一种含气量测量系统及测量方法

摘要

本发明公开了一种含气量测量系统，包括密封罐、温控箱、加压装置以及集气装置，其中：所述密封罐包括用于盛放样品的运输罐和用于盛放所述运输罐的承压罐，所述运输罐可在承压罐内受力破碎，所述承压罐上设有注气孔和排气孔；所述温控箱，用于加热所述承压罐；所述加压装置，用于从注气孔向所述承压罐输入甲烷气体进行加压；所述集气装置，用于收集从所述承压罐排气孔排出的气体。本发明还公开了一种含气量测量方法，基于温压回溯思想，用于测量样品的损失气及解吸气含量。本发明的测量系统操作简单、集气方便、计量准确，测量方法结果可靠，可以为天然气目的层评价、储量估算及有利区优选提供重要依据。

说明书

技术领域

本发明涉及页岩气资源评估测量技术领域，特别是涉及一种含气量测 量系统及测量方法。

背景技术

页岩含气量是天然气勘探和开发的主要评价参数，对页岩含气性评价、 资源储量预测具有重要的意义。而准确获取损失气量又是决定页岩含气量 可靠性的关键。解吸法是测量页岩含气量最直接的方法，因此被用来作为 页岩气含量测量的基本方法。解吸法中页岩含气量由解吸气量、损失气含 量和残余气量3部分组成。其中，损失气含量是解吸法中误差较大的部分， 它是指钻头钻遇岩层到岩心从井口取出装入解吸罐之前释放出的气体体 积。

目前，还没有仪器对损失气量进行精确的测量。损失气量一般通过回 推计算法得到，主要包括直线回归法、多项式回归法以及非线性回归法。 直线回归法对损失气量的解释是基于完全扩散方程早期时间的近似解，扩 散速率与时间平方根成线性相关；多项式回归法比直线回归法吻合性更强； 非线性回归结果虽然介于直线回归和多项式回归的结果之间，且相关系数 较高，但是没有准确给出扩散速率随时间的变化情况。直线回归法、多项 式回归法以及非线性回归法估算结果只能基本满足初期勘探阶段的要求。 但是，在实际应用过程中，上述计算方法存在如下缺陷：

1、直线回归法理论假设是自然解吸过程中扩散速率恒定，而实 际解吸中，页岩的扩散速率是随时间变化的函数。所以会造成当取芯时 间长，损失气量大时，直线回归法估算的损失气量要比实际的损失气量 小的多，误差较大。多项式回归法估算出的损失气量通常比实际损失气 量高。非线性回归法没有准确给出扩散速率随时间的变化情况。进而影 响结果的精确性。

2、上述损失气量都是通过回归法估算得到，其计算结果与实际 值相差较大。

3、上述损失气量为理论计算值，无法分析压力和温度对损失气 量的影响。

由此可见，上述现有的含气量获取方法仍存在较大的缺陷，而亟待进 一步改进。如何能创设一种操作简单、计量准确、结果可靠的新的含气量 测量系统及方法，用于含气样品损失气和解吸气的测量，实属本领域当前 重要的研究课题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种含气量测量系统，使其操作简单、计量准确、 结果可靠，尤其可以可靠测量含气样品的损失气量，减少损失气量测量偏 差，从而克服现有对损失气量的测量评估结果常有偏差，不能准确反映样 品真实含气量的不足。

本发明的又一个目的是提供一种含气量测量方法，用于对页岩等含气 样品进行损失气量和解吸气量的测量，测量结果准确、可靠。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种含气量测量系统，包括密封罐、温控箱、加压装置以及集气装置， 其中：所述密封罐包括用于盛放样品的运输罐和用于盛放所述运输罐的承 压罐，所述运输罐可在承压罐内受力破碎，所述承压罐上设有注气孔和排 气孔；所述温控箱，用于加热所述承压罐；所述加压装置，用于从注气孔 向所述承压罐输入甲烷气体进行加压；所述集气装置，用于收集从所述承 压罐排气孔排出的气体。

作为进一步地改进，所述承压罐的内表面上设有用于协助破碎所述运 输罐的螺纹和/或锥形凸起。

所述加压装置包括甲烷气体钢瓶、增压泵、气体流量计和真空泵，所 述增压泵连接甲烷气体钢瓶并向所述承压罐注气，所述气体流量计用于计 量向所述承压罐注入的甲烷气体量，所述真空泵用于在所述增压泵工作之 前将所述承压罐抽真空。

