本发明涉及一种可以时页岩饱和水的方法和装置，属于石油开采技术领域。
背景技术：
页岩气是以吸附或游离态为主要赋存方式的天然气，其中吸附态页岩气大约占页岩气总量的20％-85％，吸附规律研究是页岩气储量评价的基础。
现有研究表明，国内外页岩气藏都不同程度地含水，一方面，有些页岩储层天然含水；另一方面，页岩储层的经济开发常依赖于大型水力压裂技术，但其注入水返排率常低于15％，页岩储层存在大量滞留水。因此，含水页岩吸附规律对页岩气生产开发具有重要指导意义。
目前，主要基于平衡水饱和法饱和页岩岩样，进而利用等温吸附实验研究含水页岩吸附机理。然而平衡水饱和法具有饱和时间长、饱和度低、成本高和难以实现定量饱和等缺陷，使得含水页岩吸附实验周期较长，难以研究大饱和度范围和特定含水饱和度下的吸附规律，其实验成本也居高不下。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种保证水分均匀饱和的前提下，具有较高精度的页岩饱和水的装置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种页岩饱和水的装置，该装置包括：
注水设备，用于向饱和设备中注水，其中，注水设备包括加热带，加热带用于加热注入水进入饱和设备的管路；
饱和设备，用于饱和水，其中，饱和设备包括沙浴锅和设置于沙浴锅内部的样品罐；
数据采集设备，用于监测饱和设备中的样品罐内的温度和压力；
抽真空设备，用于控制饱和设备中的样品罐的压力。
在本发明的装置中，优选地，加热带设置在注水设备与饱和设备的连接管线上。
在本发明的装置中，优选地，加热带的上部设置有第一阀门。
在本发明的装置中，优选地，注水设备包括半u型管、橡胶皮管；其中，半u型管嵌入橡胶皮管中，橡胶皮管的底部通过皮管接头与样品罐连通。
在本发明的装置中，优选地，皮管接头与样品罐的连通管路上设置有第二阀门；更优选地，第二阀门设置在沙浴锅的外部。
在本发明的装置中，优选地，数据采集设备包括压力传感器、温度传感器和计算机。
在本发明的装置中，优选地，压力传感器的一端通过第三阀门与样品罐连接，压力传感器的另一端与计算机连接。
在本发明的装置中，优选地，温度传感器的一端通过第四阀门与样品罐连接，温度传感器的另一端与计算机连接。
在本发明的装置中，优选地，抽真空设备包括真空泵，真空泵通过第五阀门与样品罐连接。
本发明还提供了一种页岩饱和水的方法，该方法是通过上述的装置完成的，该方法包括以下步骤：
向注水设备中注水，并记录上液面对应的刻度值vt，单位为ml；
通过注水设备向样品罐中注水，直至注水设备的上液面的刻度为(vt-mssw)ml，其中，ms为页岩的干重，单位为g；sw为页岩需要达到的含水饱和度，％；
当压力和温度均稳定时，记录其压力值p，根据
获得理论需要饱和水的质量m0，g；
如果m0与mssw近似相等，则实现了页岩的定量饱和；如果m0与mssw相差较大，则重新饱和(mssw-m0)g的水，直至m0与mssw的相对误差小于5％；
其中，p为计算机记录的稳定压力，mpa；
t为计算机记录的稳定温度，k；
v为样品的孔隙体积，ml，v＝vv-vs，vs为样品的骨架体积，ml，vv为样品罐空罐的体积，ml；
z为p对应压缩因子，无量纲；
m为水分子相对分子质量，无量纲；
r＝8.314mpa·ml/(mol·k)；
ρ0为为稳定压力p、稳定温度t下对应的水的密度，g/ml。
在上述方法中，优选地，通过注水设备向样品罐中注水前，通过加热带加热管路中的水。
更具体地，抽真空阶段采用加热带加热管路的温度为100℃，保证完全气化；饱和水阶段，加热带加热管路的温度为80℃，使得管壁表面液态水气化，尽量减少壁面液体损失。
本发明的页岩饱和水的装置，通过沙浴锅使液态水完全转化为气态水，保证了页岩饱和水的均匀性；在保证水分均匀饱和的前提下，通过数据采集设备的对比、微调，使得该页岩饱和水的装置具有较高的精度，相对误差可以保持在5％之内。
本发明的页岩饱和水的装置可以缩短饱和时间，相比以往的平衡水饱和法对应的饱和时间约为15-30天，本发明的方法的饱和时间约为1-2天。
