CN116559019A - 页岩储层含气性评价装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种页岩储层含气性评价装置及方法，其中页岩储层含气性评价装置包括样品容纳组件、破碎组件、排气组件、气体收集组件和气相色谱仪，样品容纳组件包括密封罐和挡板，挡板活动设于密封罐，能够控制上容纳腔和下容纳腔连通或封闭；破碎组件设于下容纳腔的底部；排气组件包括密封盖、气体流量计，以及单向阀；气体收集组件的进气端与单向阀的出气端连通；气相色谱仪的进气端与气体流量计的出气端连通。如此设置，使得解吸气测量和残余气测量能够在一个容器内进行，无需转移，操作更简单。同时还解决了页岩样品在转移过程中会导致一部分解吸气逸散的问题，有助于提高测量精度，使页岩储层含气性评价结果更准确。
Description
技术领域
本发明属于页岩气勘探检测技术领域，具体涉及一种页岩储层含气性评价装置及方法。
背景技术
非常规油气是指煤层气、页岩气等资源，随着常规油气资源的紧缺以及开采技术的提升，非常规油气的勘探和开采逐渐受到重视，其中页岩气已经成为全球的能源热点。页岩气存在于页岩储层内，在对页岩储层进行开采之前，需要先对页岩气井穿过的页岩储层的含气性进行评价，了解页岩气资源量、储量、可采量等参数，评估其是否具有经济开发价值。
页岩含气性是指页岩储层中的天然气含量，通常用单位体积页岩中的天然气量来表示，可以通过测量页岩样品的含气量来评价页岩储层的含气性。含气量可以通过现场对样品进行解吸实验来得到，根据解吸试验不同阶段得到的气量，将页岩含气量划分为解吸气量、残余气量及损失气量三个部分。解吸气量是页岩样品(页岩样品)在解吸罐中解吸得到的气体体积。损失气量是指钻头钻遇岩层到页岩样品装入解吸罐之前释放出的气体体积。残余气量测量的是解吸终止后残留在页岩样品中的气体体积。
页岩含气性的评价准确与否关键在于对解吸气量和残余气量的测量是否准确，现有技术中解吸气量和残余气量的测量在不同的罐体中分别进行，在样品转移过程中会导致一部分解吸气逸散，会对测量结果造成一定的影响。
发明内容
本发明提供一种页岩储层含气性评价装置及方法，旨在解决现有技术中在测量残余气量时转移样品会使测量结果产生误差的问题，有助于提高测量结果的准确度，使得对页岩储层含气性的评价结果更为准确。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
在第一方面，本发明提供一种页岩储层含气性评价装置，包括：
样品容纳组件，包括密封罐、挡板，以及第一驱动机构，所述密封罐具有上下衔接的上容纳腔和下容纳腔，所述挡板活动设于所述密封罐，所述第一驱动机构连接所述挡板，以驱动所述挡板在封闭姿态和开启姿态间切换，当所述挡板处于所述封闭姿态时，所述挡板将所述上容纳腔和所述下容纳腔分隔开，当所述挡板处于所述开启姿态时，所述上容纳腔和所述下容纳腔在上下方向上相连通；
破碎组件，设于所述下容纳腔的底部；
排气组件，包括密封盖、气体流量计，以及单向阀，所述密封盖盖设于所述上容纳腔的顶部开口，并具有与所述上容纳腔连通的出气口，所述气体流量计的进气端与所述出气口连通，所述气体流量计的出气端与所述单向阀的进气端连通；
气体收集组件，所述气体收集组件的进气端与所述单向阀的出气端连通；以及
气相色谱仪，所述气相色谱仪的进气端与所述气体流量计的出气端连通。
在一种可能的实现方式中，所述密封罐的侧壁沿水平方向开设有避让口，所述挡板的一端滑动配合于所述避让口，另一端设有齿条；
所述第一驱动机构包括：
驱动电机，设于所述密封罐；以及
齿轮，设于所述驱动电机的电机轴，并与所述齿条啮合传动。
在一种可能的实现方式中，所述密封罐具有加热套，所述加热套沿所述上容纳腔和所述下容纳腔的周向设置。
在一种可能的实现方式中，所述破碎组件包括：
托盘，设于所述下容纳腔的底部；
第二驱动机构，设于所述密封罐，用于驱动所述托盘绕竖向的轴线旋转；以及
多个破碎球，可滚动地设于所述托盘上。
在一种可能的实现方式中，所述气体收集组件包括：
气体收集瓶；
进气管，一端与所述单向阀的出气端连通，另一端伸入所述气体收集瓶内；
排水管，一端与所述气体收集瓶的底部连通，另一端伸出至所述气体收集瓶外；
出水阀，设于所述排水管；
气压检测机构，包括设于所述气体收集瓶内的瓶内气压传感器，以及设于所述气体收集瓶外的大气气压传感器；以及
控制模块，所述控制模块与所述出水阀、所述瓶内气压传感器和所述大气气压传感器分别通讯连接。
与现有技术相比，本发明提供的页岩储层含气性评价装置的有益效果是：
