CN109946127A - 页岩真空破碎机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种页岩真空破碎机,包括样品室、电机、隔膜泵一、金属管和隔膜泵二;样品室为可开合的密闭腔室,用于放置页岩样品,并设有用于测量其内部压力的压力表一;电机设置在样品室下方,且电机转轴以气密连接的方式伸入到样品室,并在其顶端设置用于破碎页岩样品的刀片;样品室的出气口通过隔膜泵一与金属管的进气口相连,金属管上设有可供气体进样针穿透的橡胶隔垫以及用于测量其内部压力的压力表二;隔膜泵二分别与样品室的出气口和金属管的进气口相连。本发明的页岩真空破碎机材料成本低,体积小,破碎速度快,对样品的颗粒大小没有明显限制,且可在破碎过程中进行取气操作。
Description
技术领域
本发明涉及页岩气领域,具体涉及一种页岩真空破碎机。
背景技术
与传统油气赋存状态不同,页岩油气通常是赋存在页岩的细小孔隙里面,这使得油气从页岩孔隙里面释放出来的速度非常慢,而且释放出来的油气通常有轻烃丢失现象(这在页岩钻探过程中几乎无法避免),导致从页岩孔隙里面释放出来的油气与残留在页岩里面的油气在成分和同位素组成上可能存在极大的差异,这对研究页岩孔隙内部油气的成分和同位素等指标造成了极大的挑战。
目前,钻井平台现场测试页岩油气同位素方法是将取上来的页岩放置在一个装有消毒水的塑料瓶里倒置6小时后进行测试。这对根据页岩油气同位素来判断下一步钻探方向的钻井平台现场来说成本非常高。而且,在油气扩散过程中,外层的页岩表面吸附的气体同位素比值通常明显高于内层页岩吸附的气体同位素比值,如果6个小时不能实现内部页岩将所吸附的气体完全扩散到塑料瓶中,那么测得的油气同位素数据不能完全代表页岩内部吸附的油气的真实的同位素值。
而在研究页岩气吸附机理的实验中,一般采用真空球磨机将页岩样品破碎,然后对页岩破碎释放出来的气体进行研究,首先,真空球磨机需要先将页岩破碎成5mm粒径以下,每次研磨时间通常30分钟以上,时效低,其次,研磨过程中由于研磨罐在运动,无法在线检测页岩解吸出来的气体。
发明内容
针对钻探现场和研究领域的快速破碎和页岩样品较大块的要求,本发明提供一种页岩真空破碎机,采用旋转刀片撞击式方案,能够在很短的时间内将大块页岩样品破碎到需要的颗粒大小,并且接有排气和气体压缩装置,可以及时将页岩破碎释放出来的气体转移富集,同时还分别在样品破碎区和气体富集区接有两个压力表,可以据此实时计算出页岩破碎时释放出来的气体量。
为实现以上目的,本发明采取的技术方案是:
一种页岩真空破碎机,包括样品室、电机、隔膜泵一、金属管和隔膜泵二;样品室为可开合的密闭腔室,用于放置页岩样品,并设有用于测量其内部压力的压力表一;电机设置在样品室下方,且电机转轴以气密连接的方式伸入到样品室,并在其顶端设置用于破碎页岩样品的刀片;样品室的出气口通过隔膜泵一与金属管的进气口相连,金属管上设有可供气体进样针穿透的橡胶隔垫以及用于测量其内部压力的压力表二;隔膜泵二分别与样品室的出气口和金属管的进气口相连。
作为本发明的一种改进,所述的样品室下方设有用于安装电机的电机仓,样品室的顶面设有盖子,电机仓的底面设有底盖;盖子、样品室、电机仓和底盖分别通过爪卡实现可拆卸性气密连接。
进一步地,所述的电机仓外还设置有用于控制电机停开机、转速及正反转的电机控制器,电机的电源线通过底盖上的气密性电穿导件连接到外面的电机控制器。
进一步的,所述的盖子、样品室、电机仓和底盖均采用铝材制成,电机与电机仓内壁直接接触。
作为本发明的一种改进,所述的样品室的出气口设有脱脂棉或者石英棉,避免岩石破碎的小颗粒进入管道。
本发明在抽真空的样品室内将页岩样品破碎,然后用隔膜泵将页岩样品经过破碎释放出来的气体收集并富集在带橡胶隔垫的金属管内,样品室和金属管都连接有压力表,根据压力表显示的压力值在破碎和富集前后的变化、以及样品室和金属管的体积,可以计算出页岩样品破碎释放的气体量和金属管中富集的气体量,而且富集的气体可以通过注射器针筒从橡胶隔垫处抽取出来进行下一步实验分析。
本发明与现有技术相比,具有如下优点:
