CN111487093A - 具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置及取样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置及取样方法，涉及油气地球化学技术领域，用于解决现有技术中存在的生烃模拟实验气体产物分析中，由于金管刺破后气体散失无法保存，而导致实验的可重复性受到限制的技术问题。本发明的具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置，包括用于容纳金管的金管放置装置和气体收集装置，通过使进样部刺破金管从而使金管内的气体向气体收集装置中扩散，不仅实现了对产物气密封保存，使多次重复测试分析成为了可能，并且避免了以往分析实验中，由于金管刺破、气体散失而不能重复检查的弊端。
Description
技术领域
本发明涉及油气地球化学技术领域，特别地涉及一种具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置及取样方法。
背景技术
在油气地球化学研究中，需要把烃源岩、干酪根等地质样品放置于石英管、钢管、黄金管(下简称金管)等特定的反应体系中，在一定温度压力下加热，模拟其生烃演化过程，并通过对实验产物的数量、元素及同位素组成的分析，获得地质样品的物源及形成演化信息。在金管模拟实验中，为分析样品所产生的天然气的数量和成分，需刺破金管，对产物气或直接取样分析，或转移收集。
目前，中国专利CN201720389039.6公开了一种对模拟实验产物气的取气分析的装置，但该装置无法实现产物气的保存，一旦金管刺破产物气散失，无法对有争议的样品进行重新检测，分析的可重复性受到限制。此外，中国专利CN200710027876.5公开了一种高精度微量气体的收集装置，该装置实现了对产物气的收集保存，但其结构复杂、制备成本高，且装置中含有Hg，一旦泄露会对环境和人体造成危害。虽然国外目前利用冷阱冷冻轻烃，并通过汞泵中的汞液面反复上下运动将气体逐步由玻璃管向气体室转移，但是该方法存在耗时长、设备制作复杂、成本高、操作难等缺点，且操作中使用大量的汞，对环境和人体存在潜在的威胁。
发明内容
本发明提供一种具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置及取样方法，用于解决现有技术中存在的生烃模拟实验气体产物分析中，由于金管刺破后气体散失无法保存，而导致实验的可重复性受到限制的技术问题。
本发明提供一种具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置，包括用于容纳金管的金管放置装置和气体收集装置，所述气体收集装置包括进样部，所述进样部与所述金管放置装置相连，所述进样部能够刺破所述金管放置装置中的金管从而使金管内的气体通过所述进样部向所述气体收集装置中扩散。
在一个实施方式中，所述金管放置装置的侧壁上设置有穿刺接口，所述进样部伸入所述穿刺接口中，并能够沿所述金管的径向方向移动直至刺破金管。
在一个实施方式中，所述进样部包括连接体和穿刺针，所述连接部与所述穿刺接口形成螺纹连接，所述穿刺针的一端与所述连接部相连，另一端伸入所述穿刺接口中。
在一个实施方式中，所述气体收集装置还包括与所述进样部相连的储气部，所述储气部上设置有多功能接口。
在一个实施方式中，所述储气部上设置有第一阀门，所述第一阀门用于控制所述储气部与所述进样部之间的通断。
在一个实施方式中，所述储气部上设置有第二阀门，所述第二阀门用于控制所述储气部与所述多功能接口之间的通断。
在一个实施方式中，所述储气部与所述多功能接口之间设置有压力计。
在一个实施方式中，所述多功能接口由内至外依次设置有第二阀门接口、密封垫、固定片以及封盖，所述固定片上设置有用于使注射器插入的注气孔。
在一个实施方式中，所述金管放置装置包括一端开口一端封闭的端元节以及位于两个端元节之间的穿刺节，所述穿刺接口设置在所述穿刺节上。
根据本发明另一个方面，提供一种采用上述的具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置的取样方法，包括以下步骤：
