CN109085094A - 气体分子运动测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种气体分子运动测试系统，包括：两个气源、气体增压装置、气体扩散装置、检测装置以及抽真空装置；气体扩散装置中的分子膜夹持器包括：夹持器本体及分子膜夹具；分子膜夹具用于夹持分子膜，分子膜夹具固定在夹持器本体的内部空间中，以将夹持器本体的内部空间分隔成两个扩散室，两个扩散室内分别充入压力相同的两种气体，任一扩散室内的气体通过分子膜向另一扩散室进行扩散，然后利用检测装置对从扩散室中采集的样气进行组分和浓度分析，以此测试页岩气通过微观孔隙的运动规律。本发明利用分子膜作为测试介质模拟不同尺度微观孔隙，有效缩短测试周期。
Description
技术领域
本发明涉及页岩气开发领域，尤其涉及一种用于测试高温高压下页岩气通过微观孔隙的运动规律的气体分子运动测试系统。
背景技术
页岩气是深埋地下储集在页岩纳米级孔隙中的天然气资源，我国储量丰富，其开发利用已确定为国家能源发展战略。页岩气具体是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源和化工原料，页岩气可采储量较大，开采前景广阔。伴随经济高速发展，国内天然气清洁能源短缺，满足不了日益增加的需求，如何经济高效的开发储量丰富的页岩气藏显得至关重要。
页岩气的产出分为4个阶段：解吸-基质到裂缝的扩散-人工裂缝渗流-井筒气体管流，其中，页岩气通过基质输运及扩散进入裂缝通道，页岩气输运及扩散能力的大小直接影响气井产量，因此掌握地层条件下页岩气分子在微观孔隙中的运动规律以及影响因素，是页岩气井产能预测、递减规律分析以及开发方案制定必不可少的重要技术，对指导页岩气井生产有重要的意义。
申请号为201420638719.3的专利申请公开了一种页岩气扩散能力测试仪，包括：岩心夹持器、气体容器、增压泵、压力计以及气体流量计，用于测试页岩在吸附平衡状态下向气体流量计(条件：室温、0.1MPa)的自由扩散，但是，该测试仪的测试周期长并且不能测试高温状态下页岩气分子的运动规律。
申请号为201510767852.8的发明专利申请公开了一种页岩气藏气体扩散系数实验测试方法，该方法通过监测恒温封闭体系中一定初始压力的甲烷气体向有效应力条件下的页岩柱塞岩样中的压力衰减数据，并以页岩储层的微观孔隙结构和气体赋存状态为基础，建立以为扩散数学模型。该实验测试方法主要测试具有一定压力的甲烷气向岩心中流动时整个腔室内的压力变化，但是，该测试方法因为采用页岩柱塞岩样进行测试，测试周期长。
综上所述，现有测试装置通常采用页岩样本作为测试样本，而页岩样本受取样环境以及测试手段的限制不能真实准确标定实际页岩样本孔隙尺寸，不能有效反映地层条件下页岩气通过不同尺度微观孔隙的运动规律，并且，测试周期较长。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种用于测试高温高压下页岩气通过微观孔隙的运动规律的气体分子运动测试系统，解决现有测试装置不能有效反映地层条件下页岩气通过不同尺度微观孔隙的运动规律并且测试周期较长的问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种气体分子运动测试系统，包括：两个气源、气体增压装置、气体扩散装置、检测装置以及抽真空装置；
气体扩散装置包括：分子膜夹持器和环压装置，分子膜夹持器包括：夹持器本体及分子膜夹具；分子膜夹具用于夹持分子膜，分子膜夹具固定在夹持器本体的内部空间中，将夹持器本体的内部空间分隔成两个扩散室；两个扩散室均连接检测装置及气体增压装置；环压装置连通夹持器本体；
两个气源分别连接气体增压装置；
抽真空装置用于为气体分子运动测试系统提供真空环境；
气体增压装置将两个气源中的气体增压后，分别传输至两个扩散室进行扩散试验，检测装置对从两个扩散室中采集的样气进行组分和浓度分析。
一实施例中，分子膜夹具包括：两片支撑滤网、内径及外径均相同的第一空心圆柱体以及第二空心圆柱体，第一空心圆柱体一端的外侧设有第一台阶部，第二空心圆柱体一端的内侧设有第二台阶部，中间夹持分子膜的两片支撑滤网置于第二台阶部上，第一台阶部与第二台阶部配合连接，将两片支撑滤网顶紧。
一实施例中，气体扩散装置还包括两个定量缸和两个取样室，两个定量缸分别设置于两个扩散室与气体增压装置之间的管道上；两个取样室分别设置于两个扩散室与检测装置之间的管道上。
一实施例中，气体扩散装置还包括：两个微调阀，两个微调阀分别连接两个定量缸，用于调节定量缸中的气体压力。
一实施例中，气体扩散装置还包括：两个压力传感器，两个压力传感器分别连接两个定量缸，用于测量定量缸中的气体压力。
