CN108535135A - 用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于测量气体吸附‑扩散‑置换的实验系统及方法，系统包括恒温控制箱，恒温控制箱内设有第一温度传感器、参考舱、样品舱、激光发射器和激光接收器，样品舱的进气口处设有第二压力传感器样品舱侧壁设有第二温度传感器，样品舱左右两侧对衬设有第一光学镜片和第二光学镜片，第一光学镜片和第二光学镜片通过透光组件与样品舱光连通，激光发射器与第一光学镜片对应设置，激光接收器与第二光学镜片对应设置，能够实时的将样品舱中的气体浓度、参考舱的温度和压力，以及样品舱的温度和压力参数发送到计算机，进而实时地得到气体的吸附量、扩散量和置换量的变化，采用恒温控制箱不受外界温度变化的影响，测量结果准确。

Description

用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统及方法

技术领域

本发明属于能源开发技术领域，更具体地说，是涉及一种用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统及方法。

背景技术

随着我国能源结构的进一步优化，煤等高污染能源使用量进一步下降，天然气等清洁能源的消费比逐年上升。其中页岩气、煤层气和天然气水合物(可燃冰)作为重要的非常规天然气资源，将在以后的能源结构中占有举足轻重的地位。与常规天然气藏不同，非常规天然气中，吸附气的比例很高，同时由于渗透率极低，非常规天然气的运移机理与常规天然气也存在较大的差别。因此，研究非常规天然气在岩层中的吸附、扩散及置换对研究非常规天然气藏的富集成藏、驱替开发和资源评价等具有重要意义。

目前，传统的用于吸附、扩散及置换研究的实验方法主要为容量法，该方法主要是通过向放入岩芯试样的实验舱内冲入定量的气体，通过岩芯试样吸附气体达到平衡后的压力变化计算吸附气量，通过在一定压力下释放气体，计算解析气量和平衡时间来进行扩散研究。但是容量法方式只能在气体达到平衡后的通过气量和压力的变化，来计算吸附气量和扩散气量的大小，存在不能实时地、动态地测量吸附气量和扩散气量，同时容易受外部环境(如温度变化)的影响，导致测量结果不准确的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统及方法，以解决现有的容量法方式只能在气体达到平衡后的通过气量和压力的变化，来计算吸附气量和扩散气量的大小，不能实时地、动态地测量吸附气量和扩散气量，同时容易受外部环境(如温度变化)的影响，导致测量结果不准确的问题技术问题。

为实现上述目的，本发明实施例的第一方面，提供一种用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统，包括：一恒温控制箱，所述恒温控制箱内设有第一温度传感器、参考舱、样品舱、激光发射器和激光接收器；

所述参考舱的进气口与外接气源和增压装置连接，所述参考舱的出气口通过设有气动阀的气体管路与所述样品舱的进气口连接，所述参考舱的出气口处设有第一压力传感器；

所述样品舱的进气口处设有第二压力传感器，所述样品舱外部设有加热恒温腔，所述样品舱侧壁设有第二温度传感器，所述样品舱左右两侧对衬设有第一光学镜片和第二光学镜片，所述第一光学镜片和第二光学镜片通过透光组件与样品舱光连通，所述激光发射器与所述第一光学镜片对应设置，所述激光接收器与所述第二光学镜片对应设置，所述激光发射器发出的激光通过第一光学镜片和透光组件射入所述样品舱，穿过样品舱内的气体后，通过透光组件和所述第二光学镜片后，射入所述激光接收器；

所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、激光发射器和激光接收器与外部计算机通信连接。

进一步地，所述系统还包括第一支架和第二支架，所述第一支架用于支撑所述激光发射器，所述第二支架用于支撑所述激光接收器。

进一步地，所述第一温度传感器设置在所述第一支架的侧壁上。

本发明实施例的第二方面，提供一种基于上述的用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统的测量气体吸附-扩散-置换的实验方法，包括：

将岩芯试样放入样品舱内，关闭气动阀门，通过外接气源和增压装置向参考舱内注入待测气体，待稳定第一预设时长后，通过第一温度传感器获取参考舱的初始温度T_n，通过第一压力传感器获取参考舱的初始压力P_n；

