连接管15安装在釜体座14的通孔上，内套16与连接管15连接，所述砝码和样品筒19由金属丝通过釜体座14的通孔和连接管15吊装于内套16中。连接管15上开有气体注入孔21，气体注入孔21与高压气源25和真空系统26连接。

如图2所示恒温装置20为一“U”字形容器，所述恒温装置20套在内套16外，只对内套16内的气体和待称重物进行恒温控制，温度可达正负200℃。所述的连接管15将天平2、称重转换装置与加热部位隔绝开，使天平2和称重转换装置不受高低温的影响。整个实验装置通过数据采集处理系统27控制温度和压力，并采集处理实验过程中的数据。

实施例2

使用本发明提供的一种重量法高温高压等温吸附装置测试煤岩或页岩等温吸附的原理及具体实施方法如下：

(1)样品处理：样品经破碎后置于烘箱中烘干待用，试验前，对样品进行抽真空脱气，以充分去除水分及杂质气体。

(2)空白实验：空白实验时不装样品，采用氮气作为介质，连接好内套与连接管，保证高压釜体密封。利用恒温装置对高压釜体进行恒温控制，待温度恒定时，在实验压力内设定不同的压力点，获取砝码Ⅰ、砝码Ⅱ和样品筒的一组天平重量读数，分别为Δm_Ⅰ1、Δm_Ⅱ1和Δm_sc：

Δm_Ⅰ1＝m_Ⅰ+Δm_t-ρ_gV_Ⅰ 公式(1)

Δm_Ⅱ1＝m_Ⅱ+Δm_t-ρ_gV_Ⅱ 公式(2)

Δm_sc＝m_sc+Δm_t-ρ_gV_sc 公式(3)

其中m_Ⅰ为砝码Ⅰ的质量，V_Ⅰ为砝码Ⅰ的体积，m_Ⅱ为砝码Ⅱ的质量，V_Ⅱ为砝码Ⅱ的体积，m_sc为样品筒的质量，V_sc为样品筒的体积，Δm_t为天平在当前测试环境下的误差值。通过公式(1)和(2)可获得当前测试条件下天平的误差值Δm_t和气体的密度ρ_g。再由公式(3)利用直线拟合可得到样品筒的质量m_sc和体积V_sc。

(3)浮力实验：将样品装入样品筒中，采用氦气作为介质，连接好内套与连接管，保证高压釜体密封。利用恒温装置对高压釜体进行恒温控制，在测试温度下对样品和系统进行抽真空以排除系统内的杂质气体。待抽好真空后，向高压系统内充入氦气，在实验压力内设定不同的压力点，获取砝码Ⅰ、砝码Ⅱ、样品筒和样品的一组天平重量读数，分别为Δm_Ⅰ2、Δm_Ⅱ2、Δm₁：

Δm_Ⅰ2＝m_Ⅰ+Δm_t-ρ_gV_Ⅰ 公式(4)

Δm_Ⅱ2＝m_Ⅱ+Δm_t-ρ_gV_Ⅱ 公式(5)

Δm₁＝m_sc+m_s+Δm_t-ρ_g(V_sc+V_s) 公式(6)

其中m_s为样品的质量，V_s为样品的体积。同理，利用直线拟合可得到样品筒和样品的总体积(V_sc+V_s)和总质量Δm，再结合空白实验得到样品的体积V_s和质量m_s。

(4)吸附实验：吸附实验采用高纯度天然气，第一个压力点设为真空，在测试温度下对样品和系统进行抽真空以排除系统内的杂质气体。待抽好真空后，向高压系统内充入高纯度天然气，在实验压力内设定不同的压力点，获取砝码Ⅰ、砝码Ⅱ、样品筒和样品总重量的一组天平重量读数，分别为Δm_Ⅰ3、Δm_Ⅱ3、Δm₂：

Δm_Ⅰ3＝m_Ⅰ+Δm_t-ρ_gV_Ⅰ 公式(7)

Δm_Ⅱ3＝m_Ⅱ+Δm_t-ρ_gV_Ⅱ 公式(8)

Δm₂＝m_sc+m_s+m_a+Δm_t-ρ_g(V_sc+V_s+V_a) 公式(9)

其中m_a为样品的绝对吸附量，V_a为吸附相体积，由于吸附相体积V_a不能通过实验得到，因此定义过剩吸附量m_ex，其与绝对吸附量m_a的关系为：

m_ex＝m_a-ρ_gV_a 公式(10)

于是，可以获得样品的过剩吸附量为：

m_ex＝Δm₂-m_sc-m_s+ρ_g(Vsc+V_s) 公式(11)。

以上为使用本发明提供的一种重量法高温高压等温吸附装置测试煤岩或页岩等温吸附的原理及具体实施方法，实验过程中，所有的压力控制均通过数据采集处理系统，所获得的实验数据也经数据采集处理系统中的程序进行计算处理并最终获得样品的过剩吸附量m_ex和绝对吸附量m_a。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种重量法高温高压等温吸附测量装置，其特征在于，包括称重系统(24)，所述的称重系统(24)包括天平(2)、称重转换装置、砝码和样品筒(19)，所述的天平(2)安装在天平支架(1)上，在天平(2)的底部设置有挂载钩(3)，所述的称重转换装置由三组电机、拨叉和限位器组成，所述的拨叉水平设置在天平支架(1)上，所述的限位器平行设置在拨叉上方和下方，所述的电机设置在拨叉的一端用于带动拨叉上下移动，所述的砝码共有砝码Ⅰ(17)和砝码Ⅱ(18)两个，所述的砝码Ⅰ(17)和砝码Ⅱ(18)通过金属丝挂在挂载钩(3)上，所述的样品筒(19)通过金属丝挂在挂载钩(3)上且位于砝码Ⅰ(17)和砝码Ⅱ(18)之间。