一实施例中，气体分子运动测试系统还包括：温度控制装置，温度控制装置包括油浴室及设置在油浴室中的加热棒、升降台以及温度监测传感器；升降台用于放置气体扩散装置，通过升降台的升降，使气体扩散装置浸入油浴室内的高温导热油中，温度监测传感器用于监测油浴室的温度，加热棒用于加热高温导热油。
一实施例中，气体增压装置包括：增压泵及排空阀组；排空阀组的两端分别连接在增压泵的两端；增压泵用于分别对两个气源输出的气体分别进行增压后通过对应定量缸输送给对应扩散室。
一实施例中，气体增压装置还包括：两个气压微调阀，两个气压微调阀进气端均连接至所述增压泵的出气端，两个气压微调阀出气端分别连接至两个定量缸的进气端。
一实施例中，排空阀组包括：两个排气阀、一放空阀以及一真空抽气阀，两个排气阀的出气端相连接，两个排气阀的进气端分别连接增压泵两端的管路，放空阀和抽气阀的进气端均连接在两个排气阀的出气端之间的管路上，放空阀出气端连接一废气容器，真空抽气阀出气端连接抽真空装置。
一实施例中，气体分子运动测试系统还包括：计算机采集控制装置，通过线路连接两个微调阀、抽真空装置、两个压力传感器、温度监测传感器，用于采集数据，并根据采集的数据控制对应的设备。
一实施例中，气体分子运动测试系统还包括：空气压缩装置，连接气体增压装置、升降台以及气体扩散装置。
一实施例中，检测装置是气相色谱分析仪。
本发明提供的气体分子运动测试系统，将分子膜夹具固定在夹持器本体的内部空间中，以将夹持器本体的内部空间分隔成两个扩散室，两个扩散室内分别充入压力相同的两种气体，任一扩散室内的气体通过分子膜向另一扩散室进行扩散，然后利用检测装置对从扩散室中采集的样气进行组分和浓度分析，以此测试页岩气通过微观孔隙的运动规律。
本发明利用了分子膜作为测试介质模拟不同尺度微观孔隙，因为分子膜能有效标定孔隙空间大小，所以利用分子膜得到的测试结果更能直观反映地层条件下页岩气通过不同尺度微观孔隙的运动规律，并且，本发明有效利用了分子膜厚度较薄的特性，能有效模拟页岩气体从基质通过裂缝面的输运能力，且大大缩短了测试周期。
另外，本发明利用气体增压装置和温度控制装置精确模拟高温高压测试环境，实现不同温度、不同压力下页岩分子通过分子膜的运动规律的测试，有效模拟页岩气从基质通过裂缝面进入裂缝的运动过程。
而且，本发明利用计算机采集控制装置进行调节和同步控制，可以实现模拟高温高压条件下只存在浓度差的真实扩散，同时利用真空泵精确控制测试条件，可以防止残余气体引入测试误差，提高了测试精度，缩小了压力误差范围(0.001MPa)，自动化控制程度高，节约了人力，减少了人工操作误差，能够更真实的模拟地层条件下页岩气分子在微观孔隙中的运动规律，对指导页岩气开发有重要意义。
为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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为本发明气体分子运动测试系统的一实施例的结构示意图；
图2为本发明气体分子运动测试系统中的分子膜夹具的截面图；
图3A为图2中分子膜夹具中滤网支架的结构示意图；
图3B为图2中分子膜夹具中第一空心圆柱体和第二空心圆柱体对合之后的立体结构示意图；
图3C为图2中分子膜夹具中第一空心圆柱体和第二空心圆柱体的立体结构图；
图3D为将夹有分子膜的两片支撑滤网置于第二台阶部上的结构示意图；
图4为本发明气体分子运动测试系统中的分子膜夹具的立体结构图；
图5为本发明气体分子运动测试系统中气体增压装置的结构示意图；
图6为本发明气体分子运动测试系统另一实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、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。
页岩气是一种清洁、高效的能源资源和化工原料，在页岩气开采时，页岩气输运及扩散能力的大小直接影响气井产量，准确掌握地层条件下页岩气分子在微观孔隙中的运动规律以及影响因素，是页岩气井产能预测、递减规律分析以及开发方案制定必不可少的重要技术，然而现有测试装置通常采用页岩样本作为测试样本，而页岩样本受取样环境以及测试手段的限制不能真实准确标定实际页岩样本孔隙尺寸，不能有效反映地层条件下页岩气通过不同尺度微观孔隙的运动规律，并且，测试周期较长；为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种气体分子运动测试系统，通过设置分子膜夹具将分子膜固定在夹持器本体内部空间中，采用分子膜作为测试介质模拟不同尺度微观孔隙进行气体扩散测试，有效利用了分子膜能有效标定孔隙大小以及厚度较薄的特性，使得测试结果能直观反映页岩气通过微观孔隙的运动规律，并且有效缩短测试周期。以下结合具体实施例对本发明的气体分子运动测试系统进行说明。