打开气动阀，使得待测气体进入样品舱，待测气体开始被岩芯试样吸附；在吸附的过程中，通过第二温度传感器获取样品舱的实时温度T_i,，通过第二压力传感器获取样品舱的实时压力P_i，并通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机实时根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的待测气体的实时浓度值C_i；

根据参考舱的初始温度T_n、考舱的初始压力P_n、样品舱的实时温度T_i、样品舱的实时压力P_i、待测气体的实时浓度值C_i和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到待测气体被岩芯试样的实时吸附的吸附量V_i。

进一步地，在待测气体被岩芯试样的吸附的吸附量不变之后，还包括：

关闭气动阀，将参考舱内的待测气体排除，然后打开气动阀，使得样品舱内的待测气体进入参考舱，样品舱中的压力下降，已经吸附在岩芯试样上的待测气体开始扩散；

在扩散过程中，通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的待测气体的初始浓度值C₀₁和实时浓度值C_t1；

根据待测气体的初始浓度值C₀₁、实时浓度值C_t1和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到待测气体从岩芯试样的实时扩散的扩散量V_t。

进一步地，在待测气体被岩芯试样的吸附的吸附量不变之后，还包括：

关闭气动阀，将参考舱内抽真空，向参考舱内注入高压置换气体，按照预设压差通过第一压力传感器和第二压力传感器获取的压力值，设置参考舱和样品舱的压差；

打开气动阀，通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的待测气体的初始浓度值C₀₂和实时浓度值C_t2，根据待测气体的初始浓度值C₀₂、实时浓度值C_t2和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到岩芯试样中待测气体被高压置换气体实时置换的置换量V_r；或者，

打开气动阀，通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的高压置换气体的初始浓度值C₀₃和实时浓度值C_t3，根据高压置换气体的初始浓度值C₀₃、实时浓度值C_t3和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到岩芯试样中待测气体被高压置换气体实时置换的置换量V_r。

进一步地，在将岩芯试样放入样品舱内之前，还包括：

对所述参考舱和所述样品舱进行第二预设时长的抽真空处理；

关闭所述参考舱和所述样品舱之间的气动阀，向所述参考舱注入高压氦气，获取参考舱的初始压力；

待稳定第二预设时长后，通过第一压力传感器获取参考舱平衡压力；

若所述参考舱平衡压力与所述参考舱的初始压力相同，则确定所述参考舱气密性合格；

当确定所述参考舱气密性合格后，打开所述气动阀，使得参考舱内的高压氦气进入样品舱，并通过第一压力传感器获取第一初始压力、第二传感器获取第二初始压力；

待稳定第三预设时长后，通过第一压力传感器获取第一平衡压力、第二传感器获取第二平衡压力；

若所述第一初始压力、第二初始压力、第一平衡压力和第二平衡压力相同，则确定所述样品舱气密性合格。

进一步地，当氦气进入样品舱后，激光发射器和激光接收器，对样品舱内的氦气进行照射，并将激光信号转换为数字信号发送到计算机，得到样品舱内的氦气的第一浓度值；

利用第二温度传感器、第二压力传感器获取样品舱内氦气的温度值、压力值，并根据实际气体状态方程，计算得到样品舱内的氦气的第二浓度值；

若第一浓度值和第二浓度值相同，则确定激光发射器和激光接收器工作状态良好。

进一步地，还包括获取所述预存的样品舱自由体积V_自由的过程：

当确定所述参考舱气密性合格后，通过第一压力传感器获取未向样品舱注入氦气的初始压力P₀，通过第一温度传感器获取参考舱的初始温度T₀；

打开所述气动阀，使得参考舱内的高压氦气进入样品舱，待压力平衡后，通过第二压力传感器获取参考舱和样品舱注入氦气平衡压力P₁，通过第一温度传感器获取参考舱的注入氦气平衡温度T₁，通过第二温度传感器获取样品舱注入氦气平衡温度T₂；获取参考舱的体积V₀，参考舱和气体管路的体积之和V₁；根据样品舱注入氦气的初始压力P₀、参考舱的初始温度T₀、参考舱和样品舱注入氦气平衡压力P₁、参考舱的注入氦气平衡温度T₁、样品舱注入氦气平衡温度T₂、参考舱的体积V₀和参考舱和气体管路的体积之和V₁，计算得到样品舱自由体积V_自由；或者，

