CN207263565U - 一种多功能煤/页岩超高压气体吸附和渗流实验评价装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多功能煤/页岩超高压气体吸附和渗流实验评价装置，设置有高压驱替泵，高压驱替泵通过高压管线与阀门、高压中间容器、压力表、高压中间容器、压力表、阀门连接；设置真空泵，通过高压管线与中间容器、中间容器、脉冲发生器和恒温系统连接；设置有恒温系统；设置有围压泵，围压泵通过高压管线与压力表、水蒸气发生器和恒温系统连接；又设有气体流量计，该流量计通过高压管线与气液分离器、恒温系统连接。本实用新型可分别测量实验岩心的孔隙度、渗透率，吸附量，气水相渗、实验过程中岩心电阻率的变化，以及不同含水饱和度对吸附解析量的影响。

Description

一种多功能煤/页岩超高压气体吸附和渗流实验评价装置

技术领域

本实用新型属于煤页岩气吸附解析测定技术领域，尤其涉及一种多功能煤/页岩超高压气体吸附和渗流实验评价装置。

背景技术

煤/页岩具有一定的孔隙度，可以蕴藏一定量的石油或者天然气。这部分资源属于非常规油气藏，我国页岩气储量达到了31.5万亿方，到2020年，我国将新增煤层气探明地质储量1万亿立方米；煤层气(煤矿瓦斯)抽采量力争达到400亿立方米，开采潜力巨大。目前对于煤页岩气吸附曲线测定主要参考煤层气的等温吸附曲线的测定方法来进行实验，实验过程中将煤页岩研磨成60—80目的粉末来进行等温吸附实验。该方法破坏了原始岩心的孔隙结构，测得实验结果是否具有代表性还有待进一步探讨。而页岩吸附气量测定时多采用干燥岩心，因而该实验所涉及到的仪器，忽略了岩心含水量对页岩吸附气量的影响，未见到低于束缚水饱和度时的含水量对吸附量的影响实验结果。而相关研究表明，页岩中的含水量对页岩气的吸附能力有很大的影响，页岩中含水量越高，水占据的孔隙空间就越大，从而减少了游离态烃类气体的容留体积和矿物表面吸附气体的表面位置，因此含水量相对较高的样品，其气体吸附能力就较小。因此测量在不同的含水量条件下的页岩吸附气量意义重大。而由于页岩气吸附仪功能较为单一，往往测量不同物理参数需要不同的实验仪器，导致各项实验非常耗时，而且步骤冗杂。因此，实验仪器的多功能性可以在很大程度上提高实验效率，加快实验速度，并且可以避免由于反复拆卸而导致的对岩心结构的破坏。一种新吸附解吸实验装置及方法(申请号：CN 104390883 A)本实用新型提供了一种新型吸附解吸实验装置级试验方法，主要有参考室、样品缸、围压泵、高压驱替泵、真空泵、气罐组、恒温系统、各项压力表等组成，并且参考室、样品缸、压力传感器均置于恒温系统中。其中的样品缸主要由样品室、围压室、左右堵头、筒体、探头上的左右电极和围压室中侧电极组成。围压室通过高压管线与围压泵相连接，通过围压泵向围压室增加围压，能够模拟岩石样本在地层中的真实条件。气罐组连接恒温系统中的高压管线中，装入了脉冲发射器，亦可使通过岩心的气体模拟出真实的地下渗流条件。本实用新型原理可靠，装置结构简单，操作简单、安全。并且本实用新型的优势在于，在能够模拟真实地层环境的基础上，确定不同储层温度和压力条件，并且岩样对甲烷的吸附解吸规律，对页岩气赋存形态研究以及储量计算可以提供合理的实验数据。但在测试低于束缚水饱和度条件下含水饱和度影响时难度较大，不能保障含水饱和度的均匀，同时需要反复拆卸，容易破坏岩心，且一台设备仅能测试吸附量。高温高压吸附测试仪(CN202066774U)本实用新型高温高压吸附测试仪，用于煤层气、页岩气在不同压力条件下等温吸附量、解吸量测试。高温高压吸附测试仪，包括气体增压装置、吸附装置、温度控制装置、升降装置和数据采集系统；气动开关阀连接在氦气瓶，气动开关阀出口端连接安全阀、梭阀和高压驱替泵，高压驱替泵的出口并联有2～8个气动切换阀；每个气动切换阀连接一个参考罐和一个样品吸附罐；在参考罐和样品吸附罐的另一端分别连接有压力变送器。在恒温油槽的底部固定有制冷系统的蒸发器；在恒温油槽内固定有带孔隔板、电加热元件和温度控制仪。效果是：结构合理、紧凑，便于移动，使用方便，尤其适用于煤、页岩气解吸和吸附量的室内实验。该装置测定的吸附量破坏了岩心结构，且不能测试含水饱和度阶段对吸附量的影响等。