图1为本发明一种气体分子运动测试系统的实施例的结构示意图。如图1所示，该气体分子运动测试系统包括：气源A、气源B以及气体增压装置14、气体扩散装置、检测装置29、抽真空装置28。
气体扩散装置包括：分子膜夹持器和环压装置23。其中，分子膜夹持器包括：夹持器本体21及分子膜夹具22；分子膜夹具22用于夹持分子膜，分子膜夹具22固定在夹持器本体21的内部空间中，将夹持器本体21的内部空间分隔成扩散室21A及扩散室21B；扩散室21A及扩散室21B均连接检测装置29及气体增压装置14。环压装置23连通夹持器本体21；
气源A、气源B分别连接气体增压装置14。
抽真空装置28用于为气体分子运动测试系统提供真空环境。
气体增压装置14将气源A、气源B中的气体增压后，分别传输至扩散室21A及扩散室21B进行扩散试验，检测装置29对从扩散室21A及扩散室21B中采集的样气进行组分和浓度分析。
其中，两个气源为测试系统提供两种不同的测试气体(例如二氧化碳、氮气、甲烷)等，用于模拟页岩气，两种测试气体被气体增压装置(压力可控60MPa)增压为两种高压气体后，通入气体扩散装置中进行扩散测试，模拟页岩气从基质通过裂缝面进入裂缝的运动过程，检测装置对经过扩散测试之后的样气进行组分和浓度分析，根据组分和浓度的分析结果得出测试气体的扩散规律，抽真空装置在测试前或测试途中或测试结束后，将相应测试管路或测试部件抽真空，可以为测试系统提供真空测试环境，可以有效防止残余气体影响测试精度。
具体实施时，该环压装置用于模拟页岩气藏的有效应力系统，对分子膜夹持器施加环压，使夹持器承受的环压高于测试压力，防止测试过程中测试气体从侧面外溢，若加完环压后分子膜夹持器存在泄压现象，则停止测试并检查分子膜夹持器是否存在破损或管路是否漏气，若不存在泄压现象则继续后续测试。
具体实施时，分子膜夹具用于夹持按预设尺寸选择好的分子膜，分子膜夹具固定在夹持器本体的内部空间中，以将夹持器本体的内部空间分隔成两个扩散室，两个扩散室可为大小相等的两个扩散室，或者两个扩散室按一定体积比例设置，测试时只需保证两个扩散室的气体压力相等即可。
进行气体分子运动测试时，将两个扩散室内分别充入两种压力相同的高压气体(例如二氧化碳、氮气、甲烷等)，任一扩散室内的气体透过分子膜向另一扩散室进行扩散，当扩散一定时间后，两个扩散室内均为两种高压气体的混合气体，但是每个扩散室内混合气体中两种高压气体的组分和浓度不同，此时利用检测装置对从扩散室中采集的样气进行组分和浓度分析，就可以得出两种高压气体透过分子膜的扩散通量，通过多次取样检测，就可以得出两种高压气体的运动规律。
本实施例利用了分子膜作为测试介质模拟不同尺度微观孔隙，因为分子膜能有效标定孔隙空间大小，所以利用分子膜得到的测试结果更能直观反映地层条件下页岩气通过不同尺度微观孔隙的运动规律，并且，因为分子膜厚度较薄，能有效模拟页岩气体从基质通过裂缝面的输运能力，且测试周期短。所以利用分子膜进行测试有效缩短了测试周期。
图2为本发明一种气体分子运动测试系统中的分子膜夹具的截面图。如图2所示，该分子膜夹具22包括：支撑滤网22C、支撑滤网22D以及内径及外径均相同的第一空心圆柱体22B和第二空心圆柱体22A，第一空心圆柱体22B一端的外侧设有第一台阶部22Bb，第二空心圆柱体22A一端的内侧设有第二台阶部22Aa，中间夹持分子膜22E的支撑滤网22C、支撑滤网22D置于第二台阶部22Aa上，第一台阶部22Bb与第二台阶部22Aa紧密配合连接，将支撑滤网22C、支撑滤网22D顶紧。
其中，两片支撑滤网均为圆形网状薄片，如图3A所示，该支撑滤网强度较高，可以有效将分子膜夹住，防止分子膜在测试过程中被高压气体冲击变形或损坏。两片支撑滤网夹住分子膜后，置于第二台阶部上，第二台阶部与第一圆柱体的第一台阶部配合连接，以将夹有分子膜的两片支撑滤网顶紧，通过上述组装过程，使得分子膜牢牢固定在分子膜夹具内部。
并且，内径及外径均相同的第一空心圆柱体以及第二空心圆柱体相互嵌合，形成空心圆柱整体，如图3B所示。两个空心圆柱体的外径与夹持器本体的内径相等，使得将分子膜夹具放入夹持器本体内部空间后，分子膜夹具的外壁与夹持器本体内壁紧密贴合，不存在缝隙，另外，在环压的作用下，二者相互顶紧。
第一空心圆柱体一端的外侧设有第一台阶部，相当于在第一空心圆柱体一端形成凸起，第二空心圆柱体一端的内侧设有第二台阶部，相当于第二空心圆柱体的一端形成用于放置支撑滤网的凹槽，如图3C所示。两片支撑滤网夹持分子膜后，置于第二台阶部上，如图3D所示。
