CN111398559B - 页岩生氢实验装置、实验方法及分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种页岩生氢实验装置、实验方法及分析方法，属于能源与化工技术领域，不可回收页岩反应空间和可回收页岩反应空间均安装于底座上；环形加热壁一一对应环绕在不可回收页岩反应空间和可回收页岩反应空间的外面；氦气罐与不可回收页岩反应空间和可回收页岩反应空间一一连通；集气袋与多个可回收页岩反应空间连通，不可回收页岩反应空间和可回收页岩反应空间均与气相色谱仪‑质谱仪连通。本发明提供的页岩生氢实验装置、实验方法及分析方法，实现了分析对比不同成熟度的页岩在开放、封闭体系中所生成的氢气含量，确定不同成熟度下页岩的生氢能力，确定页岩在密闭条件下的耗氢能力，弥补了页岩生氢实验方面的空白。
Description
技术领域
本发明属于能源与化工技术领域，更具体地说，是涉及一种页岩生氢实验装置、实验方法及分析方法。
背景技术
氢在有机物的烃类生成和成熟过程中起重要作用，例如，加速烷基芳香族化合物的脱烷基反应，通过热裂解反应同烯烃氢化形成烷烃，通过还原二氧化碳生成碳氢化合物气体。然而，页岩高温裂解下，氢气作为一种必要产物，在大部分页岩气藏中且均未发现有氢气藏的存在。
目前，人工热解技术被认为是模拟沉积物生烃过程的必经之路，而页岩在人工热解实验的生气方面的研究，热解生成氢气尚属空白。
发明内容
本发明的目的在于提供一种页岩生氢实验装置，旨在解决页岩在不同状态下的生氢情况，为页岩的理论研究和实际生产提供指导。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种页岩生氢实验装置，包括：底座、不可回收页岩反应空间、可回收页岩反应空间、环形加热壁、氦气罐、集气袋、气相色谱仪-质谱仪；不可回收页岩反应空间安装于所述底座上，且所述不可回收页岩反应空间的排气端设有反应盖阀；可回收页岩反应空间，数量为多个，安装于所述底座上，每个所述可回收页岩反应空间的排气端均设有反应盖阀；环形加热壁，数量为多个，一一对应环绕在所述不可回收页岩反应空间和所述可回收页岩反应空间的外面；氦气罐经总氦气疏导管和多个与所述总氦气疏导管连通的氦气疏导支管，与所述不可回收页岩反应空间的进气端和所述可回收页岩反应空间的进气端一一连通，与所述不可回收页岩反应空间连通的所述氦气疏导支管上设有第一氦气疏导阀，与所述可回收页岩反应空间连通的所述氦气疏导支管上设有第二氦气疏导阀；集气袋与各个所述可回收页岩反应空间通过第二总疏气管连通，气相色谱仪-质谱仪，与所述集气袋同时并联在所述第二总疏气管上，在连通所述第二总疏气管和所述气相色谱仪-质谱仪之间的疏气支管上设有疏气管阀，在连通所述第二总疏气管和所述集气袋之间的集气袋支管上设有集气袋阀；所述不可回收页岩反应空间通过第一总疏气管与所述气相色谱仪-质谱仪直接连通。
作为本申请另一实施例，所述可回收页岩反应空间包括：页岩反应管和石英管，页岩反应管安装于所述底座上，所述氦气疏导支管与所述页岩反应管的下端连通，所述页岩反应管的上端设有可拆卸的反应盖，所述反应盖阀设于所述反应盖的外面；石英管放置于所述页岩反应管内，用于盛放页岩样品，所述石英管的两端设有用于封堵所述页岩样品的石棉；所述不可回收页岩反应空间的结构与所述可回收页岩反应空间的结构相同。
作为本申请另一实施例，所述反应盖与所述页岩反应管螺纹连接。
作为本申请另一实施例，所述氦气罐安装于所述底座内，所述氦气疏导支管向上直接与对应的所述不可回收页岩反应空间和所述可回收页岩反应空间连通。
作为本申请另一实施例，所述底座为圆台结构，所述圆台内设有用于安装所述氦气罐、所述总氦气疏导管和所述氦气疏导支管的空间。
作为本申请另一实施例，所述不可回收页岩反应空间和多个所述可回收页岩反应空间均匀分布在所述底座上。
本发明的另一目的在于提供一种基于所述的页岩生氢实验装置的实验方法，包括以下步骤：
第一步：将页岩样品粉碎混合均匀，等量分成多份；
第二步：将等量的页岩样品粉碎物分别放入不可回收页岩反应空间和可回收页岩反应空间中；
第三步：打开第一氦气疏导阀、第二氦气疏导阀、反应盖阀和疏气管阀，关闭集气袋阀，启动氦气罐，使所述不可回收页岩反应空间和所述可回收页岩反应空间内充满氦气；
