一种精确测量甲烷在页岩上吸附相密度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种精确测量甲烷在页岩上吸附相密度的方法，属于地质勘探技术领 域。
【背景技术】
[0002] 国内外学者在对煤系泥岩和页岩的吸附性能进行研宄时，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，重量法等温吸附仪也正逐渐被国内外学者 所接受，后者以磁悬浮天平为主要检测工具，测试结果更精准。
[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宄时发现，在利 用容量法对页岩吸附甲烷进行测试时，吸附相体积的存在将减小样品池中自由气体的体 积，进而对页岩吸附能力的测试结果产生影响。而在此之前的相关研宄中均忽略了吸附相 体积存在，这必将导致对于吸附能力的评价存在较大偏差。针对这样的问题，一部分学者试 图从不同的角度校正吸附相体积对吸附气能力测试所产生的影响。然而无论以何种方式对 吸附相体积所产生的影响进行校正，终将遵循物质守恒原理，因此吸附相密度的确定是无 法回避的问题，且吸附相密度的准确性将直接影响校正结果。
[0004] 由于目前对于等温吸附实验的研宄大多采用容量法等温吸附仪，重量法等温吸 附仪的使用相对较少，测试手段的单一化导致无法从实验角度对吸附相密度进行精确 测试，因此，目前国内外对于吸附相密度的研宄仍处于理论假设和数学优化阶段。Yee D. (1994)认为当温度高于临界温度时（通常情况下），吸附相密度等于气体压缩的极限 密度，以此推论甲烷的吸附相密度为0. 375g/cm3。Arri(1992)假设吸附相密度为常压沸 点下的液体密度，以此推论甲烧的吸附相密度为〇. 421g/cm3。Katsuyuki Murayta(2001) 利用经验公式得到甲烷吸附相密度约为〇.59g/cm3。以上研宄均将吸附相密度作为定 值，未考虑温度、压力等条件产生的影响，为此，德国学者Berhard M. Krooss及其团队 (2008, 2010, 2012, 2013, 2014)将Gibbs关于吸附的定义与兰格缪尔方程结合，将吸附相密 度作为待定参数，从数学优化角度对甲烷和二氧化碳在煤系泥岩和页岩上的吸附相密度进 行评价，得到不同吸附剂和吸附质组合在不同温度条件下的吸附相密度。类似的，国内学者 周理（2000,2001)将Gibbs对吸附的定义式与D-A方程相结合，推导出绝对吸附量模型， 并优化出不同温度条件下甲烷在AX-21活性炭上的吸附相密度，温度在233K-333K时甲烷 吸附相密度为0. 15g/cm3-0. 350g/cm3。这种与等温吸附模型相结合进而对吸附相密度进行 优化的方法，其对吸附相密度评价结果的准确性将很大程度上依赖于等温吸附模型的适用 性，而页岩孔隙结构复杂，等温吸附模型的适用性难以确定，因此利用该方法所得到的评价 结果尚待进一步研宄。
[0005] 综上，前人对吸附相密度的研宄仍处于理论假设或数学优化阶段，尚未从实验角 度对其进行精确测试，而不同学者研宄结果相差很大，终无定论，这必将对客观评价岩吸附 气能力产生较大影响。
【发明内容】
[0006] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于实验手段且适用性强的精确测量甲 烷在页岩上吸附相密度的方法。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种精确测量甲烷在页岩上吸附相 密度的方法，包括以下步骤：1)将一块泥页岩样品粉碎至60~80目，分成两份；2)对第一 份泥页岩样品进行容量法等温吸附实验，并得到吸附态甲烷的物质的计算模 型；3)对第二份泥页岩样品进行重量法等温吸附实验，并得到吸附态甲烷的质量的 计算模型；4)对步骤2)中所得到的吸附态甲烷的物质的量nTOcH4的计算模型和步骤3)中 所得到的吸附态甲烷的质量的计算模型进行吸附相体积的修正，得到吸附态甲烷的 修正后的物质的量的计算模型和质量的计算模型；5)根据物质的量的定义公式，结合步骤 4)中的两个计算模型，求出吸附态甲烷的质量和体积V"";6)根据密度的定义，求 得甲烷在页岩上吸附相密度的准确值，即：
[0008]
【主权项】
1. 一种精确测量甲烷在页岩上吸附相密度的方法，包括以下步骤： 1) 将一块泥页岩样品粉碎至60~80目，分成两份； 2) 对第一份泥页岩样品进行容量法等温吸附实验，并得到吸附态甲烷的物质的量Iiwft OM的计算模型； 3) 对第二份泥页岩样品进行重量法等温吸附实验，并得到吸附态甲烷的质量 计算模型； 4) 对步骤2)中所得到的吸附态甲烷的物质的量nmcH4的计算模型和步骤3)中所得 到的吸附态甲烷的质量Hi wftai4的计算模型进行吸附相体积的修正，得到吸附态甲烷的修正 后的物质的量的计算模型和质量的计算模型； 5) 根据物质的量的定义公式，结合步骤4)中的两个计算模型，求出吸附态甲烷的质量 m吸附CH4和体积V1?附； 6) 根据密度的定义，求得甲烷在页岩上吸附相密度P "^的准确值，即：
2. 如权利要求1所述的一种精确测量甲烷在页岩上吸附相密度的方法，其特征在于： 所述步骤2)中，通过容量法等温吸附实验建立吸附态甲烷的物质的量Ii wftai4的计算模型 的过程如下： ① 设置一包括参比池、样品池、第一阀门、第二阀门、第一温压表、第二温压表、氦气气 源和甲烷气源的容量法等温吸附仪，其中，参比池分别连接一进气管路和一出气管路第一 阀门设置在进气管路上，第二阀门设置在出气管路上，出气管路的末端连接样品池；第一温 压表设置在参比池中，第二温压表设置在样品池中；氦气气源和甲烷气源均通过管路连接 在进气管路的初始端； ② 在样品池中放入第一份泥页岩样品后将系统抽真空，关闭第二阀门，然后打开第一 阀门，利用氦气气源向参比池中充入一定量的氦气，之后关闭第一阀门，待参比池的温度和 压力稳定后，记录参比池中氦气的温度和压力P 的值，根据气体状态方程，有： P参比池He V参比池=Z参比池He n参比池He RT参比池He 上式中为参比池的容积；Z#t_He为参比池中氦气的非理想气体状体方程的校正 因子；n#t_He为充入参比池内的氦气的物质的量；R为理想气体常数； ③ 打开第二阀门，参比池中的氦气通过出气管路进入样品池，待参比池和样品池的温 度和压力均稳定后，记录参比池与样品池所构成的系统中氦气的温度T saite和压力P 的值，此时，根据气体状态方程，有： P系统He V系统自由=Z系统He n系统He RT系统He 上式中，VsaS参比池1与样品池2的容积和扣除样品体积后所得到的系统自由空间 的体积；Ziyflte为参比池1与样品池2所构成的系统中氦气的非理想气体状体方程的校正 因子；1^_ 6为参比池1与样品池2内的氦气的物质的量