综上，通过分子膜夹具对分子膜进行夹持固定，使得分子膜设于两个扩散室之间位置，并且在两扩散室内高压气体的作用下，防止分子膜破损和变形，有效实现了利用分子膜进行高压测试。
图4为本发明一种气体分子运动测试系统中的分子膜夹具的立体结构图，左侧为组装后的分子膜夹具的示意图，右侧为第一圆柱体与第二圆柱体分开之后的示意图。
图5为本发明一种气体分子运动测试系统中气体增压装置的结构示意图。如图5所示，该气体增压装置包括：增压开关37、增压泵38、排空阀组、气压微调阀35、气压微调阀36、气源阀门30、气源阀门31；增压开关37与增压泵38电连接，用于控制增压泵38的工作。
气压微调阀35的进气端、气压微调阀36的进气端均通过管路连接至所述增压泵的出气端，气压微调阀35的出气端、气压微调阀36的出气端分别连接至气体扩散装置的两个定量缸的进气端，
增压泵的进气端分别通过气源阀门30、气源阀门31连接至气源A、气源B，增压泵38用于对气源A增压，输出的高压气源A通过气体微调阀35输至气体扩散装置的两个定量缸的其中一个，并且，增压泵38用于对气源B增压，输出的高压气源B通过气压微调阀36输至气体扩散装置的两个定量缸的另一个。
排空阀组的两端分别连接在增压泵38的两端，该排空阀组包括：排气阀32、排气阀39、一放空阀33以及一真空抽气阀34，排气阀32、排气阀39的出气端通过管路相连接，进气端分别连接增压泵38进气端和出气端的管路，放空阀33和真空抽气阀34的进气端连接在排气阀32、排气阀39的出气端之间的管路上，放空阀33出气端连接一废气容器，真空抽气阀34出气端连接抽真空装置28。
测试前，首先进行抽真空，打开放空阀和两个排气阀，将增压泵两端管路中的残余气体排入废气容器中，然后关闭放空阀，打开真空抽气阀，通过抽真空装置将增压泵两端管路抽真空，以保证管路中没有残余气体，提高测试精度，然后关闭真空抽气阀以及两个排气阀。
测试时，首先打开其中一个气源阀门和对应的一个气压微调阀，通入一个气源中的气体，增压泵将气体增压后，通过对应的气压微调阀输出预设压力的一种高压气体，然后，关闭该气源阀门和对应的气压微调阀，并通过排空阀组和抽真空装置对增压泵两端的管路抽真空；之后，采用相同的步骤控制另一气源阀门和对应的另一气压微调阀，将另一气源中气体增压为另一高压提起后通过对应的气压微调阀输出。其中，气体增压装置根据测试方案设计压力，通过气压微调阀35、气压微调阀36精确调节气体压力直至测试方案设计压力，压力精度可达0.01MPa。
该气体增压装置中，两种气源的增压过程共用增压泵、增压开关以及部分管路，减少了增压泵和增压开关的数量，并节约了管路，有效降低了测试系统的成本。
图6为本发明一种气体分子运动测试系统另一实施例的结构示意图，如图6所示，该气体分子运动测试系统包括：气源A、气源B、气体增压装置14、气体扩散装置、检测装置29以及抽真空装置28。
气体扩散装置包括：分子膜夹持器和环压装置23。其中，分子膜夹持器包括：夹持器本体21及分子膜夹具22；分子膜夹具22用于夹持分子膜，分子膜夹具22固定在夹持器本体21的内部空间中，将夹持器本体21的内部空间分隔成扩散室21A及扩散室21B；扩散室21A及扩散室21B均连接检测装置29及气体增压装置14。环压装置23连通夹持器本体21。
气源A、气源B分别连接气体增压装置14。
抽真空装置28用于为气体分子运动测试系统提供真空环境。
环压装置23与夹持器本体21之间的管路上设有环压表42，用于测量环压大小。
气体增压装置14将气源A、气源B中的气体增压后，分别传输至扩散室21A及扩散室21B进行扩散试验，检测装置29对从两个扩散室中采集的样气进行组分和浓度分析。
其中，两个气源为测试系统提供两种不同的测试气体(例如二氧化碳、氮气、甲烷)等，用于模拟页岩气，两种测试气体被气体增压装置(压力可控60MPa)增压为两种高压气体后，通入气体扩散装置中进行扩散测试，模拟页岩气从基质通过裂缝面进入裂缝的运动过程，检测装置对经过扩散测试之后的样气进行组分和浓度分析，根据组分和浓度的分析结果得出测试气体的扩散规律，抽真空装置在测试前或测试途中或测试结束后，将相应测试管路或测试部件抽真空，可以为测试系统提供真空测试环境，可以有效防止残余气体影响测试精度。
具体实施时，该环压装置用于模拟页岩气藏的有效应力系统，对分子膜夹持器施加环压，使夹持器承受的环压高于测试压力，防止测试过程中测试气体从侧面外溢，若加完环压后分子膜夹持器存在泄压现象，则停止测试并检查分子膜夹持器是否存在破损或管路是否漏气，若不存在泄压现象则继续后续测试。
具体实施时，分子膜夹具用于夹持按预设尺寸选好的分子膜，分子膜夹具固定在夹持器本体的内部空间中，以将夹持器本体的内部空间分隔成两个扩散室，两个扩散室可为大小相等的两个扩散室，或者两个扩散室按一定体积比例设置。两个扩散室分别连接检测装置及气体增压装置。