打开所述气动阀，使得参考舱内的高压氦气进入样品舱，待压力平衡后，通过激光发射器和激光接收器获取高压氦气的浓度C；

根据参考舱的体积V₀、参考舱和气体管路的体积之和V₁、样品舱注入氦气的初始压力P₀、参考舱的初始温度T₀和所述高压氦气的浓度C，计算得到样品舱自由体积V_自由。

进一步地，根据参考舱的初始温度T_n、参考舱的初始压力P_n、样品舱的实时温度T_i、样品舱的实时压力P_i、待测气体的实时浓度值C_i和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到待测气体被岩芯试样的实时吸附的吸附量V_i，具体公式为：

V_i＝{[(P_nV₀/Z_nRT_n)-(P_iV₀/Z_iRT_i)]-V_自由C_i}/V_m

式中，V_i为待测气体被岩芯试样的实时吸附的吸附量，ml；P_n为参考舱的初始压力，MPa；V₀为参考舱的体积，ml；Z_n为参考舱初始压力下待测气体的气体压缩系数；R为比例系数；T_n为参考舱的初始温度，K；P_i为i时刻样品舱的实时压力，MPa；Z_i为i时刻样品舱内待测气体的气体压缩系数；T_i为i时刻样品舱内待测气体的样品舱的实时温度，K；V_自由为预存的样品舱自由体积，ml；C_i为i时刻样品舱内待测气体的实时浓度值，mol/ml；V_m为待测气体的标准状况气体摩尔体积mol/ml。

本发明提供的用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统的有益效果在于：与现有技术相比，本发明实施例提供的用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统，通过第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、激光发射器和激光接收器，能够实时的将样品舱中的气体浓度、参考舱的温度和压力，以及样品舱的温度和压力参数发送到计算机，进而实时地得到气体的吸附量、扩散量和置换量的变化，采用恒温控制箱不受外界温度变化的影响，测量结果准确。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统的结构示意；

图2为本发明实施例提供的测量气体吸附-扩散-置换的实验方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”、“若干个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1，现对本发明提供的用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统进行说明。所述用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统，包括：一恒温控制箱1，该恒温控制箱1内设有第一温度传感器2、参考舱3、样品舱4、激光发射器5和激光接收器6。

其中，恒温控制箱用于控制参考舱3、激光发射器5和激光接收器6及其连接管路的内气体的温度。样品舱4用于放置实验用的岩芯试样，如岩芯、煤岩芯等。其中激光发射器5为谐调激光发射器。

参考舱3的进气口31与外接气源和增压装置连接，参考舱的出气口32通过设有气动阀8的气体管路7与样品舱4的进气口41连接，参考舱3的出气口处设有第一压力传感器9。

样品舱4的进气口41处设有第二压力传感器10，样品舱4外部设有加热恒温腔11，样品舱4侧壁设有第二温度传感器12，样品舱4左右两侧对衬设有第一光学镜片13和第二光学镜片14，第一光学镜片13和第二光学镜片14通过透光组件15与样品舱4光连通，激光发射器5与第一光学镜片13对应设置，激光接收器6与第二光学镜片14对应设置，激光发射器13发出的激光通过第一光学镜片13和透光组件15射入样品舱4，穿过样品舱4内的气体(如甲烷等待测气体)后，通过透光组件15和第二光学镜片14后，射入激光接收器6。

其中，透光组件15可以是具有特殊折射率的耐高压玻璃。样品舱4可以是采用耐高压不锈钢制成，其舱体侧壁开窗，与透光组件15连通。加热恒温腔11用于为样品舱4内的待测气体加热。

其中，第一光学镜片13和第二光学镜片14通过光学保护组件16固定在透光组件15的断面上。激光发射器5、第一光学镜片13、透光组件15、第二光学镜片14和激光接收器6设置在一条光路上。