本发明提供的页岩储层含气性评价装置包括样品容纳组件、破碎组件、排气组件、气体收集组件和气相色谱仪，使用时，将页岩样品放入样品容纳组件中解吸，解吸产生的气体经过密封盖、气体流量计、单向阀等零部件，进入气体收集组件中进行收集储存。气体收集组件能够收集页岩样品产生的解吸气和残余气用作其他试验，如气体同位素分析等。当解吸气量测量结束后，破碎组件能够将页岩样品粉碎，使页岩样品中残余的气体得到释放，从而进行残余气量的测量。在解吸气和残余气的测量期间，气相色谱仪能够对解吸气和残余气进行取样，通过分析其中氧气的占比对测量结果进行校正，有助于提高测量结果的可靠性和准确性。
本发明中样品容纳组件包括密封罐、挡板和第一驱动机构，挡板能够将密封罐的分隔为上容纳腔和下容纳腔，上容纳腔用于解吸气测量，下容纳腔用于残余气测量。如此设置，使得解吸气测量和残余气测量能够在一个容器内进行，无需转移，操作更简单。同时还解决了页岩样品在转移过程中会导致一部分解吸气逸散的问题，有助于提高测量精度。
本发明中下容纳腔的底部设有破碎组件，解吸结束后使挡板调整为开启姿态，页岩样品落入下容纳腔内，破碎组件将页岩样品粉碎，使残留在页岩样品中的气体得到释放。页岩样品粉碎时可以使挡板处于封闭姿态，防止粉碎产生的灰尘等扩散至气体管路中。
在第二方面，本发明提供一种页岩储层含气性评价方法，采用如上述任一实现方式所述的页岩储层含气量评价装置实现，包括以下步骤：
测量解吸气量，并根据解吸气量计算得到单位质量的页岩样品的解吸气含量Vd；
测量残余气量，并根据残余气量计算得到单位质量的页岩样品的残余气含量Vr；
计算损失气量，并根据损失气量计算得到单位质量的页岩样品的损失气含量Vl；
计算单位质量的页岩样品的总含气量V，计算公式为：V＝Vd+Vl+Vr。
在一种可能的实现方式中，测量解吸气量，并根据解吸气量计算得到单位质量的页岩样品的解吸气含量Vd包括以下步骤：
使挡板处于封闭姿态，将需要测试的页岩样品放入上容纳腔内，使页岩样品产生的解吸气经过气体流量计进入气体收集组件；
通过气体流量计检测流经的解吸气的体积和通过的速率，当解吸气通过的速率低于0.5ml/h后，解吸气量测量结束；
在通过气体流量计检测流经的解吸气通过的速率期间，当通过气体流量计检测到解吸气通过的速度是匀速时，启动气相色谱仪，使得一部分解吸气作为解吸样品气体进入气相色谱仪；
通过气相色谱仪分析得到解吸样品气体的组分，得到O2占解吸样品气体含量的百分比系数
根据和气体流量计所测得的解吸气的总体积量Vm1检测，计算出解吸气中氧气的总体积/>计算公式为：
通过空气中氮气和氧气的体积关系，将解吸气中混入的空气进行等比例扣除，计算得到页岩样品中实际产生的解吸气总量Vm1，计算公式为：
根据页岩样品实际产生的解吸气总量Vm1计算得到标准大气状态下的解吸气体积Vs，计算公式为：
式中Vs为标准大气状态下的解吸气体积；pm1为密封罐上容纳腔内的气压；Vm1为页岩样品实际产生的解吸气总量；Tm1为密封罐内的温度；
根据标准大气状态下的解吸气体积Vs计算得到单位质量的页岩样品的解吸气含量Vd，计算公式为：
式中m为页岩样品的质量。
在一种可能的实现方式中，测量残余气量，并根据残余气量计算得到单位质量的页岩样品的残余气含量Vr包括以下步骤：
将挡板由封闭姿态切换为开启姿态，使页岩样品掉落到下容纳腔内，然后将挡板由开启姿态切换为封闭姿态，启动破碎组件，对页岩样品进行充分破碎；
破碎结束后控制挡板由封闭姿态切换为开启姿态，通过气体流量计检测流经的残余气的体积和通过的速率，当气体流量计检测到测得的残余气通过的速率低于0.5ml/h后，残余气量测量结束；
在通过气体流量计检测流经的残余气通过的速率期间，当通过气体流量计检测到残余气通过的速度是匀速时，启动气相色谱仪，使得一部分残余气作为样品气体进入气相色谱仪，通过气相色谱仪分析得到样品气体的组分，得到O2占样品气体含量的百分比系数
根据和气体流量计所测得的残余气的总体积量Vm2检测，计算出残余气中氧气的总体积/>计算公式为：
通过空气中氮气和氧气的体积关系，将残余气中混入的空气进行等比例扣除，计算得到页岩样品实际产生的残余气总量Vm2，计算公式为：
根据页岩样品实际产生的残余气总量Vm2计算得到标准大气状态下的残余气体积VR，计算公式为：
式中VR为标准大气状态下的残余气体积；pm2为密封罐下容纳腔内的气压；Vm2为页岩样品实际产生的残余气总量；Tm2为密封罐内的温度；
根据标准大气状态下的残余气体积VR计算得到单位质量的页岩样品的残余气含量Vr，计算公式为：
式中m为页岩样品的质量。
在一种可能的实现方式中，所述计算损失气量，并根据损失气量计算得到单位质量的页岩样品的损失气含量包括以下步骤：
将计算机与气体流量计通讯连接，通过计算机自动记录在解吸过程中解吸气的体积变化情况，并对得到的解吸气的体积自动计算和校正，以时间的开平方为横坐标，校正后的解吸气的气体体积为纵坐标，建立解吸曲线；
运用直线拟合计算出损失气量VL，计算公式为：
式中式中VL为损失气量，并取绝对值；k为解吸曲线的直线段斜率；t0为损失气的散失时间；t为解吸气的解吸时间；
计算单位质量的页岩样品的损失气含量Vl，计算公式为：
式中，m为页岩样品质量。