进行气体分子运动测试时，将两个扩散室内分别充入两种压力相同的高压气体(例如二氧化碳、氮气、甲烷等)，任一扩散室内的气体透过分子膜向另一扩散室进行扩散，当扩散一定时间后，两个扩散室内均为两种高压气体的混合气体，但是每个扩散室内混合气体中两种高压气体的组分和浓度不同，此时利用检测装置对从扩散室中采集的样气进行组分和浓度分析，就可以得出两种高压气体透过分子膜的扩散通量，通过多次取样检测，就可以得出两种高压气体的运动规律。
可选地，该分子膜夹具包括：两片支撑滤网、内径及外径均相同的第一空心圆柱体以及第二空心圆柱体，第一空心圆柱体一端的外侧设有第一台阶部，第二空心圆柱体一端的内侧设有第二台阶部，中间夹持分子膜的两片支撑滤网置于第二台阶部上，第一台阶部与第二台阶部配合连接，将两片支撑滤网顶紧。
其中，两片支撑滤网均为圆形网状薄片，该支撑滤网强度较高，可以有效将分子膜夹住，防止分子膜在测试过程中被高压气体冲击变形或损坏。两片支撑滤网夹住分子膜后，置于第二台阶部上，第二台阶部与第一圆柱体的第一台阶部配合连接，以将夹有分子膜的两片支撑滤网顶紧，通过上述组装过程，使得分子膜牢牢固定在分子膜夹具内部。
并且，内径及外径均相同的第一空心圆柱体以及第二空心圆柱体相互嵌合，形成空心圆柱整体。两个空心圆柱体的外径与夹持器本体的内径相等，使得将分子膜夹具放入夹持器本体内部空间后，分子膜夹具的外壁与夹持器本体内壁紧密贴合，不存在缝隙，另外，在环压的作用下，二者相互顶紧。
第一空心圆柱体一端的外侧设有第一台阶部，相当于在第一空心圆柱体一端形成凸起，第二空心圆柱体一端的内侧设有第二台阶部，相当于第二空心圆柱体的一端形成用于放置支撑滤网的凹槽。两片支撑滤网夹持分子膜后，置于第二台阶部上。
综上，通过分子膜夹具对分子膜进行夹持固定，使得分子膜设于两个扩散室之间位置，并且在两扩散室内高压气体的作用下，防止分子膜破损和变形，有效实现了利用分子膜进行高压测试。
可选地，气体扩散装置还包括定量缸24、定量缸25，定量缸24设置于扩散室21A与气体增压装置14之间的管道上，定量缸25设置于扩散室21B与气体增压装置14之间的管道上。
具体地，定量缸24一端通过气动进气阀8连接气体增压装置14，一端通过进气阀门7连接扩散室，一端连接微调阀9。
定量缸25一端通过气动进气阀11连接气体增压装置14，一端通过进气阀门10连接扩散室，一端连接微调阀12。
其中，微调阀用于调整定量缸中的气体压力，可为气动放空阀，且微调阀9连接保险阀19，微调阀12连接保险阀20，用于防止微调阀故障或误动作时测试气体泄漏。压力传感器41连接定量缸24，用于测量定量缸24中的气体压力，压力传感器43连接定量缸25，用于测量定量缸25中的气体压力。
测试前，通过抽真空装置28将定量缸24、定量缸25及其相连管路抽真空。
测试时，先打开气动进气阀8或气动进气阀11其中之一，关闭进气阀门7、进气阀门10以及微调阀9、微调阀12，使一种高压气体通过气动进气阀8或气动进气阀11流入对应定量缸24或定量缸25中，然后，关闭气动进气阀8或气动进气阀11，通过对应的压力传感器41或压力传感器42采集定量缸24或定量缸25中气体的压力，根据采集的压力信息控制对应的微调阀9或微调阀12与对应保险阀19或保险阀20打开，调节定量缸24或定量缸25中的气体压力直至预设压力后，关闭对应的微调阀9或微调阀12与对应保险阀19或保险阀20。之后，打开气动进气阀8或气动进气阀11中的另一个，重复上述步骤，使得另一定量缸24或定量缸25充入另一种满足预设压力要求的高压气体，使定量缸24、定量缸25中的气体压力相等且达到测试压力，以模拟无压差高压条件下的气体扩散测试，精度可达0.001MPa。
其中，两个定量缸的体积可以相同，也可以按一定比例设置，但是需要保证两个定量缸中气体压力相同，若是后者，则两个定量缸的体积比例与对应的两个扩散室的体积比例相对应。
可选地，气体扩散装置还包括取样室26、取样室27，取样室26设置于扩散室21A与检测装置29之间的管道上，取样室27设置于扩散室21B与检测装置29之间的管道上。
取样室26与扩散室21A之间设有检测阀门3，取样室27与扩散室21B之间设有检测阀门6。
取样室26通过取样阀门1连接检测阀门3，取样室27通过取样阀门4连接检测阀门6。
在取样阀门1与检测阀门3之间的管路上设有取样抽空阀2，在取样阀门4与检测阀门6之间的管路上设有取样抽空阀5，取样抽空阀2的进气端连接取样阀门1与检测阀门3之间的管路，取样抽空阀5的进气端连接取样阀门4与检测阀门6之间的管路，取样抽空阀2和取样抽空阀5的出气端均连接抽真空装置28。
取样前，取样阀门1、取样阀门4以及抽真空阀门2、抽真空阀门5均处于关闭状态，检测阀门3、检测阀门6处于打开状态。
