一种多组分气体的吸附解析方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种吸附解析方法及装置，特别是关于一种多组分气体的吸附解析方 法及装置。
【背景技术】
[0002] 吸附气在页岩气中占有较高比例，且被认为是页岩气能够被成功勘探开发的重要 因素，对于泥页岩吸附/解吸甲烷等气体的研究具有重要意义。国内外学者（如美国Reven ridgeResources、Terratek公司）在对煤系泥岩和页岩的吸附性能进行研究时，大多采用 容量法等温吸附仪，近几年随着页岩气勘探开发的蓬勃发展，重量法等温吸附仪正在逐渐 被国内外学者（如Rubotherm公司）所接收，该方法以磁悬浮天平为主要检测工具，测试结 果更精准，但目前利用重量法对页岩吸附能力进行研究的报道很少。
[0003] 国内外学者在利用容量法对煤系泥岩和页岩等温吸附特征进行研究时发现，在利 用容量法对页岩或煤样吸附甲烷进行测试时，吸附相体积的存在将减小样品室中自由气体 的体积，进而对页岩或煤样的吸附能力的测试结果产生影响。此外，在真实地层条件下，天 然气在多数情况下并非以单组分形式存在，多组分气体会在页岩表面发生竞争吸附，这势 必影响着页岩对其他组分气体的吸附能力。
[0004] 因容量法测量吸附量没有统一的设备，为了能够很好的研究在多组分气体或者天 然气碳同位素并存时页岩的对各组分气体的吸附能力的变化，有必要研制出一套高压条件 下页岩或煤样中天然气吸附解吸的实验装置。
[0005] 《鄂尔多斯盆地富县区陆相页岩气吸附与解吸附研究》（张键，2013)中详尽阐述了 设计的单组份气体和多组分气体吸附装置。对于多组分气体吸附装置，把气体收集瓶装置 在样品室上，通过收集样品室内的气体，检测不同状态时各气体组分的比例，以此完成多组 分吸附量的计算。其存在以下缺点：第一、整个计算吸附量的过程没有考虑吸附相体积的存 在；第二、把气体收集瓶装置在样品室上，在采集气体的过程中会破坏样品室内吸附平衡状 态，导致样品室内气体组分发生改变，影响实验精度。
[0006] 北京永瑞达设计的高压等温吸附/解吸仪采用在一个参比室装置的基础上并联 多个样品室，实现同一温度下，不同压力下样品（页岩或煤）对气体吸附和解吸实验。仪器 设计的比较简单，功能较小，仅能够完成单组份气体的等温吸附/解析实验，而对多组分气 体的吸附量的检测不适用。
[0007] 《一种高温高压吸附解吸装置及其使用方法》（李吉君，专利）中详尽阐述了设计 的一种高温高压吸附解吸装置，该装置把收集瓶装置连接到样品室上，在不破坏样品室平 衡条件下收集气体，实现了对不同碳同位素的甲烷气体的计算。此外，该仪器是在通过进气 装置控制压力不变的前提下提高油浴温度，实现了等压升温的实验条件。但是由于温度改 变，压力也会发生变化，所以实际上该装置是变压变温的过程，不易控制预期的温压条件； 而且连接在样品室上的取样器数量有限，大大的限制了多组分气体吸附实验点数。
【发明内容】
[0008] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种可在不破坏吸附解析平衡条件的情况下 精确分析岩石样品对单组份气体和多组分气体吸附解析的多组分气体的吸附解析方法及 装置。
[0009] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种多组分气体的吸附解析方法，包 括以下步骤：
[0010] 1)设置多组分气体的吸附解析装置，其包括气体注入系统、真空栗、参比室、样品 室、气体收集瓶、第一压力传感器、第二压力传感器和温度传感器；位于气体注入系统与真 空栗的输出端气体管道上设置有第一阀门；
[0011] 位于参比室进气口的气体管道上设置有第二阀门；气体收集瓶输出端的气体管道 上设置有第三阀门；位于参比室与样品室之间的气体管道上设置有第四阀门；
[0012] 2)对多组分气体的吸附解析装置进行抽真空操作，使得参比室和样品室内的压力 为〇 ;
[0013] 3)确定参比室的容积V#和样品室的容积％;
[0014] 4)将岩石样品放入样品室内，确定岩石样品的体积Vg;
[0015] 5)通过气体注入系统向参比室和样品室中注入单组份气体，使得样品室内的压力 达到预定值，确定此时岩石样品对单组份气体的吸附量；
[0016] 6)使单组份气体缓慢流出多组分气体的吸附解析装置，样品室中的岩石样品对单 组份气体发生解析作用，当样品室内的压力达到预定值时，确定此时岩石样品对单组份气 体的吸附量；
[0017] 7)对多组分气体的吸附解析装置进行抽真空操作，使得参比室和样品室内的压力 为〇 ;
[0018] 8)通过气体注入系统向参比室和样品室中注入多组份气体，使得样品室内的压力 达到预定值，确定此时岩石样品对多组份气体中每种气体的吸附量；
[0019] 9)岩石样品对多组份气体发生解析作用，当样品室的压力达到预定值时，计算岩 石样品对多组份气体中每种气体的吸附量。