使进样部与金管放置装置相连通，且进样部不刺破金管，使储气部的内部处于真空状态；
通过多功能接口向储气部中注入一定体积的气体，并获得储气部的压力P1，重复向储气部中注入一定体积的气体共n次，分别获得储气部的P2，P3，…，Pn；
通过线性拟合获得储气部内部气体的体积V＇；
使进样部与金管放置装置相连，且进样部不刺破金管，使储气部的内部处于真空状态，获得储气部的压力P＇；
使进样部与金管放置装置不连通，且进样部不刺破金管，通过多功能接口向储气部中注入一定体积的气体，并获得储气部的压力P2＇，重复向储气部中注入一定体积的气体共n次，分别获得储气部的压力P2＇，P3＇，…，Pn＇；
通过线性拟合获得储气部内部气体的体积V＂；
使进样部与金管放置装置连通，且进样部刺破金管，且进样部与多功能接口不连通，获得储气部的压力P＂；
根据P＂，P＇和V＇，获得储气部中总产物的体积V产，其中V产满足以下定义式：
V产＝(P＂-P＇)/P0×V；
其中，P0为一个标准大气压；
使进样部与金管放置装置不连通，且进样部与多功能接口不连通，获得储气部中气体的体积V储，其中V储满足以下定义式：
V储＝V＂/V＇×V产。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过使进样部刺破金管从而使金管内的气体向气体收集装置中扩散，不仅实现了对产物气密封保存，使多次重复测试分析成为了可能，并且避免了以往分析实验中，由于金管刺破、气体散失而不能重复检查的弊端。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
图1是本发明的实施例中具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置的立体爆炸图；
图2是图1所示的金管放置装置的立体爆炸图；
图3是本发明的实施例中具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置的正视图(图中气体收集装置沿轴向剖开)；
图4是图3所示的多功能接口的结构示意图；
图5是本发明的实施例中进样部21与金管放置装置1处于第一状态的结构示意图；
图6是本发明的实施例中进样部21与金管放置装置1处于第二状态的结构示意图。
附图标记：
1、金管放置装置；11-端元节；12-穿刺节；13-衔接节；14-穿刺接口；
2、气体收集装置；
21-进样部；211-连接部；212-穿刺针；
22-储气部；221-第一阀门；222-第二阀门；223-压力计；224-凸起部；
23-多功能接口；231-第二阀门接口；232-密封垫；233-固定片；234-封盖；235-注气孔。
3-金管。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，根据本发明的第一个方面，本发明提供一种具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置，包括用于容纳金管3的金管放置装置1和气体收集装置2，其中，金管3中容纳有烃源岩、干酪根等地质样品。当然金管3还可以是本领域技术人员所熟知的用于容纳样品的其他器皿，在此不再赘述。
具体来说，气体收集装置2包括进样部21，进样部21与金管放置装置1相连，进样部21与金管放置装置1之间的连接具有两种状态，如图5所示，一种是进样部21部分地与金管放置装置1相连，但是进样部21伸入到金管放置装置1中的长度并不足以接触到金管3而将其刺破，此为第一状态；如图6所示，另一种是进样部21伸入到金管放置装置1的长度足够长，使其能够接触到金管3并将金管3刺破，此为第二状态。
由于进样部21始终与金管放置装置1相连，因此二者处于第二状态下，即进样部21刺破金管3时，就可使金管3内的气体通过进样部21向气体收集装置2中扩散而不会使产物(例如，气体)散失，更重要的是，由于金管3被刺破后气体扩散至金管放置装置1中被保存起来，那么就可以对有争议的样品进行重新检测，使实验的可重复性不再受到限制。
下面分别对金管放置装置1和气体收集装置2进行详细的说明。
在一个实施例中，金管放置装置1的侧壁上设置有穿刺接口14，进样部21伸入穿刺接口14中，并能够沿金管3的径向方向移动直至刺破金管3。