取样时，首先同时关闭检测阀门3、检测阀门6，然后同时打开取样阀门1、取样阀门4使得样气流至取样室26、取样室27内，然后关闭取样阀门1、取样阀门4，用取样器分别从取样室26和取样室27取出扩散后的气样，分别注入检测装置29中进行气体组分和浓度分析。气体分析完成后，打开取样阀门1、取样阀门4和抽真空阀门2、抽真空阀门5，控制抽真空装置28对取样室26、取样室27及相关管路进行抽真空，保证每次取到的样品为扩散室真实样气，不受上次取样气体的影响，保证每次取样结果的精度，重复上述步骤，进行多次取样分析，进而得到气体的运动规律。
其中，气体分子运动测试系统还包括第一微调阀17、第一微调阀15以及定量缸进气阀18、定量缸进气阀16，气体增压装置14的气压微调阀35通过第一微调阀17、定量缸进气阀18连接气动进气阀8，气体增压装置14的气压微调阀36通过第一微调阀15以及定量缸进气阀16连接气动进气阀11，第一微调阀17、第一微调阀15用于对气体增压装置14输出的高压气体的压力进行微调，定量缸进气阀门18、定量缸进气阀门16用于控制将高压气体输送至气体扩散装置。
可选地，气体分子运动测试系统还包括：温度控制装置(图中未示出)，温度控制装置(温度可控150℃)包括油浴室及设置在油浴室中的加热棒、升降台以及温度监测传感器；油浴室中注有高温导热油，升降台用于放置气体扩散装置，通过升降台的升降，使气体扩散装置浸入油浴室中的高温导热油内，其中，环压装置和环压表未浸入高温导热油内，温度监测传感器用于监测油浴室的温度，加热棒根据测试温度要求加热高温导热油，为测试系统提供一个恒温场。
测试时，使气体扩散装置置于油浴室中，使测试再高温恒温条件下进行，进而更精确的模拟地层条件。
另外，温度控制装置通过温度监测传感器实时监测油浴室的温度，并根据监测的温度控制加热棒，以此确保测试在设置温度下进行。
可选地，气体增压装置包括：增压开关、增压泵、排空阀组、两个气压微调阀；该气体增压装置为如图5所示的气体增压装置，具体结构和工作方式参见图5的描述，在此不再赘述。
可选地，气体分子运动测试系统还包括：计算机采集控制装置44，通过线路连接微调阀9、微调阀12、抽真空装置28、压力传感器41、压力传感器43、温度监测传感器、加热棒以及气动进气阀8、气动进气阀11、进气阀门7、进气阀门10、检测阀门3、检测阀门6、取样阀门1、取样阀门4、抽真空阀门2、抽真空阀门5。
其中，计算机采集控制装置接收温度监测传感器监测的温度数据，与预设温度进行比对，根据比对结果控制加热棒的功率，进而实现油浴室的温度控制，达到预定测试温度。
另外，计算机采集控制装置通过接收与定量缸对应的压力传感器采集的压力数据，与预设压力比较，基于比较结果控制与该定量缸对应的微调阀打开，进而调节定量缸中的气体压力，使得两定量缸中的气体压力相等且等于预设的测试气体压力。
本实施例利用计算机控制装置控制抽真空装置在预定的阶段对测试系统的对应管路和部件抽真空，使得测试系统的测试精度得到保证，另外，计算机控制装置还用于控制气动进气阀8、气动进气阀11、进气阀门7、进气阀门10、检测阀门3、检测阀门6、取样阀门1、取样阀门4、抽真空阀门2、抽真空阀门5中各相应的阀门同步开闭，对两种测试气体的进气、采样同步控制，使得测试误差小，测试精度高，自动化程度高。
也就是说，计算机可对气体扩散装置主体部分阀门以及真空泵进行控制，且能进行测试压力、测试温度设置。
可选地，气体分子运动测试系统还包括：空气压缩装置(图中未示出)，连接气体增压装置、升降台以及气体扩散装置，用于向气体增压装置中的增压泵提供启动压力，并向气体扩散装置中的气动进气阀门8、气动进气阀门11以及微调阀9、微调阀12提供气驱动力，另外，通过空气压缩装置输出的气驱动力驱动升降台的升降，不仅如此，该空气压缩装置还向测试系统中其他需要气驱动力的部件提供气驱动力。
可选地，检测装置可以是气相色谱分析仪，用于对取样室取得的样气进行组分和浓度分析，通过计算得到扩散通量。
其中，该气相色谱分析仪采用SPL进样口、内径0.53mm、固定相膜厚20um毛细柱、TCD检测器，能有效区分氮气和甲烷并能进行浓度定量计算，为后期扩散规律研究提供可靠数据。
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的方案，现结合图6，对具体的测试步骤进行描述：
将预设尺寸分子膜放置于分子膜夹具22中，然后将分子膜夹具22置于夹持器本体21内；打开各系统电源。
通过环压装置23对夹持器本体21中的分子膜夹具22施加环压，其中，环压高于测试压力，防止测试过程中，测试气体从侧面外逸，观察环压表，至预设环压，停止加环压；