综上所述，现有用于测量煤/页岩气吸附量仪器在低于含水饱和度吸附量时很难测定饱和度的均匀程度对实验结果造成一定偏差；只能单一的进行吸附解吸的实验，需要不同试验设备测试岩心其他基础参数，反复装卸容易造成岩心结构的破坏。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种基于多功能煤/页岩超高压气体吸附解析实验装置的页岩气吸附方法，旨在解决现有用于测量页岩气吸附量的仪器功能单一，不能改变岩心的含水量，且反复拆卸对岩心孔隙结构的改变，从而使测得的数据与真实地层中的相应数据有较大偏差等问题。

本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

本实用新型的一种多功能煤/页岩超高压气体吸附解析实验装置，所述多功能煤/页岩超高压气体吸附和渗流实验评价装置设置有驱替泵，所述驱替泵通过高压管线与第一阀门、高压中间容器、第六压力表及第十三阀门相连，又与第二阀门、高压中间容器、第五压力表及第十二阀门相连。

进一步，设置真空泵，所述真空泵通过高压管线，与第十四阀门、高压中间容器、高压中间容器、脉冲发射器、第十阀门、排空阀及恒温系统相连。

进一步，设置有脉冲发射器，所述脉冲发射器通过高压管线与围压泵、第一压力表、第五阀门、及恒温系统中样品岩心夹持器连接；

进一步，设置有气体流量计，所述气体流量计通过高压管线与气液分离器、回压阀、第一阀门及恒温系统连接。

进一步，所述恒温系统包括参考室、样品岩心夹持器，参考室与样品岩心夹持器入口端通过高压管线与第四阀门、连接有标准室的压力表、第一阀门、第九阀门连接，出口端通过连接有标准室的压力表及第六阀门、第一第八阀门、第二压力表连接。

本实用新型具有的优点和积极效果是：由于本实用新型只使用一台仪器，能测量实验岩心的孔隙度、渗透率，高温超高压条件下的吸附量、岩电，气水相渗以及不同含水饱和度对吸附解析量的影响。采用水蒸气注入岩心，使得岩心内含水量分布变得更加均匀，增强了实验结果的准确性；采用电阻率检测技术与体积法相互校正，实验精准测量；避免反复拆卸对岩心孔隙结构的改变，与实际更相符；对样品岩心持续增加围压，模拟真实地层环境，提高实验的准确性与真实性；对样品完整性有较好的保护，从而避免了传统方法中因破碎岩心而造成实验数据的不准确性。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的多功能煤/页岩超高压气体吸附和渗流实验评价装置结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的样品岩心夹持器结构示意图；

图中：1、高压驱替泵；2、第一阀门；3、高压中间容器；4、第二阀门；5、高压中间容器；6、水蒸气发生器；7、脉冲发生器；8、排空阀；9、第三阀门；10、第四阀门；11、围压泵；12、第七压力表；13、第一压力表；14、第五阀门；15、样品岩心夹持器；15-1、密封组件；15-2、压力探头；15-3、水雾输入探头；15-4、压环；15-5、封头；15-6、左夹紧环；15-7、连接杆；15-8、左岩心塞；15-9、带有小孔和电极的套筒；15-10、岩心；15-11、右岩心塞；15-12、快开螺母组及右夹紧环；15-13、轴向加载筒体；15-14、轴向活塞；15-15、轴向密封活塞；15-16、轴向封头；15-17、电极；15-18、气孔；16、第八压力表；17、第六阀门；18、回压阀；19、气液分离装置；20、气体流量计；21、第七阀门；22、流量计阀；23、第八阀门；24、第二压力表；25、参考室；26、第三压力表；27、第九阀门；28、第十阀门；29、第四压力表；30、第十一阀门；31、第五压力表；32、第十二阀门；33、第六压力表；34、第十三阀门；35、第十四阀门；36、真空泵。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型在于页岩气吸附仪实现多功能性，在一定条件下可测量岩心的渗透率，改变装置的连接，可测量岩心不同状态下的吸附量的变化；在于改变不同实验条件，测量岩心的吸附量，从而建立不同物理因素，包括岩心的含水量、温度、压力等对吸附量的影响。

