用于动态吸附和解吸研究的模拟实验装置及模拟系统的制作方法

本实用新型涉及实验装置技术领域，具体而言，涉及用于动态吸附和解吸研究的模拟实验装置及模拟系统。

背景技术：

煤层气，是一种生成并储存于煤层中，以甲烷为主要成分、以吸附状态为主的烃类气体。中国煤层气资源丰富，预测资源量为36.81万亿立方米，由于煤层为多孔隙的有机质，具有很强的多元组分气体吸附能力，对二氧化碳、甲烷、氮气的吸附能力依次减弱。当前的等温吸附仪主要用途是模拟地层温度、压力条件下的储层孔隙对气体的吸附能力以及降压解吸时的脱附能力，以吸附量或脱附量为衡量标准，但对多元组分气体的吸附、解吸差异性及其在吸附量、脱附量中的比例难以精确测定，而该项实验需求对模拟饱含多元组分气体的煤层气藏的开发动态特征至关重要。

以往的多组分混合气体动态吸附-解吸能力研究，多使用全自动等温吸附仪开展的单组分气体的吸附-解吸过程测定，同时通过储层粉末样品的基质膨胀/收缩、渗透性变化等单项实验结果，最后通过数值模拟软件中对各单项实验成果的单项算法进行综合开展多组分混合气体动态吸附-解吸过程模拟，但其直接的实验室测定长期处于空白状态。

现有的气体动态吸附-解吸过程模拟实验装置存在以下缺陷：(1)以往等温吸附仪多采用碎块-粉末状煤样，不能真实反映地层原始状态；(2)以往等温吸附仪仅能测定多元组分气体的吸附能力以及降压解吸时的脱附能力，无法测定多元组分气体的精确比例；(3)以往等温吸附仪只能测定不同压力条件下煤样品的吸附-解吸量情况，无法连续测定不同压力下样品吸附或解吸的气体量、气体成分比例，难以完成多组分煤层气藏降压解吸的生产动态模拟。随着国内外多组分煤层气藏的发现与开发、煤层碳封存研究的需要，亟须多元组分动态吸附-解吸模拟实验装置开展此类研究工作的实验测试需要。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种用于动态吸附和解吸研究的模拟实验装置，旨在测试不同解吸压力下气体解吸情况，并对解吸出的气体进行成分分析。

本实用新型的另一目的在于提供一种用于动态吸附和解吸研究的模拟系统，其用于煤柱样的吸附和解吸模拟，其能够在降压解吸阶段对解吸出的气体进行成分分析，达到多组分煤层气藏降压解吸的动态模拟。

本实用新型是这样实现的：

本实用新型提供一种用于动态吸附和解吸研究的模拟实验装置，包括样品盛放器、加气组件、取气组件、气体组成分析仪、压力监测仪和控制系统，样品盛放器上设置有用于对样品盛放器进行压力调节的压力调节器，压力监测仪用于检测样品盛放器中的压力且与控制系统通信连接；

加气组件的输出端与样品盛放器连通，以在样品盛放器中加入待吸附气体；

取气组件的一端与样品盛放器连通，取气组件的另一端与气体组成分析仪的进气端连通，气体组成分析仪与控制系统通信连接。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，取气组件包括取气器、取气管路和位于样品盛放器上的抽气组件，抽气组件的进气端伸入至样品盛放器中，取气管路的进气端与抽气组件相连，取气管路的出气端与取气器的气体进口相连，取气器的气体出口与气体组成分析仪的进气端连通；取气管路上设置有取气控制阀。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，取气器为活塞式取气器，气体组成分析仪为气相色谱仪。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，加气组件包括第一加气管路、第二加气管路、充注组件和多个储气罐，每个储气罐的出口端均通过第一加气管路与充注组件相连，充注组件的另一端与样品盛放器的内腔连通，第一加气管路上设置有加气量调节阀。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，样品盛放器为多个，且每个样品盛放器均与充注组件相连，每个样品盛放器上均对应一个抽气组件，取气器上设置有与多个抽气组件相对应的多个气体输送管路。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，多个储气罐包括甲烷储气罐、二氧化碳储气罐、氮气储气罐和氩气储气罐，且储气罐均位于气样柜中。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，压力调节器包括位于样品盛放器顶部用于封闭样品盛放器的调节活塞，调节活塞上设置有第一螺纹，样品盛放器的内壁上设置有与第一螺纹相配合的第二螺纹。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，模拟实验装置还包括用于对样品盛放器提供恒温环境的恒温水浴容器和用于检测恒温水浴容器中的水温的温度检测器，温度检测器与控制系统通信连接。