本发明的页岩饱和水的装置可以实现页岩饱和任意含水饱和度，扩大了饱和范围，比如，可以实现饱和度为80％，也可以实现饱和度为20％等。
本发明的页岩饱和水的装置可以，降低实验成本。
附图说明
图1为本发明的实施方式中的页岩饱和水的装置的结构示意图。
主要附图符号说明
1半u型管2橡胶皮管3皮管接头4第一阀门5加热带6第五阀门7第二阀门8第三阀门9第四阀门10压力传感器11温度传感器12信号转换器13计算机14固定支架15支架抓手16平板底座17真空泵18沙浴锅19气孔20接口21样品罐22样品罐固定架
具体实施方式
需要说明的是，当一个零部件被称为“设置于”另一个零部件，它可以直接在另一个零部件上或者也可以存在居中的零部件。当一个零部件被认为是“连接”另一个零部件，它可以是直接连接到另一个零部件或者可能同时存在居中零部件。本说明书所使用的术语“垂直”、“水平”、“左”、“右”以及类似的表述是基于说明书附图为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1所示，本发明实施方式提供了一种页岩饱和水的装置，该装置可以包括：
用于向饱和设备中注水的注水设备，其中，注水设备包括加热带5，用于加热注入水进入饱和设备的管路；
用于饱和水的饱和设备，其中，饱和设备包括沙浴锅18和设置于沙浴锅18内部的样品罐21；
用于监测饱和设备中的样品罐21内的温度和压力的数据采集设备；
用于控制饱和设备中的样品罐21的压力的抽真空设备。
在本实施方式中，样品罐21置于沙浴锅18的内部，使样品罐21中的样品，比如页岩，受温更加均匀，进而使得页岩饱和水过程更加均匀；且沙浴温度比油浴、水浴、空气浴温度更大，最高温度可达到450℃，加快了分子运动状态，可使样品罐21中的液态水完全气化，进而使页岩饱和水过程更加均匀。
在本发一实施方式中，页岩饱和水的装置固定在固定支架14上，固定支架具有支架抓手15和支架底座16。支架抓手15可以根据需要配制多个。比如，可以包括两个支架抓手，分别用于固定半u型管1和加热带5。固定支架14可以保证该页岩饱和水装置的垂直放置，尤其是可以确保注水设备的垂直设置。固定支架14为不锈钢材料，支架底座16采用稳定性较好的平板。
如图1所示，在本发明实施方式中，加热带5可以设置在注水设备与饱和设备的连接管线上。加热带用于加热管路中管壁上的滞留的水滴，将水滴加热为水蒸气，并随水流注入到饱和设备中，以减少水在流动过程中的损失，使注入结果更准确。或者，可以将管线横穿烘箱，同样可以实现降低中间管线水分损失的目的。
在本发明实施方式中，加热带5的上部设置有第一阀门4。第一阀门4用于控制半u型管1中的水。
在本发明实施方式中，注水设备包括半u型管1、橡胶皮管2；其中，半u型管1嵌入橡胶皮管2中，橡胶皮管2的底部通过皮管接头3与样品罐21连通。半u型管1嵌入橡胶皮管2中保持密封性即可，具体可以为旋进或卡扣连接。利用半u型管1可以减缓水的下滑速度，且实现近似的定量滴定。橡胶皮管2连接半u型管1与第一阀门4。
在本发明实施方式中，皮管接头3与样品罐21的连通管路上设置有第二阀门7；第二阀门7设置在沙浴锅18的外部。第二阀门7用于控制由注水设备进入样品罐21的水。另外，皮管接头3与样品罐21的连通管线，穿过沙浴锅18上表面的气孔19进入到沙浴锅18内，并穿过样品罐21上表面的接口20进入到样品罐21内。样品罐21可以设置在样品罐固定架22上，以使样品罐21稳定。其中，气孔19的宽度约为管线直径的1.5倍，可供管线通过，也使得沙浴温度损失较小。接口20为样品罐21的对外接口，与管线焊接，注入水可通过管线—接口进入样品罐。
在本发明实施方式中，数据采集设备包括压力传感器10、温度传感器11、计算机13。压力传感器10和温度传感器11经过信号转换器12对数据进行格式转换，然后将转换的数据输送至至计算机13端，进而计算机13上获得实时压力和温度数据。
在本发明另一实施方式中，压力传感器10的一端通过第三阀门8与样品罐21连接，压力传感器10的另一端连接计算机13。压力传感器10用于检测样品罐21中的压力，进而为页岩的定量饱和提供数据支撑。通过压力数据，利用物质守恒方程可推知样品罐21中水的体积，进而判断页岩饱和的定量性。第三阀门8设置在沙浴锅18的外部。