第一温度传感器2、第二温度传感器12、第一压力传感器8、第二压力传感器10、激光发射器5和激光接收器6均与外部计算机(图中未示出)通信连接。

其中，计算机可以通过第一温度传感器2获取参考舱1内的温度，通过第二温度传感器12获取样品舱4内的温度，通过第一压力传感器8获取参考舱1内的压力，通过第二压力传感器10获取样品舱4内的压力，通过激光发射器5和激光接收器6发送和接收的激光的强弱得到样品舱4的气体浓度。

从上述实施例可知，本发明实施例提供的用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统，通过第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、激光发射器和激光接收器，能够实时的将样品舱中的气体浓度、参考舱的温度和压力，以及样品舱的温度和压力参数发送到计算机，进而实时地得到气体的吸附量、扩散量和置换量的变化，采用恒温控制箱不受外界温度变化的影响，测量结果准确。

进一步地，请参阅图1，作为本发明提供的用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统的一种具体实施方式，还包括：第一支架17和第二支架18，第一支架17用于支撑激光发射器5，第二支架18用于支撑激光接收器6。

进一步地，请参阅图1，所述第一温度传感器2设置在第一支架17的侧壁上。

请参阅图2，图2为本发明实施例提供的测量气体吸附-扩散-置换的实验方法的流程示意图，该方法基于上述的用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统，所述方法详述如下：

S201：将岩芯试样放入样品舱内，关闭气动阀门，通过外接气源和增压装置向参考舱内注入待测气体，待稳定第一预设时长后，通过第一温度传感器获取参考舱的初始温度T_n，通过第一压力传感器获取参考舱的初始压力P_n。

S202：打开气动阀，使得待测气体进入样品舱，待测气体开始被岩芯试样吸附；在吸附的过程中，通过第二温度传感器获取样品舱的实时温度T_i,，通过第二压力传感器获取样品舱的实时压力P_i，并通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机实时根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的待测气体的实时浓度值C_i。

S203：根据参考舱的初始温度T_n、考舱的初始压力P_n、样品舱的实时温度T_i、样品舱的实时压力P_i、待测气体的实时浓度值C_i和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到待测气体被岩芯试样的实时吸附的吸附量V_i。

其中，根据参考舱的初始温度T_n、参考舱的初始压力P_n、样品舱的实时温度T_i、样品舱的实时压力P_i、待测气体的实时浓度值C_i和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到待测气体被岩芯试样的实时吸附的吸附量V_i，具体公式为：

V_i＝{[(P_nV₀/Z_nRT_n)-(P_iV₀/Z_iRT_i)]-V_自由C_i}/V_m

式中，V_i为待测气体被岩芯试样的实时吸附的吸附量，ml；P_n为参考舱的初始压力，MPa；V₀为参考舱的体积，ml；Z_n为参考舱初始压力下待测气体的气体压缩系数；R为比例系数；T_n为参考舱的初始温度，K；P_i为i时刻样品舱的实时压力，MPa；Z_i为i时刻样品舱内待测气体的气体压缩系数；T_i为i时刻样品舱内待测气体的样品舱的实时温度，K；V_自由为预存的样品舱自由体积，ml；C_i为i时刻样品舱内待测气体的实时浓度值，mol/ml；V_m为待测气体的标准状况气体摩尔体积mol/ml。

其中，Z_n参考舱初始压力下待测气体的气体压缩系数Z_n，以及i时刻样品舱内待测气体的气体压缩系数，可以根据温度压力查询标准图版获取。

从上述实施例可知，通过参考舱的初始温度T_n、考舱的初始压力P_n、样品舱的实时温度T_i、样品舱的实时压力P_i、待测气体的实时浓度值C_i和预存的样品舱自由体积V_自由，实时计算得到待测气体被岩芯试样的实时吸附的吸附量V_i，可以实时地得到气体的吸附量。

在本发明的一个实施例中，在步骤S203待测气体被岩芯试样的吸附的吸附量不变之后，还包括：

关闭气动阀，将参考舱内的待测气体排除，然后打开气动阀，使得样品舱内的待测气体进入参考舱，样品舱中的压力下降，已经吸附在岩芯试样上的待测气体开始扩散；

在扩散过程中，通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的待测气体的初始浓度值C₀₁和实时浓度值C_t1；

根据待测气体的初始浓度值C₀₁、实时浓度值C_t1和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到待测气体从岩芯试样的实时扩散的扩散量V_t。