第四步：关闭各所述第二氦气疏导阀和各所述反应盖阀；
第五步：启动环绕所述不可回收页岩反应空间和所述可回收页岩反应空间的环形加热壁，设定加热温度，记录对应的温度和起始时间；
第六步：观察并记录气相色谱-质谱仪所显示的不回收页岩反应空间生成气体的数据，当生成气体速率趋于或等于0时，继续加热一定的时间，以确保可回收页岩反应空间内的页岩反应完全；
第七步：同时打开一个所述可回收页岩反应空间的所述第二氦气疏导阀15和所述反应盖阀，观察所述气相色谱-质谱仪，记录对应的所述可回收页岩反应空间生成气体的数据，并记录生成气体速率趋于或等于0时所需时间，然后关闭所述第二氦气疏导阀和所述反应盖阀；
第八步：根据第七步，依次记录对应的所述可回收页岩反应空间生成气体的数据，并记录生成气体速率趋于或等于0时所需时间，然后关闭对应的所述第二氦气疏导阀和所述反应盖阀；
第九步：关闭所述疏气管阀，打开所述集气袋阀，重复第一步至第六步，同时打开一个所述可回收页岩反应空间的所述第二氦气疏导阀和所述反应盖阀，根据所记录时间，关闭所述集气袋阀、所述第二氦气疏导阀和所述反应盖阀，取下所述集气袋，做好标记保存，更换集气袋，依次收集其余的所述可回收页岩反应空间生成的气体；
第十步：取不同份量的页岩样品粉碎物，设定不同的加热温度，重复实验，记录加热温度、对应的生成气体的数据及加热时间，进行气相色谱-质谱仪分析或生成气体的收集。
作为本申请另一实施例，所述第五步，对所述不可回收页岩反应空间和所述可回收页岩反应空间加热温度的设定中：
设定所述不可回收页岩反应空间的加热温度为t℃；
设定其中一个所述可回收页岩反应空间的加热温度为t℃，其余的所述可回收页岩反应空间的加热温度均小于t℃，且各所述可回收页岩反应空间的加热温度均不相同。
作为本申请另一实施例，所述第五步，对所述不可回收页岩反应空间和所述可回收页岩反应空间加热温度的设定中：
设定所述不可回收页岩反应空间的加热温度为t℃；
设定其中一个所述可回收页岩反应空间的加热温度为t℃，其余的所述可回收页岩反应空间的加热温度分布在t℃的两侧，且各所述可回收页岩反应空间的加热温度均不相同。
本发明的另一目的在于提供一种基于所述的页岩生氢实验装置实验的分析方法，包括：
根据开放系统中不回收页岩反应空间的生成气体，记录的数据，以氢气与甲烷、乙烷的生成速率为y轴，以所述不回收页岩反应空间的加热温度为x轴，绘制开放系统曲线图，记为图4；
根据密闭系统中回收页岩反应空间的生成气体，记录的数据，以氢气与甲烷、乙烷的生成产量为y轴，以各个可回收页岩反应空间所对应的加热温度为x轴，绘制密闭系统曲线图，记为图5；
将所述图4的图像内的曲线进行积分，求出面积，即求出开放体系所生成的氢气、甲烷、乙烷的生成产量与对应温度的关系，绘制开放系统的曲线图，记为图6；
对比图4、图5、图6，获得页岩样品在哪一种种加热温度下生氢能力具有最大值或最小值，确定页岩样品在密闭条件下的耗氢能力，并根据拟合的曲线及温度与页岩成熟度的换算关系，得到该页岩在密闭条件下对应成熟度所生成的氢气、甲烷、乙烷、丙烷的总量之比的范围。
本发明提供的页岩生氢实验装置、实验方法及分析方法的有益效果在于：选择一个不可回收页岩反应空间与气相色谱仪-质谱仪直接连通，作为开放体系，不可回收页岩反应空间内的页岩样品在高温加热过程中产生的氢气及其他气体直接送入气相色谱仪-质谱仪进行生成气体数据记录，不参与气体收集，记录的数据作为参照；可回收页岩反应空间作为封闭体系，加热时全程封闭，既与气相色谱仪-质谱仪连通，进行生成气体数据记录，也与集气袋连通进行保存收集，为后续进行实验作储备；通过对等量的页岩样品，在不同加热温度下的生成气体的记录，实现了分析对比不同成熟度的页岩在开放、封闭体系中所生成的氢气含量，确定不同成熟度下页岩的“生氢能力”，确定页岩在密闭条件下的“耗氢能力”并预测氢气在页岩成熟度变化过程中的作用，弥补了页岩生氢实验方面的空白。
本发明提供的页岩生氢实验装置，结构简单，操作方便、简单快捷，通过等量份量的页岩样品在不同加热温度下的生成气体，经气相色谱仪-质谱仪分别收集数据，能够精确测量不同温度下生成气体不同成分的含量，应用到实际生产中，可以模拟不同层位的页岩所产生的氢气与甲烷、乙烷、丙烷的总量，进而获得相应“生气能力”，与实际气藏内气体成分对比，可以对含氢气的页岩气藏进行初步的气源分析，以减少气源分析程序。
