一种含气量测试装置及方法与流程

1.本发明涉及天然气勘探技术领域，特别涉及一种含气量测试装置及方法。


背景技术：

2.页岩气是指赋存于以富有机质页岩为主的储集岩系中的非常规天然气，它能以游离态存在于 天然裂缝和泥页岩孔隙中，以吸附态存在于干酪根、黏土颗粒表面；煤层气是指储存在煤层 中以甲烷为主要成分的非常规天然气，以吸附态存在于煤基质颗粒表面为主，部分以游离态 存在于煤孔隙中或溶解于煤层水中，一般通过对现场取心的页岩气或煤层气岩心样品进行装 罐解吸，来获取其含气量。含气量是评价煤层气和页岩气资源的核心参数。
3.为了对岩心样品的含气量进行自动化测试，技术人员做出了大量工作。
4.例如，现有技术公开了一种含气量测定方法，为排水集气法，首先让解吸气积蓄在解吸罐内 达到一定时间或一定压力，采用导管将解吸罐与充满水的带刻度玻璃管联通，一个解吸罐对 应一个排水测定装置，开启解吸罐阀门后天然气通过导管逐渐顶替玻璃管中的水，通过传感 器自动记录玻璃管内液面高度或排出水的质量来换算解吸罐排出的天然气量作为样品现场解 吸含气量。但是，该方法的缺陷在于：针对每个样品均需对应一个储水容器进行测定，现在 部分技术产品可将数套上述储水及测定容器集成至一个装置内，但设备总体仍十分臃肿、繁 琐。
5.又例如，现有技术还公开了另一种含气量测定方法，为质量流量计法，利用导管将气体质量 流量传感器连接到解吸罐上，实时记录气体流量传感器数据获得气体质量流量，累计并换算 得到样品现场解吸含气量。采用该方法采集气样容易干扰解吸气测定，二现场解吸速率前期 快而后期极慢的特征(特别是煤层气岩心样品)，使得现有质量流量计的精度难以满足测试 要求。
6.又例如，现有技术也公开了另一种含气量测定装置与方法，为脉冲式计量法，将脉冲式计量 泵连入样品解吸装置，同时样品解吸装置上连接有微型压差传感器，脉冲式计量泵和微型压 差传感器均与计算设备连接，对微型压差传感器设定一个阈值，随着解吸进行，解吸罐内压 力逐渐增加，微型压差传感器记录的压力会达到这个阈值，此时计算设备控制脉冲式计量泵 打开，将解吸罐内气体排出，而排出的气体体积由脉冲式计量泵中的电机转数计算得出，随 着气体排出，微型压差传感器记录的压力会回落至阈值以下，此时计算设备控制脉冲式计量 泵关闭，解吸罐内气体压力又会逐渐上升，如此往复，最终累加得到最终的含气量。该方法 虽然具有较高精度，但由于气体计算过程摒弃了时间信息，因此无法根据解吸气量数据推算 损失气含量，而且利用该装置和方法进行气样采集时，会干预整个系统的正常解吸，因此实 用性不强。
7.由此可见，目前需要一种精度高、扩展性强、采样便捷的测定装置和方法。


技术实现要素：

8.通过温度压力传感器获取解吸罐内气体状态，结合安全阀控制气体排出并保持解吸罐内气体 压力稳定在一定范围内，根据解吸罐内温压状态可计算累计解吸气量，该装置及计算方法保 证了现场解吸的高精度、易扩展、灵活小巧的特点，又能在不影响测定解吸气量的情况下实 现气样采集。
9.本发明实施例的含气量测试装置，由解吸模块、气体缓冲模块、数据采集模块、加热控温模 块和数据中转接收模块组成。具体地，包括解吸罐，其特征在于，还包括密封盖和底座；所 述密封盖对解吸罐进行密封，所述密封盖与第一安全阀通过管道连接，所述集气罐与第一安 全阀通过管道连接，所述集气罐与第一手动阀通过管道连接，所述集气罐上通过管道连接有 采气阀、第二手动阀，所述第二手动阀上通过管道连接有第二安全阀；所述密封盖内侧设有 温压传感器，所述密封盖外侧设有下位机，所述下位机与温压传感器信号相连，所述下位机 与无线信号传输单元信号相连，所述下位机与存储单元相连，所述下位机还与第一数显屏幕 相连，所述下位机还与电池模组相连；所述无线信号传输单元与路由器无线信号相连，所述 