本发明的页岩真空破碎机材料成本低,体积小,破碎速度快,对样品的颗粒大小没有明显限制,而市面上销售的真空球磨机对样品的颗粒则有明确的限制(小于5mm粒径),并且不能在破碎过程中进行取气操作。
附图说明
图1为本发明的页岩真空破碎机的结构示意图;
附图标识说明:1-电机控制器;2-底盖;3-电机仓;4-电机;5-刀片;6-样品室;7-盖子;8-压力表一;9-直通阀;10-隔膜泵一;11-三通阀一;12-金属管;13-橡胶隔垫;14-压力表二;15-三通阀二;16-隔膜泵二;17-页岩样品。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示,本实施例的一种页岩真空破碎机,主要包括电机控制器1;2-底盖;3-电机仓;4-电机;5-刀片;6-样品室;7-盖子;8-压力表一、直通阀9、隔膜泵一10;三通阀一11、金属管12、橡胶隔垫13、压力表二14、三通阀二15、隔膜泵二16、以及配套的管线和控制系统。
底盖2、电机仓3、样品室6和盖子7从下至上依次连接,构成破碎机的壳体,且全部采用铝材制成,整体呈圆柱形,具有材料成本低、体积小的优点。具体的:电机仓3为上下两端开口的圆柱管,样品室6为上端开口、下端封闭的圆柱管,盖子7为上端封闭、下端开口的圆柱管,其高度远小于样品室6的高度,盖子7与样品室6连接端面宽度15mm,盖子7的端面中间开槽,槽宽5mm,放入5mm直径的橡胶圈作为密封。盖子7与样品室6通过卡爪或真空卡钳固定,可快拆,样品室6与电机仓3,电机仓3与底盖2之间的断面和固定密封皆采用相同的设计,实现可拆卸性气密连接。
电机4采用2.25HP大功率正反转电机,位于电机仓3内,电机转轴穿过样品室6底面伸入至样品室6中,转轴与样品室6底面结合处可通过O-ring等密封件实现动密封,防止页岩破碎之后释放出来的气体进入电机仓3,转轴顶部装有刀片5,通过高速旋转将样品室6内的页岩样品17撞碎,刀片5可选用常见的用于破碎岩石的锰钢刀片即可。另外,电机4与电机仓3内壁直接接触,从而可以将电机运转时产生的热量直接传递到外部,避免真空隔热作用引起的内部温度升高,影响页岩破碎之后释放出来的气体受到电机发热引起的内部温度升高从而导致的气体含量检测不准的情况。实验证实,在30-60秒(每次破碎的时间)的测试过程中铝制外壳的温度几乎没有任何变化。当然,不设置电机仓3,通过支架对样品室6进行定位,让电机4外露也可。
底盖2中间设有Omega Engineering产的气密性电穿导件(feedthrough),其带有NPT锥管螺纹,可以固定在底盖2上并保证电机仓3内部具有非常好的气密性。电机4的电源线通过该气密性电穿导件与外部的电机控制器1相连。电机控制器1可以将电机4在从0-4500转/分钟调速,当在破碎过程中出现岩石卡住刀片5的情况下,可以控制电机4反转,从而将刀片5脱离将其卡住的岩块,避免页岩破碎过程中打开样品室6,确保了破碎过程的连续性。
样品室6上面的盖子7中间连接有不锈钢三通,盖子7与不锈钢三通接口处塞有脱脂棉或者石英棉,避免岩石破碎的小颗粒进入不锈钢三通。不锈钢三通的其中一个接口连有压力范围为-101~200kpa的压力表一8,可以监测样品室6内部压力变化。不锈钢三通的另一个接口通过管道分别与直通阀9和三通阀二15的一端相连。直通阀9的另一端依次经隔膜泵一10、三通阀一11后与金属管12一端相连,金属管12的另一端设有可供气体进样针穿透的橡胶隔垫13,金属管12侧壁上还设有压力表二14,可以监测其内的气压。三通阀二15的另外两个端口一个作为泄压端一个与隔膜泵二16相连,隔膜泵二16同时还通过管道与三通阀一11剩下的一个端口相连。
直通阀9、隔膜泵一10、三通阀一11、金属管12、橡胶隔垫13和压力表二14构成气体收集和富集部分;三通阀二15、隔膜泵二16和三通阀一11构成废气排出部分。用于气体收集和富集的隔膜泵一10、以及用于废气排出的隔膜泵二16均为美国Parker公司生产的迷你无油隔膜泵串联组合组成。隔膜泵一10和隔膜泵二16分别包含3个迷你无油隔膜泵,可以将气体压缩到1.5bar,也可以将样品室6抽到-975mbar的真空。金属管12作为气体富集区,通过压力表二14可以监测富集的气压,从而根据已知的内部体积计算得出收集的气体量,气体进样针可以透过金属管12的橡胶隔垫13将富集的气体抽出来而不破坏金属管12内部的气密性。