本發(fā)明屬于吸附氣量測量領(lǐng)域，特別涉及一種大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置。

背景技術(shù)：

目前，氣體等溫吸附及解吸曲線的測量有體積法和重量法兩大類。其中，容積法根據(jù)氣體波義耳定律和質(zhì)量守恒定律來計算吸附量，重量法是根據(jù)吸附前后樣品的重量變化來計算吸附量。

由于頁巖氣的吸附能力相比于煤和活性炭小很多，因此測量頁巖的等溫吸附及解吸曲線時容易產(chǎn)生較大誤差，嚴(yán)重影響實(shí)驗結(jié)果。因此要提高測量的準(zhǔn)確度需要提高樣品的重量，從而提高樣品的總吸附氣量來減少實(shí)驗誤差。除了實(shí)驗精度之外，由于有些頁巖氣藏的溫度和壓力非常高，通過Langmuir方程將較低溫度和壓力條件下的吸附曲線進(jìn)行外推獲得地層溫度和壓力條件下的等溫吸附及解吸曲線是不正確的，因此要想獲得實(shí)際地層溫度和壓力條件下的頁巖等溫吸附及解吸曲線需要通過實(shí)驗裝置進(jìn)行實(shí)驗測量得到，實(shí)驗裝置在高溫和高壓條件下的密封性也是需要解決的一個技術(shù)難題。

目前國內(nèi)的等溫吸附儀器還不能滿足這兩方面的要求。如何設(shè)計一款誤差小、耐高溫和高壓的頁巖等溫吸附及解吸實(shí)驗裝置，就成為本發(fā)明想要解決的問題。

有鑒于此，本發(fā)明人根據(jù)多年從事本領(lǐng)域和相關(guān)領(lǐng)域的生產(chǎn)設(shè)計經(jīng)驗，研制出一種大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，以期解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是在于提供一種大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，在溫度穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗，保證了實(shí)驗的準(zhǔn)確性，精度高，且數(shù)據(jù)為自動采集，實(shí)驗結(jié)果可靠。

為此，本發(fā)明提出一種大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，其包括CH4氣瓶、He氣瓶、氣體加壓裝置、氣體凈化器、真空泵、恒溫箱、參照缸、樣品缸、壓力表、數(shù)據(jù)采集裝置及三個多通道閥門，所述恒溫箱內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器、兩壓力傳感器、所述參照缸以及所述樣品缸，所述數(shù)據(jù)采集裝置與所述溫度傳感器及壓力傳感器電連接；

其中，所述氣體凈化器的入口與所述氣體加壓裝置的輸出端之間、第一個所述多通道閥門與所述參照缸及其中一所述壓力傳感器之間、第二個所述多通道閥門與所述樣品缸及另一所述壓力傳感器之間、第三個所述多通道閥門與所述壓力表之間分別通過管線相連接；

其中，所述氣體加壓裝置的輸入端與所述CH4氣瓶及所述He氣瓶之間、第三個所述多通道閥門與所述真空泵以及所述氣體凈化器的出口之間、第一個所述多通道閥門與其余兩所述多通道閥門之間分別通過輸氣管線相連接，所述輸氣管線上設(shè)置有閥門。

如上所述的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，其中，所述氣體加壓裝置為一加壓泵。

如上所述的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，其中，所述氣體加壓裝置包括一加壓泵及一壓縮機(jī)，所述加壓泵對應(yīng)與所述CH4氣瓶、He氣瓶以及所述氣體凈化器相連接，所述壓縮機(jī)通過壓縮管線與所述加壓泵的入口端相連接。

如上所述的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，其中，第三個所述多通道閥門與所述真空泵之間的輸氣管線上另連接有一排氣管線，所述排氣管線上安裝有一排氣閥門。

如上所述的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，其中，另包括一用于將樣品粉碎的巖石破碎機(jī)以及一用于稱量樣品重量的電子天平。