路由器与上位机无线信号相连；所述解吸罐经管道与进气阀相连，所述解吸罐内设有温度传 感器，所述解吸罐外侧包裹有加热保温单元，在加热保温单元底部还设有电源线接触点和信 号线接触点，所述加热保温单元与电源线接触点相连，所述温度传感器与信号线接触点信号 相连；所述加热保温单元底部与底座接触，所述底座内设有电源线卡点、信号线卡点、温度 控制单元、电源输入接口、电源输出接口；所述电源线接触点与电源线卡点接触相连，所述 信号线接触点与信号线卡点接触相连，所述电源线卡点与温度控制单元相连，所述信号线卡 点与温度控制单元信号相连，所述温度控制单元与第二数显屏幕相连，所述电源输入接口与 温度控制单元相连，所述电源输入接口与所述电源输出接口连接；
10.所述气体缓冲模块中的第一安全阀只允许气体从解吸罐向集气罐方向流动，所述气体缓冲模 块中的第二安全阀只允许气体从集气罐方向向外界排出，所述第一安全阀只有在解吸罐内气 体压力大于第一安全阀的开启压力时开启，所述第二安全阀只有在集气罐内气体压力大于第 二安全阀的开启压力且第二手动阀处于打开状态时开启，所述第一安全阀的开启压力大于所 述第二安全阀的开启压力且第一安全阀与第二安全阀开启压力之差大于2kpa；
11.所述的下位机实时接收温压传感器传来的解吸罐内气体温度和压力数据，将数据记录到存储 单元中，所述存储单元用于数据备份，为可插拔存储介质，在解吸结束后可插入上位机读取 其中的数据，所述的下位机还实时将解吸罐内气体温度和压力数据经无线信号传输单元传输 至路由器，所述路由器可接收多个下位机实时传输的数据并进行存储，所述上位机通过无线 信号连接进入路由器所在局域网，可实时访问获取路由器内存储的多个岩样解吸的历史数 据；
12.所述温度控制单元通过信号线接触点、信号线卡点获取温度传感器反馈的实时温度数据，并 通过电源线接触点、电源线卡点控制加热保温单元进行解吸罐的加热和冷却，所述加热保温 单元内部有电加热装置，通过温度控制单元设定的温度可使解吸罐在预设温度恒温；
13.所述解吸模块，包括解吸罐、密封盖、进气阀、加热保温层、温度传感器、电源线接
触点、 信号线接触点；气体缓冲模块，包括第一安全阀、集气罐、采气阀、第二安全阀、第一手动 阀、第二手动阀；所述数据采集模块，包括温压传感器、无线信号传输单元、下位机、存储 单元、电池模组、第一数显屏幕；所述加热控温模块，包括电源线卡点、信号线卡点、温度 控制单元、电源输入、电源输出、底座、第二数显屏幕；所述数据中转接收模块，包括上位 机、路由器。
14.所述解吸模块、气体缓冲模块、数据采集模块和加热控温模块配套形成一套子设备，所述路 由器与上位机组合成的数据中转接收模块为一套母设备，对于多个岩样同时解吸的情况，只 需采用一套母设备、多套子设备，通过各个子设备的加热控温模块相互连接，具体而言，是 指将外界电源连入子设备甲的电源输入接口，而后用电源线将子设备甲的电源输出接口与子 设备乙的电源输入接口相连，其他子设备与子设备乙采用相同的连接方式进行串联。
15.基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种含气量测试方法，该方法包括：
16.首先密封解吸罐，按预设温度加热解吸罐一段时间；
17.将岩心样品称重，得样品质量m，打开解吸罐，放入岩心样品后密封解吸罐；
18.将解吸罐与集气罐管道连接，集气罐与外界通过第二安全阀连接，向解吸罐持续注入氦气， 排出解吸罐空腔内空气，待气压稳定后记录解吸罐压力p
m2
；将解吸罐与集气罐的连接方式 改变为通过第一安全阀连接，待气压稳定后记录解吸罐压力p
m1
；停止注入氦气，关闭集气 罐与外界的连接，将解吸罐与集气罐管道连接，待气压稳定后记录解吸罐压力p0；结合已知 的集气罐体积vs计算解吸罐空腔体积v
x
