一种有机质生物气产出的实验装置的制作方法

本实用新型涉及煤层气、页岩气开发技术领域，特别是涉及一种有机质生物气产出的实验装置。

背景技术：

在煤层气、页岩气开发领域中，微生物气化技术具有增产、增渗、再利用的特点，因而在废弃矿区、低煤阶煤和页岩气开发方面具有独特优势。传统观点认为废弃矿区中的预留煤柱和煤层气含量低的低煤阶煤层不具有开采价值，利用微生物气化技术可以将煤或页岩部分有机质转化为生物气，提高储层含气饱和度；微生物降解煤岩、页岩有机质还具有增加储层渗透性的作用。

微生物气化技术在提高原油采收率、稠油开采和城市生化垃圾裂解等方面已取得重大进展，但在煤和页岩有机质的生物转化方面还主要停留在实验室研究阶段。目前，生物气产出实验装置主要分为两种，一种是厌氧瓶内静置或震荡培养产气，这种方法操作简单、成本较低，可同时培养多个样品，也是目前实验室内模拟生物气产出的主流方法；一种是发酵罐内搅拌培养，可放置大块或大量有机质样品，但是该方法成本较高，主要用于工程实验研究，同时这两种方法均存在一个共性问题，即有机质固样和培养液液样的接触关系为同时静态或同时动态的问题，无法真实的反应地下煤和页岩有机质静止不动，而培养液携带微生物流经有机质的地质条件。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种模拟原始地层温度、压力条件，能提供不同水流速率条件，能够模拟煤层原位不同温度、压力与水流速率地质条件下，微生物降解煤岩、页岩等有机质生烃作用过程与生烃潜力，以深化其产出机理的实验装置与方法。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种有机质生物气产出的实验装置，包括控温系统、微生物反应系统、储气循环系统、增压与排气系统、第一连接导管、第二连接导管和第四连接导管；所述的储气循环系统至少包括一个顶空容器，所述的微生物反应系统的一端通过第四连接导管经顶空容器上表面进入顶空容器内，所述的微生物反应系统的另一端通过第二连接导管与储气循环系统的底部连接；所述的增压与排气系统通过第一连接导管连接在第二连接导管上；所述的微生物反应系统和储气循环系统置于控温系统内。

所述的控温系统采用的是水浴控温系统。

所述的水浴控温系统采用的恒温水浴箱。

所述的微生物反应系统至少包括生物反应罐体，生物反应罐体的一端通过第二密封垫圈可拆卸的连接有第二密封盖，第二密封盖的上部通过开有的第二通孔与第三连接导管的一端连接，第三连接导管的另一端通过过滤器与第四连接导管连接；第二密封盖的下部开有排液口；生物反应罐体的另一端通过第一密封垫圈可拆卸的连接有第一密封盖，第一密封盖的上部通过开有的第一通孔与第二连接导管的一端连接，第二连接导管的另一端通过平流泵与顶空容器底部连接。

所述的排液口外侧连接有第二二通阀。

所述的储气循环系统还包括压力表、第五连接导管、第四二通阀和第三二通阀；所述的压力表通过第三二通阀连接在顶空容器的上表面，所述的第五连接导管的一端穿过顶空容器下底面并延伸至顶空容器内，第五连接导管的另一端与第二连接导管连接；顶空容器的上表面还开有取气口和排气口，排气口上连接有第四二通阀。

所述的增压与排气系统包括高压惰性气体瓶、惰性气体瓶阀门、气体减压阀和第一二通阀；所述的高压惰性气体瓶与气体减压阀的输入端连接，气体减压阀的输出端与第一连接导管连接，第一二通阀连接在第一连接导管上。

所述的高压惰性气体瓶中的气体为高纯氮气。

所述的水浴控温系统采用的恒温水浴箱，所述的微生物反应系统至少包括生物反应罐体，生物反应罐体的一端通过第二密封垫圈可拆卸的连接有第二密封盖，第二密封盖的上部通过开有的第二通孔与第三连接导管的一端连接，第三连接导管的另一端通过过滤器与第四连接导管连接；第二密封盖的下部开有排液口；生物反应罐体的另一端通过第一密封垫圈可拆卸的连接有第一密封盖，第一密封盖的上部通过开有的第一通孔与第二连接导管的一端连接，第二连接导管的另一端通过平流泵与顶空容器底部连接；所述的排液口外侧连接有第二二通阀；所述的储气循环系统还包括压力表、第五连接导管、第四二通阀和第三二通阀；所述的压力表通过第三二通阀连接在顶空容器的上表面，所述的第五连接导管的一端穿过顶空容器下底面并延伸至顶空容器内，第五连接导管的另一端与第二连接导管连接；顶空容器的上表面还开有取气口和排气口，排气口上连接有第四二通阀；所述的增压与排气系统包括高压惰性气体瓶、惰性气体瓶阀门、气体减压阀和第一二通阀；所述的高压惰性气体瓶与气体减压阀的输入端连接，气体减压阀的输出端与第一连接导管连接，第一二通阀连接在第一连接导管上。