其中，根据待测气体的初始浓度值C₀₁、实时浓度值C_t1和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到待测气体从岩芯试样的实时扩散的扩散量V_t，具体公式为：

V_t＝(C_t1-C₀₁)·V_自由

式中，V_t待测气体从岩芯试样的实时扩散的扩散量，ml；C_t1为待测气体的扩散的实时浓度值，mol/ml；C₀₁为待测气体的扩散的初始浓度值，mol/ml；V_自由为预存的样品舱自由体积，ml。

从上述实施例可知，通过根据待测气体的初始浓度值C₀₁、实时浓度值C_t1和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到待测气体从岩芯试样的实时扩散的扩散量V_t，能够实时地得到气体的扩散量。

在本发明的一个实施例中，在步骤S203待测气体被岩芯试样的吸附的吸附量不变之后，还包括：

关闭气动阀，将参考舱内抽真空，向参考舱内注入高压置换气体，按照预设压差通过第一压力传感器和第二压力传感器获取的压力值，设置参考舱和样品舱的压差；

打开气动阀，通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的待测气体的初始浓度值C₀₂和实时浓度值C_t2，根据待测气体的初始浓度值C₀₂、实时浓度值C_t2和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到岩芯试样中待测气体被高压置换气体实时置换的置换量V_r；或者，

打开气动阀，通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的高压置换气体的初始浓度值C₀₃和实时浓度值C_t3，根据高压置换气体的初始浓度值C₀₃、实时浓度值C_t3和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到岩芯试样中待测气体被高压置换气体实时置换的置换量V_r。

其中，所述根据待测气体的初始浓度值C₀₂、实时浓度值C_t2和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到岩芯试样中待测气体被高压置换气体实时置换的置换量V_r，具体公式为：

V_r＝|C_t2-C₀₂|·V_自由

式中，V_r为岩芯试样中待测气体被高压置换气体实时置换的置换量，ml；C₀₂为置换中待测气体的初始浓度值，mol/ml；C_t2为置换中待测气体的实时浓度值，mol/ml；V_自由为预存的样品舱自由体积，ml。

所述根据高压置换气体的初始浓度值C₀₃、实时浓度值C_t3和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到岩芯试样中待测气体被高压置换气体实时置换的置换量V_r，具体公式为：

V_r＝|C_t3-C₀₃|·V_自由

式中，V_r为岩芯试样中待测气体被高压置换气体实时置换的置换量，ml；C₀₂为置换中高压置换气体的初始浓度值，mol/ml；C_t2为置换中高压置换气体的实时浓度值，mol/ml；V_自由为预存的样品舱自由体积，ml。

从上述实施例可知，能够实时得到气体的置换量。

在本发明的一个实施例中，在步骤S201将岩芯试样放入样品舱内之前，还包括：

对所述参考舱和所述样品舱进行第二预设时长的抽真空处理；

关闭所述参考舱和所述样品舱之间的气动阀，向所述参考舱注入高压氦气，获取参考舱的初始压力；

待稳定第二预设时长后，通过第一压力传感器获取参考舱平衡压力；

若所述参考舱平衡压力与所述参考舱的初始压力相同，则确定所述参考舱气密性合格；

当确定所述参考舱气密性合格后，打开所述气动阀，使得参考舱内的高压氦气进入样品舱，并通过第一压力传感器获取第一初始压力、第二传感器获取第二初始压力；

待稳定第三预设时长后，通过第一压力传感器获取第一平衡压力、第二传感器获取第二平衡压力；

若所述第一初始压力、第二初始压力、第一平衡压力和第二平衡压力相同，则确定所述样品舱气密性合格。

从上述实施例可知，通过对参考舱的气密性检测、对样品舱的气密性检测，防止系统漏气，保证实验结果的准确性。

在本发明的一个实施例中，当氦气进入样品舱后，激光发射器和激光接收器，对样品舱内的氦气进行照射，并将激光信号转换为数字信号发送到计算机，得到样品舱内的氦气的第一浓度值；

