用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于测量气体吸附‑扩散‑置换的实验系统及方法，系统包括恒温控制箱，恒温控制箱内设有第一温度传感器、参考舱、样品舱、激光发射器和激光接收器，样品舱的进气口处设有第二压力传感器样品舱侧壁设有第二温度传感器，样品舱左右两侧对衬设有第一光学镜片和第二光学镜片，第一光学镜片和第二光学镜片通过透光组件与样品舱光连通，激光发射器与第一光学镜片对应设置，激光接收器与第二光学镜片对应设置，能够实时的将样品舱中的气体浓度、参考舱的温度和压力，以及样品舱的温度和压力参数发送到计算机，进而实时地得到气体的吸附量、扩散量和置换量的变化，采用恒温控制箱不受外界温度变化的影响，测量结果准确。

Experimental system and method for measuring gas adsorption diffusion displacement

The present invention provides an experimental system and method for measuring gas adsorption diffusion displacement. The system comprises a constant temperature control box with a first temperature sensor, a reference chamber, a sample chamber, a laser transmitter and a laser receiver. A second pressure sensor sample bulkhead is arranged at the inlet of the sample chamber. A second temperature sensor is provided, and the left and right sides of the sample compartment are lined with the first optical lens and the second optical lens. The first optical lens and the second optical lens are connected with the sample compartment light through the light transmission module, the laser emitter and the first optical lens are corresponding, and the laser receiver and the second optical lens are corresponding. The gas concentration in the sample compartment, the temperature and pressure of the reference compartment, and the temperature and pressure parameters of the sample compartment are sent to the computer. The change of the gas adsorption, diffusion and displacement can be obtained in real time. The constant temperature control box is not affected by the change of the external temperature, and the measurement results are accurate.