有益效果：

本实用新型通过控温系统、微生物反应系统、储气循环系统和增压与排气系统组成的一种有机质生物气产出的实验装置，通过器具灭菌处理、匹配装置、装置安装、启动装置、收集气体与液体和检测气体与液体六个步骤，使实验过程中可以精确控制反应所需的温度，方便实验准备阶段与结束阶段的实验仪器清洗工作；生物反应罐体连接一个过滤器，可防止煤粉等细小颗粒进入顶空容器；增压与排气系统使用外接的一瓶高压惰性气体瓶、减压阀与第一二通阀独立控制系统内的初始压力与厌氧环境，惰性气体瓶内压力过低时可随时补充惰性气体或更换惰性气体瓶，操作简单，成本低，节约实验耗材。储气循环系统可储存生成的气体；在储气循环系统中的顶空容器上加有压力表，可以显示系统内初始压力与实验中压力变化，反映气体生成量；顶空容器下方连接平流泵，为系统内流体提供循环动力。

本实用新型模拟地层原位微生物降解时的温度、压力和水动力条件；通过水浴恒温系统提供地层反应温度；通过高压惰性气体瓶的减压阀调节模拟不同的地层压力；通过平流泵流量控制来模拟地下不同水流速率。

生物反应罐体可放直径为42cm的岩心样品，也可以放置块状样品或粉末状样品，样品适用范围更广。

仪器操作方法简单，经济成本低，而且模拟结果更接近地层实际情况。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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的附图。

图1是本实用新型结构示意图；

图2是生物反应罐体示意图；

图3是顶空容器示意图；

图4是顶空容器俯视图；

图5是本实用新型的流程图。

图中：1-恒温水浴箱；2-生物反应罐体；3-顶空容器；4-高压惰性气体瓶；5-惰性气体瓶阀门；6-气体减压阀；7-第一连接导管；8-第一二通阀；9-第二连接导管；10-第一通孔；11-第一密封盖；12-第一密封垫圈；13-第二密封垫圈；14-第二密封盖；15-第二通孔；16-第二二通阀；17-排液口；18-第三连接导管；19-过滤器；20-第四连接导管；21-压力表；22-第三二通阀；23-取气口(含密封垫圈)；24-排气口；25-第四二通阀；26-培养液；27-平流泵；28-第五连接导管。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例一：

根据图1-图4所示的一种有机质生物气产出的实验装置，包括控温系统、微生物反应系统、储气循环系统、增压与排气系统、第一连接导管7、第二连接导管9和第四连接导管20；所述的储气循环系统至少包括一个顶空容器3，所述的微生物反应系统的一端通过第四连接导管20经顶空容器3上表面进入顶空容器3内，所述的微生物反应系统的另一端通过第二连接导管9与储气循环系统的底部连接；所述的增压与排气系统通过第一连接导管7连接在第二连接导管9上；所述的微生物反应系统和储气循环系统置于控温系统内。

在实际使用时，微生物反应系统是提供观察微生物与有机质样品反应进程的场所。本实用新型的微生物反应系统可放置直径为42mm的岩心样品，也可放置块状样品或粉末状样品，样品适用范围更广。储气循环系统是用于提供微生物培养液与生成气体储存的场所。增压与排气系统一方面为调节和控制系统内实验反应时的初始压力，另一方面为实验前排气时调控增压与排气系统内的压力变化，保证实验安全。控温系统用于控制实验反应温度，并且后期可以根据不同实验条件下的实验数据分析温度因素对生物气生成量的影响。

本实用新型通过控制变量法，分别可以得到温度、压力、水动力、微生物种类、微生物数量等因素对生物气的产出速率与总量的影响。本实用新型的装置可以多次重复利用，做到了节能环保，以达到效率最大化。