利用第二温度传感器、第二压力传感器获取样品舱内氦气的温度值、压力值，并根据实际气体状态方程PV＝ZnRT，计算得到样品舱内的氦气的第二浓度值；

若第一浓度值和第二浓度值相同，则确定激光发射器和激光接收器工作状态良好。

其中，计算得到样品舱内的氦气的第二浓度值的计算过程为： 式中P为当前氦气的压力值，Z为氦气在当前压力温度下的气体压缩系数，R为气体常数，T为当前氦气的温度值。

在本发明的另一个实施例中，若第一浓度值和第二浓度值不同，则确定激光发射器和激光接收器工作状态不正常，需要对激光发射器和激光接收器进行校正。

从上述实施例可知，通过比较第一浓度值和第二浓度值，检测激光发射器和激光接收器的灵敏度，有效降低误差。

在本发明的一个实施例中，还包括获取所述预存的样品舱自由体积V_自由的过程：

当确定所述参考舱气密性合格后，通过第一压力传感器获取未向样品舱注入氦气的初始压力P₀，通过第一温度传感器获取参考舱的初始温度T₀；

打开所述气动阀，使得参考舱内的高压氦气进入样品舱，待压力平衡后，通过第二压力传感器获取参考舱和样品舱注入氦气平衡压力P₁，通过第一温度传感器获取参考舱的注入氦气平衡温度T₁，通过第二温度传感器获取样品舱注入氦气平衡温度T₂；获取参考舱的体积V₀，参考舱和气体管路的体积之和V₁；根据样品舱注入氦气的初始压力P₀、参考舱的初始温度T₀、参考舱和样品舱注入氦气平衡压力P₁、参考舱的注入氦气平衡温度T₁、样品舱注入氦气平衡温度T₂、参考舱的体积V₀和参考舱和气体管路的体积之和V₁，计算得到样品舱自由体积V_自由；或者，

打开所述气动阀，使得参考舱内的高压氦气进入样品舱，待压力平衡后，通过激光发射器和激光接收器获取高压氦气的浓度C；

根据参考舱的体积V₀、参考舱和气体管路的体积之和V₁、样品舱注入氦气的初始压力P₀、参考舱的初始温度T₀和所述高压氦气的浓度C，计算得到样品舱自由体积V_自由。

在本发明的另一个实施例中，当两种方法得到的样品舱自由体积V_自由的误差≤0.5％时，确定样品舱自由体积V_自由测量结果准确，可以采用。

从上述实施例可知，通过两种方式获取样品舱自由体积V_自由，提高样品舱自由体积V_自由测量结果准确性。

其中，所述根据样品舱注入氦气的初始压力P₀、参考舱的初始温度T₀、参考舱和样品舱注入氦气平衡压力P₁、参考舱的注入氦气平衡温度T₁、样品舱注入氦气平衡温度T₂、参考舱的体积V₀和参考舱和气体管路的体积之和V₁，计算得到样品舱自由体积V_自由，具体公式为：

V_自由＝Z₂RT₂[(P₀V₀)/Z₀RT₀-(P₁V₁)/Z₁RT₁]/P₁

式中，V_自由为预存的样品舱自由体积，ml；Z₂为样品舱注入氦气平衡后的氦气压缩系数；R为比例系数；T₂为样品舱注入氦气平衡温度，K；P₀为样品舱注入氦气的初始压力，MPa；V₀为参考舱的体积，ml；Z₀为参考舱注入氦气初始的氦气压缩系数；T₀为参考舱注入氦气的初始温度，K；P₁为参考舱和样品舱注入氦气之后的平衡压力，MPa；V₁为参考舱和气体管路的体积之和，ml；Z₁为参考舱注入氦气平衡后的氦气压缩系数；T₁为参考舱的注入氦气平衡温度，K。

其中，所述根据参考舱的体积V₀、参考舱和气体管路的体积之和V₁、样品舱注入氦气的初始压力P₀、参考舱的初始温度T₀和所述高压氦气的浓度C，计算得到样品舱自由体积V_自由，具体公式为：

