CN206057126U

CN206057126U - 一种页岩多组分吸附实验装置

Info

Publication number: CN206057126U
Application number: CN201620799578.2U
Authority: CN
Inventors: 齐荣荣; 王庆; 宁正福; 张宇琪; 杜华明
Original assignee: China University of Petroleum Beijing
Current assignee: China University of Petroleum Beijing
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2026-07-27

Abstract

本实用新型提供了一种页岩多组分吸附实验装置，实验装置包括：参考釜、样品釜、第一压力传感器、第二压力传感器、温度传感器、数据转换模块、数据采集模块、真空泵、气体增压泵、混合气体钢瓶、氦气钢瓶、五通阀、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀、缓冲容器、调压阀和气相色谱仪；其中，所述第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀均关闭，由管线构成的容器为中间区；气相色谱仪的一端与取气阀的一端相连，所述取气阀的另一端通过管线同时与所述第四气动阀的另一端、所述五通阀的第一端口相连。

Description

一种页岩多组分吸附实验装置

技术领域

本实用新型涉及吸附量测量领域，特别涉及一种页岩多组分吸附实验装置。

背景技术

目前，测量气体吸附等温线的实验方法主要有容积法和重量法两大类。其中，容积法根据气体注入方式不同分为定容式和定压式。

定容式容积法，作为最为常用的方法，其实验装置主要由气瓶、真空泵、增压泵、参考釜、样品釜、压力和温度传感器以及恒温箱所组成，实验过程中，先向参考釜中注入吸附质气体，压力稳定后记录参考釜压力，然后打开参考釜和样品釜之间的中间阀，让气体等温膨胀进入样品釜，等待吸附平衡后记录平衡压力，根据质量守恒原理就能计算出每次的吸附增量，累积求和得到对应压力下的吸附量。重复前述过程，就可以得到整条吸附等温线。

定压式容积法与之类似，不同的是将体积固定的参考釜用一个变体积的活塞泵代替，吸附质气体是恒压注入到样品釜中，同样的，利用质量守恒来计算吸附量。但由于变体积活塞泵较复杂、密封性能不好、适用高压条件差、操作不便等缺点，目前很少使用，人们普遍采用定容式容积法，即传统容积法。

重量法是根据吸附前后试样的重量变化来计算吸附量，其主要装置由电磁悬挂天平、高压密闭釜以及恒温箱组成。其中，密闭釜被分隔为两个密闭室，待测岩样和高压气体分别置于两个密闭室内，实验过程中，首先记录样品釜的质量读数，然后逐步向样品釜内充入待测气体，等待天平读数稳定后记录吸附平衡时的样品质量，前后两次质量之差即为吸附气体的质量。重量法实验过程中由于气体存在浮重，因此实验之前需要进行浮力校正。

重量法所需的实验设备造价相对昂贵，目前很少使用。

目前，自动化控制的实验装置极少，大多是需要人进行手动控制，一方面，手动控制需要打开恒温箱，导致实验环境的温度波动较大，延长了压力平衡时间，即需等待更长的吸附实验时间；另一方面，手动控制需要人力，并且压力控制不够准确。而如果采用自动化控制系统，这两个方面的问题均能得到很好的解决。

目前，人们均是基于传统容积法原理设计了不同的吸附实验装置，并没有对容积法的实验流程有太多研究，也没有对实验过程中的误差及误差影响因素进行详细的分析。煤的高压等温吸附试验方法(参照国家标准GB/T 19560-2008)也是基于传统容积法的实验原理，实验流程没有变化。中国实用新型专利CN102607991A为煤/页岩吸附量测定装置，该装置虽具备模拟实际地质条件下页岩吸附天然气的过程并对其吸附的能力进行评价，但测量方法依然是传统容积法。