在一种可能的实现方式中，在通过气体流量计检测流经的解吸气的体积和通过的速率的步骤前，利用加热套对密封罐进行升温；
在解吸气量测量结束后，并在测量残余气量前，关闭加热套，使得密封罐冷却降温；
在启动破碎组件，对页岩样品进行充分破碎后，并在通过气体流量计检测流经的残余气的体积和通过的速率前，利用加热套对密封罐进行升温。
与现有技术相比，本发明提供的页岩储层含气性评价方法的有益效果是：
本发明提供的页岩储层含气性评价方法能够对解吸气量和残余气量进行测量，对损失气量进行计算，通过气相色谱仪确定解吸气和残余气的气体组分，利用检测得到的氧气含量对气体解吸数据进行数学校正，提高解吸数据的可靠性和准确性，极大的方便了使用者的使用。有助于对页岩储层的含气性进行合理评价，了解页岩气资源量、储量、可采量等参数，准确评估其经济开发价值。
附图说明
图1为解吸法测量页岩含气量的流程示意图；
图2本发明其中一个实施例提供的页岩储层含气性评价装置的结构示意图；
图3为本发明其中一个实施例中样品容纳组件、破碎组件、排气组件和气体收集组件的结构和示意图；
图4为本发明其中一个实施例中气相色谱仪的结构示意图；
图5为本发明其中另一个实施例中破碎组件的结构示意图。
附图标记说明：
1、页岩储层含气性评价装置；
10、样品容纳组件；11、密封罐；12、挡板；13、第一驱动机构；131、驱动电机；132、齿轮；
20、破碎组件；21、托盘；22、第二驱动机构；23、破碎球；
30、排气组件；31、密封盖；32、气体流量计；33、单向阀；34、三通阀；
40、气体收集组件；41、气体收集瓶；42、进气管；43、排水管；44、出水阀；45、瓶内气压传感器；46、大气气压传感器；
50、气相色谱仪；51、进样系统；52、载气系统；53、色谱柱；54、检测系统；
60、控制器；
70、计算机。
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。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”、“固定”、“固设”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中元件。当一个元件被认为是“连接于”、“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当元件被称为“设置于”、“设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中元件。“多个”指两个及以上数量。“至少一个”指一个及以上数量。“若干”指一个及以上数量。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
请一并参阅图1至图5，下面对本发明实施例提供的页岩储层含气性评价装置1及方法进行说明。
请参阅图1至图5，在第一方面，本发明实施例提供一种页岩储层含气性评价装置1，包括样品容纳组件10、破碎组件20、排气组件30、气体收集组件40和气相色谱仪50。样品容纳组件10包括密封罐11、挡板12，以及第一驱动机构13，密封罐11具有上下衔接的上容纳腔和下容纳腔，挡板12活动设于密封罐11，第一驱动机构13连接挡板12，以驱动挡板12在封闭姿态和开启姿态间切换，当挡板12处于封闭姿态时，挡板12将上容纳腔和下容纳腔分隔开，挡板12处于开启姿态时，上容纳腔和下容纳腔在上下方向上相连通；破碎组件20设于下容纳腔的底部；排气组件30包括密封盖31、气体流量计32，以及单向阀33，密封盖31盖设于上容纳腔的开口，并具有与上容纳腔连通的出气口，气体流量计32的进气端与出气口连通，气体流量计32的出气端与单向阀33的进气端连通；气体收集组件40的进气端与单向阀33的出气端连通；气相色谱仪50的进气端与气体流量计32的出气端连通。
与现有技术相比，本发明实施例提供的页岩储层含气性评价装置1的有益效果是：
本发明实施例提供的页岩储层含气性评价装置1包括样品容纳组件10、破碎组件20、排气组件30、气体收集组件40和气相色谱仪50，使用时，将页岩样品放入样品容纳组件10中解吸，解吸产生的气体经过密封盖31、气体流量计32、单向阀33等零部件，进入气体收集组件40中进行收集储存。气体收集组件40能够收集页岩样品产生的解吸气和残余气用作其他试验，如气体同位素分析等。当解吸气量测量结束后，破碎组件20能够将页岩样品粉碎，使页岩样品中残余的气体得到释放，从而进行残余气量的测量。在解吸气和残余气的测量期间，气相色谱仪50能够对解吸气和残余气进行取样，通过分析其中氧气的占比对测量结果进行校正，有助于提高测量结果的可靠性和准确性。
