一种页岩保压取心游离气含量自动测试装置及应用的制作方法

1.本发明属于地质勘探领域，具体的说，本发明涉及一种页岩保压取心游离气含量自动测试装置及应用。


背景技术：

2.我国的页岩气资源十分丰富，2019年累计探明地质储量超过17000亿，具有良好的勘探开发前景。目前，我国已实现了对页岩气的工业化开发，2018年页岩气产量突破100亿方，2019年产量超过150亿方，页岩气已成为我国天然气产量增长的重要领域，大力开发页岩气，对满足我国持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效利用具有重要意义。
3.页岩含气量的确定对于页岩气储层评价和储量计算具有重要意义。目前测量页岩含气量的方法有两种，分别是联合多种实验测量理论含气量以及现场直接测量含气量，但是两种方法均存在不足。联合多种实验测量理论含气量是基于页岩气主要以吸附态和游离态赋存与孔隙和微裂缝中的认识，通过不同的实验方法分别计算吸附气和游离气含量，两者相加即为页岩总含气量。目前主要是采用等温吸附实验来确定页岩吸附气含量，通过孔隙度、含气饱和度等值来确定游离气量。由于实验条件的限制实验结果存在缺陷：(1)等温吸附实验目前无法模拟页岩所处的真实地层条件，不能准确得到页岩孔隙的真实吸附量；(2)孔隙度测量方法存在较大差异，无法确切得到真实地层孔隙度，真实吸附量测不准无法计算吸附气占用空间比例，多种因素导致无法得到准确游离气含量的计算。因此通过联合各种实验来确定页岩总含气量是石油行业中的一个研究热点和难点。
4.现场测量页岩含气量通常采用常规取心技术，将岩心取至地面后进行现场解析。但测量的仅仅是吸附气含量，常规取心过程中气体(甲烷)存在大量散失，损失气体含量(损失气量或游离气量)无法测试，通常运用数学方法对其进行恢复和计算，计算方法的差异使损失气量偏差较大，最终导致总含气量结果不准确。目前，为了减少气体在取心过程中的损失，工程作业人员研发了保压取心技术。该技术使气体在岩心取至地面的过程中不会散失，这对于直接、准确确定页岩游离气含量具有重要意义。因此，急需研发相配套的页岩游离气含量的测试装置。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的在于提供一种页岩保压取心游离气含量自动测试装置，特别是一种页岩保压取心游离气含量现场自动测试装置。
6.本发明的另一目的在于提供一种测量页岩游离气含量的方法，特别是一种现场测量页岩游离气含量的方法。
7.为达上述目的，一方面，本发明提供了一种页岩保压取心游离气含量自动测试装置，其中，所述自动测试装置包括分离装置1和计量装置2；
8.所述分离装置1包括中空筒形的外筒11；外筒内部的顶部设置中空的导气筒12，导气筒顶部封闭，底部设置开口121，以使得导气筒内部空间与外筒的内部空间相连通；外筒
顶部设置进气口111、排气口112、注水口113和排水口114；进气口通过设置在外筒内的导流管13与导气筒内部空间相连通，以使得在工作状态下，采集的气体(即进入导气筒内的游离气)完全通过进气口经由导流管进入导气筒内部，并将导气筒内的液体通过导气筒底部的开口排出；排气口在导气筒顶部与导气筒内部相连通；注水口和外筒的内部空间相连通，排水口与外筒和导气筒之间形成的空间相连通；
9.分离装置1由排气口并经由管路与计量装置2相连接。
10.导气筒12与外筒11可以以多种连接方式连接，譬如，可以通过支架将导气筒固定在外筒上，也可以将导气筒顶部直接固定连接在外筒顶部的内壁上；导气筒可以具有单独的顶壁，也可以与外筒共用顶壁，譬如，将上下贯通的中空筒形导气筒的一端固定连接在外筒顶部的内壁上。
11.当导气筒顶部直接固定连接在外筒顶部的内壁上时，可以通过粘结、焊接、螺纹连接甚至一体成型的方式进行固定连接。
12.导流管13在伸到导气筒12一端的出口与导气筒的底部开口不接触，以确保采集的气体进入导气筒内部，并将导气筒内的水经由导气筒底部开口排出到导气筒外部。
13.根据本发明一些具体实施方案，其中，导气筒和外筒之间形成环形空间116，注水口和排水口分别设置在于环形空间116对应的外筒顶壁117上，并分别和外筒的环形空间相连通。
14.根据本发明一些具体实施方案，其中，所述导流管13螺旋盘绕在导气筒12的外壁。