实施例二：

根据图1所示的一种有机质生物气产出的实验装置，与实施例一不同之处在于：所述的控温系统是采用的是水浴控温系统。

优选的是所述的水浴控温系统采用的恒温水浴箱1。

在实际使用时，水浴控温系统由一个大的恒温水浴箱1构成。该水浴箱用于控制实验反应温度，并且后期可以根据不同实验条件下的实验数据分析温度因素对生物气生成量的影响。采用恒温水浴箱1的方技术案，不仅使安装与拆装连接导管方便，而且还能实时检查生物反应罐体与顶空容器置于水下可检查装置的密封性(漏气地方有气泡)，实验过程中还可以精确控制反应所需的温度。使得实验是成本低、控温的效果好。本实用新型的采用的恒温水浴箱1的型号为sc-160，水浴箱的浴槽内带循环系统，可以提高浴槽内温场的均匀性，采用pid控温技术，温度精度可达0.05℃。在实际使用时，也可以采用其它型号的恒温水浴箱或温控装置，只要能够精确控制反应所需的温度即可。

实施例三：

根据图1和图2所示的一种有机质生物气产出的实验装置，与实施例一不同之处在于：所述的微生物反应系统至少包括生物反应罐体2，生物反应罐体2的一端通过第二密封垫圈13可拆卸的连接有第二密封盖14，第二密封盖14的上部通过开有的第二通孔15与第三连接导管18的一端连接，第三连接导管18的另一端通过过滤器19与第四连接导管20连接；第二密封盖14的下部开有排液口17；生物反应罐体2的另一端通过第一密封垫圈12可拆卸的连接有第一密封盖11，第一密封盖11的上部通过开有的第一通孔10与第二连接导管9的一端连接，第二连接导管9的另一端通过平流泵27与顶空容器3底部连接。

优选的是所述的排液口17外侧连接有第二二通阀16。

在实际使用时，微生物反应系统中生物反应罐体2是提供观察微生物与有机质样品反应进程的场所。本生物反应罐体可放直径为42mm的岩心样品，也可放置块状样品或粉末状样品，样品适用范围更广。在此系统中，生物反应罐体2一侧为可拆卸的第一密封盖11加第一密封垫圈12的进样口，可以做到反应时密闭良好并且方便换样清洗与重复循环利用，另一侧为可拆卸的第二密封盖14加第二密封垫圈13。生物反应罐体2上的第一密闭盖11上部有第一通孔10与第二连接导管9连接，生物反应罐体2右侧上部的第二通孔15连接第三连接导管18，导出反应生成气体与微生物培养液。第三连接导管18连接过滤器19，用以过滤煤粉等细小颗粒。生物反应罐体2下部为一个排液口17，排液口上加一个第二二通阀16控制生物反应罐体2的密封，同时用于在实验中途和结束后随时取液体样品，以检测微生物降解有机质作用过程中可溶物质含量变化与微生物活性变化。生物反应罐体2两侧均为可拆卸密闭盖，并且加有密封垫圈，既保证了实验环境的密闭性，又方便实验准备阶段与结束阶段的实验仪器清洗工作；生物反应罐体右侧连接一个过滤器，可防止煤粉等细小颗粒进入顶空容器。

实施例四：

根据图1、图3和图4所示的一种有机质生物气产出的实验装置，与实施例一不同之处在于：所述的储气循环系统还包括压力表21、第五连接导管28、第四二通阀25和第三二通阀22；所述的压力表21通过第三二通阀22连接在顶空容器3的上表面，所述的第五连接导管28的一端穿过顶空容器3下底面并延伸至顶空容器3内，第五连接导管28的另一端与第二连接导管9连接；顶空容器3的上表面还开有取气口23和排气口24，排气口24上连接有第四二通阀25。

在实际使用时，储气循环系统中顶空容器3是提供微生物培养液与生成气体储存的场所，本实施例使用的是规格为2l，内径为100mm的圆柱形不锈钢容器。在实际使用时，可以根据实际需要采用不同规格的容器。顶空容器3上部开口有四个，分别是连接压力表21，第四连接导管20，取气口23，排气口24；下部开口有一个口用于连接第五连接导管28。其中，压力表21用以显示实验初始压力并检测反应进行过程中生成气体的体积变化，可以知道反应进行的程度与气体生成量，后期还可以得出微生物种类，含量等影响因素对生成气体速率的影响。第四连接导管20通入顶空容器3中的培养液中，连通微生物反应系统，一方面保证实验前高压惰性气体瓶4打开后排尽连接管线和微生物培养液中的空气，另一方面在实验过程中观察气泡的频率判断生物气的产生时间与数量。取气口23设置的密封垫圈23，是为实验过程中通过注射器抽取顶空容器内的气体方便。排气口24是为了在实验开始阶段打开高压惰性气体瓶排尽反应系统内的空气出口，还可作为实验结束后，用集气袋收集顶空容器3内大量气体的集气口。第五连接导管28上里连接有一个平流泵27，本技术方案一方面可以让微生物培养液单向流动，还可以在准备试验阶段通入惰性气体时，不让惰性气体进入顶空容器。第五连接导管28在顶空容器下部接入微生物培养液中。储气循环系统中的顶空容器3，可储存生成的气体；顶空容器3上加有压力表，可以显示系统内初始压力与实验中压力变化，反映气体生成量；顶空容器3下方连接平流泵，为系统内流体提供循环动力。