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页岩生氢实验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的页岩生氢实验装置的页岩反应管的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的页岩生氢实验装置的石英管的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的不回收页岩反应空间的生成气体，以氢气与甲烷、乙烷的生成速率为y轴，以对应的加热温度为x轴，绘制的开放系统曲线图；
图5为本发明实施例提供的回收页岩反应空间的生成气体，以氢气与甲烷、乙烷的总量为y轴，以各个可回收页岩反应空间所对应的加热温度为x轴，绘制的密闭系统曲线图；
图6为本发明实施例提供的不回收页岩反应空间的生成气体，以氢气与甲烷、乙烷的总量为y轴，以不可回收页岩反应空间所对应的加热温度为x轴，绘制的开放系统曲线图。
图中：1、底座；2、控制箱；3、环形加热壁；4、不可回收页岩反应空间；5、反应盖；6、反应盖阀；7、第一总疏气管；8、第二总疏气管；9、集气袋支管；10、集气袋阀；11、疏气管阀；12、疏气支管；13、气相色谱仪-质谱仪；14、集气袋；15、第二氦气疏导阀；16、氦气疏导支管；17、总氦气疏导管；18、氦气罐；19、第一氦气疏导阀；20、石棉；21、石英管；22、可回收页岩反应空间。
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。
请一并参阅图1至图3，现对本发明提供的页岩生氢实验装置进行说明。所述页岩生氢实验装置，包括底座1、不可回收页岩反应空间4、可回收页岩反应空间22、环形加热壁3、氦气罐18、集气袋14、气相色谱仪-质谱仪13；不可回收页岩反应空间4安装于所述底座1上，且所述不可回收页岩反应空间4的排气端设有反应盖阀；可回收页岩反应空间22，数量为多个，安装于所述底座1上，每个所述可回收页岩反应空间22的排气端均设有反应盖阀；环形加热壁3，数量为多个，一一对应环绕在所述不可回收页岩反应空间4和所述可回收页岩反应空间22的外面；氦气罐18经总氦气疏导管17和多个与所述总氦气疏导管17连通的氦气疏导支管16，与所述不可回收页岩反应空间4的进气端和所述可回收页岩反应空间22的进气端一一连通，与所述不可回收页岩反应空间4连通的所述氦气疏导支管16上设有第一氦气疏导阀19，与所述可回收页岩反应空间22连通的所述氦气疏导支管16上设有第二氦气疏导阀15；集气袋14与各个所述可回收页岩反应空间22通过第二总疏气管8连通，气相色谱仪-质谱仪13，与所述集气袋14同时并联在所述第二总疏气管8上，在连通所述第二总疏气管8和所述气相色谱仪-质谱仪13之间的疏气支管12上设有疏气管阀11，在连通所述第二总疏气管8和所述集气袋14之间的集气袋支管9上设有集气袋阀10；所述不可回收页岩反应空间4通过第一总疏气管7与所述气相色谱仪-质谱仪13直接连通。
本发明提供的页岩生氢实验装置，与现有技术相比，选择一个不可回收页岩反应空间4与气相色谱仪-质谱仪13直接连通，作为开放系统，不可回收页岩反应空间4内的页岩样品在高温加热过程中产生的氢气及其他气体直接送入气相色谱仪-质谱仪13进行生成气体数据记录，不参与气体收集，记录的数据作为参照；可回收页岩反应空间22作为密闭系统，加热时全程封闭，既与气相色谱仪-质谱仪13连通，进行生成气体数据记录，也与集气袋连通进行保存收集，为后续进行实验作储备；通过对等量的页岩样品，在不同加热温度下的生成气体的记录，实现了分析对比不同成熟度的页岩在开放、密闭系统中所生成的氢气含量，确定不同成熟度下页岩的“生氢能力”，确定页岩在密闭条件下的“耗氢能力”并预测氢气在页岩成熟度变化过程中的作用，弥补了页岩生氢实验方面的空白。