如上所述的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，其中，所述樣品缸為容積是2L的樣品缸。

如上所述的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，其中，所述數(shù)據(jù)采集裝置為一電腦，其與所述壓力傳感器及溫度傳感器之間通過線纜電連接。

如上所述的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，其中，所述恒溫箱的側(cè)壁上設(shè)有供所述管線穿設(shè)的穿孔。

如上所述的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，其中，所述參照缸及樣品缸分別包括一不銹鋼制成的缸體以及一缸帽，所述缸體的缸口處設(shè)置有內(nèi)螺紋，所述缸帽對應(yīng)螺接在所述缸口處，所述缸帽上設(shè)置有供所述管線對應(yīng)穿設(shè)的通孔。

如上所述的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，其中，第一個所述多通道閥門及第二個所述多通道閥門位于所述恒溫箱內(nèi)，第三個所述多通道閥門位于所述恒溫箱外。

本發(fā)明提出的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，通過設(shè)置恒溫箱，可以保持樣品缸和參照缸在實(shí)驗過程中處于恒溫狀態(tài)，是實(shí)驗在一個溫度穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行，保證了實(shí)驗的準(zhǔn)確性；通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集裝置、壓力傳感器和溫度傳感器，精度高，且數(shù)據(jù)為自動采集，實(shí)驗結(jié)果更加可靠。

與現(xiàn)有等溫吸附及解吸實(shí)驗裝置相比，本發(fā)明通過恒溫箱、參照缸及樣品缸相配合，能耐高溫高壓，測試壓力可達(dá)80MPa，測試溫度可達(dá)180℃，高于國內(nèi)實(shí)驗設(shè)備；現(xiàn)有實(shí)驗裝置測試樣品質(zhì)量一般在200g，而本發(fā)明測試的樣品質(zhì)量大，可達(dá)到5千克～6千克，實(shí)驗樣品的增加可以增加樣品的總吸附量，降低實(shí)驗的誤差。

附圖說明

以下附圖僅旨在于對本發(fā)明做示意性說明和解釋，并不限定本發(fā)明的范圍。其中：

圖1為本發(fā)明的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為根據(jù)本發(fā)明所測得的等溫吸附曲線示意圖。

主要元件標(biāo)號說明：

11 CH4氣瓶 12 He氣瓶

13 管線 14 輸氣管線

15 排氣管線 151 排氣閥門

2 氣體加壓裝置 21 加壓泵

22 壓縮機(jī) 3 氣體凈化器

4 真空泵 5 恒溫箱

51 溫度傳感器 52 壓力傳感器

61 參照缸 62 樣品缸

63 壓力表 7 數(shù)據(jù)采集裝置

81、82、83 多通道閥門

91、92、93、94、95、96 閥門

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出一種大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，其包括CH4氣瓶、He氣瓶、氣體加壓裝置、氣體凈化器、真空泵、恒溫箱、參照缸、樣品缸、壓力表、數(shù)據(jù)采集裝置及三個多通道閥門，所述恒溫箱內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器、兩壓力傳感器、所述參照缸以及所述樣品缸，所述數(shù)據(jù)采集裝置與所述溫度傳感器及壓力傳感器電連接；其中，所述氣體凈化器的入口與所述氣體加壓裝置的輸出端之間、第一個所述多通道閥門與所述參照缸及其中一所述壓力傳感器之間、第二個所述多通道閥門與所述樣品缸及另一所述壓力傳感器之間、第三個所述多通道閥門與所述壓力表之間分別通過管線相連接；其中，所述氣體加壓裝置的輸入端與所述CH4氣瓶及所述He氣瓶之間、第三個所述多通道閥門與所述真空泵以及所述氣體凈化器的出口之間、第一個所述多通道閥門與其余兩所述多通道閥門之間分別通過輸氣管線相連接，所述輸氣管線上設(shè)置有閥門。