进一步地，在本实用新型较佳的实施例中，模拟实验装置还包括旋片式真空泵，旋片式真空泵与控制系统电连接，旋片式真空泵和样品盛放器的内腔通过抽真空管路相连。

本实用新型还提出了一种用于动态吸附和解吸研究的模拟系统，用于煤柱样，包括上述模拟实验装置，样品盛放器用于盛放煤柱样。

本实用新型的有益效果是：本实用新型通过上述设计得到的用于动态吸附和解吸研究的模拟实验装置，其通过加气组件将待吸附气体通入样品盛放器中，通过压力调节器调节样品盛放器中的压力进行加压吸附，吸附完成后进行降压解吸，并通过取气组件对解吸出的气体取样通入气体组成分析仪进行组分检测，再将结果反馈给控制系统。通过本实用新型提供的模拟实验装置能够对降压解吸过程中不同压力下解吸出的气体进行定量和定性分析。

本实用新型还提供了一种用于动态吸附和解吸研究的模拟系统，包括上述模拟实验装置，样品盛放器用于盛放煤柱样。能够在降压解吸阶段对特定压力下解吸出的气体进行成分分析，达到多组分煤层气藏降压解吸的动态模拟。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1是本实用新型实施方式提供的模拟实验装置的结构示意图；

图2是图1中ⅱ区的放大图；

图3是图1中ⅲ区的放大图；

图4是本实用新型实施例提供的模拟方法的工艺图。

图标：100-模拟实验装置；110-样品盛放器；111-压力调节器；120-加气组件；121-第一加气管路；122-第二加气管路；123-充注组件；124-储气罐；125-中间混合容器；126-充注系统；127-第三加气管路；128-气样柜；130-取气组件；131-取气器；132-取气管路；133-抽气组件；140-气体组成分析仪；150-压力监测仪；160-控制系统；170-旋片式真空泵；180-恒温水浴容器；190-温度检测器。

具体实施方式

为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参照图1，本实用新型实施例提供了一种用于动态吸附和解吸研究的模拟实验装置100，包括样品盛放器110、加气组件120、取气组件130、气体组成分析仪140、压力监测仪150和控制系统160(即控制终端)，样品盛放器110上设置有用于对样品盛放器110进行压力调节的压力调节器111，压力监测仪150用于检测样品盛放器110中的压力且与控制系统160通信连接。

需要说明的是，通过加气组件120将待吸附气体通入样品盛放器110中，通过压力调节器111调节样品盛放器110中的压力进行加压吸附，吸附完成后进行降压解吸，并通过取气组件130对解吸出的气体取样通入气体组成分析仪140进行组分检测，再将结果反馈给控制系统160。

具体地，加气组件120的输出端与样品盛放器110连通，以在样品盛放器110中加入待吸附气体。请参照图1和图2，待吸附气体一般为甲烷、二氧化碳、氮气和氩气，将以上几种气体按照比例通入样品盛放器110中。