本发明实施例中样品容纳组件10包括密封罐11、挡板12和第一驱动机构13，挡板12能够将密封罐11分隔为上容纳腔和下容纳腔，上容纳腔用于解吸气测量，下容纳腔用于残余气测量。如此设置，使得解吸气测量和残余气测量能够在一个容器内进行，无需转移，操作更简单。同时还解决了页岩样品在转移过程中会导致一部分解吸气逸散的问题，有助于提高测量精度。
本发明实施例中下容纳腔的底部设有破碎组件20，解吸结束后使挡板12调整为开启姿态，页岩样品落入下容纳腔内，破碎组件20将页岩样品粉碎，使残留在页岩样品中的气体得到释放。页岩样品粉碎时可以使挡板12处于封闭姿态，防止粉碎产生的灰尘等扩散至气体管路中。
本发明实施例中密封罐11可以是不锈钢、玻璃等材质，挡板12活动设于密封罐11，可选的，挡板12可以沿水平方向的轴线转动设于密封罐11内，此时第一驱动机构13为电机。或者，挡板12也可以沿水平方向滑动插设于密封罐11内(挡板12具体可以是插板阀的阀板)，此时第一驱动机构13可以是气缸、液压油缸、电机等。
挡板12能够控制上容纳腔和下容纳腔隔开或连通，当解吸气量的测量时，挡板12处于封闭姿态，挡板12用于承托页岩样品。当解吸气量测量结束后，挡板12切换为开启姿态，使其承托的页岩样品掉落到下容纳腔内，与破碎组件20接触，破碎组件20将页岩样品粉碎，以便于进行残余气量的测量。
需要说明的是，为了防止气体泄露，无论挡板12处于封闭姿态还是开启姿态，挡板12与密封罐11的结合面均需要保证密封。具体可以采用在结合面设置密封垫、密封胶圈等方式，本发明实施例对此不作限制。
破碎组件20用于将页岩样品粉碎，破碎组件20可以是旋转设置的粉碎刀、研磨辊等，能够粉碎页岩样品即可。
排气组件30用于连通密封罐11、气体收集组件40和气相色谱仪50，以引导解吸的气体进入气体收集组件40或气相色谱仪50。密封盖31可开闭地安装在上容纳腔的开口处，可以通过密封圈等密封元件实现密封，防止气体泄露。密封盖31与密封罐11可以采用螺栓连接、卡扣连接等连接形式。气体流量计32用于测量经过的气体体积，可以选用电子气体流量计32，测量较为精确，能够精密检测流过页岩气量，且其上携带的传感模块与计算机70(电脑)连接，能够直接读出相应的读数，操作更方便，如可以用于后续步骤中计算损失气量。气体收集组件40用于收集储存解吸气体，气体收集组件40可以是真空袋、收集瓶等。
如图2和图3所示，可以在气体流量计32的出气端设置三通阀34，三通阀34的具有一个进气口和两个出气口，进气口与气体流量计32的出气端连通，其中一个出气口与单向阀33的进气端连通，另一个出气口与气相色谱仪50的进气端连通。三通阀34可以控制气体由气体流量计32流至单向阀33，或者使气体由气体流量计32流至气相色谱仪50。三通阀34可以是手动阀门，也可以是电控阀门。
需要说明的是，样品容纳组件10、破碎组件20、排气组件30、气体收集组件40和气相色谱仪50可以安装在支架、座体、箱体等支撑结构上，形成一体式的结构，便于运输，方便在野外使用。各个管路接口可以使用橡胶软管连接，方便野外组装。
在一些可能的实施例中，密封罐11的侧壁沿水平方向开设有避让口，挡板12的一端滑动配合于避让口，挡板12邻近第一驱动机构13的一端沿自身长度方向设有齿条，第一驱动机构13包括驱动电机131和齿轮132。驱动电机131设于密封罐11；齿轮132设于驱动电机131的电机轴，并与齿条啮合传动。
本实施例中第一驱动机构13为具有齿轮132的电机，电机驱动齿轮132旋转，带动齿条移动，从而带动挡板12在封闭姿态和开启姿态间切换。
在一些可能的实施例中，挡板12具有上下贯穿的连通孔，当处于开启姿态时，连通孔位于容纳腔内，能够连通上下两个容纳腔。当处于封闭姿态时，连通孔与容纳腔在上下方向上相错开，挡板12将容纳腔隔离为上下两个容纳腔。
本实施例中挡板12沿水平方向滑动设置，并在滑动过程中能够使得上容纳腔和下容纳腔连通或封闭。第一驱动机构13可以是与挡板12连接的气缸、电动伸缩杆等。
在一些可能的实施例中，密封罐11具有加热套，加热套沿上容纳腔和下容纳腔的周向设置。本实施例通过在密封罐的周向设置加热套，能够提高密封罐11的温度，促进页岩气快速解吸，快速解吸时间短，方便野外现场使用。加热套可以是缠绕在密封罐11上的电阻丝，利用电阻丝通电产生的热量对密封罐11加热。此外，加热套还可以是厚膜加热器，本实施例对此不作限制。加热套可以产生高达200℃的稳定温度，加热速度为3℃/min，能够满足使用要求。
请参阅图2、图3和图5，在一些可能的实施例中，破碎组件20包括托盘21、第二驱动机构22和多个破碎球23，托盘21设于下容纳腔的底部；第二驱动机构22设于密封罐11，用于驱动托盘21绕竖向的轴线旋转；多个破碎球23分别可滚动地设于托盘21上。
本实施例采用球磨法测量残余气，当页岩样品掉落到托盘21上后，第二驱动机构22驱动托盘21旋转，托盘21旋转带动托盘21上的破碎球23滚动，破碎球23与页岩样品碰撞，使页岩样品逐渐粉碎。托盘21可以是采用钢材、玻璃、陶瓷等材质，破碎球23可以采用石材、钢铁、铸铁等材质。第二驱动机构22可以选用电机、液压马达或其他能够输出旋转运动的动力装置。
