CN110031603B - 页岩解吸气实时监控装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种页岩解吸气实时监控装置，包括控制系统、解吸箱以及放置在解吸箱内的多个解吸装置，所述解吸箱上安装有多个甲烷富集箱，甲烷富集箱与解吸装置之间连接有集气管，控制系统包括控制处理器以及分别与控制处理器连接的信息采集模块和通讯模块，所述信息采集模块与控制处理器之间连接有信号转换器，且信息采集模块包括用于检测甲烷富集箱内部气体的甲烷浓度检测传感器、氧气浓度检测传感器、温度传感器和压力传感器，所述解吸箱上设置有与控制处理器电连接的控制显示面板，所述通讯模块连接有接收终端。本发明可对页岩岩芯进行及时解吸与检测，对甲烷气体及氧气的浓度、含量、温度和压力进行实时监测。

Description

页岩解吸气实时监控装置

技术领域

本发明涉及页岩分析检测技术领域，具体涉及一种页岩解吸气实时监控装置。

背景技术

页岩气是指赋存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气，它能以游离态存在于天然裂缝和孔隙中，以吸附态存在于干酪根、黏土颗粒表面。为了解页岩孔隙中气体的含量，需要对钻井岩芯样品的解吸气含量进行测定，从而决定是否可对该地区进行开采。现有解吸装置中，大多为对页岩气进行压裂收集的装置，将页岩气收集后再经过转移进行分析，缺乏一种现场解吸并马上进行检测的一体化装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种页岩解吸气实时监控装置，该装置可对页岩岩芯进行及时解吸与检测，对甲烷气体及氧气的浓度、含量、温度和压力进行实时监测。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：页岩解吸气实时监控装置，包括控制系统、解吸箱以及放置在解吸箱内的多个解吸装置，所述解吸箱上安装有多个甲烷富集箱，甲烷富集箱与解吸装置之间连接有集气管，控制系统包括控制处理器以及分别与控制处理器连接的信息采集模块和通讯模块，所述信息采集模块与控制处理器之间连接有信号转换器，且信息采集模块包括用于检测甲烷富集箱内部气体的甲烷浓度检测传感器、氧气浓度检测传感器、温度传感器和压力传感器，所述解吸箱上设置有与控制处理器电连接的控制显示面板，所述甲烷富集箱上设置有排气口，排气口处安装有与控制处理器电连接的电磁控制阀，所述通讯模块连接有接收终端。

进一步地，所述解吸箱包括下箱体以及一体成型在下箱体顶部一侧并带有内腔的竖直箱板，所述多个解吸装置放置在下箱体内，所述控制系统集成设置在竖直箱板的内腔中，所述控制显示面板设置在竖直箱板的前表壁上，所述下箱体顶部设置有活动的密封盖板，所述多个甲烷富集箱安装在密封盖板上。

进一步地，所述下箱体的前侧板为玻璃板。

进一步地，所述解吸装置包括密封外筒以及套装在密封外筒内的压裂内筒，所述密封外筒包括密封筒体以及固定在密封筒体底部并带有内腔的下连接座，下连接座的内腔中设置有用于密封筒体内加热的加热器，所述压裂内筒包括压裂筒体以及固定在压裂筒体顶部的上连接座，上连接座上设置有与压裂筒体内腔连通的出气管，出气管与集气管连接，所述压裂筒体包括上筒体、下筒体以及竖直固定在上筒体下表面的多个侧压裂板，所述下筒体两端开口，且下筒体下端口中心处设置有支承板，支承板的侧壁通过多根支梁与下筒体的内壁固定连接，相邻支梁之间形成过孔，单个侧压裂板伸入至下筒体内并穿过对应的过孔，侧压裂板的内侧开有燕尾型滑槽，燕尾型滑槽内填充有可上下滑动的热膨胀条，所述支承板的侧壁上一体成型有多个与热膨胀条数量相等的托板，单个托板伸入对应的燕尾型滑槽内并用于托起热膨胀条，所述支承板的上表面设置有下盛放器，所述上筒体的内腔中设置有上盛放器，上盛放器和下盛放器中均填充有高热膨胀系数的耐火材料，所述上筒体与下筒体之间设置有调高机构,调高机构包括两根微调螺杆，所述上筒体和下筒体两侧的侧壁上均一体成型有凸耳，两根微调螺杆分别穿过上筒体两侧的凸耳，且每根微调螺杆穿过对应侧下筒体上的凸耳并配合有支撑螺母。