优选地，进样部21包括连接部211和穿刺针212，连接部211与穿刺接口14形成螺纹连接，穿刺针212的一端与连接部211相连，另一端伸入穿刺接口14中。通过连接部211与穿刺接口14的螺纹连接，当连接部211旋入穿刺接口12越多，穿刺针212进入穿刺接口14的长度越长，直至与金管3接触后刺破金管3，使进样部21与金管放置装置1之间的连接方式从第一状态变为第二状态，并且螺纹连接的方式更便于控制穿刺针212进入的深度。
并且连接部211和穿刺针212的内部均设置有相连通的气体扩散通道，金管3被刺破后，气体能够通过连接部211和穿刺针212的气体扩散通道进入金管放置装置1中。
可选地，连接部211与穿刺接口14之间通过卡合连接等其他连接方式。此外，只要是能够实现连接部211能够在穿刺接口14中移动并在移动后能够固定其位置的连接方式均应纳入本申请的保护范围之内。
其中，穿刺针212较一般医用针头更粗且更短，从而便于金管3内气体更好地向气体收集装置2中扩散。
在一个实施例中，气体收集装置2还包括与进样部21相连的储气部22，具体来说，进样部21设置在储气部22的下端，并能够与储气部22的内部连通。当进样部22刺破金管3后，气体能够通过进样部22扩散至储气部22的内部。
储气部22可以是集气瓶等能够收集气体的容器。储气部22的材料可选取聚四氟乙烯材料，其易于加工、经久耐用且由于聚四氟乙烯的优异性能，使储气部22的内壁对产物气体的吸附作用几乎为零，能够使分析精度显著提高。
另外，储气部22中能够容纳气体的体积可根据具体实验需求设置不同规格，根据生烃模拟实验经验，可以选择10ml、30ml、50ml。
其中，如图3所示，储气部22的下端设置有凸起部224，凸起部224与进样部21形成螺纹连接。优选地，凸起部224的至少一部分外壁上设置有外螺纹，进样部21的内壁上设置有内螺纹，凸起部224的外螺纹与进样部21的内螺纹相配合；并且进样部21的外壁上设置有外螺纹，穿刺接口14的内壁上设置有内螺纹，进样部21的外螺纹与穿刺接口14的内螺纹相配合，从而使进样部21分别与穿刺接口14和储气部22之间均形成螺纹连接。
进一步地，进样部21为了方便气体的扩散，将连接部211与穿刺针212相连的一端设置为倒锥形结构，即连接部211具有一个锥形的底面，从而便于气体的扩散。
储气部22下端的凸起部224上设置有第一阀门221，第一阀门221用于控制储气部22与进样部21之间的通断。当第一阀门221打开时，进样部21与储气部22连通，则气体能够通过进样部21进入储气部22中；当第一阀门221关闭时，进样部21与储气部22不连通，则气体不能够过进样部21进入储气部22中。
在一个实施例中，储气部22上设置有多功能接口23。其中，多功能接口23能够实现对储气部22进行抽真空、从储气部22中取气以及向储气部22中注气等多个功能，从而实现对气体收集装置2进行抽真空、取气分析和注气稀释的操作。
进一步地，储气部22上设置有第二阀门222，第二阀门222用于控制储气部22与多功能接口23之间的通断。当第二阀门222打开时，多功能接口23与储气部22连通，则气体既能给通过多功能接口23进入储气部22中，又能够通过多功能接口23从储气部22中逃逸出来；而当第二阀门222关闭时，多功能接口23与储气部22不连通，则气体不能通过多功能接口23进入或者离开储气部22。
进一步地，为了方便测量储气部22中的气体压力，在储气部22与多功能接口23之间设置有压力计223。为提高检测灵敏度，压力计223选用数字压力计。
如图4所示，多功能接口23由内至外依次设置有第二阀门接口231、密封垫232、固定片233以及封盖234，固定片233上设置有用于使注射器插入的注气孔235。固定片233将密封垫232压合在第二阀门接口231上，通过封盖234的盖合使第二阀门接口231被密封。当封盖234被取下后，通过注射器插入注气孔235中，并向注气孔235中注气时，气体能够通过多功能接口23进入到储气部22中。
在一个实施例中，如图2所示，金管放置装置1包括一端开口一端封闭的端元节11以及位于两个端元节11之间的穿刺节12，穿刺接口14设置在12穿刺节上。两个端元节11和一个位于端元节11之间的穿刺节12相连，就能够形成一个容纳金管3的空间。