为恢复解吸罐与集气罐的连接方式为通过 第一安全阀连接，恢复集气罐与外界的连接方式为通过第二安全阀连接；解吸开始，记录当 前时间ti、温度ti、压力pi；
19.当解吸罐压力稳定一段时间(可自定义)不变化，停止记录，关闭集气罐与外界的连接，将 解吸罐与集气罐管道连接，解吸终止；
20.当需要采集气样时，将气样收集装置与集气罐通过采气阀连接进行气样采集，完成后关闭采 气阀；
21.根据所述的m、v
x
、ti、ti、pi等数据计算现场解吸的岩心样品现场解吸含气量。
22.记标准状态的温度为t
x
，压力为p
x
，则根据通过时间ti(i＝1,2,
…
,k)的记录压力pi、温度 ti以及时间t
i-1
点记录压力p
i-1
，解吸过程中时间ti与时间t
i-1
间隔内解吸罐经第一安全阀向 集气罐排出的气体数在标准状态下体积vi为：
[0023][0024]
其中，t
x
:标准状态温度，k，取273.15；ti:第i个记录温度，k；v
x
:容器内空腔体积，ml； p
x
:标准状态大气压力，hpa，取1013.25；pi:第i个记录气压，hpa；∈为温压传感器压力灵敏 度，hpa；
[0025]
当解吸结束后，解吸罐中还有一部分解吸气由于气体压力未达到第一安全阀的开启压力而滞 留在解吸罐内，根据解吸结束时间tk的温度tk和压力pk，解吸罐内滞留的解吸气体积v0为对解吸过程中每个时间间隔ti解吸罐经第一安全阀向集气罐排出的
气体体积vi进行累加，并加上停止解吸时解吸罐内滞留的解吸气体积v0，则所述岩心样品的解吸气体 积v
解吸气
为其中，k:数据记录总次数；i:数据记录顺序，i＝1,2,
…
,k；
[0026]
残余气体积采用行业标准sy/t 6940-2020、nb/t 10018所述的损失气体积采用usbm直接 法确定，具体地，以标准状态下累积解吸体积为纵坐标，解吸时间的平方根为横坐标作图， 将1小时内解吸数据线性拟合，该拟合直线在纵坐标轴的截距即为损失气体积v
损失气
，最终 根据上述装置和方法可以得到岩心样品的现场解吸气含量q为其中，q:含气 量，m3/t；v
解吸气
:解吸气体积，ml；v
损失气
:损失气体积，ml；m:解吸样品质量，g。
[0027]
本发明相比于现有技术，具有的有益效果是：
[0028]
所述含气量测试方法利用气体状态方程避开直接测量气体体积和流量，转而测量解吸罐内温 度和压力来求取气体体积，利用数据采集模块和气体缓冲模块，实现计算解吸罐空腔体积， 并保持解吸罐内气体压力小于第一安全阀的开启压力，避开以往温压数据计算法对压力传感 器的高精度、大量程的要求，巧妙实现了含气量测试的高精度、大量程的要求；所述含气量 测试装置没有活动机械结构，各模块结构简单，体积小，将解吸模块、气体缓冲模块、数据 采集模块和加热控温模块组合而成的子设备可以几路至几十路子设备同时工作，而只需要一 套数据中转接收模块形成的母设备与其互联，因此具有强大的扩展性，特别适用于需要在目 的层集中取心、大量采样进行解吸的现场情况；该装置含气量测试全程自动化进行，而手动 采集气样的过程可以随时进行，并且不会对全程自动化的含气量测试造成影响，采样便捷性 强；与该装置配套的含气量测试方法仅利用装置内的温度压力信息，所测得含气量为标准状 态含气量，无需针对外界环境变化而进行校正，且根据实测含气量结合各测试点得时间信 息，可以利用常规损失气计算方法计算损失气体积，最终得到解吸气量和损失气量，含气量 测试更加简单高效。
附图说明
[0029]
图1是本发明的含气量测试装置的结构示意图：
[0030]
其中，1、解吸罐；2、密封盖；3、第一安全阀；4、集气罐；5、采气阀；6、第二安全阀； 7、温压传感器；8、无线信号传输单元；9、下位机；10、存储单元；11、电池模组；12、 上位机；13、路由器；14、进气阀；15、加热保温单元；16、温度传感器；171、电源线接 触点；172、电源线卡点；181、信号线接触点；182、信号线卡点；19、温度控制单元； 20、220v电源输入；21、220v电源输出；22、底座；23、第一手动阀；24、第二手动阀； 25、第一数显屏幕；26、第二数显屏幕。