加完环压后，仔细观察环压表几分钟，判断是否存在泄压现象，若是，立即停止实验并检查分子膜夹持器是否存在破损或管路是否漏气，若不存在泄压现象则继续后续测试。
通过排空阀组和抽真空装置28配合将气体增压装置17中的共用管路内残余气体放空，减少实验误差。
通过抽真空装置28将气体扩散装置中的取样室26、取样室27、扩散室21A、扩散室21B、定量缸24、定量缸25以及相应管路抽真空。
根据测试方案，对气源A中的气体a增压，打开气源阀门30和气压微调阀35(确保气源阀门31和气压微调阀36关闭)，开启增压开关37，利用增压泵38对气体a进行增压，直至预设压力，关闭增压开关37，使增压泵38停止工作，然后关闭气源阀门30和气压微调阀35，完成对气体a的增压，得到高压气体a。
利用排空阀组和抽真空装置配合将气体增压装置中的共用管路内残余的气体a抽空。
根据测试方案，对气源B中的气体b增压，打开气源阀门31和气压微调阀36(确保气源阀门30和气压微调阀35关闭)，开启增压开关37，利用增压泵38对气体b进行增压，直至预设压力，关闭增压开关37，使增压泵38停止工作，然后关闭气源阀门31和气压微调阀36，完成对气体b的增压，得到高压气体b。
分别调节第一微调阀17和第一微调阀15，使得高压气体a和高压气体b的输出压力为预设压力；
高压气体a通过进气阀门18和气动进气阀8进入定量缸24。
高压气源b通过进气阀门16和气动进气阀11进入到定量缸25。
通过控制升降台，将定量缸24、定量缸25、分子膜夹持器以及相应管路浸入油浴室的高温导热油中，根据预设温度控制加热棒加热导热油直至预设温度(温度范围：室温～150℃)。
观察温度及压力变化，由于温度变化会引起气体压力变化，加温过程中实时监测油浴室的温度以及定量缸25、定量缸24中的气体压力，当油浴室的温度达到预设温度且定量缸25、定量缸24内气体压力达到稳定不再变化后，对定量缸25、定量缸24内气体压力进行微调。
计算机采集控制装置44基于预设压力以及压力传感器41、压力传感器43采集的压力数据，控制微调阀9、微调阀12以及保险阀19、保险阀20，使两个定量缸中的气体压力相等；
开始扩散测试，扩散现象是物质分子从高浓度区向低浓度区域的转移，在物质传质过程中，主要是浓度差的作用，为了进一步减少压差对扩散的影响，在扩散测试中必须保证两个扩散室内的气体压力相等，因此通过计算机采集控制装置44同时开启进气阀门7、进气阀门10以及检测阀门3、检测阀门6，达到两个扩散室的瞬时压力平衡，此时扩散测试开始，气体a慢慢向气体b的扩散室扩散，气体b慢慢向气体a的扩散室扩散。
根据预设测试方案，间隔取样：实验进行一段时间后，计算机采集控制装置44同时关闭检测阀门3、检测阀门6，然后同时打开取样阀门1、取样阀门4，使两扩散室内扩散后的气体分别进入取样室26、取样室27；
用取样器分别从取样室26和取样室27取出扩散后的气样，分别注入检测装置29中进行气体组分和浓度分析。
每次取样结束后，需要对取样室26、取样室27进行抽真空操作，减少前次实验残留气体对后次实验结果影响。通过计算机采集控制装置44，同时开启抽真空阀门2、抽真空阀门5并开启抽真空装置28对取样室26、取样室27进行抽空。抽空时间1-2分钟，之后通过计算机采集控制装置44关闭抽真空阀门2、抽真空阀门5以及取样阀门1、取样阀门4，之后同时打开检测阀门3、检测阀门6。
根据预设测试方案中的取样间隔要求，进行下次取样，重复取样分析步骤，直至扩散达到平衡，关闭检测阀门3、检测阀门6以及进气阀门7、进气阀门10，扩散实验结束。
实验结束后，将测试设备与油浴室分离，然后通过计算机采集控制44打开检测阀门3、检测阀门6、进气阀门7、进气阀门10、微调阀9、微调阀12、保险阀19、保险阀20，放空气体扩散装置内的气体，放空后关闭上述阀门。
卸掉扩散室环压，将分子膜夹具22从夹持器本体21内取出，观察分子膜是否破损，若分子膜破损则测试数据不可用。
本发明提供的气体分子运动测试系统，将分子膜夹具固定在夹持器本体的内部空间中，以将夹持器本体的内部空间分隔成两个扩散室，两个扩散室内分别充入压力相同的两种气体，任一扩散室内的气体通过分子膜向另一扩散室进行扩散，然后利用检测装置对从扩散室中采集的样气进行组分和浓度分析，以此测试页岩气通过微观孔隙的运动规律。
本发明利用了分子膜作为测试介质模拟不同尺度微观孔隙，因为分子膜能有效标定孔隙空间大小，所以利用分子膜得到的测试结果更能直观反映地层条件下页岩气通过不同尺度微观孔隙的运动规律，并且，因为分子膜厚度较薄，能有效模拟页岩气体从基质通过裂缝面的输运能力，且测试周期短。所以利用分子膜进行测试有效缩短了测试周期。