本发明提供的页岩生氢实验装置，结构简单，操作方便、简单快捷，通过等量份量的页岩样品在不同加热温度下的生成气体，经气相色谱仪-质谱仪13分别收集数据，能够精确测量不同温度下生成气体不同成分的含量，应用到实际生产中，可以模拟不同层位的页岩所产生的氢气与甲烷、乙烷、丙烷的总量，进而获得相应“生气能力”，与实际气藏内气体成分对比，可以对含氢气的页岩气藏进行初步的气源分析，以减少气源分析程序。
本实施例中，底座1上设有用于控制所述反应盖阀、第一氦气疏导阀19、第二氦气疏导阀15、集气袋阀10、疏气管阀11、氦气罐18启闭及各环形加热壁3启闭的控制箱2，不可回收页岩反应容器和可回收页岩反应容器的环形加热壁3均为独立加热单元，各单元单独控制，单元与单元之间隔热措施良好，互不影响，为反应的进行提供不同的温度保证，以便于获得不同加热温度下的氢气、甲烷、乙烷及丙烷的数据。控制箱2内的PLC控制单元的型号为S7-200 SMART（该产品市场上有销售）、西门子S7-300、单片机等，各种阀市场采购即可，本发明控制系统是机电领域常用的技术，本发明利用现有技术即可实现各阀门的控制。
本文还需说明的是，不可回收页岩反应空间4和可回收页岩反应空间22的结构相同，不可回收页岩反应空间4是指在本实验中，在不可回收页岩反应空间4内的页岩样品热解的生成气体无需回收，如果需要回收，也可以连接一个集气袋，将生成气体收集，后续利用。
本实施例中的环形加热壁3，是围绕在各反应空间外的独立的加热装置，每个环形加热壁3均独立控制，采用环形加热丝或电阻丝即可实现。
本实施例中，气相色谱仪-质谱仪是常用的检测仪器，是指将气相色谱仪的高效分离能力与质谱仪独特的选择性、灵敏度、相对分子质量和分子结构鉴定能力相结合的仪器。其原理是多组分混合物经气相色谱气化、分离，各组分按保留时间顺序依次进入质谱仪，各组分的气体分子在离子源中被电离，生成不同质荷比的带正电荷的离子，经加速电场的作用形成离子束，进入质量分析器后按质荷比的大小进行分离，最后由检测器检测离子束流转变成的电信号，并被送入计算机内，这些信号经计算机处理后可以得到色谱图、质谱图及其他多种信息。组分的质量谱图的分子离子峰、同位素峰和特征碎片离子峰与该组分的分子结构有关，通过与标准质量谱图库的对比可对该组分定性并确定其结构。而组分的浓度与其质谱图中基峰的离子流强度成正比，据此可对该组分进行定量分析。
作为本发明提供的页岩生氢实验装置的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，所述可回收页岩反应空间22包括：页岩反应管和石英管21，页岩反应管安装于所述底座1上，所述氦气疏导支管16与所述页岩反应管的下端连通，所述页岩反应管的上端设有可拆卸的反应盖5，所述反应盖阀设于所述反应盖5的外面；石英管21放置于所述页岩反应管内，用于盛放页岩样品，所述石英管21的两端设有用于封堵所述页岩样品的石棉20；所述不可回收页岩反应空间4的结构与所述可回收页岩反应空间22的结构相同。在页岩反应管上设置反应盖5，保证在反应盖阀6关闭的条件下，页岩反应空间的气密性，避免外部气体干扰。石英管21用于盛放页岩样品，两端用石棉20封堵，保证石英管21中的气体的流动性以及页岩样品在反应过程中的稳定性，且便于清理更换，耐热性好。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图2，所述反应盖5与所述页岩反应管螺纹连接。螺纹连接便于拆卸和安装。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，参阅图1，所述氦气罐18安装于所述底座1内，所述氦气疏导支管16向上直接与对应的所述不可回收页岩反应空间4和所述可回收页岩反应空间22连通。氦气罐18安装在底座1内，一方面可以减少场地的占用，另一方面可以避免氦气罐18外露造成人员磕碰等不安全因素的发生。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1，所述底座1为圆台结构，所述圆台内设有用于安装所述氦气罐18、所述总氦气疏导管17和所述氦气疏导支管16的空间。底座1设置为圆台结构，使得仪器整体底部着地面积大，能够保证仪器在运作过程中的稳定性。其中，底座1也可以为正四方体结构。