传统容积法所需要的实验装置简单、操作方便，但多次注气的实验操作会带来测量误差的多次累积，导致测量结果的实验误差很大，最终可能会引起吸附等温线异常，因此该法仅适用于吸附量大(测量误差影响小)的吸附剂(如活性炭等)，对于吸附气量很低的煤/页岩的测量产生很大误差，严重影响实验结果。专利CN102607991A虽然具备煤/页岩吸附量测定的能力，并提出利用气动阀进行程序自动控制，模拟储层压力较高，但其原理是定容式容积法，测量结果的误差依然很大，并不能保证精确测量高温高压等实际地层条件下页岩中混合气体的吸附能力。

实用新型内容

为了能够消除传统容积法测量过程中的误差累积，降低测量结果的实验误差，本实用新型提供了一种页岩多组分吸附实验装置，通过改进实验装置，使得精确测量高温高压等实际地层条件下页岩中混合气体的吸附能力。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种页岩多组分吸附实验装置，所述实验装置包括：参考釜、样品釜、第一压力传感器、第二压力传感器、温度传感器、数据转换模块、数据采集模块、真空泵、气体增压泵、混合气体钢瓶、氦气钢瓶、五通阀、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀和第四气动阀；所述实验装置还包括：缓冲容器和调压阀；其中，

所述参考釜的输出口与所述第二气动阀的一端通过管线相连，所述第二气动阀的另一端通过管线同时与所述第三气动阀的一端、第四气动阀的一端相连，所述第三气动阀的另一端与所述样品釜的输入口相连，所述样品釜的输出端与所述第二压力传感器的一端相连；所述第四气动阀的另一端通过管线与所述五通阀的第一端口相连；

所述温度传感器的一端与所述参考釜的第三端口相连，所述第一压力传感器的一端与所述参考釜的第四端口相连，所述温度传感器的另一端、所述第一压力传感器的另一端、所述第二压力传感器的另一端均与所述数据转换模块的一端相连，所述数据转换模块的另一端与所述数据采集模块相连；

所述混合气体钢瓶的输出口设置第一手动阀，所述氦气钢瓶的输出口设置第二手动阀，所述气体增压泵的一端通过管线同时与第一手动阀、第二手动阀相连，所述气体增压泵的另一端通过管线与所述调压阀的一端相连，所述调压阀的另一端与所述缓冲容器的一端相连，所述缓冲容器的另一端与所述五通阀的第二端口相连，真空泵与所述五通阀的第三端口相连，所述五通阀的第四端口与所述第一气动阀的一端相连，所述第一气动阀的另一端与所述参考釜的输入口相连。

可选的，在本实用新型一实施例中，所述实验装置还包括：气相色谱仪；

所述气相色谱仪的一端与取气阀的一端相连，所述取气阀的另一端通过管线同时与所述第四气动阀的另一端、所述五通阀的第一端口相连。

可选的，在本实用新型一实施例中，所述第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀均关闭，由管线构成的容器为中间区。

可选的，在本实用新型一实施例中，所述五通阀的第五端口作为实验装置的排气口。

可选的，在本实用新型一实施例中，所述参考釜、所述样品釜、所述第一气动阀、所述第二气动阀、所述第三气动阀、所述第四气动阀均处于恒温油浴中。

与传统的装置相比，本装置的效果和优点体现在以下几个方面：

1、本装置在参考釜和样品釜之间设置了中间区，通过阀门相连接，并基于容积法的基本原理，提出了等温吸附实验新的测量方法，可有效减少注气次数，缩短吸附实验时间。

2、本装置中的中间区有两个作用，一是通过中间区的压力过渡作用，实现参考釜一次注气，样品釜中样品多次吸附，精简了实验流程，减少了实验时间；二是可从中间区取气进行混合气体摩尔组成分析，由于取气过程发生在中间区，对样品釜内平衡压力不会造成波动，使得整个实验过程比较稳定；

3、本装置中，从中间区中取出的气体经过较长的取气管线(取气阀与第四气动阀之间管线)后，压力从实验压力降为大气压，进而可直接对取出气体进行气相色谱分析，实现了在线色谱测量，省去了人工取气的繁琐步骤，且避免了人工取气过程中带入杂质气体。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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实用新型的一些实施例，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为本实用新型提出的一种页岩多组分吸附实验装置示意图。