下面结合附图对本实用新型的应用原理作详细的描述。

如图1所示，本实用新型实施例的多功能煤/页岩超高压气体吸附解析实验装置由高压驱替泵1、第一阀门2、高压中间容器3、第二阀门4、高压中间容器5、水蒸气发生器6、脉冲发生器7、排空阀8、9第三阀门9、第四阀门10、围压泵11、第七压力表12、第一压力表13、第五阀门14、样品岩心夹持器15、第八压力表16、第六阀门17、回压阀18、气液分离装置19、气体流量计20、第一第七阀门21、流量计阀22、第一第八阀门23、第二压力表24、参考室25、第三压力表26、第一第九阀门27、第十阀门28、第四压力表29、第十一阀门30、第五压力表29、第十二阀门32、第六压力表33、第十三阀门34、第十四阀门35、真空泵36。

高压驱替泵1通过高压管线和阀门与装实验流体的高压中间容器3、高压中间容器5相连；真空泵36通过高压管线与高压中间容器3、高压中间容器5、脉冲发生器7、排空阀8及恒温系统连接；恒温系统通过高压管线与油气分离装置19、第一第七阀门21和气体流量计20连接；恒温系统中参考室通过管线和阀门与样品岩心夹持器连接；样品岩心夹持器通过高压管线与围压泵连接；水蒸汽发生器通过高压管线与样品岩心夹持器连接。

恒温系统包括：参考室25和样品缸15，参考室25和样品缸15通过高压管线连接在一起，参考室25和样品缸15的高压管线上入口端设置有高压管线与第三压力表26、第一第九阀门27、第四阀门10及第七压力表12(该标准室在进行除低渗透压力脉冲法之外的实验时不开启)，而高压管线上的出口端连接设置有第二压力表24、第一第八阀门23、第六阀门17及第八压力表16(该标准室在进行除低渗透压力脉冲法之外的实验时不开启)。

真空泵1和恒温系统的高压管线上安装有第十四阀门35、第十阀门28和放空阀8，高压中间容器3、高压中间容器5的进口端分别安装有第一阀门2、第二阀门4，高压中间容器3、高压中间容器5的出口端分别安装有第六压力表33、第五压力表29、第十三阀门34、第十二阀门32。

流量计的高压管线上安装有流量计阀22、放空阀21、气液分离装置19、回压阀18，并且流量计阀22与气液分离装置19、回压阀18为并联关系，第一第七阀门21与流量计20、流量计阀22并联关系。

水蒸气发生器通过高压管线与第三阀门9和样品岩心夹持器的两端及中段相连。

所述一种多功能煤/页岩超高压气体吸附和渗流实验评价装置中，压力表均与电脑相连接，以实现数据的实时采集。

如图2所示，样品岩心夹持器15包括：密封组件15-1、压力探头15-2、水雾输入探头15-3、压环15-4、封头15-5、左夹紧环15-6、连接杆15-7、左岩心塞15-8、带有小孔和电极的套筒15-9、岩心15-10、右岩心塞15-11、快开螺母组及右夹紧环15-12、轴向加载筒体15-13、轴向活塞15-14、轴向密封活塞15-15、轴向封头15-16、电极15-17、气孔15-18。

所述样品缸可通过阀门的开关分别与参考室、流量计连接：样品缸与流量计连接是用时可测量流体通过岩心前后的压强差以及通过岩心流体流量，从而测量岩心渗透率；样品缸与参考室连接使用时可测量参考室连接样品缸前后压强差，再运用Langmuir公式来计算岩心吸附量。所述样品缸中探头上的电阻率传感器，通过测量岩心电阻率大小计算岩心的含水量，从而可以参量不同含水量下岩心的吸附量，可得含水量对吸附量的影响。