所述承压罐上还设有压力表安装孔。

所述集气装置包括集气量筒以及压力平衡调节器，所述压力平衡调节 器包括安装在所述集气量筒底部的支撑体，所述支撑体上开有集气口和排 水孔，所述排水孔下方设有压力平衡调节手轮，压力平衡调节手轮上沿圆 周方向分布有直径不等的限流孔，所述压力平衡调节手轮下方、对应所述 排水孔的位置安装有防倒吸管。

所述集气量筒通过排液法进行集气，所述集气量筒内设有液位信息采 集元件。

所述承压罐的排气孔处设置快速连接单向阀公接头，所述集气装置的 集气口处安装有与之匹配的母接头。

还包括数据采集与处理装置，所述数据采集与处理装置用于获取所述 加压装置输出的气体量以及所述集气装置收集的气体量，并计算样品的损 失气含量及解吸气含量。

一种含气量测量方法，通过以下步骤进行样品实验：

A.将待测样品装入运输罐，密封保存，再将运输罐装入一承压罐内并 实施二次密封；B.对所述承压罐抽真空处理，并对承压罐加热至需求温度 T，对承压罐加注甲烷气体到需求压力P₁；提供一定外力使所述承压罐内的 运输罐破裂，一段时间后，承压罐中压力稳定并下降为P₂，此时再次向承 压罐中充入甲烷气体使压力恢复到P₁，若压力下降则重复充入甲烷气体， 直到压力稳定在P₁，记录该步骤中充入承压罐中的甲烷气体总量为N₁；C. 在承压罐上连接集气装置，记录当承压罐中压力恢复到外界气压时从承压 罐中析出的总出气量为M₁；D.以上述甲烷气体总量N₁、总出气量M₁分别 作为样品的损失气和解吸气量，计算样品的损失气含量及解吸气含量。

作为进一步地改进，还包括以下对比实验：取与待测样品相同大小的 标准块直接放入承压罐中，对承压罐抽真空处理，并对承压罐加热至同样 温度T，对承压罐加注甲烷气体到同样压力P₁，记录充入承压罐的甲烷气 体量为N₀；在承压罐上连接集气装置，记录当承压罐中压力恢复到外界气 压时承压罐的出气量为M₀；所述步骤D中以样品实验的甲烷气体总量N₁与对比实验的甲烷气体量N₀之差作为样品的损失气量，以样品实验的总出 气量M₁与对比实验的出气量M₀之差作为样品的解吸气量，计算样品的损 失气含量及解吸气含量。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

(1)本发明的含气量测量系统，结构紧凑、气密性好、加热均匀、压 力稳定、集气方便、计量准确、操作简单，可用于含气样品的损失气和解 吸气测量，同时也可用于天然气等各种气体测量和收集。

(2)本发明的测量系统及方法基于温压回溯的思想，通过使承压罐中 含气样品恢复到地层条件下含气状态并在地层原始温压条件下自然解吸， 这样可以准确测量损失气量和解吸气量，并且可以根据不同的温度、压力 下样品吸收的甲烷气量分析温度和压力对损失气量的影响，含气量测量更 加准确，并且更加适于实用。

(3)本发明的含气量测量系统及方法，不仅可以测量天然气勘探开发 中损失气量，同时也可以模拟标准岩石中天然气解吸过程，获得解吸气量， 利用含气量结构分析和温压回溯法计算含气量等，从而为天然气勘探和开 发提供了重要的评价参数，为天然气目的层评价、储量估算及有利区优选 提供重要依据。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术 手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1A、1B分别是运输罐和承压罐的结构示意图。

图2A是使用状态下的承压罐的结构示意图。

图2B是集气装置的结构示意图。

图3是本发明含气量测量系统使用状态下的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种含气量测量系统，主要包括密封罐、温控箱、加压装 置以及集气装置，其中：所述密封罐包括用于盛放样品的运输罐和用于盛 放所述运输罐的承压罐，所述运输罐可在承压罐内受力破碎，所述承压罐 上设有注气孔和排气孔；所述温控箱，用于加热所述承压罐；所述加压装 置，用于从注气孔向所述承压罐输入甲烷气体进行加压；所述集气装置， 用于收集从所述承压罐排气孔排出的气体。进一步地，还可以设置数据采 集与处理装置，用于获取所述加压装置输出的气体量以及所述集气装置收 集的气体量，并计算样品的损失气含量及解吸气含量。