[0031]
同时，101指解吸模块，包括1、2、14、15、16、171、181；102指气体缓冲模块，包括 3、4、5、6、23、24；103指数据采集模块，包括7、8、9、10、11、25；104指加热控温 模块，包括172、182、19、20、21、22、26；105指数据中转接收模块，包括12、13。
[0032]
图2是本发明的含气量测试方法的流程图。
具体实施方式
[0033]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做 进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但
并不作为对 本发明的限定。
[0034]
在本发明实施例中，提供了一种含气量测试装置，如图1所示，本实施例的含气量测试装 置，包括解吸罐1，还包括密封盖2和底座3；所述密封盖对解吸罐1进行密封，所述密封 盖2与第一安全阀3通过管道连接，所述集气罐4与第一安全阀3通过管道连接，所述集气 罐4与第一手动阀23通过管道连接，所述集气罐4上通过管道连接有采气阀5、第二手动 阀24，所述第二手动阀24上通过管道连接有第二安全阀6；所述密封盖2内侧设有温压传 感器7，所述密封盖2外侧设有下位机9，所述下位机9与温压传感器7信号相连，所述下 位机9与无线信号传输单元8信号相连，所述下位机9与存储单元10相连，所述下位机9 还与电池模组11相连，所述下位机9还与第一数显屏幕25相连；所述无线信号传输单元8 与路由器13信号相连，所述路由器13与上位机12相连；所述解吸罐1经管道与进气阀14 相连，所述解吸罐1底部设有温度传感器16，所述解吸罐1外侧包裹有加热保温单元15， 在加热保温单元15底部还设有电源线接触点171和信号线接触点181，所述加热保温单元 15与电源线接触点171相连，所述温度传感器16与信号线接触点181信号相连；所述加热 保温单元15底部与底座22接触，所述底座内设有电源线卡点172、信号线卡点182、温度 控制单元19、电源输入接口20、电源输出接口21；所述电源线接触点171与电源线卡点 172接触相连，所述信号线接触点181与信号线卡点182接触相连，所述电源线卡点172与 温度控制单元19相连，所述温度控制单元19与第二数显屏幕26相连，所述信号线卡点 182与温度控制单元19信号相连，所述电源输入接口20与温度控制单元19相连，所述电 源输入接口20与所述电源输出接口21连接。
[0035]
所述气体缓冲模块102中的第一安全阀3只允许气体从解吸罐1向集气罐4方向流动，所述 气体缓冲模块102中的第二安全阀只允许气体从集气罐方向向外界排出，所述第一安全阀3 只有在解吸罐内气体压力大于第一安全阀3的开启压力时开启，所述第二安全阀6只有在集 气罐4内气体压力大于第二安全阀6的开启压力且第二手动阀24处于打开状态时开启，所 述的第一安全阀3的开启压力应高于第二安全阀6的开启压力且开启压力之差大于2kpa， 使得解吸罐1和集气罐4中的气体能保持在不同的压力状态，同时解吸罐1内解吸产生的气 体能脉冲式地进入集气罐4并经第二安全阀6排出；
[0036]
所述的下位机9实时接收温压传感器7传来的解吸罐1内气体温度和压力数据，将数据记录 到存储单元10中，所述的存储单元10可插拔，可插入上位机读取数据，所述的下位机9还 实时将解吸罐1内气体温度和压力数据经无线信号传输单元传输至路由器13，所述路由器 13可接收多个下位机实时传输的温压数据并进行存储，所述上位机通过无线信号连接进入 路由器所在局域网，可实时访问获取路由器13内存储的多个岩样解吸的历史数据，也可插 入存储单元10获取单个岩样解吸的备份历史数据；