进一步地，所述热膨胀条的内侧一体成型有多个挤压锥体，多个挤压锥体竖直均匀地排列在热膨胀条的内侧壁上，相邻热膨胀条上对应的挤压锥体上下错位排列。

进一步地，所述密封筒体的内腔顶部设置有密封气环卡箍槽。

进一步地，所述下连接座两侧与上连接座两侧之间设置有连接螺杆，连接螺杆一端固定在下连接座上，另一端穿过上连接座并配合有调节螺母。

进一步地，还包括用于密封解吸箱和甲烷富集箱的保护外壳。

进一步地，所述保护外壳包括外封壳体、活动顶板以及用于驱动活动顶板开闭的动力机构，所述外封壳体一侧开有与解吸箱适配的安装口，外封壳体通过安装口与解吸箱靠接并密封下箱体，所述外封壳体顶部开有燕尾型开口，活动顶板适配在燕尾型开口内，所述动力机构有两组，两组动力机构分别设置在活动顶板底部的两侧，动力机构包括顶升气缸和L型滑轨，L型滑轨固定在外封壳体的内壁上且其横轨位于其竖轨上方，所述顶升气缸的活塞杆端部固定有用于在L型滑轨竖轨内滑动的滑块，所述L型滑轨的横轨内设置有滑轮，所述活动顶板下表面的侧壁上固定有两个支脚，其中一个支脚通过转销与滑块铰接，另一个支脚通过轮轴与滑轮铰接。

进一步地，所述外封壳体包括内壳体与外壳体，内壳体与外壳体之间具有间隙，内壳体与外壳体之间的间隙内填充有阻燃材料。

本发明具有的有益效果是：

1、通过将甲烷富集箱与解吸装置直接连接，并采用控制系统对甲烷富集箱内的气体进行参数测定、处理及反馈，不仅可实现页岩气的及时解吸与检测，而且数据可反馈于接收终端上，便于操作人员读取和接收，达到实时监控的目的；

2、通过将解吸装置采用内外筒相互套装的形式，不仅便于拆装，而且结构简单、成本低下；

3、通过采用高温使热膨胀条等耐火材料膨胀并对页岩岩芯进行多位面的柔性挤压，一方面接触均匀，挤压点均匀全面，可保证岩芯破裂的均匀度，从而充分获得页岩气，另一方面还可模拟地下高温的实验环境，从而使解吸出的页岩气更加准确化、标准化；

4、通过设置保护外壳，可提高本装置的安全性，防止在进行解吸实验时页岩气因意外而大量泄露，一旦页岩气泄露过多，遇高温容易点燃，存在一定安全风险；

5、通过在外封壳体内置动力机构，可通过外接开关驱动动力机构将活动顶板打开，避免人为直接接触而产生安全风险。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中解吸装置的结构示意图；

图3为本发明中压裂内筒的结构示意图；

图4为本发明中下筒体的内部结构示意图；

图5为本发明中密封外筒的结构示意图；

图6为本发明总控制系统的连接示意图；

图7为本发明中保护外壳的结构示意图；

图8为本发明中保护外壳的内部结构示意图。

图中标记：1-下箱体；2-竖直箱板；3-甲烷富集箱；4-解吸装置；5-密封盖板；6-集气管；7-电磁控制阀；8-信息采集模块；9-控制显示面板；10-保护外壳；41-密封外筒；42-连接螺杆；43-出气管；44-压裂内筒；45-热膨胀条；46-支承板；47-支梁；48-托板；49-下盛放器；101-外封壳体；102-安装口；103-顶升气缸；104-活动顶板；105-L型滑轨；106-支脚；107-滑轮；108-滑块；109-阻燃材料；411-密封筒体；412-密封气环卡箍槽；413-下连接座；441-上连接座；442-上筒体；443-下筒体；444-微调螺杆；445-通孔；446-侧压裂板；447-燕尾型滑槽；448-耐火材料；451-挤压锥体。