请参阅图1A、1B所示，所述密封罐包括运输罐1和承压罐2两种。其 中，运输罐1由密封盖11和罐体12组成，运输罐1将含气样品密闭封存， 便于携带运输，运输罐1采用易碎但有一定抗压能力的材料，在外力撞击 下可破裂。承压罐2由罐体21、与罐体21一端固定连接的底盖22、与罐 体另一端可拆卸连接的顶盖23组成，顶盖23中部与顶盖23外缘之间为斜 面，便于当气体非常小时进行收集。罐体21与顶盖23之间扣接，可提高 操作效率，避免气体逸散。运输罐1的罐体12直径略小于承压罐2的罐体 21，这样使得运输罐1可以放入承压罐2，同时又可以尽可能的排除空气。 罐体21的内表面上优选设置成粗糙面，可用于协助破碎所述运输罐1。作 为一种具体示例，如图1B所示，承压罐2的罐体21侧壁设有螺纹，底盖 22上设有向罐体21内部突出的锥形体。

请参阅图2A所示，所述承压罐2的顶盖23上开有三个通孔，其中一 个为注气孔24，注气孔24处可连接减压阀，第二个为排气孔25，最后一 个连接压力表26，其中，排气孔25设于所述顶盖23中部，另外两个孔分 列排气孔25两侧。

请参阅图2B所示，所述集气装置3包括集气量筒31、压力平衡调节 器32和保护托罩37，集气量筒31上可标识刻度线，保护托罩37除保护作 用外，还具有支撑和稳定集气装置3的作用。所述压力平衡调节器32包括 支撑体35、压力平衡调节手轮33、防倒吸管36。支撑体35通过旋紧螺钉 连接在集气量筒31底部，支撑体35上设有排水孔，所述排水孔下方为压 力平衡调节手轮33，压力平衡调节手轮33沿圆周方向从小到大依次分布有 直径不等的限流孔，例如可设置6个直径分别为1mm、1.5mm、2mm、2.5mm、 3mm、3.5mm的限流孔。防倒吸管36安装在压力平衡调节手轮33下方， 防倒吸管36管口与压力平衡调节手轮33上一个通孔的位置相当，支撑体 35上排水孔的直径与压力平衡调节手轮33的最大限流孔直径相当。当支撑 体35上排水孔、防倒吸管36管口、压力平衡调节手轮33的通孔重合时， 排水孔即被打开，集气量筒31内部与外界连通。

集气装置3上还设有集气口34，如图2B中所示集气口34为支撑体35 在其中心部位的开孔。所述集气口34用于与承压罐2上的排气孔25对应 连接。为了实现快速连接，两者之间可采用快速连接单向阀的公扣和母扣 配合连接。具体地，可在排气孔25处安装快速连接单向阀的公扣，在集气 口34处安装匹配的母扣，从而实现承压罐2与集气装置3之间的无导管式 直接连接。

所述集气量筒31内还设有可采集液位信息的敏感元件，所述液位信息 采集元件在集气装置3采用排水法集气时使用。

温控箱4上开设有加热腔41，所述加热腔41的内径与所述承压罐2的 外径相当，加热腔41在所述温控箱4的顶板43上开口，形成一个与承压 罐2外径相当的通孔，通孔四周固定加热元件和保温层，温控箱4内还设 有监控箱体温度的温控仪42，所述加热元件和温控仪42均与设置于箱体上 的电源接口44连接。

加压装置5主要包括增压泵51、钢瓶52、气体流量计和真空泵。使用 时，钢瓶52提供加压气体，钢瓶52通过管道与增压泵51连接，增压泵51 通过管道与承压罐2上的注气孔24连接，气体流量计可设置在靠近注气孔 24的管道上，用于计量向所述承压罐2中注入的甲烷气体量；真空泵用于 在所述增压泵51工作之前将所述承压罐2抽真空，使用时可与承压罐2上 的排气孔25通过管道连接。

所述数据采集与处理系统可采用上位机实现，上位机连接并采集所述 集气装置3的液位信息采集元件以及加压装置4的气体流量计记录的数据， 并进一步对这些采集数据进行处理，获得最终的含气量测量结果。

采用以上设计后，本发明的含气量测量系统结构紧凑、气密性好、加 热均匀、压力稳定、集气方便、计量准确、操作简单，可用于含气样品的 损失气和解吸气含量测量，同时也可用于天然气等各种气体测量和收集， 从而更加适于实用。

本发明还提供了一种含气量测量方法，用于对页岩等含气样品进行准 确的损失气量和解吸气量的测量。作为一种实施方式，以下结合上述测量 系统对本发明的所述测量方法做具体介绍：