作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1，所述不可回收页岩反应空间4和多个所述可回收页岩反应空间22均匀分布在所述底座1上。其中，各反应空间可以是环形阵列排布，也可以是矩形阵列排布。
当然，毋容置疑的，本文中所提及的部件，例如不可回收页岩反应空间4、可回收页岩反应空间22、环形加热壁3、氦气罐18、集气袋14、气相色谱仪-质谱仪13及各种阀，均可以拆卸更换。
本发明的另一目的在于提供一种基于所述的页岩生氢实验装置的实验方法，参见图1-图3，以设有5个可回收页岩反应空间22为例，实验步骤如下：
第一步：将页岩样品粉碎混合均匀，量取等量页岩样品5-10mg，例如每份5mg共十份，样品的份数越多，实验次数越多，最后所拟合的曲线也就越精确，更加符合实际情况；
第二步：将等量的页岩样品粉碎物分别放入不可回收页岩反应空间4和可回收页岩反应空间22中；具体是，取出不回收页岩反应空间和所有的或根据需要取出一定数量的可回收反应空间，打开反应盖阀6，取出石英管21，将等量的准备好的页岩样品放入石英管21，塞好石棉20，然后将石英管21放入原页岩反应空间内，拧好对应的反应盖5，对应记录数据。其中，等量同种样品能保证单一变量原则，即页岩样品加热过程中，随温度升高，页岩成熟度升高过程中，保证唯一的变量为是否与外界空气接触，对应的记录数据有利于后续试验曲线的拟合；
第三步：打开电源开关，打开第一氦气疏导阀19、第二氦气疏导阀15、反应盖阀6和疏气管阀11，关闭集气袋阀10，启动氦气罐18，使所述不可回收页岩反应空间4和所述可回收页岩反应空间22内充满氦气，保证外部气体不对实验进行干扰，同时，集气袋阀10关闭，避免氦气进入集气袋14；
第四步：关闭各回收页岩反应空间上的第二氦气疏导阀15和反应盖阀；保证不回收页岩反应空间内的页岩样品在温度升高的过程中，处于开放系统，即其空间内页岩所生成的气体可以及时地向外部排出；
第五步：启动环绕所述不可回收页岩反应空间4和所述可回收页岩反应空间22的环形加热壁3，设定加热温度，记录对应的温度和起始时间；其中各个环形加热壁3的加热速率相同，且不回收页岩反应空间所对应的环形加热壁3的温度设定为最大值，可回收页岩反应空间22中加热温度的以此作为参考。例如，加热速率均为5℃/min，不回收页岩反应空间所对应的环形加热壁3的加热温度为600℃；可回收页岩反应空间22所对应的环形加热壁3的温度分别为600℃、500℃、450℃、400℃、350℃，其温度根据页岩不同的成熟度可作相应调整，同理，环形加热壁3之间的温度差越小，最后所拟合的曲线越精确；
该步骤中，为使各反应空间的数据具有更好的对比性，控制各个环形加热壁的加热温度的上升速度，例如，上升速率均为5℃/min，或根据温度的高低设定各反应空间对应的温升速度，然后通过记录的数据进行对比。
第六步：观察并记录气相色谱-质谱仪所显示的不可回收页岩反应空间4生成气体的数据，当生成气体速率趋于或等于0时，继续加热一定的时间，以确保可回收页岩反应空间22内的页岩反应完全；由于不可回收页岩反应空间4生成气体速率趋于或等于0，也即不可回收页岩反应空间4中的页岩样品不再生成气体时，可以确定其页岩在该温度下进行最大程度的反应，又因为该温度为其余环形加热壁3的最大值，也即能够达到生成气体的最大化，为与可回收页岩反应空间22在不同温度下的生成气体对比提供分析的数据依据；当不可回收页岩反应空间4生成气体速率趋于或等于0时，并在一定的时间内，所有的可回收页岩反应空间22均反应完全后，关闭所有的环形加热壁3，停止加热，保证各页岩反应空间的反应时间的一致性，以便于分析在等量、等时间、不同温度下，各页岩反应空间生成气体量的对比；
第七步：同时打开一个所述可回收页岩反应空间22的所述第二氦气疏导阀15和所述反应盖阀，观察所述气相色谱-质谱仪，记录对应的所述可回收页岩反应空间22生成气体的数据，并记录生成气体速率趋于或等于0时所需时间，然后关闭所述第二氦气疏导阀15和所述反应盖阀；
第八步：根据第七步，依次记录对应的所述可回收页岩反应空间22生成气体的数据，并记录生成气体速率趋于或等于0时所需时间，然后关闭对应的所述第二氦气疏导阀15和所述反应盖阀；