进一步地，加气组件120包括第一加气管路121、第二加气管路122、充注组件123和多个储气罐124，每个储气罐124的出口端均通过第一加气管路121与充注组件123相连，充注组件123的另一端与样品盛放器110的内腔连通，第一加气管路121上设置有加气量调节阀(图未示)。充注组件123包括中间混合容器125和充注系统126，加气量调节阀位于第一加气管路121和中间混合容器125之间，中间混合容器125和充注系统126通过第三加气管路127连通。其中，多个储气罐124位于气样柜128中进行不同气体的存储。气体的流向依次经过第一加气管路121、中间混合容器125、第三加气管路127、充注系统126、第二加气管路122和样品盛放器110，通过加气量调节阀调节不同气体的用量使混合气体达到复合模拟要求的比例。第二加气管路122的输出端对应插入样品盛放器110内的输气管道，进行供气，加气组件120未具体介绍的结构可以参照现有的模拟实验装置。

进一步地，压力调节器111包括位于样品盛放器110顶部用于封闭样品盛放器110的调节活塞，调节活塞上设置有第一螺纹(图未示)，样品盛放器110的内壁上设置有与第一螺纹相配合的第二螺纹图未示)。通过手动控制调节活塞嵌入样品盛放器110中的深度来控制样品盛放器110中的压力，调节活塞与样品盛放器110内壁螺纹连接的方式便于进行手动调节，并且调节后活塞的位置能够得到固定。

在一些实施例中，样品盛放器110可以为市购的夹持器，用于盛放煤柱样，压力调节器111可以为螺旋式活塞。

为了给样品盛放器110提供恒温环境，模拟实验装置100还包括用于对样品盛放器110提供恒温环境的恒温水浴容器180和用于检测恒温水浴容器180中的水温的温度检测器190，温度检测器190与控制系统160通信连接。将样品盛放器110置于恒温水浴容器180，通过水浴控制模拟温度，通过温度检测器190检测温度并将结果反馈给控制系统160，温度检测器190可以为一般市购的温度计。

为了增加模拟气体吸收的准确性，模拟实验装置100还包括旋片式真空泵170，旋片式真空泵170与控制系统160电连接，旋片式真空泵170和样品盛放器110的内腔通过抽真空管路相连。在通入待吸附气体之前，利用旋片式真空泵170抽出样品盛放器110中的气体，以免干扰吸附模拟的准确性。

进一步地，取气组件130的一端与样品盛放器110连通，取气组件130的另一端与气体组成分析仪140的进气端连通，气体组成分析仪140与控制系统160通信连接。在降压解吸时，通过取气组件130抽出解吸出的气体，利用气体组成分析仪140进行成分分析，实现定量和定性的检测。在一些实施例中，请参照图1和图3，气体组成分析仪140为一般的气相色谱仪，能够对甲烷、二氧化碳、氮气等进行定量检测。

具体地，取气组件130包括取气器131、取气管路132和位于样品盛放器110上的抽气组件133，抽气组件133的进气端伸入至样品盛放器110中，取气管路132的进气端与抽气组件133相连，取气管路132的出气端与取气器131的气体进口相连，取气器131的气体出口与气体组成分析仪140的进气端连通；取气管路132上设置有取气控制阀(图未示)。图中未示出泵等用于抽气的装置，利用泵提供动力通过抽气组件133进行抽气，气体通过取气管路132后进入取气器131。其中，取气器131内部设置有用于输气的管路和气体组成分析仪140的进气端相连，此部分结构为现有技术如活塞式取气器，在此不做过多赘述。

优选地，样品盛放器110为多个，且每个样品盛放器110均与充注组件123相连，每个样品盛放器110上均对应一个抽气组件133，取气器131上设置有与多个抽气组件133相对应的多个气体输送管路。取气器131上的不同体输送管路分别对应不同的样品盛放器110，并且不同的取气管路132上均设置有调节阀门，以控制不同的取气管路132分别运作，当一个取气管路132处于导气状态时另外的取气管路132处于关闭状态，以对不同的样品盛放器110中的解吸的气体进行检测将检测结果传输至控制系统160。