另外，本发明利用气体增压装置和温度控制装置精确模拟高温高压测试环境，实现不同温度、不同压力、不同孔隙尺度下页岩气体通过分子膜的微观分子运动能力及规律测试，有效模拟页岩气从基质通过裂缝面进入裂缝的运动过程。
而且，本发明利用计算机采集控制装置进行调节和同步控制，可以实现模拟高温高压条件下只存在浓度差的真实扩散，同时利用真空泵精确控制测试条件，可以防止残余气体引入测试误差，提高了测试精度，缩小了压力误差范围(0.001MPa)，自动化控制程度高，节约了人力，减少了人工操作误差，能够更真实的模拟地层条件下页岩气分子在微观孔隙中的运动规律，对指导页岩气开发有重要意义。
本发明不仅适合于测试页岩气的运动规律，也适用于其它需要测试气体扩散规律的场合，并且，也可应用于测试岩心样品特性，只需将分子膜变换成岩心薄片即可进行测试，能够精确控制测试条件，测试精度高。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (12)
1.一种气体分子运动测试系统，其特征在于，包括：两个气源、气体增压装置、气体扩散装置、检测装置以及抽真空装置；
所述气体扩散装置包括：分子膜夹持器和环压装置，所述分子膜夹持器包括：夹持器本体及分子膜夹具；所述分子膜夹具用于夹持分子膜，所述分子膜夹具固定在所述夹持器本体的内部空间中，将所述夹持器本体的内部空间分隔成两个扩散室；两个所述扩散室均连接所述检测装置及所述气体增压装置；所述环压装置连通所述夹持器本体；
两个所述气源分别连接所述气体增压装置；
所述抽真空装置用于为所述气体分子运动测试系统提供真空环境；
所述气体增压装置将两个所述气源中的气体增压后，分别传输至两个所述扩散室进行扩散试验，检测装置对从两个所述扩散室中采集的样气进行组分和浓度分析。
2.根据权利要求1所述气体分子运动测试系统，其特征在于，所述分子膜夹具包括：两片支撑滤网、内径及外径均相同的第一空心圆柱体以及第二空心圆柱体，第一空心圆柱体一端的外侧设有第一台阶部，第二空心圆柱体一端的内侧设有第二台阶部，中间夹持所述分子膜的两片支撑滤网置于所述第二台阶部上，所述第一台阶部与第二台阶部配合连接，将两片支撑滤网顶紧。
3.根据权利要求2所述气体分子运动测试系统，其特征在于，所述气体扩散装置还包括两个定量缸和两个取样室，两个所述定量缸分别设置于两个所述扩散室与所述气体增压装置之间的管道上；两个所述取样室分别设置于两个所述扩散室与所述检测装置之间的管道上。
4.根据权利要求3所述气体分子运动测试系统，其特征在于，所述气体扩散装置还包括：两个微调阀，两个所述微调阀分别连接两个所述定量缸，用于调节所述定量缸中的气体压力。
5.根据权利要求4所述气体分子运动测试系统，其特征在于，所述气体扩散装置还包括：两个压力传感器，两个所述压力传感器分别连接两个所述定量缸，用于测量所述定量缸中的气体压力。
6.根据权利要求5所述气体分子运动测试系统，其特征在于，还包括：温度控制装置，所述温度控制装置包括油浴室及设置在所述油浴室中的加热棒、升降台以及温度监测传感器；所述升降台用于放置所述气体扩散装置，通过升降台的升降，使所述气体扩散装置浸入所述油浴室内的高温导热油中，所述温度监测传感器用于监测所述油浴室的温度，所述加热棒用于加热所述高温导热油。
7.根据权利要求6所述气体分子运动测试系统，其特征在于，所述气体增压装置包括：增压泵及排空阀组；所述排空阀组的两端分别连接在所述增压泵的两端；所述增压泵用于分别对两个气源输出的气体分别进行增压后通过对应定量缸输送给对应扩散室。
8.根据权利要求7所述气体分子运动测试系统，其特征在于，所述气体增压装置还包括：两个气压微调阀，两个所述气压微调阀进气端均连接至所述增压泵的出气端，两个气压微调阀出气端分别连接至两个定量缸的进气端。
9.根据权利要求8所述气体分子运动测试系统，其特征在于，所述排空阀组包括：两个排气阀、一放空阀以及一真空抽气阀，两个所述排气阀的出气端相连接，两个所述排气阀的进气端分别连接增压泵两端的管路，所述放空阀和所述真空抽气阀的进气端均连接在两个所述排气阀的出气端之间的管路上，所述放空阀出气端连接一废气容器，所述真空抽气阀出气端连接抽真空装置。
10.根据权利要求9所述气体分子运动测试系统，其特征在于，还包括：计算机采集控制装置，通过线路连接两个所述微调阀、所述抽真空装置、两个所述压力传感器、所述温度监测传感器，用于接收传感器采集的数据，并根据接收的数据控制对应的设备。
11.根据权利要求10所述气体分子运动测试系统，其特征在于，还包括：空气压缩装置，连接所述气体增压装置、所述升降台以及所述气体扩散装置。
12.根据权利要求11所述气体分子运动测试系统，其特征在于，所述检测装置是气相色谱分析仪。
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