本發(fā)明的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，在溫度穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗，保證了實(shí)驗的準(zhǔn)確性，精度高，且數(shù)據(jù)為自動采集，實(shí)驗結(jié)果可靠。

為此，為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下結(jié)合附圖及較佳實(shí)施例，對本發(fā)明提出的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置的具體實(shí)施方式、結(jié)構(gòu)、特征及功效，詳細(xì)說明如后。另外，通過具體實(shí)施方式的說明，當(dāng)可對本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定目的所采取的技術(shù)手段及功效得以更加深入具體的了解，然而所附圖僅是提供參考與說明用，并非用來對本發(fā)明加以限制。

圖1為本發(fā)明的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置的組成結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為根據(jù)本發(fā)明所測得的等溫吸附曲線示意圖。

如圖1所示，本發(fā)明提出的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，包括CH4氣瓶11、He氣瓶12、氣體加壓裝置2、氣體凈化器3、真空泵4、恒溫箱5、參照缸61、樣品缸62、壓力表63、數(shù)據(jù)采集裝置7及三個多通道閥門81、82、83，所述恒溫箱5內(nèi)設(shè)置有溫度傳感器51、兩壓力傳感器52、所述參照缸61以及所述樣品缸62，所述數(shù)據(jù)采集裝置8與所述溫度傳感器51及壓力傳感器52電連接；

其中，所述氣體凈化器3的入口與所述氣體加壓裝置2的輸出端之間、第一個所述多通道閥門81與所述參照缸61及其中一所述壓力傳感器52之間、第二個所述多通道閥門82與所述樣品缸62及另一所述壓力傳感器52之間、第三個所述多通道閥門83與所述壓力表63之間分別通過管線13相連接；

其中，所述氣體加壓裝置2的輸入端與所述CH4氣瓶11及所述He氣瓶12之間、第三個所述多通道閥門83與所述真空泵4以及所述氣體凈化器3的出口之間、第一個所述多通道閥門81與其余兩所述多通道閥門82、83之間分別通過輸氣管線14相連接，所述輸氣管線14上設(shè)置有閥門。

如圖1所示，所述氣體加壓裝置2包括一加壓泵21及一壓縮機(jī)22，所述加壓泵21對應(yīng)與所述CH4氣瓶11、He氣瓶12以及所述氣體凈化器3相連接，所述壓縮機(jī)22通過壓縮管線23與所述加壓泵21的入口端相連接。在實(shí)驗中，通過上述裝置，可對CH4以及He氣進(jìn)行壓縮、凈化，以滿足使用需要。當(dāng)然，在使用中不限于此，比如，所述氣體加壓裝置2可直接為一加壓泵。

較佳地，第三個所述多通道閥門83與所述真空泵4之間的輸氣管線14上另連接有一排氣管線15，所述排氣管線15上安裝有一排氣閥門151。在實(shí)驗結(jié)束后，打開排氣閥門151及各相關(guān)閥門，可以將各管線、樣品缸以及參照缸內(nèi)的殘留氣體排出，確保使用安全。

其中，在本發(fā)明中，還包括一用于將樣品粉碎的巖石破碎機(jī)(圖中未示出)以及一用于稱量樣品重量的電子天平，可以將樣品(巖石)粉碎，并通過電子天平精準(zhǔn)計量，提高實(shí)驗的精準(zhǔn)性。

較佳地，所述數(shù)據(jù)采集裝置7為一電腦，其與所述壓力傳感器52及溫度傳感器51之間通過線纜71電連接。對于壓力傳感器及溫度傳感器的相應(yīng)信號能實(shí)時傳輸、記錄等，實(shí)現(xiàn)全自動化處理，避免因人工操作產(chǎn)生的誤差。