需要说明的是，控制系统160包含集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的控制器可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，cpu)、网络处理器(networkprocessor，np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessing，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器；处理器也可以是任何常规的处理器等。于本实施例中，优选地，该控制器可以是stm32系列的处理器，例如stm32f103c8t6、stm32f103vet6等型号。

本实用新型实施例还提供了一种用于动态吸附和解吸研究的模拟系统，包括上述模拟实验装置，样品盛放器用于盛放煤柱样。

本实用新型实施例还提供了一种应用上述模拟实验装置100的模拟方法，包括样品制备、加压吸附阶段和降压解吸阶段。

其中，样品制备包括：将煤柱样切割成长度为9-12cm，直径为2-4cm的长条状样品。优选地，煤柱样在加入样品盛放器110之前在20-30℃的温度条件下干燥20-30h，通过长时间干燥以使不同样品达到相同状态，提高模拟的准确性。

其中，加压吸附阶段包括：将煤柱样置于样品盛放器110中，将待吸附气体通过加气组件120通入样品盛放器110中，利用样品盛放器110上的压力调节器111进行加压；其中，待吸附气体用量为根据地层压力计算出的吸附气体用量。在进行吸附之前，通过地层压力估算出吸附气体的用量，待样品盛放器110中的压力稳定后，对比样品盛放器110中的压力与设定的地层压力，通过二次充注或抽出的方式进行微调节，以使吸附的气量能够达到地层压力。优选地，在降压解吸阶段，根据样品盛放器110的体积变化计算解吸气体积，同时根据系统压力、温度计算标准状态下解吸气量。

优选地，将待吸附气体通入样品盛放器110之前加入煤柱样之后，对样品盛放器110进行抽真空处理，通过抽真空可以将样品盛放器110中的气体排出，以免干扰气体吸附。

其中，降压解吸阶段包括：利用压力调节器111进行降压至系统压力值，利用取气组件130进行取气并通过气体组成分析仪140进行成分分析，将结果反馈至控制系统160。优选地，降压解吸阶段还包括：在成分分析之后，利用取气组件130将样品盛放器110中的气体排空，以进行下一次降压解吸。也就是说，降压解吸阶段可以为多次，且每次降压的系统压力逐渐降低，通过阶梯式降压的操作进行模拟。优选地，相连两次降压解吸阶段的系统压力相差0.15-0.25mpa，采用此种梯度降压较为合理。

请结合图4，对模拟方法的详细步骤进行介绍：

(1)煤柱样制备与处理：①由于煤层属于节理发育、易碎的实验样品，对煤柱样的制备选择钢丝线切割方式，减小制样阶段强应力对煤柱样的损害、提高制样成功率，制备成长度10cm、直径3cm的煤柱样；②煤柱样切割完成后，需经过干燥处理，置入室温的干燥器皿24小时，完成实验煤柱样的制备；③用游标卡尺丈量直径、长度，并做好记录，求取煤柱样的体积；同时用实验室电子天平称重，获取煤柱样的重量参数。

(2)煤柱样动态吸附过程：本实验阶段是为模拟多组分煤层气藏的地层原始状态，将各气罐中的纯气体按比例混合后泵入煤样夹持器，提高压力至地层压力状态，使稳态后的煤样中吸附的气体含量、组分与地层状态相似。

实验过程的具体操作步骤顺序如下：①将长度10cm、直径3cm的煤柱样装入夹持器，并封闭夹持器，推动岩心夹持器的螺旋式活塞至夹持器内容积长度20cm处；②启动旋片式真空泵，将煤样夹持器持续抽真空，直至压力降至0mpa以下并稳定3分钟；③关停旋片式真空泵，启动充注系统阀门组，将不同种类的纯气体按设定比例混合后泵入煤柱样夹持器，充注气体总量为该煤柱样在地层压力条件下的估算吸附气量；④缓慢手动推动岩心夹持器的螺旋式活塞，监测煤样夹持器的系统压力值(压力监测仪)不超过20mpa为准，使充注气体充分吸附到煤柱样中；⑤在系统压力值达到稳态2小时(压力检测值不超过±0.02mpa)后，对比监测煤样夹持器的系统压力与所需设定地层压力的差值，通过控制混合气体的二次充注或抽出，使系统压力最终稳定在设定的地层压力，本实验阶段即为结束。