附图标识：

1-混合气体钢瓶，2-氦气钢瓶，3-气体增压泵，4-缓冲容器，5-五通阀，6-排气口，7-真空泵，8-参考釜，9-样品釜，10-气相色谱仪，11-恒温油浴，12-温度传感器，13-第一压力传感器，14-第二压力传感器，15-数据转换模块，16-计算机数据采集模块，17-第一手动阀，18-第二手动阀，19-调压阀，20-第一气动阀，21-第二气动阀，22-第三气动阀，23-第四气动阀，24-取气阀。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，为本实用新型提出的一种页岩多组分吸附实验装置，所述实验装置包括：参考釜8、样品釜9、第一压力传感器13、第二压力传感器14、温度传感器12、数据转换模块15、数据采集模块16、真空泵7、气体增压泵3、混合气体钢瓶1、氦气钢瓶2、五通阀5、第一气动阀20、第二气动阀21、第三气动阀22和第四气动阀24；所述实验装置还包括：缓冲容器4和调压阀19；其中，

所述参考釜8的输出口与所述第二气动阀21的一端通过管线相连，所述第二气动阀21的另一端通过管线同时与所述第三气动阀22的一端、第四气动阀23的一端相连，所述第三气动阀23的另一端与所述样品釜9的输入口相连，所述样品釜9的输出端与所述第二压力传感器14的一端相连；所述第四气动阀23的另一端通过管线与所述五通阀5的第一端口相连；

所述第二气动阀21、第三气动阀22、第四气动阀23均关闭，由管线构成的容器为中间区；

所述温度传感器12的一端与所述参考釜8的第三端口相连，所述第一压力传感器13的一端与所述参考釜8的第四端口相连，所述温度传感器12的另一端、所述第一压力传感器13的另一端、所述第二压力传感器14的另一端均与所述数据转换模块15的一端相连，所述数据转换模块15的另一端与所述数据采集模块16相连；

所述混合气体钢瓶1的输出口设置第一手动阀17，所述氦气钢瓶2的输出口设置第二手动阀18，所述气体增压泵3的一端通过管线同时与第一手动阀17、第二手动阀18相连，所述气体增压泵3的另一端通过管线与所述调压阀19的一端相连，所述调压阀19的另一端与所述缓冲容器4的一端相连，所述缓冲容器4的另一端与所述五通阀5的第二端口相连，真空泵7与所述五通阀5的第三端口相连，所述五通阀5的第四端口与所述第一气动阀20的一端相连，所述第一气动阀20的另一端与所述参考釜8的输入口相连。

可选的，在本实用新型一实施例中，所述实验装置还包括：气相色谱仪10；

所述气相色谱仪10的一端与取气阀24的一端相连，所述取气阀24的另一端通过管线同时与所述第四气动阀23的另一端、所述五通阀5的第一端口相连。

以80％CH₄+20％CO₂混合气体在页岩上的吸附实验，对本实验装置作详细介绍。但这些实例不能被理解为本实用新型可实施范围的限定。实验的具体过程如下：

首先进行参考釜和样品釜体积的计算。

向样品釜9中装入数个不锈钢钢珠，使用真空泵7对整个实验装置抽真空，所有阀门处于关闭状态，设置油浴11温度为30℃。打开第一气动阀20和第二手动阀18，氦气钢瓶2中的氦气在气体增压泵3的作用下经过缓冲容器4到达参考釜8，关闭第一气动阀20，通过温度传感器12和第一压力传感器13监测参考釜8的压力和温度，待压力温度稳定记录参考釜8压力P_ref1。打开第二气动阀21和第三气动阀22，氦气等温膨胀进入样品釜9，通过第二压力传感器14监测样品釜的压力，待吸附平衡后记录平衡压力为P_sam1。改变样品釜9中的钢珠数，重复上述步骤，如此循环两次，最终得到三组参考釜压力和平衡压力。根据质量守恒定律，有以下公式：

ρ_ref1V_ref＝ρ_sam1(V_ref+V_sam-ΔV) (1)