[0037]
所述温度控制单元19通过信号线接触点181、信号线卡点182获取温度传感器16反馈的实 时温度数据，并通过电源线接触点181、电源线卡点182控制加热保温单元15进行解吸罐1 的加热和冷却，所述加热保温单元15内部有电加热装置，通过温度控制单元19设定的温度 可使解吸罐1在预设温度恒温；
[0038]
所述底座22与解吸罐1、密封盖2配套形成一套子设备，所述路由器13与上位机12组合 成为一套母设备，对于多个岩样同时解吸的情况，只需采用一套母设备、多套子设备，通过 各个子设备的底座22相互连接，具体而言，是指将外界电源连入子设备甲的电源输入
接口 20，而后用电源线将子设备甲的电源输出接口21与子设备乙的电源输入接口20相连，其他 子设备与子设备乙采用相同的连接方式进行串联；
[0039]
所述的解吸模块101，包括解吸罐1、密封盖2、进气阀14、加热保温层15、温度传感器 16、电源线接触点171、信号线接触点181；102指气体缓冲模块，包括第一安全阀3、集气 罐4、采气阀5、第二安全阀6、第一手动阀23、第二手动阀24；103指数据采集模块，包 括温压传感器7、无线信号传输单元8、下位机9、存储单元10、电池模组11、第一数显屏 幕25；104指加热控温模块，包括电源线卡点172、信号线卡点182、温度控制单元19、电 源输入20、电源输出21、底座22、第二数显屏幕26；105指数据中转接收模块，包括上位 机12、路由器13。
[0040]
具体实施时，上述含气量测试装置的工作过程可以包括以下步骤：
[0041]
步骤1：关闭采气阀5、进气阀14，打开第一手动阀23、第二手动阀24，密封解吸罐1，将 解吸罐1与底座22接触，并按照预设温度对解吸罐1提前预热十分钟以上；
[0042]
步骤2：对待解吸岩样称重得到样品质量m后，将其放入解吸罐1，并用密封盖2密封；
[0043]
步骤3：打开进气阀14，向解吸罐1内持续注入氦气，待第一数显屏幕25所显示压力稳定 后，记录第一数显屏幕25的显示压力p
m2
，关闭第一手动阀23，直至第一数显屏幕25显示 压力稳定后停止注入氦气，关闭进气阀14，记录此时第一数显屏幕25显示压力p
m1
，然后 关闭第二手动阀24，打开第一手动阀23，待第一数显屏幕25显示压力稳定后记录显示压力 p0，之后设定上位机9开始记录当前时间t0、实时温度t0和压力p0，并关闭第一手动阀 23、打开第二手动阀24，解吸开始；
[0044]
步骤4：当解吸时，根据预设的时间间隔记录当前时间ti、实时温度ti和压力pi，一旦记录 压力pi在一定时间(时间长短可自定义)内变动幅度小于温压传感器7的压力灵敏度∈时， 上位机9停止记录，此时关闭第二手动阀24，然后打开第一手动阀23，解吸终止；
[0045]
步骤5：当开始解吸后，在需要采集解吸气样时，可随时将气样收集装置与采气阀5连接， 打开采气阀5进行采集，若采集量较小，集气罐4内部与外界得压差驱动可快速完成采集， 若采集量较大，需要将气样收集装置持续与采集阀5持续进行连接，直至足量采集完成后关 闭采气阀5。
[0046]
当解吸结束后，解吸罐1中还有一部分解吸气由于气体压力未达到第一安全阀3的开启压力 而滞留在解吸罐1内，因此需要通过上位机读取数据，计算滞留在解吸罐1中的解吸气体积 数v0、各个时刻ti解吸罐1通过第一安全阀3排向集气罐4的气体体积数vi、以及损失气 体积数v
损失气
，对其求和并根据样品质量得到岩心样品现场解吸的含气量。
[0047]