托盘21可以是盘状、漏斗状、圆筒状等，为了增加与页岩样品的碰撞几率，使得页岩样品快速粉碎，托盘21的内壁可以设置碰撞凸起。
破碎球23设有多个，多个破碎球23的直径可以相同，也可以不同。多个破碎球23具有多个不同直径的规格，能够对待测页岩样品进行充分研磨，直至粉碎到0.2464mm(60目)以下，以便于页岩气充分释放。
需要说明的是，第一驱动机构13、第二驱动机构22、气体流量计32、加热套等零部件的工作可以通过控制器60控制。控制器60内置控制STM32芯片，也可以是其他芯片。
请参阅图2和图3，在一些可能的实施例中，气体收集组件40包括气体收集瓶41、进气管42、排水管43、出水阀44、气压检测机构和控制模块。气体收集瓶41内容纳有饱和盐水，或其他不与烷烃气体相容的液体，进气管42一端与单向阀33的出气端连通，另一端伸入气体收集瓶41内；排水管43一端与气体收集瓶41的底部连通，另一端伸出至气体收集瓶41外；出水阀44设于排水管43；气压检测机构包括设于气体收集瓶41内的瓶内气压传感器45，以及设于气体收集瓶41外的大气气压传感器46；控制模块与出水阀44、瓶内气压传感器45和大气气压传感器46分别通讯连接。
本实施例中气体收集组件40采用排水法收集解吸产生的页岩气体，气体收集瓶41可以选用玻璃瓶，气体收集瓶41上设有表示容量的刻度线，以便于查看收集得到的气体体积。进气管42与单向阀33的出气端连通，防止液体回流。
气体收集组件40的工作原理是：控制模块与出水阀44、瓶内气压传感器45和大气气压传感器46分别通讯连接。出水阀44为电磁阀，通过控制模块控制开启和关闭。页岩样品解吸的气体经过气体流量计32、单向阀33、进气管42后进入气体收集瓶41，造成气体收集瓶41内压力高于外界大气压，控制模块控制出水阀44开启，使一部分水由排水管43排出，以维持瓶内气压和外界气压一致，保证解吸气体能够顺利进入气体收集瓶41内。
请参阅图4，在一些可能的实施例中，气相色谱仪50包括进样系统51、载气系统52、色谱柱53和检测系统54。进样系统51的进气端与气体流量计32的出气端连通；载气系统52的出气端与进样系统51连通；色谱柱53的进气端与进样系统51的出气端连通；检测系统54与色谱柱53的出气端连通。
气相色谱仪50的进样系统51与色谱柱53、载气系统52和气体流量计32连接，检测系统54包括检测器，检测器与色谱柱53和计算机70(电脑)相连接，载气系统52包括载气罐和稳压阀，工作时，载气由载气罐(高压钢瓶)中流出，经过减压阀减压至所需压力后，通过净化干燥管，再经稳压阀后，以稳定的压力、恒定的速度流经进样系统51的气化室，与样品气体充分混合，然后将样品气体带入色谱柱53中进行分离，分离后的各组分随载气进入检测系统54，检测器将物质的浓度或质量变化转变为一定的电信号，经放大后在记录仪上记录下来，就得到了色谱流出曲线，从而便于操作人员或计算机70对气体样品中各物质的含量进行定性分析。
本实施例中的色谱柱53为填充柱，柱材可由金属、聚四氟乙烯管或玻璃制成，其内径一般为2-4毫米，长度为1-10米。柱形有U形或螺旋形，其螺旋直径与柱内半径之比范围一般为15：1到25：1。检测器为热导检测器，具有噪声低、体积小、响应快、对各类物质均有响应等优点。计算机70(电脑)能够接收气体流量计32的信号，查看页岩气流过的量，还能处理气相色谱仪50的检测系统54的电信号，并将结果通过显示器进行显示。
在第二方面，本发明实施例提供一种页岩储层含气性评价方法，采用上述任一实施例中的页岩储层含气量评价装置实现，包括以下步骤：
测量解吸气量，并根据解吸气量计算得到单位质量的页岩样品的解吸气含量Vd；
测量残余气量，并根据残余气量计算得到单位质量的页岩样品的残余气含量Vr；
计算损失气量，并根据损失气量计算得到单位质量的页岩样品的损失气含量Vl；
计算单位质量的页岩样品的总含气量V，计算公式为：V＝Vd+Vl+Vr。
在一些可能的实施例中，测量解吸气量，并根据解吸气量计算得到单位质量的页岩样品的解吸气含量Vd包括以下步骤：
使挡板12处于封闭姿态，将需要测试的页岩样品放入上容纳腔内，通过密封盖31将容纳腔的开口处密封，使页岩样品产生的解吸气能够经过气体流量计32进入气体收集组件40；
通过气体流量计32检测流经的解吸气的体积和通过的速率，当气体流量计32检测到解吸气通过的速率低于0.5ml/h后，解吸气量测量结束；
在通过气体流量计32检测流经的解吸气通过的速率期间，当通过气体流量计32检测到解吸气通过的速度是匀速时，启动气相色谱仪50，使得一部分解吸气作为解吸样品气体进入气相色谱仪50；
通过气相色谱仪50分析得到解吸样品气体的组分，得到O2占解吸样品气体含量的百分比系数并结合气体流量计32所测得的解吸气的总体积量Vm1检测，计算出解吸气中氧气的总体积/>计算公式为：