式中，ρ_ref1、ρ_sam1分别为氦气在压力P_ref1和压力P_sam1下的密度，kg/m³，通过氦气状态方程求得；V_ref、V_sam分别为参考釜8的体积、样品釜9的体积，cm³；△V为装入样品釜9中的样品体积。其中，当测量样品釜9和参考釜8体积时，该体积为装入样品釜的不锈钢珠的体积，当测量自由空间体积和中间体积时，该体积为装入样品釜的页岩样品骨架体积，cm³。

将方程(1)整理成以下形式：

方程(2)为直线方程y＝kx+b的形式。其中，参考釜8体积V_ref为直线斜率k，样品釜9体积V_sam为直线截距b。通过改变样品釜9中钢珠数，重复氦气膨胀实验，循环三次，得到三组压力值，利用He状态方程计算得到三组ρ_ref1、ρ_sam1值，进而将三组△V、ρ_refl、ρ_saml值按照方程(2)的形式拟合成一条直线，根据直线的斜率和截距可得参考釜和样品釜体积。

由图1可知，在缓冲容器4的气体输入端设置有调压阀19，该阀门主要用于控制气体增压泵3作用下的气体压强在40MPa以内，增长实验装置的寿命。混合气体钢瓶1和氦气钢瓶2输出的气体在气体增压泵3的作用下经过缓冲容器4后才到参考釜8。这样避免输入的气体压强过大对参考釜8造成损坏。温度传感器12、第一压力传感器13和第二压力传感器14监测的数据通过数据转换模块15处理，转换成被数据采集模块16所接受格式的数据。

下面进行自由空间体积和中间区体积标定。

在样品釜9中装入页岩样品(样品经过干燥箱110℃恒温干燥12小时)，使用真空泵7对系统抽真空，所有阀门处于关闭状态，设置油浴11温度为30℃。打开第二手动阀18和第一气动阀20，氦气钢瓶2中氦气在气体增加泵的作用下经过缓冲容器4到达参考釜8。关闭第一气动阀20，待压力温度稳定记录参考釜压力P_ref2，打开第二气动阀21和第三气动阀22，氦气等温膨胀进入样品釜9，待压力温度稳定后记录平衡压力为P_sam2，通过以下公式可计算出页岩样品骨架体积V_frame：

式中，V_frame为页岩样品骨架体积，cm³；ρ_ref2、ρ_sam2分别为氦气在压力P_ref2(单位MPa)和P_sam2(单位MPa)下的密度，kg/m³。

则样品釜中装入页岩样品后的自由空间体积为：

V_void＝V_sam-V_frame (4)

式中，V_void为自由空间体积，cm³。

紧接着关闭第二气动阀21，打开第三气动阀22和第四气动阀23，使用真空泵7对样品釜9抽真空，关闭第三气动阀22和第四气动阀23，打开第二气动阀21，并同时打开第一气动阀20和第二手动阀18，在0-10MPa的范围内再次向参考釜中充入氦气，在气体增加泵3的作用下，氦气经过缓冲容器4到达参考釜8，关闭第一气动20，待压力温度稳定记录参考釜压力P_ref3，打开第三气动阀22，氦气等温膨胀进入样品釜，待吸附平衡后记录平衡压力为P_sam3，根据质量守恒定律，可得以下等式：

ρ_ref3(V_ref+V_mid)＝ρ_sam3(V_ref+V_void) (5)