在本发明另一实施方式中，温度传感器11的一端通过第四阀门9与样品罐21连接，温度传感器11的另一端连接计算机13。温度传感器11用于检测样品罐21中的温度，进而为页岩的定量饱和提供数据支撑。通过观察温度数据是否稳定判断样品罐21的受温情况，进而分析页岩饱和水的均匀性。第四阀门9设置在沙浴锅18的外部。
在本发明实施方式中，抽真空设备包括真空泵17，真空泵17通过第五阀门6与样品罐21连接。第五阀门6设置在沙浴锅18的外部。第五阀门6用于样品管21中空气的进出。
在本发明的一种实施方式中提供了一种页岩饱和水(饱和度为20％)的方法，该方法是通过上述的装置完成的，该方法可以包括以下步骤：
已知页岩干重ms(67.4g)、样品的骨架体积vs(24.07ml)、样品罐空罐体积vv(195ml)，使其含水饱和度达到sw(20％)，则所需液态蒸馏水的质量为mssw(13.48g)，对应的液态蒸馏水体积也为mssw(13.48ml)；
关闭图1所示的装置的所有阀门，沙浴锅18的温度设定为360℃，然后向半u型管1中加入足量液态水，驱赶空气，直至半u型管液面不再下降；
打开第一阀门4，当半u型管1的液面不再下降时，关闭第一阀门4，启动加热带5，加热带设置为100℃，约10min后打开第五阀门6和第二阀门7，而后启动真空泵17对进行抽真空处理30min，依次关闭第二阀门7、第五阀门6和真空泵17；打开第一阀门4，重复上述步骤，直至液态水底液面到达橡胶皮管底端，这表明半u型管1与第一阀门4之间的空间没有空气占据；
关闭加热带5，打开第五阀门6、第二阀门7、第三阀门8、第四阀门9，启动真空泵17，进行抽真空处理3h，而后依次关闭第五阀门6、第二阀门7、加热带5和真空泵17；
记录半u型管1上液面对应的刻度值vt(38ml)，通过打开第一阀门4，使液面下降，直至上液面到达(vt-mssw)，然后关闭第一阀门4，启动加热带5，加热带设置为80℃，5min后打开第二阀门7，约30s后关闭加热带5和第二阀门7，使液态水完全进入样品罐；如果由于sw过大，打开第一阀门4不能使上液面直接到达(vt-mssw)，则可以通过重复上述操作，直至上液面到达(vt-mssw)；
记录分析计算机13显示的温度和压力数据：
当压力数据波动不大，比较稳定时，记录其数值p，利用气体状态方程计算水蒸气对应的质量m0，具体见公式见式1-式3。如果其值与mssw近似相等(相对误差低于5％)，则说明实现页岩定量饱和；如果其值与mssw相差较大(相对误差高于5％)，则需要重新饱和(mssw-m0)g，即(mssw-m0)ml的液态水，重复上述步骤进行饱和，直至最后计算的质量m0与mssw的相对误差小于5％；
pm＝zρ0rt...............................式1
m＝vρ0..............................式2
获得理论需要饱和水的质量m0＝13.1784g；
其中，p为计算机记录的稳定压力＝14.54mpampa；
t为计算机记录的稳定温度＝625.15k；
v为样品罐的孔隙体积，ml，v＝vv-vs，vs为骨架体积，ml，vv为样品罐空罐体积，ml；v＝vv-vs＝195-24.07＝170.93ml
z＝0.65313；
m为水分子相对分子质量，无量纲，m＝18；
r＝8.314mpa·ml/(mol·k)；
ρ0为稳定压力p、稳定温度t下对应的水的密度，g/ml。
通过计算可知,m0与mssw的相对误差为:(13.1784-13.48)/13.48×100％＝2.24％
<5％,则我们可近似认为该装置已实现页岩定量饱和20％含水饱和度的目的。
应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本教导的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。在前述权利要求中省略这里公开的主题的任何方面并不是为了放弃该主体内容，也不应该认为申请人没有将该主题考虑为所公开的申请主题的一部分。