15.根据本发明一些具体实施方案，其中，导流管13螺旋盘绕的螺距为导气筒12高度的1/6-1/2。
16.根据本发明一些具体实施方案，其中，导流管13螺旋盘绕的螺距为导气筒12高度的1/3。
17.根据本发明一些具体实施方案，其中，所述进气口111、排气口112、注水口113和排水口114处分别设置第一阀门1111、第二阀门1121、第三阀门1131、和第四阀门1141，用于控制所述进气口111、排气口112、注水口113和排水口114的开闭。
18.其中可以理解的是，所述的第一阀门1111、第二阀门1121、第三阀门1131、和第四阀门1141可以设置在进气口111、排气口112、注水口113和排水口114处的外筒11的外壁上；也可以设置在与所述的进气口111、排气口112、注水口113和排水口114直接连接的管路上。
19.当第一阀门1111、第二阀门1121、第三阀门1131、和第四阀门1141设置在管路上时，最好是设置在靠近进气口111、排气口112、注水口113和排水口114的位置，也可以根据需要设置在与所述的进气口111、排气口112、注水口113和排水口114直接连接的管路上的其他位置。
20.根据本发明一些具体实施方案，第二阀门1121为单向止回阀。
21.根据本发明一些具体实施方案，其中，所述外筒11底部设置排污口115。
22.根据本发明一些具体实施方案，其中，所述外筒11包括上半部分和下半部分，上半部分和下半部分通过固定装置15相密闭连接。
23.外筒11的上半部分和下半部分可以通过常规连接方式连接，譬如可以通过螺纹连接，也可以通过锁扣进行连接。
24.为了密封的考虑，还可在外筒11的上半部分和下半部分之间设置密封圈16。
25.根据本发明一些具体实施方案，其中，所述自动测试装置还包括减压装置3，所述减压装置设置在分离装置1和计量装置2之间的管路上。
26.根据本发明一些具体实施方案，其中，所述自动测试装置还包括干燥装置4，所述干燥装置设置在分离装置1和减压装置3之间的管路上。
27.根据本发明一些具体实施方案，其中，所述自动测试装置还包括用于连接取样的保压筒5和分离装置1的保压筒连接管路6，保压筒连接管路6的一端与保压筒连接，另一端与分离装置的进气口111连接；保压筒连接管路与保压筒连接处设置第五阀门61。
28.其中可以理解的是，所述第五阀门可以设置在保压筒连接管路上，也可以设置在保压筒上。
29.根据本发明一些具体实施方案，其中，导气筒12的内直径为外筒11的内直径的1/3-3/5；导气筒的高度为外筒高度的1/2-4/5。
30.根据本发明一些具体实施方案，其中，导气筒12的内直径为外筒11的内直径的2/5；导气筒的高度为外筒高度的2/3。
31.根据本发明一些具体实施方案，其中，导气筒12底部开口121的直径为导气筒内直径的1/6-1/3。
32.根据本发明一些具体实施方案，其中，导气筒12底部开口121的直径为导气筒内直径的1/3。
33.根据本发明一些具体实施方案，其中，导流管13穿过导气筒12底部开口121伸入导气筒内以与导气筒内部空间相连通，导流管伸入导气筒内的部分的长度至少为导气筒内腔高度的1/20。
34.根据本发明一些具体实施方案，其中，导流管伸入导气筒内的部分的长度为导气筒内腔高度的1/20-1/2。
35.根据本发明一些具体实施方案，其中，导流管伸入导气筒内的部分的长度为导气筒内腔高度的1/20-1/5。
36.根据本发明一些具体实施方案，其中，导流管伸入导气筒内的部分的长度为导气筒内腔高度的1/20-1/10。
37.根据本发明一些具体实施方案，其中，导流管伸入导气筒内的部分的长度为3-10cm。
38.根据本发明一些具体实施方案，其中，导流管伸入导气筒内的部分的长度为5cm。
39.根据本发明一些具体实施方案，其中，所述分离装置1设置液位测量装置14，用以获知导气筒12内的液位高度(获知导气筒12内的液位高度是否达到设定高度)。
40.所述的液位测量装置14可以是本领域任意的能够获知液位高度的装置，譬如，可以是电子液位计或者是透明观察窗。
41.根据本发明一些具体实施方案，其中，所述液位测量装置14包括分别设置在导气筒12和外筒11上且位置相对应的第一观察窗141和第二观察窗142。