V_自由＝(P₀V₀)/CZ₀RT₀-V₁

式中，V_自由为预存的样品舱自由体积，ml；P₀为样品舱注入氦气的初始压力，MPa；V₀为参考舱的体积，ml；C为样品舱内压力平衡后高压氦气的浓度，mol/ml；Z₀为参考舱注入氦气初始的氦气压缩系数；R为比例系数；T₀为参考舱注入氦气的初始温度，K；V₁为参考舱和气体管路的体积之和，ml。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统，其特征在于，包括：一恒温控制箱，所述恒温控制箱内设有第一温度传感器、参考舱、样品舱、激光发射器和激光接收器；

所述参考舱的进气口与外接气源和增压装置连接，所述参考舱的出气口通过设有气动阀的气体管路与所述样品舱的进气口连接，所述参考舱的出气口处设有第一压力传感器；

所述样品舱的进气口处设有第二压力传感器，所述样品舱外部设有加热恒温腔，所述样品舱侧壁设有第二温度传感器，所述样品舱左右两侧对衬设有第一光学镜片和第二光学镜片，所述第一光学镜片和第二光学镜片通过透光组件与样品舱光连通，所述激光发射器与所述第一光学镜片对应设置，所述激光接收器与所述第二光学镜片对应设置，所述激光发射器发出的激光通过第一光学镜片和透光组件射入所述样品舱，穿过样品舱内的气体后，通过透光组件和所述第二光学镜片后，射入所述激光接收器；

所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述激光发射器和所述激光接收器与外部计算机通信连接。

2.如权利要求1所述的用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统，其特征在于，还包括第一支架和第二支架，所述第一支架用于支撑所述激光发射器，所述第二支架用于支撑所述激光接收器。

3.如权利要求2所述的用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统，其特征在于，所述第一温度传感器设置在所述第一支架的侧壁上。

4.一种基于权利要求1所述的用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统的测量气体吸附-扩散-置换的实验方法，其特征在于，包括：

将岩芯试样放入样品舱内，关闭气动阀门，通过外接气源和增压装置向参考舱内注入待测气体，待稳定第一预设时长后，通过第一温度传感器获取参考舱的初始温度T_n，通过第一压力传感器获取参考舱的初始压力P_n；

打开气动阀，使得待测气体进入样品舱，待测气体开始被岩芯试样吸附；在吸附的过程中，通过第二温度传感器获取样品舱的实时温度T_i,，通过第二压力传感器获取样品舱的实时压力P_i，并通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机实时根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的待测气体的实时浓度值C_i；

根据参考舱的初始温度T_n、考舱的初始压力P_n、样品舱的实时温度T_i、样品舱的实时压力P_i、待测气体的实时浓度值C_i和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到待测气体被岩芯试样的实时吸附的吸附量V_i。

5.如权利要求4所述的测量气体吸附-扩散-置换的实验方法，其特征在于，在待测气体被岩芯试样的吸附的吸附量不变之后，还包括：

关闭气动阀，将参考舱内的待测气体排除，然后打开气动阀，使得样品舱内的待测气体进入参考舱，样品舱中的压力下降，已经吸附在岩芯试样上的待测气体开始扩散；

在扩散过程中，通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的待测气体的初始浓度值C₀₁和实时浓度值C_t1；

根据待测气体的初始浓度值C₀₁、实时浓度值C_t1和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到待测气体从岩芯试样的实时扩散的扩散量V_t。

6.如权利要求4所述的测量气体吸附-扩散-置换的实验方法，其特征在于，在待测气体被岩芯试样的吸附的吸附量不变之后，还包括：

关闭气动阀，将参考舱内抽真空，向参考舱内注入高压置换气体，按照预设压差通过第一压力传感器和第二压力传感器获取的压力值，设置参考舱和样品舱的压差；

打开气动阀，通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的待测气体的初始浓度值C₀₂和实时浓度值C_t2，根据待测气体的初始浓度值C₀₂、实时浓度值C_t2和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到岩芯试样中待测气体被高压置换气体实时置换的置换量V_r；或者，

打开气动阀，通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的高压置换气体的初始浓度值C₀₃和实时浓度值C_t3，根据高压置换气体的初始浓度值C₀₃、实时浓度值C_t3和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到岩芯试样中待测气体被高压置换气体实时置换的置换量V_r。