式中Vm1检测和/>的单位均为ml；
通过空气中氮气和氧气的体积关系，将解吸气中混入的空气进行等比例扣除，计算得到页岩样品中实际产生的解吸气总量Vm1，计算公式为：
式中Vm1的单位为ml；
根据页岩样品实际产生的解吸气总量Vm1计算得到标准大气状态下的解吸气体积Vs，计算公式为：
式中Vs为标准大气状态下的解吸气体积，单位为cm3；pm1为密封罐11容纳腔内的气压，单位为kPa；Vm1为页岩样品实际产生的解吸气总量，单位为cm3；Tm1为密封罐11内的温度，单位为℃；
根据标准大气状态下的解吸气体积Vs计算得到单位质量的页岩样品的解吸气含量Vd，计算公式为：
式中m为页岩样品的质量，单位为g；
在一些可能的实施例中，测量残余气量，并根据残余气量计算得到单位质量的页岩样品的残余气含量Vr包括以下步骤：
将挡板12由封闭姿态切换为开启姿态，使页岩样品掉落到下容纳腔内，然后再将挡板12切换为封闭姿态，启动破碎组件20，对页岩样品进行充分破碎；
破碎结束后控制挡板12由封闭姿态切换为开启姿态，通过气体流量计32检测流经的残余气的体积和通过的速率，当气体流量计32检测到测得的残余气通过的速率低于0.5ml/h后，残余气量测量结束；
在通过气体流量计32检测流经的残余气通过的速率期间，当通过气体流量计32检测到残余气通过的速度是匀速时，启动气相色谱仪50，使得一部分残余气作为样品气体进入气相色谱仪50，通过气相色谱仪50分析得到样品气体的组分，得到O2占样品气体含量的百分比系数
根据和气体流量计32所测得的残余气的总体积量Vm2检测，计算出残余气中氧气的总体积/>计算公式为：
式中Vm2检测和/>的单位均为ml；
通过空气中氮气和氧气的体积关系，将残余气中混入的空气进行等比例扣除，计算得到页岩样品实际产生的残余气总量Vm2，计算公式为：
式中Vm2的单位为ml；
根据页岩样品实际产生的残余气总量Vm2计算得到标准大气状态下的残余气体积VR，计算公式为：
式中VR为标准大气状态下的残余气体积，单位为cm3；pm2为密封罐11容纳腔内的气压，单位为kPa；Vm2为页岩样品实际产生的残余气总量，单位为cm3；Tm2为密封罐11内的温度，单位为℃；
根据标准大气状态下的残余气体积VR计算得到单位质量的页岩样品的残余气含量Vr，计算公式为：
式中m为页岩样品的质量，单位为g；
其中，计算单位质量的页岩样品的总含气量V包括以下步骤：
根据公式：V＝Vd+Vl+Vr，计算得到单位质量的页岩样品的总含气量V。
与现有技术相比，本发明实施例提供的页岩储层含气性评价方法的有益效果是：
本发明实施例提供的页岩储层含气性评价方法能够对解吸气量和残余气量进行测量，对损失气量进行计算，通过气相色谱仪50确定解吸气和残余气的气体组分，利用检测得到的氧气含量对气体解吸数据进行数学校正，提高解吸数据的可靠性和准确性，极大的方便了使用者的使用。有助于对页岩储层的含气性进行合理评价，了解页岩气资源量、储量、可采量等参数，准确评估其经济开发价值。
需要说明的是，解吸气的测量、计算单位质量的页岩样品的解吸气含量Vd、残余气量的测量，计算单位质量的页岩样品的残余气含量Vr、计算损失气量、计算单位质量的页岩样品的损失气含量Vl、计算单位质量的页岩样品的总含气量V等步骤，可以人工进行，也可以利用计算机70(电脑)进行自动计算和结果输出。
本发明实施例提供的页岩储层含气性评价方法可以实现解吸气、残余气、损失气的一体化测定和计算。采用计算机70(电脑)进行自动计算和结果输出，在页岩样品装样后，完全不需要额外操作，即可实现含气量的自动化、一体化、智能化测量，不需要额外其他的人为操作，减少人为操作带来的实验误差，测得的结果更加精确。
本发明实施例引入了气相色谱仪50确定气体组分，利用氧气的组分数据对气体解吸数据进行数学校正，提高解吸数据的可靠性和准确性，极大的方便了使用者的使用。
需要说明的是，本发明实施例提供的页岩储层含气性评价方法不受特定区域所限，国内外皆可使用，且不受地层、岩性所限，除页岩气外，煤层气、致密砂岩气等储层含气岩石皆可使用。整体来说，本发明提供的页岩储层含气性评价方法的适用性及适用范围较现有方法更强且更加广泛。
在一些可能的实施例中，计算损失气量，并根据损失气量计算得到单位质量的页岩样品的损失气含量包括以下步骤：
将计算机70与气体流量计32通讯连接，通过计算机70自动记录在解吸过程中解吸气的体积变化情况，并对得到的解吸气的体积自动计算和校正，以时间的开平方为横坐标，校正后的解吸气的气体体积为纵坐标，建立解吸曲线；
运用直线拟合计算出损失气量VL，计算公式为：
式中式中VL为损失气量，并取绝对值，单位为cm3；k为解吸曲线的直线段斜率；t0为损失气的散失时间，单位为min；t为解吸气的解吸时间，单位为min；
计算单位质量的页岩样品的损失气含量Vl，计算公式为：
式中，m为页岩样品质量，单位为g。