具体实施方式

如图1～图8所示，本实施例提供的页岩解吸气实时监控装置包括控制系统、解吸箱以及放置在解吸箱内的多个解吸装置4，本实施例中，所述解吸箱的结构采用类似于开关柜的结构形式，不仅外形美观容易让人接受，而且集成度高，占地面积小。具体地，所述解吸箱包括下箱体1以及一体成型在下箱体1顶部背侧并带有内腔的竖直箱板2，所述多个解吸装置4放置在下箱体1内，所述控制系统集成设置在竖直箱板2的内腔中。所述下箱体1的前侧板为耐高温的玻璃板，可便于直观观察，且下箱体1顶部设置有活动的密封盖板5，密封盖板5两端采用插接的方式与下箱体1连接，密封盖板5上安装有多个甲烷富集箱3，甲烷富集箱3与解吸装置4之间连接有集气管6，

本实施例中，控制系统包括控制处理器以及分别与控制处理器连接的信息采集模块8和通讯模块，控制处理器可为PLC处理器或单片机，如PIC16F877A型8位增强型FLASH微控制器，控制处理器可为一个或多个，分别对不同甲烷富集箱3内的信息进行处理。所述信息采集模块8与控制处理器之间连接有信号转换器，且信息采集模块包括用于检测甲烷富集箱3内部气体的甲烷浓度检测传感器、氧气浓度检测传感器、温度传感器和压力传感器，将采集后的信息经信号转换后发送给控制处理器进行处理。所述竖直箱板2的前表壁上设置有与控制处理器电连接的控制显示面板9，通过控制显示面板9输入指令，控制处理器识别指令并处理后反馈于控制显示面板9的显示屏上。所述甲烷富集箱3上设置有排气口，排气口处安装有与控制处理器电连接的电磁控制阀7，当甲烷富集箱3内的气体检测完毕或者浓度超出指标后，可输入指令控制电磁控制阀7开启，及时将气体转移并卸压。所述通讯模块连接有接收终端，通讯模块可为有线或无线的通信方式，接收终端可为计算机或手机等，整个控制系统的电源采用外接形式。

为了使甲烷富集箱3收集的页岩气更充分化和标准化，本发明对解吸装置4进行了一定改进，具体地，所述解吸装置4包括内外套装的密封外筒41和压裂内筒44，所述密封外筒41包括密封筒体411以及固定在密封筒体411底部并带有内腔的下连接座413，下连接座413的内腔中设置有用于密封筒体411内加热的加热器，加热器为现有成品，将其电源线穿出下连接座13并与外接电源连接，加热温度优选为100～120℃。所述压裂内筒44包括压裂筒体以及固定在压裂筒体顶部的上连接座441，上连接座441上设置有与压裂筒体内腔连通的出气管43，出气管43与集气管46连接，可用于将压裂筒体内的页岩气快速直接排放至甲烷富集箱3。

所述压裂筒体整个套装在密封筒体411内，且密封筒体411的内腔顶部设置有密封气环卡箍槽412，嵌入密封气环可增加气密性。本实施例中，所述压裂筒体包括上筒体442、下筒体443以及竖直固定在上筒体442下表面边缘且呈环形排列的三个侧压裂板446，所述下筒体443为两端开口的形式，且下筒体443下端口中心处设置有圆形的支承板46，支承板46的环形侧壁上通过三根两两相隔60°的支梁47与下筒体443的内壁固定焊接，相邻支梁47之间形成过孔，单个侧压裂板446伸入至下筒体443内并穿过对应的过孔，即单个侧压裂板446穿过单个过孔，可使侧压裂板446相对下筒体443上下移动。为了对页岩岩芯进行侧面压裂，所述侧压裂板446的内侧开有燕尾型滑槽447，燕尾型滑槽447内填充有可上下滑动的热膨胀条45，热膨胀条45采用高热膨胀系数的材料制作，所述热膨胀条45的内侧一体成型有多个挤压锥体451，多个挤压锥体451竖直均匀地排列在热膨胀条45的内侧壁上，相邻热膨胀条45上对应的挤压锥体451上下错位排列，上下错位排列表示相邻热膨胀条45上的挤压锥体451不位于同一水平面内，这样可在有限的空间内对页岩岩芯进行多点均匀挤压，保证页岩岩芯破裂的均匀度。