42.根据本发明一些具体实施方案，其中，所述第一观察窗141设置在导气筒12高度的2/9-4/9处。
43.根据本发明一些具体实施方案，其中，所述第一观察窗141设置在导气筒12高度的1/3处。
44.另一方面，本发明还提供了利用本发明任意一项所述的自动测试装置测量页岩游离气含量的方法，其中，所述方法包括：
45.将分离装置1的内腔注满水的步骤；
46.关闭注水口113和排气口112并将待测岩心的游离气和泥浆通过导流管13注入分离装置1的外筒11内的步骤，使得所有的游离气进入导气筒12的内腔中，并将分离装置内的混入了泥浆的水由打开状态下的排水口114排出；
47.关闭排水口114并将导气筒12内的气体排进行定量测量的步骤；
48.打开注水口113将导气筒12内的气体从导气筒内完全排出并进行定量测量得到游离气体积的步骤；
49.根据待测岩心的尺寸计算游离气含量的步骤。
50.根据本发明一些具体实施方案，其中，游离气进入导气筒12的内腔后，当导气筒内的混入了泥浆的水水位下降至1/3-4/9时，关闭排水口114并将导气筒12内的气体排出进行定量测量。
51.根据本发明一些具体实施方案，其中，游离气进入导气筒12的内腔后，当导气筒内的混入了泥浆的水水位下降至1/3时，关闭排水口114并将导气筒12内的气体排出进行定量测量。
52.根据本发明一些具体实施方案，其中，关闭排水口114并将导气筒12内的气体排进行定量测量的步骤包括关闭排水口114并打开排气口112将导气筒12内的气体排出，利用计量装置2对排出的气体进行定量测量，待气体流量连续3min不大于5ml/s时，停止测试。
53.根据本发明一些具体实施方案，其中，根据待测岩心的尺寸计算游离气含量的步骤包括利用如下公式计算得到游离气含量：
54.gf＝v
·d22
·
l2/(m
·d12
·
l1)
55.其中，gf为游离气含量，ml/g；l1和d1分别为待测岩心的实际长度和直径，cm；l2和d2分别为待测岩心中一块短岩心的长度和直径，cm；m为所述短岩心的质量；v为测量得到的游离气体积。
56.根据本发明一些具体实施方案，其中，将分离装置1的内腔注满水的步骤包括打开注水口113和排水口114使分离装置1内部和外部气压相同，通过注水口向分离装置的内腔注水直至注满，关闭注水口和排水口。
57.根据本发明一些具体实施方案，其中，所述方法还包括将各装置连接好并检查密闭性的步骤，然后再将分离装置1的内腔注满水。
58.根据本发明一些具体实施方案，其中，所述方法具体包括如下步骤：
59.(1)将分离装置1、干燥装置4、减压装置3和计量装置2通过连接管连接好，并检验其密封性；
60.(2)确定密封性良好后，打开注水口113和排水口114使分离装置内部和外部气压相同，通过注水口向分离装置内部注水直至注满，关闭注水口和排水口；
61.(3)取心钻杆提出井筒后，将保压筒5从钻杆内取出，通过连接管与分离装置连通并检查其密封性；
62.(4)确定密封性良好后，打开排水口的第四阀门1141，再缓慢拧开第五阀门61和第一阀门1111，游离气与泥浆通过导流管13流入导气筒12内，泥浆与水混合达到游离气与泥
浆分离的目的；
63.(5)不断注入的游离气将溶解泥浆的泥浆水从排水口114压出，当导气筒内的泥浆水下降至1/3时，关闭排水口，同时打开第二阀门1121，导气筒内收集的游离气通过连接管流经干燥装置干燥，减压装置控制游离气流速，最终通过计量装置进行流量测试；直到流量连续3min不大于5ml/s时，停止测试，关闭第五阀门；
64.(6)打开第三阀门1131注水，直至导气筒内的游离气完全排出被计量装置计量，此时计量装置所计量的游离气体积为v(ml)；
65.游离气含量测试完毕后，取出保压筒内岩心，测量其实际长度l1(cm)以及直径d1(cm)，选择其中一块短岩心，测量其长度l2(cm)及直径d2(cm)，称量其质量m(g)，通过如下公式可计算得到游离气含量gf(ml/g)：
66.gf＝v
·d22
·
l2/(m
·d12
·
l1)。
67.综上所述，本发明提供了一种页岩保压取心游离气含量自动测试装置及应用。本发明的装置具有如下优点：