本实施例通过计算机70自动计算和记录校正后的解吸气量，并以时间的开平方为横坐标，校正后的气体体积为纵坐标，建立解吸曲线。随后，利用USBM法对损失气量进行计算，这部分操作可以全部由计算机70自动完成，自动化程度高。
本实施例采用的USBM法估算页岩样品的损失气量的原理是：页岩样品为圆柱形，在扩散过程中温度、扩散速率恒定，扩散开始时表面浓度为零，气体浓度从颗粒中心扩散到表面的变化是瞬时的。根据扩散模拟，在解吸作用初期，解吸的总气量随时间的平方根呈线性变化，因此，将最初几个小时解吸作用的读数外推至计时起点，运用直线拟合可以推出损失气量VL，除以页岩样品质量即为单位质量的页岩样品的损失气含量Vl。计算公式为 式中VL(取绝对值)为损失气量，单位为cm3；k为直线段斜率；t0为损失气的散失时间，即钻头钻遇岩层到页岩样品装入解吸罐之前的时间，单位为min；t为解吸气的解吸时间，单位为min；m为页岩样品质量，单位为g。/>
在一些可能的实施例中，在通过气体流量计32检测流经的解吸气的体积和通过的速率的步骤前，利用加热套对密封罐11进行升温；在解吸气量测量结束后，并在测量残余气量前，关闭加热套，使得密封罐11冷却降温；在启动破碎组件20，对页岩样品进行充分破碎后，并在通过气体流量计32检测流经的残余气的体积和通过的速率前，利用加热套对密封罐11进行升温。
本实施例利用加热套对密封罐11进行升温，有助于使页岩快速解吸，提高检测速度，缩短在野外使用时的等待时间。
可以理解的是，上述实施例中的各部分可以进行自由地组合或删减以形成不同的组合实施例，在此不再赘述各个组合实施例的具体内容，在此说明之后，可以认为本发明说明书已经记载了各个组合实施例，能够支持不同的组合实施例。
以上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.页岩储层含气性评价装置，其特征在于，包括：
样品容纳组件，包括密封罐、挡板，以及第一驱动机构，所述密封罐具有上下衔接的上容纳腔和下容纳腔，所述挡板活动设于所述密封罐，所述第一驱动机构连接所述挡板，以驱动所述挡板在封闭姿态和开启姿态间切换，当所述挡板处于所述封闭姿态时，所述挡板将所述上容纳腔和所述下容纳腔分隔开，当所述挡板处于所述开启姿态时，所述上容纳腔和所述下容纳腔在上下方向上相连通；
破碎组件，设于所述下容纳腔的底部；
排气组件，包括密封盖、气体流量计，以及单向阀，所述密封盖盖设于所述上容纳腔的顶部开口，并具有与所述上容纳腔连通的出气口，所述气体流量计的进气端与所述出气口连通，所述气体流量计的出气端与所述单向阀的进气端连通；
气体收集组件，所述气体收集组件的进气端与所述单向阀的出气端连通；以及
气相色谱仪，所述气相色谱仪的进气端与所述气体流量计的出气端连通。
2.根据权利要求1所述的页岩储层含气性评价装置，其特征在于，所述密封罐的侧壁沿水平方向开设有避让口，所述挡板的一端滑动配合于所述避让口，另一端设有齿条；
所述第一驱动机构包括：
驱动电机，设于所述密封罐；以及
齿轮，设于所述驱动电机的电机轴，并与所述齿条啮合传动。
3.根据权利要求1所述的页岩储层含气性评价装置，其特征在于，所述密封罐具有加热套，所述加热套沿所述上容纳腔和所述下容纳腔的周向设置。
4.根据权利要求1所述的页岩储层含气性评价装置，其特征在于，所述破碎组件包括：
托盘，设于所述下容纳腔的底部；
第二驱动机构，设于所述密封罐，用于驱动所述托盘绕竖向的轴线旋转；以及
多个破碎球，可滚动地设于所述托盘上。
5.根据权利要求1所述的页岩储层含气性评价装置，其特征在于，所述气体收集组件包括：
气体收集瓶；
进气管，一端与所述单向阀的出气端连通，另一端伸入所述气体收集瓶内；
排水管，一端与所述气体收集瓶的底部连通，另一端伸出至所述气体收集瓶外；
出水阀，设于所述排水管；
气压检测机构，包括设于所述气体收集瓶内的瓶内气压传感器，以及设于所述气体收集瓶外的大气气压传感器；以及
控制模块，所述控制模块与所述出水阀、所述瓶内气压传感器和所述大气气压传感器分别通讯连接。
6.页岩储层含气性评价方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一项所述的页岩储层含气量评价装置实现，包括以下步骤：
测量解吸气量，并根据解吸气量计算得到单位质量的页岩样品的解吸气含量Vd；
测量残余气量，并根据残余气量计算得到单位质量的页岩样品的残余气含量Vr；
计算损失气量，并根据损失气量计算得到单位质量的页岩样品的损失气含量Vl；
计算单位质量的页岩样品的总含气量V，计算公式为：V＝Vd+Vl+Vr。
7.根据权利要求6所述的页岩储层含气性评价方法，其特征在于，测量解吸气量，并根据解吸气量计算得到单位质量的页岩样品的解吸气含量Vd包括以下步骤：
使挡板处于封闭姿态，将需要测试的页岩样品放入上容纳腔内，使页岩样品产生的解吸气经过气体流量计进入气体收集组件；