下面结合具体实施例对本实用新型的工作原理作详细的描述。

本实用新型的工作原理：

1.测量样品岩心的孔隙体积与孔隙度：打开第五阀门14，打开围压泵11，使样品岩心夹持器15达到实验围压。关闭第十三阀门34、32、30、8、17、23，打开真空泵36，打开第十四阀门35、28、10、27，将参考室25和样品岩心夹持器15抽真空。关闭第十四阀门35、第四阀门10，并关闭真空泵36。打开高压驱替泵1，打开第一阀门2、第十三阀门34，使高压中间容器3中的气体通入参考室25，并使压力达到一定数值(根据具体情况而定)，关闭第十阀门28，并待压力稳定后，记录参考室25的压力。打开第四阀门10，使气体膨胀到样品岩心夹持器15中，待压力稳定后，记录相应的平衡压力。根据波义耳定律计算岩心孔隙体积和孔隙度。关闭围压泵11，关闭高压驱替泵1，关闭第一阀门2、34，打开阀门8，放空系统压力，结束实验。

2.一定含水饱和度下煤/页岩气吸附实验：打开第五阀门14，打开围压泵11，使样品岩心夹持器15达到实验围压。打开第十四阀门35、28、10、27，利用真空泵36将参考室25和样品岩心夹持器15抽真空。关闭第十四阀门35，并关闭真空泵36。设置并调节恒温箱温度，使样品岩心夹持器15和参考缸25的温度稳定在实验温度(视具体情况而定)。打开第一阀门2、34，打开高压驱替泵1，通过高压中间容器3向系统内充入氦气，关闭第十阀门28，测量并记录参考室25和样品岩心夹持器15的压力数据，若压力在6h内保持不变，则说明系统气密性良好。待气密性测量结束后，关闭高压驱替泵1，并关闭第一阀门2、34，然后打开真空泵36，打开第十四阀门35、28，将系统重新抽真空。关闭第十四阀门35、10，关闭真空泵36。打开高压驱替泵1，打开第一阀门2、34，使高压中间容器3中的氦气注入参考室，并使压力达到一定值(视具体情况而定)，关闭第十阀门28，并待压力稳定后，记录参考室25的压力。打开第四阀门10，使气体膨胀到样品岩心夹持器15中，待压力稳定后，记录相应的平衡压力。依次升高参考室压力，通过波义尔定律计算，测定样品岩心夹持器的自由空间体积。关闭第十三阀门34、2，打开真空泵36，第十四阀门35、28，将参考室25和样品岩心夹持器15抽真空。关闭第十四阀门35、第四阀门10，并关闭真空泵36。打开第三阀门9，通过水蒸气发生器6向样品岩心夹持器15中的岩心注入实验量要求的水蒸气。关闭第三阀门9，水蒸气发生器6，通过电极采集数据测量岩心电阻率，计算其含水饱和度。打开高压驱替泵1，第二阀门4、32，向参考室25内注入高压中间容器5中的甲烷气体，关闭第十阀门28，待压力稳定到实验压力(视具体情况而定)后，采集参考室25的压力。打开第四阀门10，使甲烷气体膨胀到样品岩心夹持器15中，待压力稳定后，采集样品岩心夹持器压力，并记录相应的平衡压力。改变实验压力，获取不同压力下的吸附量。改变含水饱和度，重复上述实验步骤获取不同含水饱和度下煤/页岩气吸附量。关闭围压泵11，关闭高压驱替泵1，关闭第一阀门2、34、14，打开阀门8，放空系统压力，结束实验。

3.常规煤岩渗透率测定实验步骤：打开第五阀门14，打开围压泵11，使样品岩心夹持器15达到实验围压。在关闭除围压泵管线上第五阀门14外的所有阀门之后，打开第十四阀门35、28、10，并打开真空泵36，将样品岩心夹持器15抽真空。关闭第十四阀门35、第四阀门10，并关闭真空泵36。打开高压驱替泵1，打开第一阀门2、34，使高压中间容器3中的氦气注入样品岩心夹持器15，控制压力使氦气缓慢通过岩心。打开气体流量计20，打开第六阀门17、22，待气体流量计20示数稳定后读取渗流流量。通过气体达西定律计算得出岩心渗透率。关闭围压泵11，第五阀门14，关闭高压驱替泵1，关闭第一阀门2、34，结束实验。