第九步：关闭所述疏气管阀11，打开所述集气袋阀10，重复第一步至第六步，同时打开一个所述可回收页岩反应空间22的所述第二氦气疏导阀15和所述反应盖阀，根据所记录时间，关闭所述集气袋阀10、所述第二氦气疏导阀15和所述反应盖阀，取下所述集气袋14，做好标记保存，更换集气袋14，依次收集其余的所述可回收页岩反应空间22生成的气体；其中，可以根据第七步记录的时间，在对生成气体收集时，延后1-5s关闭集气袋阀10，以保证收集气体的最大化；
第十步：取不同份量的页岩样品粉碎物，设定不同的加热温度，重复实验，记录加热温度、对应的生成气体的数据及加热时间，进行气相色谱-质谱仪分析或生成气体的收集。
实验操作结束，断开电源，关闭所有阀门，清洗仪器。
本实施例通过对等量的页岩样品，在不同加热温度下的生成气体的记录，实现了分析对比不同成熟度的页岩在开放系统与密闭系统中所生成的氢气含量，确定不同成熟度下也即不同加热温度下页岩的“生氢能力”，确定页岩在密闭条件下的“耗氢能力”并预测氢气在页岩成熟度变化过程中的作用，弥补了页岩生氢实验方面的空白。
本实施例的实验方法，通过取不同份量的页岩样品粉碎物，设定不同的加热温度，重复实验步骤，记录加热温度、对应的生成气体的数据及加热时间，为后续分析提供有针对性的数据，提高数据分析的准确性和研究的可行性，为实际应用提供有力的数据支撑。
本实施例中，集气袋14在实验开始前处于无气体填充状态，且可以根据需求随时更换。第二总疏气管8连通各可回收页岩反应空间22，通过集气袋阀10、导气管阀控制各可回收页岩反应空间22内的生成气体进入可更换的集气袋14或气相色谱仪-质谱仪13，能够实现不同功能的快速转换。
本实施例中，集气袋14在实验开始前处于无气体填充状态，且可以根据需求随时更换，且在装配集气袋14时，保证每个集气袋14内部处于无气体填充状态，充分保证收集气体的纯净性。
作为本发明提供的实验方法的一种具体实施方式，请参阅图1，所述第五步，对所述不可回收页岩反应空间4和所述可回收页岩反应空间22加热温度的设定中：设定所述不可回收页岩反应空间4的加热温度为t℃，作为参照；设定其中一个所述可回收页岩反应空间22的加热温度为t℃，其余的所述可回收页岩反应空间22的加热温度分布在t℃的两侧，且各所述可回收页岩反应空间22的加热温度均不相同，例如，设定不可回收页岩反应空间4的加热温度为600℃，可回收页岩反应空间22的加热温度分别为600℃、550℃、500℃、650℃、700℃，记录对应的生成气体的数据及对应的生成气体的收集。为后续分析提供有针对性的数据，提高数据分析的准确性和研究的可行性，为实际应用提供有力的数据支撑。
本发明的另一目的在于提供一种基于所述的页岩生氢实验装置实验的分析方法，包括：
步骤一，根据气相色谱-质谱仪所显示的不回收页岩反应空间的生成气体，记录的数据，以氢气与甲烷、乙烷的生成速率为y轴，以所述不回收页岩反应空间的加热温度为x轴，绘制开放系统曲线图，记为图4；
步骤二，根据气相色谱-质谱仪所显示的回收页岩反应空间的生成气体，记录的数据，以氢气与甲烷、乙烷的生成产量为y轴，以各个可回收页岩反应空间22所对应的加热温度为x轴，绘制密闭系统曲线图，记为图5；
步骤三，将所述图4的图像内的曲线进行积分，求出面积，即求出开放体系所生成的氢气、甲烷、乙烷的生成产量与对应温度的关系，绘制开放系统的曲线图，记为图6；
步骤四，对比图4、图5、图6，获得页岩样品在哪一种加热温度下生氢能力具有最大值或最小值，确定页岩样品在密闭条件下的耗氢能力，并根据拟合的曲线及温度与页岩成熟度的换算关系，得到该页岩在密闭条件下对应成熟度所生成的氢、与甲烷、乙烷的总量之比的范围。
其中，上述步骤一、二、四在分析过程中不分先后。
通过分析对比可知，根据如图4所示开放系统中页岩样品的氢气生成速率随着温度的升高出现3个峰值，总体上氢气生成速率呈现先升高后降低的趋势。如图5所示密闭系统中页岩样品的氢气生成产量随着温度的升高达到峰值后有所降低。如图6所示开放系统中页岩样品的氢气生成产量随着温度的升高而增加。通过实验和分析，能够确定不同成熟度下页岩的“生氢能力”，确定页岩在密闭条件下的“耗氢能力”并预测氢气在页岩成熟度变化过程中的作用，弥补了页岩生氢实验方面的空白，为实际应用提供实验依据。