优选地，在一个穿刺节12和其中一个端元节11之间，还设置有至少1个衔接节13。由于在进行实验时，残留于金管放置装置1中的产物气为集气过程中的损耗，因此，应在满足金管3的放置条件下，尽量减少该金管放置装置1的体积，从而减少气体损耗。例如设置2个端元节11、1个穿刺节12以及1个衔接节13。
另外，端元节11的一端具有内螺纹或外螺纹，另一端为封闭端的管状结构，穿刺节12以及衔接节13均设置为一端具有内螺纹一端具有外螺纹的筒状结构，如此将端元节11、穿刺节12、衔接节13以及端元节11依次连接之后就形成了可以容纳金管3的金管放置装置1。
需要说明的是，本领域的技术人员能够知晓，本装置的各部件之间的连接均应保证密封性，例如上文中提到的螺纹连接，均是采用密封螺纹连接的方式，以保证整个装置的气密性。
在上述实施例的基础上，根据本发明的第二个方面，提供一种上述的具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置的取样方法，该方法按照抽真空—求装置体系的体积—再抽真空—刺破金管—求产物气体积—收集、储存空气的步骤进行，下面分别对上述的步骤进行详细的说明。
第一步，第一阀门221打开，第二阀门222打开。
进样部21与金管放置装置1相连通，且进样部21不刺破金管3，即进样部21与金管放置装置1之间处于第一状态。
使多功能接口23的注气孔235与抽真空仪相连，通过抽真空仪对整个装置进行抽真空处理，使储气部22和金管放置装置1的内部均处于真空状态。
第二步，保持第一阀门221打开，第二阀门222打开，进样部21与金管3之间处于第一状态。
取下抽真空仪，使多功能接口23的注气孔235与注射器相连，向储气部22中注入一定体积的气体，例如注入10ml空气。通过压力计223获得储气部22的压力P1。
利用注射器重复向储气部22中注入一定体积的气体共n次，分别获得储气部22的P2，P3，…，Pn。其中，每次注入相同体积的气体，例如10ml空气。并且n一般为4或者5。
由理想气体状态方程：PV＝nRT可知，对于装置体系而言，其内部体积Vin保持不变，其内部压力Pin和空气摩尔数n成正比。而装置外部(假定该装置处于一个标准大气压条件下)的压力P0保持不变(即一个标准大气压，P0＝101.3kPa)，注入装置的空气的体积Vstd与注入空气的摩尔数n成正比。因此，所注入装置的空气的体积Vstd与装置内部压力Pin成正相关关系。由此通过线性拟合可获得储气部22内部气体的体积V＇。
换言之，气体的体积V＇为P0＝101.3kPa时，所注入空气的总体积。
第三步，保持第一阀门221打开，第二阀门222打开。
进样部21与金管放置装置1相连，即进样部21与金管放置装置1之间处于第一状态。
使多功能接口23的注气孔235与抽真空仪相连，通过抽真空仪对整个装置进行抽真空处理，使储气部22和金管放置装置1的内部均处于真空状态。通过压力计223获得储气部22的压力P＇。
需要说明的是，虽然在第三步中对储气部22进行了抽真空处理，理论上压力P＇为0；但是在实际中由于仪器不能实现绝对密封，因此P＇为一接近于0的值，因此需要对P＇进行测定，以在后续的计算中将该值去除。
第四步，第一阀门221关闭，第二阀门222打开。
重复第二步，分别获得储气部的压力P2＇，P3＇，…，Pn＇；通过线性拟合获得储气部内部气体的体积V＂。
第五步，第一阀门221打开，第二阀门222打开。
使封盖234封闭多功能接口23，进样部21与金管放置装置1之间处于第二状态，即金管3被刺破。由于装置内部连通且处于真空状态，金管3内的气体会通过进样部21扩散至储气部22中，待压力计223示数稳定后，记录该压力值P＂。
根据P＂，P＇和V＇，获得储气部22中总产物的体积V产，其中V产满足以下定义式：
V产＝(P＂－P＇)/P0×V；
其中，P0为一个标准大气压。
第六步：第一阀门221关闭，第二阀门222关闭。
将进样部21与储气部22分离，对装有产物气的储气部22进行保存，可获得储气部22中气体的体积V储，其中V储满足以下定义式：
V储＝V＂/V＇×V产。