废气排出部分负责将样品室6和金属管12的废气或者空气排出,同时也负责岩石破碎结束消除样品室6的负压环境以便可以将样品室6的盖子7打开。三通阀二15负责隔膜泵二16与样品室6的通断,当隔膜泵二16与样品室6连通,隔膜泵二16可以将样品室6的废气排出,当样品破碎结束需要将样品室6的盖子7打开时,由于此时样品室6内为负压,将三通阀二15旋转将样品室6连通到卸压端,此时外界空气进入样品室6,待样品室6内部压力与外界一致,就可打开样品室6的盖子。当关闭三通阀二15,同时旋转三通阀一11将隔膜泵二16与金属管12连通,则可以利用隔膜泵二16将金属管12内的废气排出并将其抽成真空。
使用时,打开盖子7,将页岩样品17放入样品室6,将盖子7盖到样品室6上,盖子7和样品室6由卡爪固定结合在一起。打开连接隔膜泵二16的三通阀二15,将样品室6抽真空,压力表一8可以显示室内压力,待达到预设的压力关闭三通阀二15。接着按照实验要求调节电机4转速和破碎时间。同时,旋转三通阀一11将金属管12与隔膜泵二16连通,利用隔膜泵二16将金属管12内的残余气体排出。到达设定的破碎时间,打开直通阀9和隔膜泵一10,将三通阀一1旋转连通隔膜泵一10和金属管12,将样品室6里页岩释放出来的气体转移到金属管12。根据压力表一8和压力表二14,结合样品室6和金属管12的体积可以计算出页岩在这个时间段释放出来出来的气体量和转移到金属管12的气体量,富集的气体可以通过注射器针筒从橡胶隔垫13处抽取出来进行下一步实验分析。
本发明的页岩真空破碎机,采用全铝的壳体,同时与电机紧密贴合,便于将电机运转过程中产生的热量迅速散出去;无油隔膜泵的使用,既可以作为真空泵将样品室的废气和空气排出,又可以将岩石释放到样品室的气体压缩富集;调速电机和正反转的设计,可以根据样品的性质改变电机的速度,满足样品不同破碎粒度的要求,同时电机反转的功能也使得刀片在被大的岩石颗粒卡住之后自动松开,避免了人工打开样品室的麻烦;盖子、样品室、电机仓及底盖均可分离,相互之间通过爪卡固定,便于拆卸更换与清洗。
需要说明的是,本发明的页岩真空破碎机,除了用于页岩所含气体的研究,也可以根据需求改变刀片和样品室的形状作为岩石、塑料,药材等其它方面的真空破碎,或者作为常规的刀片式破碎机。气体管道采用的是不易变形的聚四氟乙烯管和不锈钢管,也可以采用铜管之类的管线代替。样品室盖子上的三通也可以换成四通分别接压力表一,另外两个接口分别连接气体收集和富集部分、和废气排出部分。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点,其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种页岩真空破碎机,其特征在于:包括样品室、电机、隔膜泵一、金属管和隔膜泵二;样品室为可开合的密闭腔室,用于放置页岩样品,并设有用于测量其内部压力的压力表一;电机设置在样品室下方,且电机转轴以气密连接的方式伸入到样品室,并在其顶端设置用于破碎页岩样品的刀片;样品室的出气口通过隔膜泵一与金属管的进气口相连,金属管上设有可供气体进样针穿透的橡胶隔垫以及用于测量其内部压力的压力表二;隔膜泵二分别与样品室的出气口和金属管的进气口相连。
2.根据权利要求1所述的一种页岩真空破碎机,其特征在于:所述的样品室下方设有用于安装电机的电机仓,样品室的顶面设有盖子,电机仓的底面设有底盖;盖子、样品室、电机仓和底盖分别通过爪卡实现可拆卸性气密连接。
3.根据权利要求2所述的一种页岩真空破碎机,其特征在于:所述的电机仓外还设置有用于控制电机停开机、转速及正反转的电机控制器,电机的电源线通过底盖上的气密性电穿导件连接到外面的电机控制器。
4.根据权利要求2所述的一种页岩真空破碎机,其特征在于:所述的盖子、样品室、电机仓和底盖均采用铝材制成,电机与电机仓内壁直接接触。
5.根据权利要求1所述的一种页岩真空破碎机,其特征在于:所述的样品室的出气口设有脱脂棉或者石英棉,避免岩石破碎的小颗粒进入管道。
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