经过以上步骤，该过程可实现煤柱样多组分气体动态吸附的平衡状态，模拟原始地层条件下的煤层气藏。

(3)煤柱样阶梯式解吸过程：在实现煤柱样多组分气体动态吸附的平衡状态后，以0.2mpa的压降间隔值进行阶梯式降压，通过系统压力、解吸气体积来分步计算每次降压的解吸气量，并通过活塞式取气器取微量气样进行色谱分析获取气体成分比例数据，模拟多组分煤层气藏阶梯式降压解吸的生产动态过程特征。

本实验过程的操作顺序如下：①以1mm的刻度区间为准，推动岩心夹持器的螺旋式活塞以缓慢降压，当压力监测仪读值稳定(±0.02mpa)10分钟后，再次推动螺旋式活塞旋出1mm，直至系统压力降至降压所需测定的系统压力值；②利用活塞旋出长度计算解吸气体积，结合系统压力、温度值，综合计算标准状态下的解吸气量；③利用取气系统的活塞式微量取气，通过气相色谱仪测定解吸气的气成分比例数据；④通过取气系统缓慢排空解吸气，同时逐步旋进螺旋式活塞，通过压力监测仪控制夹持器内的系统压力波动幅度不大于±0.05mpa，直至螺旋式活塞底部触碰煤柱样、系统压力稳定在排气前的压力值；⑤再次重复“①～④”步骤进行“降压-解吸-解吸量计算-解吸气组分测定-排空”步骤，实现阶梯式降压、解吸气量及气成分连续测定；⑥当系统压力降至0.3mpa及以下时，即视为阶梯式降压解吸实验结束，所模拟的多组分煤层气藏降压解吸至废弃压力。

综上，本实用新型提供了一种用于动态吸附和解吸研究的模拟实验装置，其通过加气组件将待吸附气体通入样品盛放器中，通过压力调节器调节样品盛放器中的压力进行加压吸附，吸附完成后进行降压解吸，并通过取气组件对解吸出的气体取样通入气体组成分析仪进行组分检测，再将结果反馈给控制系统。

本实用新型还提供的一种用于动态吸附和解吸研究的模拟系统，包括上述模拟实验装置，样品盛放器用于盛放煤柱样。能够在降压解吸阶段对特定压力下解吸出的气体进行成分分析。

与现有技术的方式相比，本专利具有以下至少一种优点：本项技术不仅完善了现有实验装置的三项缺陷，还具有两项创新，依次具体如下：(1)本实验装置利用线切割的柱状煤样，更能反映地层原始状态，克服了目前的等温吸附仪多采用碎块-粉末状煤样进行实验的仿真缺陷；(2)本实验装置优化、整合了能够对多元组分气体比例进行精确测定的气相色谱仪，克服了现有等温吸附仪仅能测定多元组分气体的吸附量或解吸量的缺陷；(3)本实验装置可连续测定不同压力下样品吸附或解吸的气体量、气体成分比例的变化，进而完成多元组分煤层气藏阶梯式降压解吸的生产动态过程模拟，克服了现有等温吸附仪只能测定不同压力下样品的吸附-解吸量变化的缺陷；(4)设计了螺旋式活塞这一工艺创新，通过物理手段避免了不同组分气体的差异性吸附机理所导致的煤样品实际吸附气体组分控制难度大的问题，很好的实现煤柱样的吸附气量、气成分与地层条件下的一致性；(5)设计了控压排气的实验操作方法，解决了不同降压阶段逐次解吸的气体多次混合后成分难以精确测定的技术难题。

以上仅为本实用新型的优选实施方式而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。