另外，所述樣品缸優(yōu)選為容積是2L的大樣量樣品缸，可以容納更多重量的樣品，利于加快實(shí)驗進(jìn)度，降低實(shí)驗的誤差。為了便于管線的通過，優(yōu)選在所述恒溫箱5的側(cè)壁上設(shè)有供所述管線穿設(shè)的穿孔(圖中未示出)。

為了提供實(shí)驗中的密封性能，所述參照缸61及樣品缸62分別包括一不銹鋼制成的缸體以及一缸帽，所述缸體的缸口處設(shè)置有內(nèi)螺紋，所述缸帽對應(yīng)螺接在所述缸口處，所述缸帽上設(shè)置有供所述管線對應(yīng)穿設(shè)的通孔。通過缸口、缸帽之間的螺紋配合，實(shí)現(xiàn)了兩者間的緊密連接，由于該缸體、缸帽，其結(jié)構(gòu)大致與現(xiàn)有技術(shù)相同，因此未在圖中示出。

如圖所示，第一個所述多通道閥門81及第二個所述多通道閥門82位于所述恒溫箱5內(nèi)，第三個所述多通道閥門86位于所述恒溫箱外。

結(jié)合圖1所示，為本發(fā)明提供的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，為便于下述理解，將圖中各所述閥門由左至右依次標(biāo)示為91、92、93、94、95、96，現(xiàn)就本發(fā)明的工作原理及具體操作步驟描述如下：

(1)設(shè)備密封性檢查

①粉碎后的頁巖樣品稱重后放入所述樣品缸62，密封后放入所述恒溫箱5，氣體吸附量是通過所述參照缸61和樣品缸62的壓力與溫度精確計量數(shù)據(jù)計算得到；

②打開閥門92、94、95、96和多通道閥門81、82、83，將所述參照缸61和樣品缸62中充入He氣當(dāng)壓力達(dá)到一定值后，關(guān)閉閥門92和94；

③保持6h(小時)后，通過數(shù)據(jù)采集裝置7以及壓力傳感器52等觀察缸中的壓力是否有明顯變化：若有，則需檢測設(shè)備漏氣與否；若無，則重復(fù)步驟②，繼續(xù)給缸中充入He氣增加壓力，直至充氣壓力達(dá)到實(shí)驗所需最高壓力。

(2)樣品缸自由體積測定

在本發(fā)明中，樣品缸自由體積指的是樣品缸在裝入碎頁巖樣后頁巖樣顆粒之間的空隙、頁巖樣顆粒內(nèi)部空隙、樣品缸未被巖樣填充剩余的自由空間、多通道閥門82和樣品缸62連接的管線、多通道閥門81、82間連接的管線、多通道閥門82和閥門96內(nèi)部空間體積總和。目前通常采用直接法來測量樣品缸自由空間體積，即在一定的溫度和壓力下，選用可以忽略吸附量的He氣，利用氣體膨脹法來測量樣品缸自由體積，其方法步驟如下：

1)設(shè)定好系統(tǒng)溫度，將頁巖樣品裝入樣品缸62，打開閥門93、95、96、多通道閥門81、82、83(后續(xù)所有步驟中多通道閥門81、82、83一直保持開啟狀態(tài))，將包括參照缸61、樣品缸62和所連接的管線在內(nèi)的系統(tǒng)抽真空120min，在壓力無明顯變化后，關(guān)閉閥門93、96，記錄此時參照缸61與樣品缸62的壓力p₁；

2)打開閥門92、94，將一定壓力且純度＞99.999％的He氣充入?yún)⒄崭?1，然后關(guān)閉閥門92、94、95，等到參照缸61的壓力與溫度穩(wěn)定后，記錄參照缸的壓力p₂用來計算定容條件下參照缸61內(nèi)He的體積；打開閥門96，讓參照缸61的He氣進(jìn)入到樣品缸62中，平衡后記錄參照缸61和樣品缸62的壓力p₃，假設(shè)He氣在頁巖表面吸附量可以忽略，通過樣品缸62的氣體狀態(tài)方程，可以得到計算樣品缸62的自由空間體積表達(dá)式為：