实施例五：

根据图1所示的一种有机质生物气产出的实验装置，与实施例一不同之处在于：所述的增压与排气系统包括高压惰性气体瓶4、惰性气体瓶阀门5、气体减压阀6和第一二通阀8；所述的高压惰性气体瓶4与气体减压阀6的输入端连接，气体减压阀6的输出端与第一连接导管7连接，第一二通阀8连接在第一连接导管7上。

优选的是所述的高压惰性气体瓶4中的气体为高纯氮气。

在实际使用时，高压惰性气体瓶4中的气体为高纯惰性气体，为排除微生物反应系统和储气循环系统以及第二、第三、第四连接导管内空气并创造无氧实验环境的主要气体。气体减压阀6一方面为调节控制系统内实验反应时的初始压力，另一方面为实验前排气时调控高压惰性气体瓶4的压力变化，保证实验安全。第一二通阀8在平流泵27一侧接入第一连接导管7，用以连接增压与排气系统和其他实验系统的开关。增压与排气系统使用外接的一瓶高压惰性气体瓶4、气体减压阀6与第一二通阀8独立控制系统内的初始压力与厌氧环境，高压惰性气体瓶4内压力过低时可随时补充惰性气体或更换惰性气体瓶，操作简单，成本低，节约实验耗材。高压惰性气体瓶4中采用的气体为高纯氮气，可以再不影响实验精度的基础上节约成本。在实际使用时，也可以根据需要采用高纯度的氦气或其他高纯度的惰性气体，也能够取得同样的实验效果。

实施例六：

根据图1-图4所示的一种有机质生物气产出的实验装置，与实施例二不同之处在于：所述的水浴控温系统采用的恒温水浴箱1，所述的微生物反应系统至少包括生物反应罐体2，生物反应罐体2的一端通过第二密封垫圈13可拆卸的连接有第二密封盖14，第二密封盖14的上部通过开有的第二通孔15与第三连接导管18的一端连接，第三连接导管18的另一端通过过滤器19与第四连接导管20连接；第二密封盖14的下部开有排液口17；生物反应罐体2的另一端通过第一密封垫圈12可拆卸的连接有第一密封盖11，第一密封盖11的上部通过开有的第一通孔10与第二连接导管9的一端连接，第二连接导管9的另一端通过平流泵27与顶空容器3底部连接；所述的排液口17外侧连接有第二二通阀16；所述的储气循环系统还包括压力表21、第五连接导管28、第四二通阀25和第三二通阀22；所述的压力表21通过第三二通阀22连接在顶空容器3的上表面，所述的第五连接导管28的一端穿过顶空容器3下底面并延伸至顶空容器3内，第五连接导管28的另一端与第二连接导管9连接；顶空容器3的上表面还开有取气口23和排气口24，排气口24上连接有第四二通阀25；所述的增压与排气系统包括高压惰性气体瓶4、惰性气体瓶阀门5、气体减压阀6和第一二通阀8；所述的高压惰性气体瓶4与气体减压阀6的输入端连接，气体减压阀6的输出端与第一连接导管7连接，第一二通阀8连接在第一连接导管7上。

本实用新型模拟地层原位微生物降解时的温度、压力和水动力条件；通过水浴恒温系统提供地层反应温度，通过高压惰性气体瓶的减压阀调节模拟不同的地层压力，通过平流泵流量控制来模拟地下不同水流速率。生物反应罐体可放直径为42cm的岩心样品，也可以放置块状样品或粉末状样品，样品适用范围更广。本实用新型操作方法简单，经济成本低，而且模拟结果更接近地层实际情况。

实施例七：

如图1和图5所示的一种使用一种有机质生物气产出的实验装置的试验方法，包括如下步骤

步骤一：器具灭菌处理

将生物反应罐体2、顶空容器3、培养液26、可拆卸密封盖11、14、过滤器19、第一连接导管7、第二连接导管9、第三连接导管18、第四连接导管20、第五连接导管28、第一二通阀8、第二二通阀16、第三二通阀22、第四二通阀25进行灭菌处理；