4.低渗透率页岩渗透率测定实验步骤：打开第五阀门14，打开围压泵11，使样品岩心夹持器15达到实验围压。在关闭除围压泵管线上第五阀门14外的所有阀门之后，打开第十四阀门35、28、10，并打开真空泵36，将样品岩心夹持器15抽真空。关闭第十四阀门35，打开脉冲发生器7，打开第十一阀门30，打开第六阀门17、21。待压力表12、16所连接的标准室内压力与岩样内部压力平衡后，给一个压力脉冲，记录压力传感器29、12、16的压差变化与其对应的时间，通过压力脉冲法的计算方法，求得岩心渗透率。关闭围压泵11，第五阀门14，关闭脉冲发生器7，关闭第十一阀门30，结束实验。

5.岩电实验步骤：打开第五阀门14，打开围压泵11，使样品岩心夹持器15达到实验围压。关闭第十三阀门34、32、30、8、17、27，打开第十四阀门35、28、10，并打开真空泵36，将样品岩心夹持器15抽真空。关闭第十四阀门35，并关闭真空泵36。打开高压驱替泵1，打开第二阀门4、32、17、21，向样品岩心夹持器15中注入高压中间容器5中的模拟地层水(根据实际的地层水矿化度和水型等资料配制)，并等待其充分饱和。关闭第二阀门4、32、21，打开第一阀门2、34，打开阀门18，向样品岩心夹持器15中注入高压中间容器3中的气体注入岩心，驱替岩心中饱和的水，通过电极采集数据测量其电阻率。关闭围压泵11，第五阀门14，关闭高压驱替泵1，关闭第一阀门2、34。利用阿尔奇公式计算出岩电实验参数，完成实验。

6.气水两相相对渗透率曲线测定步骤：打开第五阀门14，打开围压泵11，使样品岩心夹持器15达到实验围压。关闭第十三阀门34、32、30、8、17、27、23，打开第十四阀门35、28、10，并打开真空泵36，将样品岩心夹持器15抽真空。关闭第十四阀门35，并关闭真空泵36。打开高压驱替泵1，打开第二阀门4、32、17、21，关闭阀门18、22，向样品岩心夹持器15中注入高压中间容器5中的地层水，并等待其充分饱和。关闭第二阀门4、32、21，打开第一阀门2、34、18，设置实验回压，采用恒速或恒压方式驱替，利用气体驱替岩心中的水，计量不同时刻的产水量、气体流量，直至无水产出为止。采用非稳态气水相渗计算方法获取该岩心的气水相渗曲线。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种多功能煤/页岩超高压气体吸附和渗流实验评价装置，其特征在于，所述多功能煤/页岩超高压气体吸附和渗流实验评价装置设置有驱替泵，所述驱替泵通过高压管线与第一阀门、高压中间容器、第六压力表及第十三阀门相连，又与第二阀门、高压中间容器、第五压力表及第十二阀门相连。

2.如权利要求1所述的多功能煤/页岩超高压气体吸附和渗流实验评价装置，其特征在于，设置真空泵，所述真空泵通过高压管线，与第十四阀门、高压中间容器、高压中间容器、脉冲发射器、第十阀门、排空阀及恒温系统相连；

设置有脉冲发射器，所述脉冲发射器通过高压管线与围压泵、第一压力表、第五阀门、及恒温系统中样品岩心夹持器连接；

设置有气体流量计，所述气体流量计通过高压管线与气液分离器、回压阀、第一阀门及恒温系统连接；

所述恒温系统包括参考室、样品岩心夹持器，参考室与样品岩心夹持器入口端通过高压管线与第四阀门、连接有标准室的压力表、第一阀门、第九阀门连接，出口端通过连接有标准室的压力表及第六阀门、第一第八阀门、第二压力表连接。