68.(1)目前使用的现场保压取心含气量测试装置过于简陋，需要工作人员通过取气筒壁的刻度线进行游离气体积读数，泥浆与水混合后使筒壁刻度线模糊，导致读数非常困难，而且注气后的采气筒无法保持平稳，测试人员视线无法与水平面保持平行，读数存在较大误差。本发明的自动测试装置由含气量计量装置自动测量游离气体积。
69.(2)现有的保压取心含气量测试装置需要进行多次排水采气，多次计量游离气体积，加大测量误差。本发明的自动测试装置可以一次性完成现场测试。
70.(3)现有的保压取心含气量测试装置在准备阶段，无法将水完全注满采气筒，采气筒内存在气泡也导致最后的结果存在误差。
附图说明
71.图1为本发明实施例1的自动测试装置的示意图。
具体实施方式
72.以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。
73.实施例1
74.如图1所示，本实施例提供了一种页岩保压取心游离气含量自动测试装置，所述自动测试装置包括分离装置1、计量装置2、减压装置3和干燥装置4；
75.所述分离装置1包括中空筒形的外筒11；外筒顶壁117的内侧设置中空的导气筒12，导气筒和外筒之间形成环形空间116，导气筒底部设置开口121，外筒顶壁117设置进气口111、排气口112、注水口113和排水口114；排气口设置在与导气筒内腔121对应的外筒顶壁117上，并与导气筒内腔121相连通；进气口通过盘绕在导气筒外壁的导流管13与导气筒内部空间相连通，注水口和排水口分别设置在于环形空间116对应的外筒顶壁117上，并分别和外筒的环形空间相连通；外筒11底部设置排污口115。
76.所述进气口111、排气口112、注水口113和排水口114处分别设置第一阀门1111、第二阀门1121、第三阀门1131、和第四阀门1141，用于控制所述进气口111、排气口112、注水口
113和排水口114的开闭。
77.所述外筒11包括上半部分和下半部分，上半部分和下半部分通过锁扣118相密闭连接。
78.分离装置1由排气口并经由管路与干燥装置4连接，干燥装置通过管路与减压装置连接，减压装置通过管路与计量装置2连接。
79.在工作状态下，分离装置1通过保压筒连接管路6与保压筒连接，保压筒连接管路6的一端与保压筒连接，另一端与分离装置的进气口111连接；保压筒连接管路与保压筒连接处设置第五阀门61。
80.实施例2
81.本实施例提供了利用实施例1的装置测量页岩游离气含量的方法，包括：
82.(1)提前半个小时，将分离装置1、干燥装置4、减压装置3和计量装置2通过连接管连接好，并检验其密封性。
83.(2)确定密封性良好后，打开注水口113和排水口114使分离装置内部和外部气压相同，通过注水口向分离装置内部注水直至注满，关闭注水口和排水口，准备工作完成。
84.(3)取心钻杆提出井筒后，将保压筒5从钻杆内取出，通过连接管与分离装置连通并检查其密封性。
85.(4)确定密封性良好后，打开排水口的第四阀门1141，再缓慢拧开第五阀门61和第一阀门1111，游离气与泥浆通过导流管13流入导气筒12内，泥浆与水混合达到游离气与泥浆分离的目的。
86.(5)不断注入的游离气将溶解泥浆的泥浆水从排水口114压出，当导气筒内的泥浆水下降至1/3时，关闭排水口，同时打开第二阀门1121，导气筒内收集的游离气通过连接管流经干燥装置干燥，减压装置控制游离气流速，最终通过计量装置进行流量测试；直到流量连续3min不大于5ml/s时，停止测试，关闭第五阀门。
87.(6)打开第三阀门1131注水，直至导气筒内的游离气完全排出被计量装置计量，此时计量装置所计量的游离气体积为v(ml)。
88.游离气含量测试完毕后，取出保压取心筒内岩心，测量其实际长度l1(cm)以及直径d1(cm)，选择其中一块短岩心，测量其长度l2(cm)及直径d2(cm)，称量其质量m(g)，通过如下公式可计算得到游离气含量gf(m3/t)：
89.gf＝v
·d22
·
l2/(m
·d12
·
l1)。
90.按照如上所述方法对所取岩心样本进行检测，三个不同编号的样品结果如下表1所示：
91.表1
[0092][0093]
采取本发明的装置和方法对页岩保压取心游离气含量进行测量，不但操作简单易
行，得到的结果也更加准确，大大降低了现有方法的误差。