一种确定地层水中氦气与其他气体竞争性溶解的装置及方法

本发明涉及一种确定地层水中氦气与其他气体竞争性溶解的装置及方法，属于油气资源评价。

背景技术：

1、氦气在航天、低温超导、关键军工等高科技领域为不可替代的关键性战略资源，中国氦气需求量大。全球范围内尚未发现纯氦气藏，氦气通常与天然气伴生，因此，从含氦、富氦天然气藏中提取氦气仍是工业化生产氦气的唯一途径。地层水对于氦气的运移富集起着重要作用，氦气主要是以溶解态的形式随地层水在孔隙或裂缝中运移，其运移过程遵循亨利定律。当富氦流体运移至浅层天然气藏时，地层的温度、压力降低，氦气会从地层水中析出，在两相流体之间发生溶解解析交换进入天然气藏，这个过程往往受到氦气与其他气体竞争性溶解的影响，而目前国内对地层条件下氦气运聚过程中氦气与其他气体的竞争性溶解机制还缺少研究，限制了氦气资源勘探。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种确定地层水中氦气与其他气体竞争性溶解机制的装置及方法，用于研究氦气在地下二次运移过程中与其他气体(如甲烷、氮气、二氧化碳等)在地层水中的竞争性溶解机制，本发明能够模拟单一氦气或与其他气体混合时在不同温度、不同压力和不同地层水条件下氦气溶解度变化，确定地层水中氦气竞争性溶解机制。

2、本发明提供的确定地层水中氦气与其他气体竞争性溶解机制的装置，包括高温高压反应釜；

3、所述高温高压反应釜的气体入口连接气体输送管路，所述气体输送管路的另一端连接至少四条气体输送支路，分别用于注入氦气、甲烷、氮气、二氧化碳等气体；

4、所述高温高压反应釜的上部连接气体取样器，下部连接液体取样罐，所述液体取样罐连接气体取样袋；

5、所述高温高压反应釜内设有温度传感器和压力传感器；

6、所述高温高压反应釜还与加热控温装置、回压系统和抽真空系统连接；

7、所述装置的连接管线上均设有阀门。

8、上述的装置中，所述气体输送支路上设有流量计和气体增压泵。

9、上述的装置中，所述回压系统包括回压泵和回压阀，以稳定反应釜内的压力。

10、上述的装置中，所述高温高压反应釜设于恒温槽内。

11、上述的装置中，所述高温高压反应釜连接加液泵和搅拌系统；

12、所述加液泵优选为电动加液泵。

13、基于所述装置，本发明提供的确定地层水中氦气与其他气体竞争性溶解机制的方法包括如下步骤：

14、s1、在所述装置中进行单独氦气溶解度的测定，通过所述气体取样袋得到第一次气体样品；

15、s2、在所述装置中进行氦气与其他气体的竞争性溶解度的测定，通过所述气体取样袋得到第二次气体样品；

16、s3、测定所述第一次气体样品和所述第二次气体样品中的氦气含量，分别记为c1和c2；根据下述1)-3)实现对氦气在地层水中的竞争性溶解判断：

17、1)若c1>c2，则说明在所设温度、压力和地层水条件下，当氦气与其他气体共同溶解时，水溶液中的氦气溶解量比氦气单独溶解时小，其他气体的溶解造成了氦气溶解量的降低，竞争性溶解现象存在；

18、2)若c1<c2，则说明在所设温度、压力和地层水条件下，当氦气与其他气体共同溶解时，水溶液中的氦气溶解量比氦气单独溶解时大，其他气体的溶解造成了氦气溶解量的升高，竞争性溶解现象存在；

19、3)若c1＝c2或c1≈c2，则说明在所设温度、压力和地层水条件下，当氦气与其他气体共同溶解时，水溶液中的氦气溶解量比氦气单独溶解时无明显变化，竞争性溶解现象不存在或影响非常小；

20、所述其他气体包括甲烷、氮气、二氧化碳等。

21、优选地，步骤s1中的测定包括如下步骤：

22、s11、通过所述抽真空系统对所述高温高压反应釜进行抽真空；

23、s12、向所述高温高压反应釜中注入纯水或地层水，启动所述加热控温装置，使所述高温高压反应釜内的温度达到预设实验条件温度t1℃并维持不变；

24、s13、通过所述气体输送支路向所述高温高压反应釜中注入氦气，使所述高温高压反应釜压力为p1mpa，利用所述回压系统稳定压力，记录注入氦气的体积数据；

25、s14、打开所述高温高压反应釜与所述液体取样罐之间的阀门ⅰ，待取到a1ml液体后，关闭所述阀门ⅰ，开启所述液体取样罐与所述气体取样袋之间的阀门ⅱ，通过减小所述液体取样罐内压力和降低所述液体取样罐内温度的方式，使所述液体取样罐内液体中的气体完全脱溶并进入所述气体取样袋中，得到所述第一次气体样品，记录脱溶气体体积。

26、优选地，步骤s2中的测定包括如下步骤：

27、s21、通过所述抽真空系统对所述高温高压反应釜进行抽真空；

28、s22、向所述高温高压反应釜中注入纯水或地层水，启动所述加热控温装置，使所述高温高压反应釜内的温度达到预设实验条件温度t1℃并维持不变；

29、s23、通过所述气体输送支路向所述高温高压反应釜中注入氦气，使所述高温高压反应釜压力为p1mpa，利用所述回压系统稳定压力，记录注入氦气的体积数据；

30、s24、通过所述气体输送支路向所述高温高压反应釜中注入所述其他气体，利用所述回压系统稳定压力为p1mpa，记录注入所述其他气体的体积数据；

31、s25、打开所述高温高压反应釜与所述液体取样罐之间的阀门ⅰ，待取到a1ml液体后，关闭所述阀门ⅰ，开启所述液体取样罐与所述气体取样袋之间的阀门ⅱ，通过减小所述液体取样罐内压力和降低所述液体取样罐内温度的方式，使所述液体取样罐内液体中的气体完全脱溶并进入所述气体取样袋中，得到所述第二次气体样品，记录脱溶气体体积。

32、优选地，步骤s1和s2中的所述测定之前还包括测试所述装置气密性的步骤：

33、首先关闭装置的所有阀门，固定所述高温高压反应釜的活塞，通过所述真空系统对装置进行抽真空处理。启动所述加热控温装置，调节温度，使温度达到预设实验条件温度t1℃，注入氦气并使得装置内部压力达到预设实验条件p1mpa，记录压力数据，直到所述高温高压反应釜内部压力稳定为p1mpa，则认为装置的气密性良好。

34、优选地，步骤s1和s2中，采用所述取样器获取气体样品的过程中，通过高温高压反应釜的活塞减小釜内体积以维持釜内压力为p1mpa。

35、本发明方法中，第一次气体样品和第二次气体样品是通过完全脱出溶解在相同体积地层水中的氦气及其他气体，通过计算测量气体取样袋中的氦气含量，来判断溶解在水中的氦气含量，其他气体的存在可能会影响氦气在所设温度、压力和地层水条件下的溶解度，由于空气中存在氦气，因此模拟开始前对装置进行抽真空处理，杜绝外界空气影响，实验过程也是在密封条件下进行，以保证结果的准确。

36、本发明能够模拟测量在不同温度、压力和地层水条件下，单一氦气或与其他气体混合时(如甲烷、氮气、二氧化碳等)，氦气溶解度变化，探究两相流体之间发生气体溶解交换的特征，研究氦气在地下二次运移过程中与其他气体(如甲烷、氮气、二氧化碳等)在地层水中的竞争性溶解机制。