为了保证热膨胀条45顺利地上下移动，热膨胀条45与燕尾型滑槽447之间留有可膨胀的空间，所述支承板46的侧壁上一体成型有三个托板48，单个托板48伸入对应的燕尾型滑槽447内并用于托起热膨胀条45的底部，当下筒体443上下滑动时，托板48可带动热膨胀条45在燕尾型滑槽447内上下滑动。为了保持页岩岩芯上表面和下表面的稳定性，并对其进行稳定挤压，所述支承板46的上表面设置有下盛放器49，所述上筒体442的内腔中设置有上盛放器(未图示)，上盛放器的结构与下盛放器49的结构相同且与下盛放器49相向设置，上盛放器和下盛放器49中均填充有高热膨胀系数的耐火材料448，耐火材料448选用氧化硅质、氧化镁质或者黏土质材料，热膨胀系数高、结构强度好、热稳定性好，通过加热器加热，温度升高，使耐火材料受热膨胀并对页岩岩芯进行均匀地挤压，当然，耐火材料448的表面均匀成型多个小锥体，可对页岩岩芯上下表面均匀压裂。

为了减小下筒体443的调节难度，所述上筒体442与下筒体443之间设置有调高机构，调高机构包括两根微调螺杆444，所述上筒体442和下筒体443两侧的侧壁上均一体成型有凸耳，两根微调螺杆444分别穿过上筒体442两侧的凸耳，且每根微调螺杆444穿过对应侧下筒体443上的凸耳并配合有支撑螺母，通过调整支撑螺母的位置，可改变下筒体443相对上筒体442的上下位置。所述下连接座413两侧与上连接座441两侧之间设置有连接螺杆42，连接螺杆42一端固定在下连接座上，另一端穿过上连接座并配合有调节螺母，将页岩岩芯放入至压裂筒体内，沿连接螺杆42将压裂内筒44套装在密封外筒41内，然后拧上调节螺母，使压裂内筒44与密封外筒41之间相对固定，接上出气管43与集气管6，然后插上电源，启动加热器并开始进行解吸。

为了避免在进行解吸实验时因意外而造成页岩气大量泄漏的情况发生，还包括用于密封解吸箱和甲烷富集箱3的保护外壳10，所述保护外壳10包括外封壳体101、活动顶板104以及用于驱动活动顶板104开闭的动力机构，所述外封壳体101顶侧及前侧密封，后侧及底侧开放，且后侧开有与解吸箱适配的安装口102，外封壳体101通过安装口102与竖直箱板2靠接，具体地，其上设置凹口，可与竖直箱板2上的凸起插接配合，从而使整个外封壳体101密封下箱体1和多个甲烷富集箱3，所述外封壳体101顶部开有燕尾型开口，活动顶板104形状与燕尾型开口匹配并适配在燕尾型开口内，所述动力机构有两组，两组动力机构分别设置在活动顶板104底部的两侧并分别用于驱动活动顶板104的两个端部，动力机构包括顶升气缸103和L型滑轨105，L型滑轨105固定在外封壳体101的内壁上且其横轨位于其竖轨上方，所述顶升气缸103的活塞杆端部固定有用于在L型滑轨105竖轨内滑动的滑块108，所述L型滑轨105的横轨内设置有滑轮107，所述活动顶板104下表面的侧壁两侧均固定有两个支脚106，单侧的两个支脚106中的一个支脚106通过转销与滑块108铰接，另一个支脚106通过轮轴与滑轮107铰接，同时驱动两个顶升气缸103伸缩，带动两个滑块108同时下降，从而拉动活动顶板104靠近顶升气缸103一侧向下转动并打开，为了保证顶升气缸103的同步性，可采用同一气泵通过气管与两个顶升气缸103连接并同时对两个顶升气缸103进行供气驱动，当然气泵可设置在外封壳体101外部，将线路穿入至外封壳体101内即可。

为了进一步提高安全性，所述外封壳体101包括内壳体与外壳体，内壳体与外壳体之间具有间隙，内壳体与外壳体之间的间隙内填充有阻燃材料109，阻燃材料109为三氧化二锑、氢氧化镁或氢氧化铝等。

以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.页岩解吸气实时监控装置，其特征在于：包括控制系统、解吸箱以及放置在解吸箱内的多个解吸装置，所述解吸箱上安装有多个甲烷富集箱，甲烷富集箱与解吸装置之间连接有集气管，控制系统包括控制处理器以及分别与控制处理器连接的信息采集模块和通讯模块，所述控制处理器采用PLC处理器或单片机，所述信息采集模块与控制处理器之间连接有信号转换器，且信息采集模块包括用于检测甲烷富集箱内部气体的甲烷浓度检测传感器、氧气浓度检测传感器、温度传感器和压力传感器，所述解吸箱上设置有与控制处理器电连接的控制显示面板，所述甲烷富集箱上设置有排气口，排气口处安装有与控制处理器电连接的电磁控制阀，所述通讯模块连接有接收终端；