通过气体流量计检测流经的解吸气的体积和通过的速率，当解吸气通过的速率低于0.5ml/h后，解吸气量测量结束；
在通过气体流量计检测流经的解吸气通过的速率期间，当通过气体流量计检测到解吸气通过的速度是匀速时，启动气相色谱仪，使得一部分解吸气作为解吸样品气体进入气相色谱仪；
通过气相色谱仪分析得到解吸样品气体的组分，得到O2占解吸样品气体含量的百分比系数
根据和气体流量计所测得的解吸气的总体积量Vm1检测，计算出解吸气中氧气的总体积/>计算公式为：
通过空气中氮气和氧气的体积关系，将解吸气中混入的空气进行等比例扣除，计算得到页岩样品中实际产生的解吸气总量Vm1，计算公式为：
根据页岩样品实际产生的解吸气总量Vm1计算得到标准大气状态下的解吸气体积Vs，计算公式为：
式中Vs为标准大气状态下的解吸气体积；pm1为密封罐上容纳腔内的气压；Vm1为页岩样品实际产生的解吸气总量；Tm1为密封罐内的温度；
根据标准大气状态下的解吸气体积Vs计算得到单位质量的页岩样品的解吸气含量Vd，计算公式为：
式中m为页岩样品的质量。
8.根据权利要求6所述的页岩储层含气性评价方法，其特征在于，测量残余气量，并根据残余气量计算得到单位质量的页岩样品的残余气含量Vr包括以下步骤：
将挡板由封闭姿态切换为开启姿态，使页岩样品掉落到下容纳腔内，然后将挡板由开启姿态切换为封闭姿态，启动破碎组件，对页岩样品进行充分破碎；
破碎结束后控制挡板由封闭姿态切换为开启姿态，通过气体流量计检测流经的残余气的体积和通过的速率，当气体流量计检测到测得的残余气通过的速率低于0.5ml/h后，残余气量测量结束；
在通过气体流量计检测流经的残余气通过的速率期间，当通过气体流量计检测到残余气通过的速度是匀速时，启动气相色谱仪，使得一部分残余气作为样品气体进入气相色谱仪，通过气相色谱仪分析得到样品气体的组分，得到O2占样品气体含量的百分比系数
根据和气体流量计所测得的残余气的总体积量Vm2检测，计算出残余气中氧气的总体积/>计算公式为：
通过空气中氮气和氧气的体积关系，将残余气中混入的空气进行等比例扣除，计算得到页岩样品实际产生的残余气总量Vm2，计算公式为：
根据页岩样品实际产生的残余气总量Vm2计算得到标准大气状态下的残余气体积VR，计算公式为：
式中VR为标准大气状态下的残余气体积；pm2为密封罐下容纳腔内的气压；Vm2为页岩样品实际产生的残余气总量；Tm2为密封罐内的温度；
根据标准大气状态下的残余气体积VR计算得到单位质量的页岩样品的残余气含量Vr，计算公式为：
式中m为页岩样品的质量。
9.根据权利要求6所述的页岩储层含气性评价方法，其特征在于，所述计算损失气量，并根据损失气量计算得到单位质量的页岩样品的损失气含量包括以下步骤：
将计算机与气体流量计通讯连接，通过计算机自动记录在解吸过程中解吸气的体积变化情况，并对得到的解吸气的体积自动计算和校正，以时间的开平方为横坐标，校正后的解吸气的气体体积为纵坐标，建立解吸曲线；
运用直线拟合计算出损失气量VL，计算公式为：
式中式中VL为损失气量，并取绝对值；k为解吸曲线的直线段斜率；t0为损失气的散失时间；t为解吸气的解吸时间；
计算单位质量的页岩样品的损失气含量Vl，计算公式为：
式中，m为页岩样品质量。
10.根据权利要求9所述的页岩储层含气性评价方法，其特征在于，在通过气体流量计检测流经的解吸气的体积和通过的速率的步骤前，利用加热套对密封罐进行升温；
在解吸气量测量结束后，并在测量残余气量前，关闭加热套，使得密封罐冷却降温；
在启动破碎组件，对页岩样品进行充分破碎后，并在通过气体流量计检测流经的残余气的体积和通过的速率前，利用加热套对密封罐进行升温。
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| CN (1) | CN116559019A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117269384A (zh) * | 2023-08-31 | 2023-12-22 | 中国地质大学（北京） | 页岩气测试用多功能解析仪 |
| CN117386357A (zh) * | 2023-10-16 | 2024-01-12 | 中国石油天然气股份有限公司吉林油田分公司 | 一种页岩储层的含气性的检测装置 |
| CN117665305A (zh) * | 2024-02-01 | 2024-03-08 | 山西华新气体能源研究院有限公司 | 含气量自动解吸装置 |
-
2023
- 2023-05-29 CN CN202310620815.9A patent/CN116559019A/zh active Pending
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