一种现场解吸量测量装置及其方法与流程

本发明属于非常规油气勘探技术领域，具体涉及一种应用排水集气法的现场解吸量测量装置及其方法。

背景技术：

页岩气是指赋存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气。

目前用于页岩气现场解吸量测量的仪器有两类：一类是以质量流量计为计量方式的页岩气现场解吸量测定仪，这类仪器可以实现自动化计量，但是由于质量流量计计量体积时要求气体组成单一或组成不变，测量不同的气体，需经过换算才能得到气体流过流量计的真实体积，并且当气体中含有水蒸气时，其测量值将会发生较大偏离，对于页岩的现场解吸气测量，其组分随着解吸时间的推移也会发生变化，岩心出筒不可避免的要含有一定的水分，这也直接影响了测量结果。

第二类方法是采用传统的排水集气法进行测量，读数时需要人工将盛水的容器移至计量玻璃管附近，用肉眼进行水位对齐后进行读数。一筒岩心出来后，一般要取3-4个样以上，由于现场解吸量的计量周期最短需要每2分钟读一个数，夜间也必须随时有人进行读数，所以工作量很大，且未能实现自动化，同时当玻璃管充满气体后，则无法切换测量。

由上可知，现有技术存在两大缺点：自动仪器无法直接进行体积计量；人工排水集气法直接计量的是体积，但未能实现自动化、工作量大。

因此，需要一种页岩气现场解吸量测量装置，能够实现自动化计量体积且能适应解吸量大小不等的岩石样品，便于采集气样。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种现场解吸量测量装置及其方法，可以根据实时采集的压力值、玻璃管的直径、解吸罐体积，样品重量等参数，将页岩解吸过程中解吸出的气体换算成标准体积，从而实现解吸气的自动测量。

根据本发明提供了一种现场解吸量测量装置，包括水杯、与水杯连接的一个或多个计量管；每一个计量管上部各连接一个解吸罐；水杯下部设置水槽，液位管下端口从水杯底部穿出并插入水槽中，液位管的上端口高于水杯的底部；

当水杯中的水高出液位管上端口时，则水杯中的水通过液位管上端口流入水槽；当水杯中的水低于液位管上端口时，则水槽中的水通过水泵泵入水杯，从而保持水杯中的水液面高度不变。

在一个实施例中，解吸罐与计量管之间依次设置常开阀和三通阀，三通阀的第三端连接注气口；常开阀和三通阀之间设有压力传感器，所述压力传感器与控制装置电性连接，每一计量管的上部还各连接一个放气阀。

在一个实施例中，所述控制装置还包括环境温度传感器以及大气压传感器。

在一个实施例中，所述水杯中水液面的高度低于计量管的上端口。

在一个实施例中，每一计量管的底部各设有一个连通管，各个连通管共同连接水杯底部。

在一个实施例中，每一计量管均能够拆卸和更换为不同内径的玻璃管。

根据本发明提供了一种根据所述的现场解吸量测量装置的现场解吸量测量方法，包括以下步骤：

步骤1：初始状态下，打开常开阀，关闭放气阀，标定固定值最大液位差hmax以及常开阀与计量管之间的体积v0；

步骤2：将样品置于密封的解吸罐中，解吸出的气体进入计量管并向下排挤计量管中的水从而压入水杯，水杯中的水通过液位管上端口溢流到水槽中；

步骤3：压力传感器定时采集气体压力以及环境温度传感器、大气压传感器定时采集环境温度和大气压力；

步骤4：当计量管中的气体达到预设液位高度时，压力传感器采集最大气体压力pmax，以及大气压传感器采集环境压力p环；

同时，控制装置自动控制关闭常开阀，打开放气阀进行排气，水杯水反流到计量管中，水泵将水槽中水泵入水杯中保持水杯液面高度不变；

步骤5：压力传感器检测计量管的气体压力达到环境大气压时，关闭放气阀，打开常开阀；

步骤6：将三通阀接通注气口和解吸罐，由注气口向解吸罐内注入压力p0、体积v校准的气体，再将三通阀连接解吸罐和计量管，待稳定后，压力传感器获取计量管内压力p校准、以及计量管液位差h校准；