2.根据权利要求1所述的一种重量法高温高压等温吸附测量装置，其特征在于，所述的称重转换装置中悬挂样品筒(19)的金属丝与拨叉Ⅰ(5)对应，悬挂砝码Ⅰ(17)的金属丝与拨叉Ⅱ(8)对应，悬挂砝码Ⅱ(18)的金属丝与拨叉Ⅲ(11)对应。

3.根据权利要求1所述的一种重量法高温高压等温吸附测量装置，其特征在于，所述的测量装置还包括高压釜体(23)，所述的高压釜体(23)包括支架(22)、釜体盖(13)、釜体座(14)、连接管(15)和内套(16)，所述的釜体座(14)安装在支架(22)上，所述的釜体盖(13)通过设置在釜体座(14)侧边的螺纹连接固定，所述釜体座(14)上开有圆柱形通孔，所述连接管(15)安装在釜体座(14)的通孔上，所述内套(16)与连接管(15)连接，所述的砝码和样品筒(19)由金属丝通过釜体座(14)的通孔和连接管(15)吊装于内套(16)中。

4.根据权利要求3所述的一种重量法高温高压等温吸附测量装置，其特征在于，所述的釜体座(14)呈台阶型，天平支架(1)安装在釜体座(14)第一台阶上，第一台阶侧边设有安装密封圈的凹槽，第二台阶侧边设有螺纹，用于釜体盖(13)与釜体底座的连接密封。

5.根据权利要求3所述的一种重量法高温高压等温吸附测量装置，其特征在于，所述连接管(15)上开有气体注入孔(21)，所述气体注入孔(21)与高压气源(25)和真空系统(26)连接。

6.根据权利要求1所述的一种重量法高温高压等温吸附测量装置，其特征在于，所述的测量装置还包括恒温装置(20)，所述的恒温装置(20)为一套在内套(16)外的U形容器。

7.一种重量法高温高压等温吸附测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)样品处理，样品经破碎后置于烘箱中烘干待用；

2)空白实验，空白实验时不装样品，采用氮气作为介质，利用恒温装置对高压釜体进行恒温控制，待温度恒定时，在实验压力内设定不同的压力点，获取砝码Ⅰ、砝码Ⅱ和样品筒的一组天平重量读数，分别为Δm_Ⅰ1、Δm_Ⅱ1和Δm_sc：

Δm_Ⅰ1＝m_Ⅰ+Δm_t-ρ_gV_Ⅰ 公式(1)

Δm_Ⅱ1＝m_Ⅱ+Δm_t-ρ_gV_Ⅱ 公式(2)

Δm_sc＝m_sc+Δm_t-ρ_gV_sc 公式(3)

其中m_Ⅰ为砝码Ⅰ的质量，V_Ⅰ为砝码Ⅰ的体积，m_Ⅱ为砝码Ⅱ的质量，V_Ⅱ为砝码Ⅱ的体积，m_sc为样品筒的质量，V_sc为样品筒的体积，Δm_t为天平在当前测试环境下的误差值；

3)浮力实验：将样品装入样品筒中，采用氦气作为介质，利用恒温装置对高压釜体进行恒温控制，在测试温度下对样品和系统进行抽真空以排除系统内的杂质气体，待抽好真空后，向高压系统内充入氦气，在实验压力内设定不同的压力点，获取砝码Ⅰ、砝码Ⅱ、样品筒和样品的一组天平重量读数，分别为Δm_Ⅰ2、Δm_Ⅱ2、Δm₁：

Δm_Ⅰ2＝m_Ⅰ+Δm_t-ρ_gV_Ⅰ 公式(4)

Δm_Ⅱ2＝m_Ⅱ+Δm_t-ρ_gV_Ⅱ 公式(5)

Δm₁＝m_sc+m_s+Δm_t-ρ_g(V_sc+V_s) 公式(6)

其中m_s为样品的质量，V_s为样品的体积；

4)吸附实验：吸附实验采用高纯度天然气，第一个压力点设为真空，在测试温度下对样品和系统进行抽真空以排除系统内的杂质气体，待抽好真空后，向高压系统内充入高纯度天然气，在实验压力内设定不同的压力点，获取砝码Ⅰ、砝码Ⅱ、样品筒和样品总重量的一组天平重量读数，分别为Δm_Ⅰ3、Δm_Ⅱ3、Δm₂：

Δm_Ⅰ3＝m_Ⅰ+Δm_t-ρ_gV_Ⅰ 公式(7)

Δm_Ⅱ3＝m_Ⅱ+Δm_t-ρ_gV_Ⅱ 公式(8)

Δm₂＝m_sc+m_s+m_a+Δmt-ρ_g(V_sc+V_s+V_a) 公式(9)

其中m_a为样品的绝对吸附量，V_a为吸附相体积，由于吸附相体积V_a不能通过实验得到，因此定义过剩吸附量m_ex，其与绝对吸附量m_a的关系为：

m_ex＝m_a-ρ_gV_a 公式(10)

于是，可以获得样品的过剩吸附量为：

m_ex＝Δm₂-m_sc-m_s+ρ_g(V_sc+V_s) 公式(11)。