基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种含气量测试方法，如下面的实施例所述。 由于含气量测试方法解决问题的原理与含气量测试装置相似，因此含气量测试方法的实施可 以参见含气量测试装置的实施，重复之处不再赘述。
[0048]
图2是本发明实施例的含气量测试方法的流程图，如图2所示，该方法包括：
[0049]
步骤201：密封解吸罐，按预设温度加热解吸罐；
[0050]
步骤202：将岩心样品称重，打开解吸罐，放入岩心样品后密封解吸罐；
[0051]
步骤203：将解吸罐与集气罐管道连接，集气罐与外界通过第二安全阀连接，向解吸罐持续 注入氦气，排出解吸罐空腔内空气，待气压稳定后记录解吸罐压力p
m2
；将解吸罐与集气罐 的连接方式改变为通过第一安全阀连接，待气压稳定后记录解吸罐压力p
m1
；停止
注入氦 气，关闭集气罐与外界的连接，将解吸罐与集气罐管道连接，待气压稳定后记录解吸罐压力 p0；结合已知的集气罐体积vs计算解吸罐空腔体积v
x
为恢复解吸罐与集气罐的连 接方式为通过第一安全阀连接，恢复集气罐与外界的连接方式为通过第二安全阀连接；解吸 开始，上位机记录当前时间ti、温度ti、压力pi；
[0052]
步骤204：当解吸罐压力稳定一段时间(可自定义)不变化，上位机停止记录，关闭集气罐 与外界的连接，将解吸罐与集气罐管道连接，解吸终止；
[0053]
步骤205：当需要采集气样时，将气样收集装置与集气罐通过采气阀连接进行气样采集，完 成后关闭采气阀；
[0054]
步骤206：根据所述的m、v
x
、ti、ti、pi等数据计算现场解吸的岩心样品现场解吸含气量。 通过所述下位机，记标准状态的温度为t
x
，压力为p
x
，根据解吸时间ti(i＝1,2,
…
,k)的记 录压力pi、温度ti以及时间t
i-1
记录得压力p
i-1
，解吸过程中时间ti与时间t
i-1
间隔内解吸罐 经第一安全阀向集气罐排出的气体数在标准状态下体积vi为：
[0055][0056]
其中，t
x
:标准状态温度，k，取273.15；ti:第i个记录温度，k；v
x
:容器内空腔体积，ml； p
x
:标准状态大气压力，hpa，取1013.25；pi:第i个记录气压，hpa；∈为温压传感器压力灵敏 度，hpa。
[0057]
通过所述下位机，根据解吸结束时间tk的温度tk和压力pk，解吸罐内滞留的解吸气体积v0为加上停止解吸时解吸罐1内滞留的解吸气体积v0，则所述岩心样品的解吸气 总体积v
解吸气
为其中，k:数据记录总次数；i:数据记录顺序，i＝1,2,
…
,k。
[0058]
通过所述上位机，残余气体积v
损失气
采用行业标准sy/t 6940-2020、nb/t 10018所述的 usbm直接法计算，最终得到岩心样品的现场解吸气含量q为其中，q:含气 量，m3/t；v
解吸气
:解吸气体积，ml；v
损失气
:损失气体积，ml；m:解吸样品质量，g。
[0059]
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计 算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络 上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储 装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述 的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成 单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来 说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。