所述解吸装置包括密封外筒以及套装在密封外筒内的压裂内筒，所述密封外筒包括密封筒体以及固定在密封筒体底部并带有内腔的下连接座，下连接座的内腔中设置有用于密封筒体内加热的加热器，所述压裂内筒包括压裂筒体以及固定在压裂筒体顶部的上连接座，上连接座上设置有与压裂筒体内腔连通的出气管，出气管与集气管连接，所述压裂筒体包括上筒体、下筒体以及竖直固定在上筒体下表面的多个侧压裂板，所述下筒体两端开口，且下筒体下端口中心处设置有支承板，支承板的侧壁通过多根支梁与下筒体的内壁固定连接，相邻支梁之间形成过孔，单个侧压裂板伸入至下筒体内并穿过对应的过孔，侧压裂板的内侧开有燕尾型滑槽，燕尾型滑槽内填充有可上下滑动的热膨胀条，所述支承板的侧壁上一体成型有多个与热膨胀条数量相等的托板，单个托板伸入对应的燕尾型滑槽内并用于托起热膨胀条，所述支承板的上表面设置有下盛放器，所述上筒体的内腔中设置有上盛放器，上盛放器和下盛放器中均填充有高热膨胀系数的耐火材料，所述上筒体与下筒体之间设置有调高机构，调高机构包括两根微调螺杆，所述上筒体和下筒体两侧的侧壁上均一体成型有凸耳，两根微调螺杆分别穿过上筒体两侧的凸耳，且每根微调螺杆穿过对应侧下筒体上的凸耳并配合有支撑螺母。

2.根据权利要求1所述的页岩解吸气实时监控装置，其特征在于：所述解吸箱包括下箱体以及一体成型在下箱体顶部一侧并带有内腔的竖直箱板，所述多个解吸装置放置在下箱体内，所述控制系统集成设置在竖直箱板的内腔中，所述控制显示面板设置在竖直箱板的前表壁上，所述下箱体顶部设置有活动的密封盖板，所述多个甲烷富集箱安装在密封盖板上。

3.根据权利要求2所述的页岩解吸气实时监控装置，其特征在于：所述下箱体的前侧板为玻璃板。

4.根据权利要求1所述的页岩解吸气实时监控装置，其特征在于：所述热膨胀条的内侧一体成型有多个挤压锥体，多个挤压锥体竖直均匀地排列在热膨胀条的内侧壁上，相邻热膨胀条上对应的挤压锥体上下错位排列。

5.根据权利要求1所述的页岩解吸气实时监控装置，其特征在于：所述密封筒体的内腔顶部设置有密封气环卡箍槽。

6.根据权利要求1所述的页岩解吸气实时监控装置，其特征在于：所述下连接座两侧与上连接座两侧之间设置有连接螺杆，连接螺杆一端固定在下连接座上，另一端穿过上连接座并配合有调节螺母。

7.根据权利要求1~3中任一项权利要求所述的页岩解吸气实时监控装置，其特征在于：还包括用于密封解吸箱和甲烷富集箱的保护外壳。

8.根据权利要求7所述的页岩解吸气实时监控装置，其特征在于：所述保护外壳包括外封壳体、活动顶板以及用于驱动活动顶板开闭的动力机构，所述外封壳体一侧开有与解吸箱适配的安装口，外封壳体通过安装口与解吸箱靠接并密封下箱体，所述外封壳体顶部开有燕尾型开口，活动顶板适配在燕尾型开口内，所述动力机构有两组，两组动力机构分别设置在活动顶板底部的两侧，动力机构包括顶升气缸和L型滑轨，L型滑轨固定在外封壳体的内壁上且其横轨位于其竖轨上方，所述顶升气缸的活塞杆端部固定有用于在L型滑轨竖轨内滑动的滑块，所述L型滑轨的横轨内设置有滑轮，所述活动顶板下表面的侧壁上固定有两个支脚，其中一个支脚通过转销与滑块铰接，另一个支脚通过轮轴与滑轮铰接。

9.根据权利要求8所述的页岩解吸气实时监控装置，其特征在于：所述外封壳体包括内壳体与外壳体，内壳体与外壳体之间具有间隙，内壳体与外壳体之间的间隙内填充有阻燃材料。