[0020] 所述步骤3)中确定参比室的容积V#和样品室的容积％，包括以下步骤：
[0021] (1)打开第一阀门和第二阀门，关闭第三阀门和第四阀门，通过气体注入系统向参 比室内注入氦气，当参比室内的压力稳定后，停止注入氦气，关闭第二阀门，记录参比室内 的压力P参；
[0022] (2)打开第四阀门，参比室内的氦气进入样品室中，当参比室和样品室内的压力稳 定后，记录参比室内的压力P# '和样品室内的压力P；lf;
[0023] (3)根据物质平衡原理和气体状态方程PV=znRT，其中P为气体压力，V为气体体 积，z为气体在压力为P时的气体压缩因子，n为气体物质的量，R为气体常数，常用8. 314J/ (mol?k)，T为气体所处温度，得到公式：
[0024]
⑴
[0025]其中，V#为参比室的容积，％为样品室的容积，z#、z# '和分别对应气体在压 力为P参、P参'和P样时的气体压缩因子；
[0026] (4)在样品室中放入不发生吸附作用且体积为V#的标准块，重复步骤（1)和步骤 (2)，根据物质平衡原理和气体状态方程PV=znRT得到公式：
[0027]
[0028] 式中，？_为放入标块后重复步骤（1)时参比室达到的稳定压力，'为放入标 块后重复步骤（2)时参比室达到的稳定压力，放入标块后重复步骤（2)时样品室达 至IJ的稳定压力，z参标、2参'和2滿分别对应气体在压力为P参标、P参'和P_时的气体压 缩因子；
[0029] (5)将公式（1)和公式（2)联立方程组求解得：
[0030]
[0032] 所述步骤4)中将岩石样品放入样品室内，确定岩石样品的体积Vg，包括以下步 骤：
[0033] (1)将岩石样品放入样品室内后，对多组分气体的吸附解析装置进行抽真空操作， 使得参比室和样品室内的压力为〇 ;
[0034] (2)打开第一阀门和第二阀门，关闭第三阀门和第四阀门，通过气体注入系统向参 比室内注入氦气，当参比室内的压力稳定后，停止注入氦气，关闭第二阀门，记录参比室内 的压力P参岩；
[0035] (3)打开第四阀门，参比室内的氦气进入样品室中，当参比室和样品室内的压力稳 定后，记录参比室内的压力P参g'和样品室内的压力P；lf岩；
[0036] (4)根据物质平衡原理和气体状态方程PV=znRT得到公式：
[0037]
[0038] 有上述公式计算得到：
[0039]
[0040] 式中，Z参岩、z参岩'和z样岩分别对应气体在压力为P錄、P錄'和P样岩时的气体压 缩因子。
[0041] 所述步骤5)中通过气体注入系统向参比室和样品室中注入单组份气体，使得样 品室内的压力达到预定值，确定此时岩石样品对单组份气体的吸附量包括以下步骤：
[0042] (1)对多组分气体的吸附解析装置进行抽真空操作，使得参比室和样品室内的压 力为〇 ;
[0043] (2)将参比室和样品室没于油浴槽中，待其温度达到指定实验温度T并恒定后，打 开第一阀门和第二阀门，关闭第三阀门和第四阀门，通过气体注入系统向参比室内注入单 组份气体，当参比室内的压力稳定后，停止注入单组份气体，关闭第一阀门和第二阀门，记 录参比室内的压力；
[0044] (3)打开第四阀门，参比室内的单组份气体等温膨胀进入样品室中，样品室内的岩 石样品对单组份气体发生吸附作用，当参比室和样品室内的压力稳定后，记录参比室内的 压力和样品室内的压力；
[0045] (4)关闭第四阀门，打开第一阀门和第二阀门，第二次向参比室内注入单组份气 体，当参比室内的压力稳定后，停止注入单组份气体，关闭第一阀门和第二阀门，记录参比 室内的压力；
[0046] (5)打开第四阀门，参比室内的单组份气体等温膨胀进入样品室中，样品室内的岩 石样品再次对单组份气体发生吸附作用，当参比室和样品室内的压力第二次稳定后，记录 参比室内的压力和样品室内的压力；
[0047](6)重复步骤⑷和步骤（5)，直到样品室内的压力达到预定压力为止；
[0048] (7)计算岩石样品在样品室压力第i次稳定后对单组份气体的吸附量为：
[0049]
[0050] 式中，11%1为样品室压力第i次稳定后，岩石样品吸附的单组份气体的物质的量； 叫为样品室压力第i次稳定后样品室内单组份气体物质的量；P#1为参比室和样品室内的 压力第i次稳定后样品室内的压力；z#1为对应气体在压力为P#1时的气体压缩因子；P1 为单组份气体的密度；Mq为单组份气体的摩尔质量；R为气体常数，常用8. 314X/(mol*k)。
[0051] 所述步骤6)中使单组份气体缓慢流出多组分气体的吸附解析装置，样品室中的 岩石样品对单组份气体发生解析作用，当样品室内的压力达到预定值时，确定此时岩石样 品对单组份气体的吸附量，包括以下步骤：
[0052] (1)关闭第四阀门，第一次缓慢打开第一阀门和第二阀门，参比室内的单组份气体 流出，参比室内的压力缓慢降低，当降低到设定值时，关闭第一阀门和第二阀门；
[0053] (2)打开第四阀门，样品室内的单组份气体缓慢进入参比室，样品室内压力降