步骤7：恢复初始状态，开始下一次解吸循环；

在一个实施例中，根据步骤1和步骤6所得数据，标定解吸罐与常开阀之间的固定体积v罐的值，

p0(v罐+v0+v校准)＝p校准(v罐+v0+h校准s)

v罐＝(p0v校准-p校准h校准s)/(p校准-p0)-v0

其中，s为计量管内横截面的面积；

在一个实施例中，根据步骤1和步骤4所得数据，标定计量管放气时的放出的固定体积vmax的值，

vmax＝[pmax(v0+hmaxs)-p环v0]/p标

其中，p标为1个标准大气压；s为计量管内横截面的面积；

在一个实施例中，任意两个时刻t1和t2，压力分别为p1和p2，对应的液位差为h1和h2，玻璃管内横截面积为s，两次测量间隔内计量管排出气体n次，则两次计量间隔内解吸气量换算为标准状态为：

v＝[p2(v罐+v0+h1s)-p1(v罐+v0+h2s)]/p标+nvmax

其中，p标为1个标准大气压；s为计量管内横截面的面积。

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)水杯能够同时连接至少一个计量管，使得本发明装置能够同时对多个样品进行解吸气体的收集和分析；(2)计量管可以拆卸且不同内径的计量玻璃管之间相互更换，可以适应不同类型和解吸量的样品，因此本发明装置既可以适用页岩气也适用煤层气；(3)采用排水集气法收集解吸气体，得到的数据无需考虑气体的组成，数据误差小且可信度高；(4)采用控制装置控制，实现了自动化，减轻了现场测量人员的工作量。

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。其中：

图1显示了根据本发明的现场解吸量测量装置的结构图；

在附图中相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明现场解吸量测量装置的结构图，本发明包括密封的解吸罐1，样品放入密封的解吸罐1内进行气体解吸；解吸罐1的上端连接一个常开阀2，常开阀2用于控制解吸罐1内气体流出的开与关，常开阀2可以为电磁阀也可以为手动阀，为了能够实现自动化，优选的实施例中，采用电磁阀；常开阀2再连接一个三通阀3，三通阀3可以为电磁阀或手动阀，本实施例中，三通阀3为手动阀；三通阀3在初始状态下连通解吸罐1和计量管5，当需要测量解吸罐1和常开阀2之间的体积v罐时，拨动三通阀3，使三通阀3连通注气口b和解吸罐1，需要说明的是，解吸罐1内气体的体积为固定值，因此解吸罐1和常开阀2之间的体积v罐即为固定值。

三通阀3连接在计量管5的上端，且本实施例中计量管5为玻璃管，玻璃管在实施中，更容易直观计量管5内的观察气体和液体变化，计量管5在本实施例中可以进行拆卸和更换，当对具有不同解吸量的样品进行解析时，可采用不同内径的玻璃计量管5，从而使测量的数据更加准确和可靠；计量管5上端还连接一个放气阀4，放气阀4用于排放计量管5中收集来的解吸罐1中的气体；计量管5的下端通过一个连通管10连接水杯6的底部，因此当解吸罐1内解吸出来的气体进入计量管5后，气体压迫计量管5内的液体进入到水杯6中。

在一个实施例中，计量管5内的液体并不完全充满整个计量管5而是留有一定的体积，水杯6在初始设置时，水杯6内液面的高度要低于计量管5的上端口，由于水杯6与计量管5连通，因此水杯6内的液面高度与计量管5内的液面高度在同一水平面上，由于计量管5内的体积固定不变，因此当水杯6与计量管5的位置相对固定后，则计量管5内存留的体积为固定值，进一步讲，计量管5与常开阀2之间的体积为固定值，即v0；同时计量管5内的液面高度也为固定值，当解吸罐1的气体排压计量管5中的液体至计量管5下部设定的液位高度d时，因此，计量管5内液体排出的最大高度也为固定值，即hmax；且计量管5的内径面积s为固定值，因此计量管5内能够排出的最大液体的体积量也为固定值，即vmax＝hmaxs。

水杯6的下方设置一个水槽7，水杯6和水槽7之间设有液位管9和水泵8，液位管9负责使水杯6中的液体流入水槽7，水泵8负责将水槽7中的水泵8入水杯6；在一个实施例中，液位管9呈管状且液位管9的下端口穿过水杯6底部插入到水槽7中，液位管9的上端口高于水杯6的底部，从而使得水杯6中低于液位管9上端口的一部液体分无法通过液位管9溢流到水槽7中，当水杯6中的水高出液位管9上端口时，则水杯6中的水通过液位管9上端口流入水槽7；当水杯6中的水低于液位管9上端口时，则水槽7中的水通过水泵8泵入水杯6，从而保持水杯6中的水液面高度不变，因此在解吸的过程中，能够更加直观的标定计量管5与水杯6之间所形成的液位差。

因此通过以上装置，本发明装置实现了排水集气法的气体收集，从而在无需考虑气体的组成的情况下，直接计量体积，数据稳定可靠。

在一个实施例中，常开阀2和三通阀3之间设有压力传感器11，压力传感器11的目的在于能够测量流过压力传感器11处的气体的压力，而本发明装置的压力传感器11采用1米水柱量程(0.1大气压)的高精度传感器，精度为0.1％，若计量管5的体积为500ml，则计量管5通过压力传感器11最后读出的高度误差约为0.1mm，误差远小于人眼读数的精度，因此，利用压力传感器11的获取的数据套入公式直接获取气体解吸量，获得的数据更加稳定和可靠。再加之本发明装置需要实现自动化控制，压力传感器11还电性连接控制装置12，控制装置12还包括环境温度传感器13以及大气压传感器14，因此控制装置12能够控制常开阀2和放气阀4的开与关，还能负责收集环境温度和大气压力以及解吸气体压力。