整理可得到计算中间体积的表达式：

上式中，ρ_ref3、ρ_sam3分别为氦气在压力P_ref3(单位MPa)和P_sam3(单位MPa)下的密度，kg/m³；V_mid为中间体积，cm³。

下面进行混合气体吸附的测量。

使用真空泵7对实验系统抽真空，所有阀门关闭，设置油浴温度为恒定值T。打开第一气动阀20和第一手动阀17，混合气体钢瓶1中的混合气体在气体增压泵3的作用下经过缓冲容器4到达参考釜8，压力达到预设值后，关闭第一气动阀20，待压力温度稳定后，打开第二气动阀21，混合气体进入中间区，待平衡后记录参考釜充气压力为P_in。该中间区为第二气动阀21、第三气动阀22和第四气动阀23均关闭之后由装置的管线构成。中间区的体积远小于参考釜的体积。关闭第二气动阀21，打开第四气动阀23和取气阀24，从中间区中取出混合气，运用气相色谱仪10分析混合气体气源组成y_in(j)(j代表混合气体中各个组分气体)，真空泵7利用五通阀5与缓冲容器4、参考釜8、中间区通过管线相连通，对中间区和取气管线抽真空后关闭第四气动阀23。打开第二气动阀21，参考釜8中的混合气体进入中间区，关闭第二气动阀21，打开第三气动阀22，中间区中气体进入样品釜9，待吸附平衡后，记录参考釜压力为P_{ref_1}，样品釜压力为P_{sam_1}。关闭第三气动阀22，再次从中间区中取气，运用气相色谱仪分析吸附平衡后混合气体组成y_{equ_1}(j)(j代表混合气体中各个组分气体)。

第1次吸附平衡之后开始测试，实验装置的总气量为：

其中，

第1次吸附平衡之后混合气体吸附量：

其中，

第1次吸附平衡时混合气体的第j个组分的吸附量为：

由于测量第1次吸附平衡时，要取出部分气体进行吸附平衡后混合气组分分析，因此第二个吸附点开始测试时，装置的总气量要在原始总气量的基础上减去取出的这部分气体：

依次类推，测量第n个吸附平衡点时，装置的总气量为：

第n次吸附平衡时混合气体吸附量为：

第n次吸附平衡时混合气体的第j个组分的吸附量为：

以上各个式子中，n_{total_i}为测量第i次吸附平衡时实验装置总气量，mmol/g；n_{mix_i}为测量第i次吸附平衡时混合气体的吸附量，mmol/g；n_{single_i}(j)为测量第i次吸附平衡时混合气体中各个气体组分的吸附量，j代表混合气体中各个气体组分，mmol/g；y_in(j)为混合气体组成浓度，j代表混合气体中各个气体组分；y_{equ_i}(j)为第i次吸附平衡后的混合气体中各个气体组分组成浓度；ρ_in为温度T、压力P_in时混合气体组成浓度为y_in时的混合气体密度，kg/m³；ρ_{ref_i}为温度T、压力P_{ref_i}时混合气体组成浓度为y_in时的混合气体密度，kg/m³；ρ_{sam_i}为温度T、压力P_{sam_i}时混合气体组成浓度为y_{equ_i}时的混合气体密度，kg/m³；M_in是混合气体组成浓度为y_in时的混合气体摩尔质量，g/mol；M_{equ_i}是混合气体组成浓度为y_{equ_i}时的混合气体摩尔质量，g/mol；M_j为混合气体中第j个组分的摩尔质量，g/mol。m表示置于样品釜中页岩样品的质量，g。i表示混合气体吸附平衡实验中达到吸附平衡的次数，i为自然数，i小于等于n。

由图1可知，五通阀5上有一个排气口6，用于实验完成后，将实验装置内残余的气体排出，这样就彻底完成了吸附平衡实验。

最后应说明的是：上述仅用以说明本实用新型而并非限制本实用新型所描述的技术方案；尽管本说明书对本实用新型已进行了详细的说明，但是，本领域的技术人员仍然可以对本实用新型进行修改或等同替换，一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。

Claims

1.一种页岩多组分吸附实验装置，所述实验装置包括：参考釜、样品釜、第一压力传感器、第二压力传感器、温度传感器、数据转换模块、数据采集模块、真空泵、气体增压泵、混合气体钢瓶、氦气钢瓶、五通阀、第一气动阀、第二气动阀、第三气动阀和第四气动阀；其特征在于，所述实验装置还包括：缓冲容器和调压阀；其中，

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述实验装置还包括：气相色谱仪；

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二气动阀、第三气动阀、第四气动阀均关闭，由管线构成的容器为中间区。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述五通阀的第五端口作为实验装置的排气口。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述参考釜、所述样品釜、所述第一气动阀、所述第二气动阀、所述第三气动阀、所述第四气动阀均处于恒温油浴中。