本发明提供的分析方法，是基于实验得到的数据，分析对比不同成熟度的页岩在开放、密闭系统中所生成的氢气含量、确定不同成熟度下页岩的“生氢能力”、确定页岩在密闭条件下的“耗氢能力”并预测氢气在页岩成熟度变化过程中对烷烃类的影响，弥补了页岩生氢实验方面的空白。
对于上述生氢能力和耗氢能力的进一步解释如下：由于页岩在热解情况下，生成多种气体，例如氢气、甲烷和乙烷，当在开放的不可回收页岩反应空间4热解时，生成的气体直接排出，不会对氢气的含量造成消耗，因此，以不可回收页岩反应空间4的生成气体经气相色谱-质谱仪分析，记录的数据为参照；分析在封闭的可回收页岩反应空间22内的生成气体，经气相色谱-质谱仪分析，记录的数据，与开放体系的生成气体对比，可以得到在同一种温度下，封闭体系的生成气体的含量多少，损失多少，在哪种温度下，页岩的生成气体最大化，为实际应用提供实验依据。由于在封闭体系中，生成的氢气可以与其他的气体进一步参与反应，消耗氢气，因此，也能够获得在何种状态下，页岩耗氢能力最大或最小。
本发明模拟不同层位的页岩所产生的氢气与甲烷、乙烷的总量，进而获得氢气与甲烷、乙烷的生成总量范围，与实际气藏内气体成分对比，可以对含氢气的页岩气藏进行初步的气源分析，以减少气源分析程序。
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.页岩生氢实验装置，其特征在于，包括：
底座；
不可回收页岩反应空间，安装于所述底座上，且所述不可回收页岩反应空间的排气端设有反应盖阀；
可回收页岩反应空间，数量为多个，安装于所述底座上，每个所述可回收页岩反应空间的排气端均设有所述反应盖阀；
环形加热壁，数量为多个，一一对应环绕在所述不可回收页岩反应空间和所述可回收页岩反应空间的外面；
氦气罐，经总氦气疏导管和多个与所述总氦气疏导管连通的氦气疏导支管，与所述不可回收页岩反应空间的进气端和所述可回收页岩反应空间的进气端一一连通，与所述不可回收页岩反应空间连通的所述氦气疏导支管上设有第一氦气疏导阀，与所述可回收页岩反应空间连通的所述氦气疏导支管上设有第二氦气疏导阀；
集气袋，与各个所述可回收页岩反应空间通过第二总疏气管连通；
气相色谱仪-质谱仪，与所述集气袋同时并联在所述第二总疏气管上，在连通所述第二总疏气管和所述气相色谱仪-质谱仪之间的疏气支管上设有疏气管阀，在连通所述第二总疏气管和所述集气袋之间的集气袋支管上设有集气袋阀；
所述不可回收页岩反应空间通过第一总疏气管与所述气相色谱仪-质谱仪直接连通；
选择一个所述不可回收页岩反应空间与所述气相色谱仪-质谱仪直接连通，作为开放系统，所述不可回收页岩反应空间内的页岩样品在高温加热过程中产生的氢气及其他气体直接送入所述气相色谱仪-质谱仪进行生成气体数据记录，不参与气体收集，记录的数据作为参照；所述可回收页岩反应空间作为密闭系统，加热时全程封闭，既与所述气相色谱仪-质谱仪连通，进行生成气体数据记录，也与所述集气袋连通进行保存收集，为后续进行实验作储备；通过对等量的页岩样品，在不同加热温度下的生成气体的记录，分析对比不同成熟度的页岩在开放、密闭系统中所生成的氢气含量，确定不同成熟度下页岩的“生氢能力”，确定页岩在密闭条件下的“耗氢能力”，并预测氢气在页岩成熟度变化过程中的作用。
2.如权利要求1所述的页岩生氢实验装置，其特征在于，所述可回收页岩反应空间包括：
页岩反应管，安装于所述底座上，所述氦气疏导支管与所述页岩反应管的下端连通，所述页岩反应管的上端设有可拆卸的反应盖，所述反应盖阀设于所述反应盖的外面；
石英管，放置于所述页岩反应管内，用于盛放页岩样品，所述石英管的两端设有用于封堵所述页岩样品的石棉；
所述不可回收页岩反应空间的结构与所述可回收页岩反应空间的结构相同。
3.如权利要求2所述的页岩生氢实验装置，其特征在于，所述反应盖与所述页岩反应管螺纹连接。
4.如权利要求1所述的页岩生氢实验装置，其特征在于，所述氦气罐安装于所述底座内，所述氦气疏导支管向上直接与对应的所述不可回收页岩反应空间和所述可回收页岩反应空间连通。