在一个优选的实施例中，水杯6可以与至少一个计量管5进行连通，换而言之，在整个装置中，水杯6、水槽7、液位管9和水泵8为一套单独的装置，而多个计量管5的底部分别通过各自的连通管10共同连接到水杯6的底部，而此时的多个计量管5是单独一套收集系统，即每一个计量管5都具备一个单独的解吸阀、常开阀2、三通阀3、放气阀4以及压力传感器11、控制装置12、环境温度传感器13和大气压传感器14。此结构的设计能够实现同时对多个样品进行分析，工作量大且高效。

下面将具体说明利用现场解吸量测量装置的现场解吸量测量方法，包括以下步骤：

步骤1：初始状态下，打开常开阀2，关闭放气阀4，三通阀3连通解吸罐1和计量管5，调整水杯6与计量管5的高度，标定计量管5中的最大液位差hmax以及常开阀2与计量管5之间的体积v0。

步骤2：将样品置于密封的解吸罐1中，解吸出的气体从a进入计量管5中，并向下排挤计量管5中的液体压入水杯6中，水杯6中的水通过液位管9上端口溢流到水槽7中。

步骤3：控制装置12控制压力传感器11定时采集气体压力、环境温度传感器13定时采集环境温度、大气压传感器14定时采集大气压力。

步骤4：当计量管5中的气体排挤计量管5中的液体，使得计量管5中的液体达到预设液位高度d时，此时，压力传感器11采集最大气体压力为pmax，大气压传感器14采集环境压力为p环。

然后，控制装置12自动控制关闭常开阀2，打开放气阀4，使计量管5中收集的气体排到c中，此时，水杯6中的液体将会反流到计量管5中，为保持水杯6中液面高度不变，水泵8将水槽7中的液体泵入水杯6中。

步骤5：当压力传感器11检测计量管5的气体压力达到环境大气压p0时，关闭放气阀4，打开常开阀2。

步骤6：将三通阀3接通注气口b和解吸罐1，由注气口b向解吸罐1内注入压力p0、体积v校准的气体，再将三通阀3连接解吸罐1和计量管5，待稳定后，压力传感器11获取计量管5内压力p校准以及计量管5液位差h校准。

步骤7：恢复初始状态，开始下一次解吸循环；

步骤8：根据压力传感器11定时所测压力计算解吸气量。

下面将详细解释说明如何在步骤8中的计算解吸气量。

根据步骤1和步骤6所得数据，标定解吸罐1与常开阀2之间的固定体积v罐的值，

p0(v罐+v0+v校准)＝p校准(v罐+v0+h校准s)

v罐＝(p0v校准-p校准h校准s)/(p校准-p0)-v0

其中，s为计量管5内横截面的面积；

根据步骤1和步骤4所得数据，标定计量管5放气时的放出的固定体积vmax的值，

vmax＝[pmax(v0+hmaxs)-p环v0]/p标

其中，p标为1个标准大气压；s为计量管5内横截面的面积；

假设任意两个时刻t1和t2，压力分别为p1和p2，对应的液位差为h1和h2，玻璃管内横截面积为s，两次测量间隔内计量管5排出气体n次，则两次计量间隔内解吸气量换算为标准状态为：

v＝[p2(v罐+v0+h1s)-p1(v罐+v0+h2s)]/p标+nvmax

其中，p标为1个标准大气压；s为计量管5内横截面的面积；

因此最后得出的v便为两次计量间隔内获取的解吸气的量。

所有数据记录按照软件设计格式记录于本发明装置控制装置12的记忆卡中，亦可插入u盘，将数据将记录于u盘中，实验完毕后，可通过专用软件对整套数据进行处理，对损失计量进行恢复，得到损失气量，由于后续损失气量与本发明装置内容无法，因此在此不做具体详细说明。

由以上内容可知，本发明的优点在于：(1)水杯6能够同时连接至少一个计量管5，使得本发明装置能够同时对多个样品进行解吸气体的收集和分析；(2)计量管5可以拆卸且不同内径的计量玻璃管之间相互更换，可以适应不同类型和解吸量的样品，因此本发明装置既可以适用页岩气也适用煤层气；(3)采用排水集气法收集解吸气体，得到的数据无需考虑气体的组成，数据误差小且可信度高；(4)采用控制装置12控制，实现了自动化，减轻了现场测量人员的工作量。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不分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。