式中：V₀—自由空間體積，cm³；V_r—參照缸體積、多通道閥門96和參照缸連接的輸氣管線、多通道閥門96內(nèi)空間體積之和，該值是通過體積標(biāo)定后的固定值，cm³；p₁—樣品缸的初始壓力，MPa；p₂—參照缸的初始壓力，MPa；p₃—平衡后參照缸的壓力，MPa；Z₁—樣品缸中初始壓力下He氣的壓縮因子，無量綱；Z₂—參照缸初始壓力下He氣的壓縮因子，無量綱；Z₃—平衡后氣體的壓縮因子，無量綱。

3)重復(fù)步驟2，依次增加參照缸61壓力直至所需測量的最高壓力，每次計算得到的自由空間體積誤差小于1％，說明氦氣的吸附量可以忽略的假設(shè)是成立的。

(3)頁巖等溫吸附及解吸實(shí)驗

1)等溫吸附實(shí)驗

等溫吸附實(shí)驗為加壓、平衡、加壓的一個過程，步驟如下：

(i)設(shè)定實(shí)驗系統(tǒng)的溫度，打開閥門93、94、95、96，將包括參照缸61和樣品缸62以及所連接的管線在內(nèi)的吸附系統(tǒng)抽真空120 min，關(guān)閉閥門93、94、96；

(ii)打開閥門91，94，給參照缸61充入甲烷氣(純度>99.99％)后，關(guān)閉閥門91，95，記錄平衡后參照缸壓力p₁⁰；通過氣體狀態(tài)方程來計算整個系統(tǒng)中充入的甲烷氣量n₁⁰。

式中：n₁⁰—整個系統(tǒng)中充入的甲烷氣量，mol；T—系統(tǒng)溫度，K；V_r—參照缸及其連接的管線內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體積，cm³；p₁⁰—平衡后參照缸壓力，MPa；Z₁⁰-p₁⁰壓力、溫度T下甲烷的壓縮因子；R—普適氣體常數(shù)，8.315Jmol^-1K^-1；

(iii)緩慢打開閥門96，使得參照缸61和樣品缸62相互連通，此時甲烷氣從參照缸61向樣品缸62膨脹，同時記下參照缸61和樣品缸62平衡后的壓力；

(iv)保持12h以上，使甲烷氣體被頁巖充分吸附，記錄最終的平衡壓力p₁。然后計算系統(tǒng)內(nèi)剩余游離甲烷氣量n₁，被頁巖吸附的甲烷氣量N₁、單位質(zhì)量頁巖所吸附得甲烷氣量Q₁。

計算公式如下：

式中：n₁—平衡后系統(tǒng)內(nèi)游離甲烷氣量，mol；Z₁—壓力為p1、溫度為T時甲烷壓縮因子；無量綱；Q₁—單位質(zhì)量頁巖在此平衡壓力p₁時的吸附量，cm³/g，G為頁巖樣品質(zhì)量，g。

(v)關(guān)閉閥門96，打開閥門91、95后關(guān)閉，參照缸第二次充氣，記錄平衡后參照缸壓力p₂⁰。打開閥門96，保持12h以上，記錄最終平衡后的壓力p₂。求得壓力為p₂時的吸附量N₂以及每克頁巖吸附甲烷量Q₂：

式中：p₂⁰—第二次充氣后參照缸壓力，MPa；p₂—第二次充氣后平衡壓力，MPa；Z₂⁰-p₂⁰、T條件下甲烷壓縮因子，查表求得；Z₂—p₂、T條件下甲烷壓縮因子；

(vi)重復(fù)(v)，不斷提高實(shí)驗壓力，直至達(dá)到實(shí)驗所要求的最高壓力，分別計算每一個壓力點(diǎn)p_i下頁巖樣吸附量N_i和單位質(zhì)量頁巖甲烷吸附量Q_i；