进一步地，在对储气部22中的气体进行取气分析时，若热模拟实验气体产物含量较少，可取下多功能接口23的封盖234，用注射器通过注气孔235向储气部22中注入空气，以起到稀释储气部22中产物气的作用。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置，其特征在于，包括用于容纳金管的金管放置装置和气体收集装置，所述气体收集装置包括进样部，所述进样部与所述金管放置装置相连，所述进样部能够刺破所述金管放置装置中的金管从而使金管内的气体通过所述进样部向所述气体收集装置中扩散。
2.根据权利要求1所述的具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置，其特征在于，所述金管放置装置的侧壁上设置有穿刺接口，所述进样部伸入所述穿刺接口中，并能够沿所述金管的径向方向移动直至刺破金管。
3.根据权利要求2所述的具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置，其特征在于，所述进样部包括连接体和穿刺针，所述连接部与所述穿刺接口形成螺纹连接，所述穿刺针的一端与所述连接部相连，另一端伸入所述穿刺接口中。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置，其特征在于，所述气体收集装置还包括与所述进样部相连的储气部，所述储气部上设置有多功能接口。
5.根据权利要求4所述的具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置，其特征在于，所述储气部上设置有第一阀门，所述第一阀门用于控制所述储气部与所述进样部之间的通断。
6.根据权利要求4所述的具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置，其特征在于，所述储气部上设置有第二阀门，所述第二阀门用于控制所述储气部与所述多功能接口之间的通断。
7.根据权利要求4所述的具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置，其特征在于，所述储气部与所述多功能接口之间设置有压力计。
8.根据权利要求4所述的具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置，其特征在于，所述多功能接口由内至外依次设置有第二阀门接口、密封垫、固定片以及封盖，所述固定片上设置有用于使注射器插入的注气孔。
9.根据权利要求2或3所述的具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置，其特征在于，所述金管放置装置包括一端开口一端封闭的端元节以及位于两个端元节之间的穿刺节，所述穿刺接口设置在所述穿刺节上。
10.一种采用权利要求1-9中任一项所述的具有储气功能的新型热模拟气体产物取样装置的取样方法，其特征在于，包括以下步骤：
使进样部与金管放置装置相连通，且进样部不刺破金管，使储气部的内部处于真空状态；
通过多功能接口向储气部中注入一定体积的气体，并获得储气部的压力P1，重复向储气部中注入一定体积的气体共n次，分别获得储气部的P2，P3，…，Pn；
通过线性拟合获得储气部内部气体的体积V＇；
使进样部与金管放置装置相连，且进样部不刺破金管，使储气部的内部处于真空状态，获得储气部的压力P＇；
使进样部与金管放置装置不连通，且进样部不刺破金管，通过多功能接口向储气部中注入一定体积的气体，并获得储气部的压力P2＇，重复向储气部中注入一定体积的气体共n次，分别获得储气部的压力P2＇，P3＇，…，Pn＇；
通过线性拟合获得储气部内部气体的体积V＂；
使进样部与金管放置装置连通，且进样部刺破金管，且进样部与多功能接口不连通，获得储气部的压力P＂；
根据P＂，P＇和V＇，获得储气部中总产物的体积V产，其中V产满足以下定义式：
V产＝(P＂-P＇)/P0×V；
其中，P0为一个标准大气压；
使进样部与金管放置装置不连通，且进样部与多功能接口不连通，获得储气部中气体的体积V储，其中V储满足以下定义式：
V储＝V＂/V＇×V产。
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