扩散系数及等温吸附/解吸曲线的测试系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及页岩气的运移机理的研究技术领域，具体涉及一种用于页岩气的扩散系数及等温吸附/解吸曲线的测试系统及方法。
【背景技术】
[0002]页岩气是指从页岩层中开采出来的天然气。页岩气是一种重要的非常规资源，全球的页岩气资源约为456万亿立方米。其中中国主要盆地和地区页岩气的资源量约为15万亿一 30万亿立方米，具有巨大的开发潜力。
[0003]页岩渗透率极低，页岩气运移机理也与常规天然气不同，具有解吸及扩散特征。页岩气开发特征与气体运移机理密切相关，因此扩散及吸附/解吸特征的研究一直是页岩气研究领域的热点。目前通常采用物理实验手段研究扩散及吸附/解吸特征。
[0004]目前主要有两种测定扩散系数的方法:①单气法。将样品放入扩散室后注入测试气体，然后根据压力变化换算出浓度变化，进而计算扩散系数。②双气法。将样品放入岩心夹持器中以后，使样品两端的两种气体压力相等，两端气体在浓度差的作用下发生扩散作用，检测不同时刻两端气体的组分浓度，根据菲克定律计算扩散系数。等温吸附/解吸曲线的测试目前通常有两种方法:①容量法。现有技术采用颗粒样品，测试样品平衡前后压力变化，进而计算吸附量及解吸量。②重量法。采用磁悬浮天平，在不同测试压力下，记录吸附了气体的样品质量，进而计算吸附气量。
[0005]现有技术采用不同的实验装置对扩散系数及等温吸附/解吸特性进行测试，设备投入成本较高。等温吸附/解吸特征测试多采用粉末状样品，无法反映颗粒胶结状态及应力场对测试结果的影响。扩散系数测定多采用小直径岩心，不能很好的反映储层非均质性。另外采用双气法进行扩散系数测试时，扩散室注气平衡过程及取样时难以避免岩心两端压力波动对扩散的影响。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的一个技术问题是，提供一种页岩气的扩散系数及等温吸附/解吸曲线的测试系统，其不仅能用于测定页岩气的扩散系数，而且能进行等温吸附/解吸曲线的测试，从而节约了设备成本。
[0007]针对该问题的技术解决方案是，提供一种具有以下结构页岩气的扩散系数及等温吸附/解吸测试系统，包括:
[0008]岩心夹持器，其中部容纳待测岩心且将两端分隔开形成两个气体扩散腔室；
[0009]围压组件，与岩心夹持器连接，用于对岩心加载围压以替代地层压力；
[0010]两个装有不同气体的气体容器，用于分别向岩心夹持器两端的气体扩散腔室内充入气体；
[0011]压力平衡器，与岩心夹持器并列设置以用于平衡两个气体扩散腔室的压力；
[0012]恒温箱，用于保持岩心夹持器、气体容器和压力平衡器的温度恒定；和
[0013]采集与测试组件，用于采集不同时间的岩心两端的气体以测试得到扩散系数以及通过采集不同时刻的压力获得等温吸附/解吸数据曲线。
[0014]与现有技术相比，本发明的测试系统具有以下优点。本发明的测试系统不仅能用于测定页岩气的扩散系数，而且能进行等温吸附/解吸曲线的测试，从而节约了设备成本。而且采用块状、不限定直径的岩心作为待测试样品，能更好地反应实际情况。另外，通过增加压力平衡器，在岩心两端的压力达到平衡的过程中，不会产生大的压力波动，从而减少压力波动对气体扩散的影响。