5.如权利要求4所述的页岩生氢实验装置，其特征在于，所述底座为圆台结构，所述圆台内设有用于安装所述氦气罐、所述总氦气疏导管和所述氦气疏导支管的空间。
6.如权利要求1所述的页岩生氢实验装置，其特征在于，所述不可回收页岩反应空间和多个所述可回收页岩反应空间均匀分布在所述底座上。
7.基于如权利要求1-6任一项所述的页岩生氢实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：将页岩样品粉碎混合均匀，等量分成多份；
第二步：将等量的页岩样品粉碎物分别放入不可回收页岩反应空间和可回收页岩反应空间中；
第三步：打开第一氦气疏导阀、第二氦气疏导阀、反应盖阀和疏气管阀，关闭集气袋阀，启动氦气罐，使所述不可回收页岩反应空间和所述可回收页岩反应空间内充满氦气；
第四步：关闭各所述第二氦气疏导阀和各所述反应盖阀；
第五步：启动环绕所述不可回收页岩反应空间和所述可回收页岩反应空间的环形加热壁，设定加热温度，记录对应的温度和起始时间；
第六步：观察并记录气相色谱-质谱仪所显示的不回收页岩反应空间生成气体的数据，当生成气体速率趋于或等于0时，继续加热一定的时间，以确保可回收页岩反应空间内的页岩反应完全；
第七步：同时打开一个所述可回收页岩反应空间的所述第二氦气疏导阀和所述反应盖阀，观察所述气相色谱-质谱仪，记录对应的所述可回收页岩反应空间生成气体的数据，并记录生成气体速率趋于或等于0时所需时间，然后关闭所述第二氦气疏导阀和所述反应盖阀；
第八步：根据第七步，依次记录对应的所述可回收页岩反应空间生成气体的数据，并记录生成气体速率趋于或等于0时所需时间，然后关闭对应的所述第二氦气疏导阀和所述反应盖阀；
第九步：关闭所述疏气管阀，打开所述集气袋阀，重复第一步至第六步，同时打开一个所述可回收页岩反应空间的所述第二氦气疏导阀和所述反应盖阀，根据所记录时间，关闭所述集气袋阀、所述第二氦气疏导阀和所述反应盖阀，取下所述集气袋，做好标记保存，更换集气袋，依次收集其余的所述可回收页岩反应空间生成的气体；
第十步：取不同份量的页岩样品粉碎物，设定不同的加热温度，重复实验，记录加热温度、对应的生成气体的数据及加热时间，进行气相色谱-质谱仪分析或生成气体的收集。
8.如权利要求7所述的页岩生氢实验装置的实验方法，其特征在于，所述第五步，对所述不可回收页岩反应空间和所述可回收页岩反应空间加热温度的设定中：
设定所述不可回收页岩反应空间的加热温度为t℃；
设定其中一个所述可回收页岩反应空间的加热温度为t℃，其余的所述可回收页岩反应空间的加热温度均小于t℃，且各所述可回收页岩反应空间的加热温度均不相同。
9.如权利要求7所述的页岩生氢实验装置的实验方法，其特征在于，所述第五步，对所述不可回收页岩反应空间和所述可回收页岩反应空间加热温度的设定中：
设定所述不可回收页岩反应空间的加热温度为t℃；
设定其中一个所述可回收页岩反应空间的加热温度为t℃，其余的所述可回收页岩反应空间的加热温度分布在t℃的两侧，且各所述可回收页岩反应空间的加热温度均不相同。
10.基于如权利要求7所述的页岩生氢实验装置实验的分析方法，其特征在于，包括：
根据开放系统中不回收页岩反应空间的生成气体，记录的数据，以氢气与甲烷、乙烷的生成速率为y轴，以所述不回收页岩反应空间的加热温度为x轴，绘制开放系统曲线图，记为图4；
根据密闭系统中回收页岩反应空间的生成气体，记录的数据，以氢气、甲烷、乙烷的生成产量为y轴，以可回收页岩反应空间所对应的加热温度为x轴，绘制密闭系统的曲线图，记为图5；
将所述图4的图像曲线进行积分，求出面积，即求出开放体系所生成的氢气、甲烷、乙烷的生成产量与对应温度的关系，绘制开放系统的曲线图，记为图6；
对比图4、图5、图6，获得页岩样品在哪一种加热温度下生氢能力具有最大值或最小值，确定页岩样品在密闭条件下的耗氢能力，并根据拟合的曲线及温度与页岩成熟度的换算关系，得到该页岩在密闭条件下对应成熟度所生成的氢气、甲烷、乙烷的总量之比的范围。
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| GR01 | Patent grant | ||
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