(vii)將每次測得的p_i及N_i作圖，即為頁巖的等溫吸附曲線(參見圖2)。求得各平衡壓力點(diǎn)p_i下吸附量V_i＝N_i×22400。

2)等溫解吸實(shí)驗

等溫解吸實(shí)驗為吸附實(shí)驗的逆過程，從等溫吸附實(shí)驗的最大平衡壓力開始解吸實(shí)驗，其步驟如下：

(i)關(guān)閉閥門96，緩慢打開閥門95和151，放出部分甲烷，然后關(guān)閉閥門95，記錄參照缸61平衡后壓力p_i-1⁰；

(ii)緩慢打開閥門96，連通參照缸61和樣品缸62，保持12h以上，記錄平衡后系統(tǒng)壓力p_i-1。計算壓力點(diǎn)p_i-1下的甲烷吸附量N_i-1、壓力p_i～p_i-1頁巖樣解吸出的甲烷量ΔN_i、單位質(zhì)量頁巖在壓力P_i～P_i-1內(nèi)的解吸量ΔQ_i：

(iii)重復(fù)步驟(i)、(ii)，逐漸降低實(shí)驗壓力直到等溫吸附實(shí)驗的初始壓力。計算解吸過程每一個平衡壓力點(diǎn)p_i下對應(yīng)頁巖樣吸附量N_i和每克頁巖減壓段內(nèi)甲烷解吸量ΔQ_i；

(iv)將測得的p_i及N_i作圖，即為頁巖的等溫解吸曲線。

3)壓縮因子計算

在氣體吸附量計算過程中，壓縮因子Z直接影響計算的準(zhǔn)確性，Z由求解PR方程得到：

其中：

b＝0.07780RT_c/p_c

k＝0.3746+1.54226ω-0.26992ω²

PR方程寫成壓縮因子的形式為：

Z³-(1-D)Z²+(C-2D-3D²)Z-(CD-D²-D³)＝0

式中：

α(T)計算方法如下：

其中：A₁、B₁、C₁、D₁、E₁是相關(guān)系數(shù)。A₁、B₁、C₁、D₁、E₁分別可取為2.0、0.8145、0.134、0.508、-0.0467，偏心因子取值為0.0113

T為溫度，K；p為壓力，MPa；Tc為氣體臨界溫度，K；Pc為氣體臨界壓力，MPa；ω為氣體的偏心因子，kJ/(kg·℃)；對于甲烷氣體：Tc＝190.67K；Pc＝4.6408MPa；ω＝0.0113。

本發(fā)明提出的大樣量頁巖等溫吸附及解吸裝置，通過設(shè)置恒溫箱，可以保持樣品缸和參照缸在實(shí)驗過程中處于恒溫狀態(tài)，是實(shí)驗在一個溫度穩(wěn)定的環(huán)境下進(jìn)行，保證了實(shí)驗的準(zhǔn)確性；通過設(shè)置數(shù)據(jù)采集裝置、壓力傳感器和溫度傳感器，精度高，且數(shù)據(jù)為自動采集，實(shí)驗結(jié)果更加可靠。

與現(xiàn)有等溫吸附及解吸實(shí)驗裝置相比，本發(fā)明耐高溫高壓，測試壓力可達(dá)80MPa，測試溫度可達(dá)180℃，高于國內(nèi)實(shí)驗設(shè)備；現(xiàn)有實(shí)驗裝置測試樣品質(zhì)量一般在200g，而本發(fā)明測試的樣品質(zhì)量大，可達(dá)到5千克～6千克，實(shí)驗樣品的增加可以增加樣品的總吸附量，降低實(shí)驗的誤差。

以上所述僅為本發(fā)明示意性的具體實(shí)施方式，并非用以限定本發(fā)明的范圍。任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和原則的前提下所作的等同變化與修改，均應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。