实验前，可以预先利用增压泵51对运输罐1、承压罐2的气密性进行 检验。例如，向运输罐1和承压罐2中充入一定量的气体，密封，然后放 入水中，没有气泡出现说明运输罐1和承压罐2密封性好，取出后打开待 用。

对待测含气样品实验时，主要包括以下测量步骤：

(1)取出运输罐1、承压罐2和集气装置3。

(2)打开运输罐1顶盖11，快速装入含气样品，密封保存。选取的含 气样品尽量将运输罐1中的空间全部占据，这样可以最大程度降低空气对 含气量测量的影响。

(3)打开承压罐2顶盖23，将运输罐1装入承压罐2内并实施二次密 封，为了协助后期破碎运输罐1，此时还可以一并放入研磨材料。

(4)将承压罐2抽真空处理，再将承压罐2顶盖23朝上竖直放入加热 腔中。接通电源，利用加热元件41和温控仪42将承压罐2加温至需要温 度T，利用增压泵51向承压罐2内充入甲烷气体到需求压力P₁。此时，温 控箱4和加压装置5为承压罐2中含气样品提供了满足解吸实验要求的地 层原始温度、压力环境。对承压罐2提供一定外力，使运输罐1破裂，一 段时间后承压罐2中压力稳定，此时压力下降为P₂；再次向承压罐2中充 入甲烷气体，使压力恢复到P₁，等待压力稳定后，重复上述步骤，直到压 力稳定在P₁，通过气体流量计记录该步骤全过程中充入甲烷气体的总量为 N₁，该值表示样品的吸收量，可认为等于损失气量。

(5)将集气量筒31中装满饱和食盐水，再倒置与承压罐2连通，并打 开压力平衡调节器32的排水孔，使承压罐2中压力恢复到P₀(1个大气压)， 液位采集元件定时记录集气量筒31中液面位置，并得到最终总出气量为 M₁，该值表示样品出气量，可认为等于解吸气量。

(6)数据采集与处理模块接收并存储气体流量计记录的数据，以及液 位采集元件获得的时间与出气量数据，并对这些数据进一步处理，得出损 失气含量和解吸气含量，进一步地，还可将最终解吸气量与时间关系与对 比实验比较，可得到标准解吸曲线。

(7)实验结束，关闭压力平衡调节器32的排水孔，并断开集气装置与 承压罐2的连通。由于集气量筒31气密性好，可以将气样保存在集气量筒 31中，如需采集量筒内的气体，将集气口34朝上，使用相匹配的公扣连通 即可取样。

进一步地，为使得测量结果更加准确，能够获得绝对的损失气量和解 吸气量，可以在上述测量过程的基础上增设如下对比实验：

取与实验样品相同大小的标准块(例如铁块，不吸附甲烷)，放入承压 罐2中，密封后抽真空处理，然后利用加热元件41和温控仪42将承压罐2 加温加压至同样温度T，利用增压泵向承压罐2中加入甲烷气体到同样压力 P₁，利用气体流量计记录充入甲烷气体量N₀。将集气量筒31中装满饱和食 盐水，然后倒置与承压罐2连通，打开压力平衡调节器32的排水孔，使承 压罐2中压力恢复到P₀(1个大气压)，液位采集元件定时记录集气量筒31 中液面位置，并得到最终总出气量记为M₀。

加入上述对比实验后，所述损失气量利用对比实验记录的甲烷气体量 (N₀)和待测样品实验时记录的甲烷气体量(N₁)计算，此时，损失气量 N₂＝N₁–N₀。所述解吸气量利用对比实验记录的出气量(M₀)和待测样品 实验时记录的最终出气量(M₁)计算，此时，解吸气量M₂＝M₁–M₀。

综上所述，本发明利用将样品回归到原始地层状态的归原思路，实验 过程中对承压罐2进行加温加压，加压所用气体为甲烷，从而将承压罐2 中样品恢复到原始地层状态，然后通过减压解吸获取解吸气含量。这样可 以对气体样品的损失气含量、解吸气含量一并测量，并且可以根据不同的 温度、压力下样品吸收的甲烷气量分析温度和压力对损失气量的影响，含 气量测量更加准确，并且更加适于实用。

由于采用以上技术方案，本发明的含气量测量系统及方法，不仅可以 测量天然气勘探开发中损失气量，同时也可以模拟标准岩石中天然气解吸 过程，获得解吸气量，通过含气量结构分析和温压回溯法计算含气量等， 从而为天然气勘探和开发提供了重要的评价参数，为天然气目的层评价、 储量估算及有利区优选提供重要依据。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式 上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、 等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。