7.如权利要求4所述的测量气体吸附-扩散-置换的实验方法，其特征在于，在将岩芯试样放入样品舱内之前，还包括：

对所述参考舱和所述样品舱进行第二预设时长的抽真空处理；

关闭所述参考舱和所述样品舱之间的气动阀，向所述参考舱注入高压氦气，获取参考舱的初始压力；

待稳定第二预设时长后，通过第一压力传感器获取参考舱平衡压力；

若所述参考舱平衡压力与所述参考舱的初始压力相同，则确定所述参考舱气密性合格；

当确定所述参考舱气密性合格后，打开所述气动阀，使得参考舱内的高压氦气进入样品舱，并通过第一压力传感器获取第一初始压力、第二传感器获取第二初始压力；

待稳定第三预设时长后，通过第一压力传感器获取第一平衡压力、第二传感器获取第二平衡压力；

若所述第一初始压力、第二初始压力、第一平衡压力和第二平衡压力相同，则确定所述样品舱气密性合格。

8.如权利要求7所述的测量气体吸附-扩散-置换的实验方法，其特征在于，

当氦气进入样品舱后，激光发射器和激光接收器，对样品舱内的氦气进行照射，并将激光信号转换为数字信号发送到计算机，得到样品舱内的氦气的第一浓度值；

利用第二温度传感器、第二压力传感器获取样品舱内氦气的温度值、压力值，并根据实际气体状态方程，计算得到样品舱内的氦气的第二浓度值；

若第一浓度值和第二浓度值相同，则确定激光发射器和激光接收器工作状态良好。

9.如权利要求7所述的测量气体吸附-扩散-置换的实验方法，其特征在于，还包括获取所述预存的样品舱自由体积V_自由的过程：

当确定所述参考舱气密性合格后，通过第一压力传感器获取未向样品舱注入氦气的初始压力P₀，通过第一温度传感器获取参考舱的初始温度T₀；

打开所述气动阀，使得参考舱内的高压氦气进入样品舱，待压力平衡后，通过第二压力传感器获取参考舱和样品舱注入氦气平衡压力P₁，通过第一温度传感器获取参考舱的注入氦气平衡温度T₁，通过第二温度传感器获取样品舱注入氦气平衡温度T₂；获取参考舱的体积V₀，参考舱和气体管路的体积之和V₁；根据样品舱注入氦气的初始压力P₀、参考舱的初始温度T₀、参考舱和样品舱注入氦气平衡压力P₁、参考舱的注入氦气平衡温度T₁、样品舱注入氦气平衡温度T₂、参考舱的体积V₀和参考舱和气体管路的体积之和V₁，计算得到样品舱自由体积V_自由；或者，

打开所述气动阀，使得参考舱内的高压氦气进入样品舱，待压力平衡后，通过激光发射器和激光接收器获取高压氦气的浓度C；

根据参考舱的体积V₀、参考舱和气体管路的体积之和V₁、样品舱注入氦气的初始压力P₀、参考舱的初始温度T₀和所述高压氦气的浓度C，计算得到样品舱自由体积V_自由。

10.如权利要求4所述的测量气体吸附-扩散-置换的实验方法，其特征在于，根据参考舱的初始温度T_n、参考舱的初始压力P_n、样品舱的实时温度T_i、样品舱的实时压力P_i、待测气体的实时浓度值C_i和预存的样品舱自由体积V_自由，计算得到待测气体被岩芯试样的实时吸附的吸附量V_i，具体公式为：

V_i＝{[(P_nV₀/Z_nRT_n)-(P_iV₀/Z_iRT_i)]-V_自由C_i}/V_m

式中，V_i为待测气体被岩芯试样的实时吸附的吸附量，ml；P_n为参考舱的初始压力，MPa；V₀为参考舱的体积，ml；Z_n为参考舱初始压力下待测气体的气体压缩系数；R为比例系数；T_n为参考舱的初始温度，K；P_i为i时刻样品舱的实时压力，MPa；Z_i为i时刻样品舱内待测气体的气体压缩系数；T_i为i时刻样品舱内待测气体的样品舱的实时温度，K；V_自由为预存的样品舱自由体积，ml；C_i为i时刻样品舱内待测气体的实时浓度值，mol/ml；V_m为待测气体的标准状况气体摩尔体积mol/ml。