步骤二：匹配装置

将有机质样品放入经步骤一处理过的生物反应罐体2中，将培养液26装进经步骤一处理过的顶空容器3内；

步骤三：装置安装

将经过步骤一和步骤二处理好的所有部件进行连接；

步骤四：启动装置

依次打开增压与排气系统中的惰性气体瓶阀门5、气体减压阀6、第一二通阀8、第四二通阀25，连续通高纯惰性气体10-20分钟，排除微生物反应系统、储气循环系统内剩余空气，关闭第四二通阀25，调节气体减压阀6至设定地层压力，再关闭第一二通阀8、惰性气体瓶阀门5和气体减压阀6，然后打开恒温水浴箱1和平流泵27电源开关，使顶空容器3内的培养液26按顺时针方向循环流动；

步骤五：收集气体与液体

在不同时间段，从取气口23收集顶空容器3内顶端气体；从排液口17采集生物反应器2内的液体；

第六步，检测气体与液体

将步骤五收集的气体进行气体组分和甲烷浓度检测，液体进行微生物多样性分析。

本实用新型通过器具灭菌处理、匹配装置、装置安装、启动装置、收集气体与液体和检测气体与液体六个步骤，较好的完成了微生物气化实验，为实验和研究提供了有力的技术支持。

实施例八：

如图1和图5所示的一种有机质生物气产出的试验方法，

首先我们按照产甲烷菌培养液的方法配备一定容积的培养液26，将生物反应罐体2、顶空容器3、培养液26、第一连接导管7、第二连接导管9、第三连接导管18、第四连接导管20和第五连接导管28及第一二通阀8、第二二通阀16、第三二通阀22、第四二通阀25放入高温蒸汽灭菌锅内进行121℃灭菌20分钟，然后待实验仪器冷却后取出，放入净化工作台上装样并连接各系统。

首先，将某矿井内径42mm，长度300mm的岩心样品装入生物反应罐体2内，然后将可拆卸的第一密封盖11和第二密封盖14分别安装在生物反应罐体2两侧，用第三连接导管18将过滤器19和第二通孔15连接，再安装顶空容器的压力表21、密封垫圈23、第三二通阀和第四二通阀，最后用第一连接导管7、第二连接导管9、第三连接导管18、第四连接导管20、第五连接导管28依次将高压惰性气体瓶、生物反应罐体2，过滤器19、顶空容器3和平流泵27连接，实验装置组装完成。

具体实验操作步骤为：

1、依次打开第四二通阀25，第一二通阀8，惰性气体瓶阀门5、气体减压阀6，调节至适当的出口流压，吹惰性气体10分钟。

2、排尽微生物反应系统和储气循环系统内空气，然后关闭第四二通阀25，并调节气体减压阀6出口压力至地层模拟压力1mpa。

3、待系统内压力平衡后，关闭第一二通阀8，惰性气体瓶阀门5、气体减压阀6。

4、打开本实施例所采用的水浴箱开关，温度调至35℃，打开平流泵开关，流速调至0.1ml/min，每隔3-5天从取气口23用注射器抽取一定量的气体用于气体组分的测试，实验装置持续60-90天后，反应结束，从排气口24采集顶空容器内剩余气体，从排液口17采集生物反应罐体2内剩余液体用于其他项目测试。

5、实验结束后依次关闭水浴箱和平流泵电源开关，按照组装实验仪器的步骤，依次拆卸各实验配件，清洗干净后，用于下一次的实验。

综上所述，本实用新型通过控温系统、微生物反应系统、储气循环系统和增压与排气系统组成的一种有机质生物气产出的实验装置，通过器具灭菌处理、匹配装置、装置安装、启动装置、收集气体与液体和检测气体与液体六个步骤，使实验过程可以精确控制反应所需的温度，方便实验准备阶段与结束阶段的实验仪器清洗工作；生物反应罐体连接一个过滤器，可防止煤粉等细小颗粒进入顶空容器；增压与排气系统使用外接的一瓶高压惰性气体瓶、减压阀与第一二通阀独立控制系统内的初始压力与厌氧环境，惰性气体瓶内压力过低时可随时补充惰性气体或更换惰性气体瓶，操作简单，成本低，节约实验耗材。储气循环系统可储存生成的气体；在储气循环系统中的顶空容器上加有压力表，可以显示系统内初始压力与实验中压力变化，反映气体生成量；顶空容器下方连接平流泵，为系统内流体提供循环动力。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，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。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其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至少一个该特征。

在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。

以上所述，近视本实用新型的较佳实施例而已，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，二十要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。