[0015]在一个实施例中，所述压力平衡器包括缸体和活塞，活塞设在缸体内将缸体分隔成两个腔室；所述压力平衡器与岩心夹持器并列连接，其压力平衡器的两端腔室通过管路分别与岩心夹持器的两个气体扩散腔室相应连通，在压力差作用下通过活塞的移动来使岩心夹持器的两个气体扩散腔室压力相等。两个气体扩散腔室充入气体后，容易出现压力不相等或波动较大。由于两个气体扩散腔室的气体压力不相等或波动对测试结果有较大的影响。因此，在本发明中，通过设计压力平衡器的结构，通过压力平衡器以及连接管路上的气体来对两个气体扩散腔室的压力进行调节，使得两个气体扩散腔室的压力在不产生大的波动的前提下，一直保持相等。从而很好地解决了在扩散室的注气平衡过程以及取样时岩心两端压力波动对气体扩散产生较大的影响的问题。因而，测试结果更准确。
[0016]在一个优选的实施例中，所述测试组件包括气相色谱仪和连接控制器的压力传感器，其中，气相色谱仪通过在不同时间取样获得气体组分含量以计算得到扩散系数；而压力传感器通过采集不同时间对应的压力并传送给控制器以得到等温吸附/解吸数据曲线。原理和结构均较简单、容易实现。
[0017]在一个实施例中，两个气体容器分别为第一气体容器和第二气体容器；其中，第一气体容器通过管路和第一阀门连接岩心夹持器的一端，第二气体容器通过管路和第二阀门连接岩心夹持器的另一端。通过两个阀门来分别控制两个气体容器与两个气体扩散腔室的连通与关闭，配合实现在一套测试系统上分别实现扩散系数测定和等温吸附/解吸曲线的测试。节约了设备投入成本。
[0018]在一个优选的实施例中，所述压力平衡器的一端通过第三阀门与设在第一阀门和岩心夹持器的一端之间的管路连通；所述压力平衡器的另一端通过第四阀门与设在第二阀门和岩心夹持器的另一端之间的管路连通。压力平衡器的两端腔室分别与两个气体扩散腔室连通，从而通过压力平衡器的活塞移动来调节两个气体扩散腔室的压力。
[0019]在一个实施例中，所述两个气体容器分别连接装有烃类气体的第一气瓶和装有氮气的第二气瓶。第一气瓶与第二气瓶分别向相应的气体容器输送烃类气体和氮气，控制两气体容器的压力相等。
[0020]本发明要解决的另一个技术问题是，提供一种测定页岩气的扩散系数的方法，其测试得到的扩散系数更接近于实际情况。
[0021]针对该技术问题，提供的技术解决方案是，提供一种测定页岩气的扩散系数的方法，其采用上述的测试系统，并包括以下步骤:
[0022]I)将岩心放入岩心夹持器后加载围压，调节恒温箱的温度到设定值；并对两个空的气体容器及其与真空泵之间的连接管路进行抽真空；
[0023]2)抽真空过程结束后，向两个空的气体容器内分别充入氮气和烃类气体，调节使两气体容器的压力保持相等并达到设定压力，加载围压到设定围压值；
[0024]3)待两气体容器内的气体压力稳定后打开岩心两端的阀门和压力平衡器的阀门，两气体容器内的气体分别充入岩心两端的气体扩散腔室；
[0025]4)关闭两气体容器与压力平衡器之间的阀门，然后在不同时刻从两端的气体扩散腔室取样，采用气相色谱仪分析气体样品的组分及其浓度，进行计算得到扩散系数。
[0026]在上述步骤中，岩心一端的气体扩散腔室装有烃类气体，其通过岩心扩散到另一端的气体扩散腔室，岩心另一端的气体扩散腔室装有氮气扩散到，其扩散到原先为烃类气体的气体扩散腔室，通过在不同时刻抽取两个气体扩散腔室的样品进行组成和浓度的测试，得到烃类气体和氮气在该岩心的扩散系数，扩散系数反应了气体的扩散速度的快慢。根据菲克定律计算扩散系数，此处不再展开阐述。
[0027]优选地，在步骤4)中，气相色谱仪分别通过第一取样阀和第二取样阀对岩心夹持器两端的气体扩散腔室或与腔室连通的管路进行取样。通过两个取样阀分别对两个气体扩散腔室进行取样和分析。两端分别分开取样，不容易出错。
[0028]本发明要解决的还有一个技术