【技术实现步骤摘要】
用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统及方法
本专利技术属于能源开发
，更具体地说，是涉及一种用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统及方法。
技术介绍
随着我国能源结构的进一步优化，煤等高污染能源使用量进一步下降，天然气等清洁能源的消费比逐年上升。其中页岩气、煤层气和天然气水合物(可燃冰)作为重要的非常规天然气资源，将在以后的能源结构中占有举足轻重的地位。与常规天然气藏不同，非常规天然气中，吸附气的比例很高，同时由于渗透率极低，非常规天然气的运移机理与常规天然气也存在较大的差别。因此，研究非常规天然气在岩层中的吸附、扩散及置换对研究非常规天然气藏的富集成藏、驱替开发和资源评价等具有重要意义。目前，传统的用于吸附、扩散及置换研究的实验方法主要为容量法，该方法主要是通过向放入岩芯试样的实验舱内冲入定量的气体，通过岩芯试样吸附气体达到平衡后的压力变化计算吸附气量，通过在一定压力下释放气体，计算解析气量和平衡时间来进行扩散研究。但是容量法方式只能在气体达到平衡后的通过气量和压力的变化，来计算吸附气量和扩散气量的大小，存在不能实时地、动态地测量吸附气量和扩散气量，同时容易受外部环境(如温度变化)的影响，导致测量结果不准确的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统及方法，以解决现有的容量法方式只能在气体达到平衡后的通过气量和压力的变化，来计算吸附气量和扩散气量的大小，不能实时地、动态地测量吸附气量和扩散气量，同时容易受外部环境(如温度变化)的影响，导致测量结果不准确的问题技术问题。为实现上述目的，本专利技术实施例的第一方面，提供一种用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统，包括：一恒温控制箱，所述恒温控制箱内设有第一温度传感器、参考舱、样品舱、激光发射器和激光接收器；所述参考舱的进气口与外接气源和增压装置连接，所述参考舱的出气口通过设有气动阀的气体管路与所述样品舱的进气口连接，所述参考舱的出气口处设有第一压力传感器；所述样品舱的进气口处设有第二压力传感器，所述样品舱外部设有加热恒温腔，所述样品舱侧壁设有第二温度传感器，所述样品舱左右两侧对衬设有第一光学镜片和第二光学镜片，所述第一光学镜片和第二光学镜片通过透光组件与样品舱光连通，所述激光发射器与所述第一光学镜片对应设置，所述激光接收器与所述第二光学镜片对应设置，所述激光发射器发出的激光通过第一光学镜片和透光组件射入所述样品舱，穿过样品舱内的气体后，通过透光组件和所述第二光学镜片后，射入所述激光接收器；所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、激光发射器和激光接收器与外部计算机通信连接。进一步地，所述系统还包括第一支架和第二支架，所述第一支架用于支撑所述激光发射器，所述第二支架用于支撑所述激光接收器。进一步地，所述第一温度传感器设置在所述第一支架的侧壁上。本专利技术实施例的第二方面，提供一种基于上述的用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统的测量气体吸附-扩散-置换的实验方法，包括：将岩芯试样放入样品舱内，关闭气动阀门，通过外接气源和增压装置向参考舱内注入待测气体，待稳定第一预设时长后，通过第一温度传感器获取参考舱的初始温度Tn，通过第一压力传感器获取参考舱的初始压力Pn；打开气动阀，使得待测气体进入样品舱，待测气体开始被岩芯试样吸附；在吸附的过程中，通过第二温度传感器获取样品舱的实时温度Ti,，通过第二压力传感器获取样品舱的实时压力Pi，并通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机实时根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的待测气体的实时浓度值Ci；根据参考舱的初始温度Tn、考舱的初始压力Pn、样品舱的实时温度Ti、样品舱的实时压力Pi、待测气体的实时浓度值Ci和预存的样品舱自由体积V自由，计算得到待测气体被岩芯试样的实时吸附的吸附量Vi。进一步地，在待测气体被岩芯试样的吸附的吸附量不变之后，还包括：关闭气动阀，将参考舱内的待测气体排除，然后打开气动阀，使得样品舱内的待测气体进入参考舱，样品舱中的压力下降，已经吸附在岩芯试样上的待测气体开始扩散；在扩散过程中，通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的待测气体的初始浓度值C01和实时浓度值Ct1；根据待测气体的初始浓度值C01、实时浓度值Ct1和预存的样品舱自由体积V自由，计算得到待测气体从岩芯试样的实时扩散的扩散量Vt。进一步地，在待测气体被岩芯试样的吸附的吸附量不变之后，还包括：关闭气动阀，将参考舱内抽真空，向参考舱内注入高压置换气体，按照预设压差通过第一压力传感器和第二压力传感器获取的压力值，设置参考舱和样品舱的压差；打开气动阀，通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的待测气体的初始浓度值C02和实时浓度值Ct2，根据待测气体的初始浓度值C02、实时浓度值Ct2和预存的样品舱自由体积V自由，计算得到岩芯试样中待测气体被高压置换气体实时置换的置换量Vr；或者，打开气动阀，通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的高压置换气体的初始浓度值C03和实时浓度值Ct3，根据高压置换气体的初始浓度值C03、实时浓度值Ct3和预存的样品舱自由体积V自由，计算得到岩芯试样中待测气体被高压置换气体实时置换的置换量Vr。进一步地，在将岩芯试样放入样品舱内之前，还包括：对所述参考舱和所述样品舱进行第二预设时长的抽真空处理；关闭所述参考舱和所述样品舱之间的气动阀，向所述参考舱注入高压氦气，获取参考舱的初始压力；待稳定第二预设时长后，通过第一压力传感器获取参考舱平衡压力；若所述参考舱平衡压力与所述参考舱的初始压力相同，则确定所述参考舱气密性合格；当确定所述参考舱气密性合格后，打开所述气动阀，使得参考舱内的高压氦气进入样品舱，并通过第一压力传感器获取第一初始压力、第二传感器获取第二初始压力；待稳定第三预设时长后，通过第一压力传感器获取第一平衡压力、第二传感器获取第二平衡压力；若所述第一初始压力、第二初始压力、第一平衡压力和第二平衡压力相同，则确定所述样品舱气密性合格。进一步地，当氦气进入样品舱后，激光发射器和激光接收器，对样品舱内的氦气进行照射，并将激光信号转换为数字信号发送到计算机，得到样品舱内的氦气的第一浓度值；利用第二温度传感器、第二压力传感器获取样品舱内氦气的温度值、压力值，并根据实际气体状态方程，计算得到样品舱内的氦气的第二浓度值；若第一浓度值和第二浓度值相同，则确定激光发射器和激光接收器工作状态良好。进一步地，还包括获取所述预存的样品舱自由体积V自由的过程：当确定所述参考舱气密性合格后，通过第一压力传感器获取未向样品舱注入氦气的初始压力P0，通过第一温度传感器获取参考舱的初始温度T0；打开所述气动阀，使得参考舱内的高压氦气进入样品舱，待压力平衡后，通过第二压力传感器获取参考舱和样品舱注入氦气平衡压力P1，通过第一温度传感器获取参考舱的注入氦气平衡温度T1，通过第二温度传感器获取样品舱注入氦气平衡温度T2；获取参考舱的体积V本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量气体吸附‑扩散‑置换的实验系统，其特征在于，包括：一恒温控制箱，所述恒温控制箱内设有第一温度传感器、参考舱、样品舱、激光发射器和激光接收器；所述参考舱的进气口与外接气源和增压装置连接，所述参考舱的出气口通过设有气动阀的气体管路与所述样品舱的进气口连接，所述参考舱的出气口处设有第一压力传感器；所述样品舱的进气口处设有第二压力传感器，所述样品舱外部设有加热恒温腔，所述样品舱侧壁设有第二温度传感器，所述样品舱左右两侧对衬设有第一光学镜片和第二光学镜片，所述第一光学镜片和第二光学镜片通过透光组件与样品舱光连通，所述激光发射器与所述第一光学镜片对应设置，所述激光接收器与所述第二光学镜片对应设置，所述激光发射器发出的激光通过第一光学镜片和透光组件射入所述样品舱，穿过样品舱内的气体后，通过透光组件和所述第二光学镜片后，射入所述激光接收器；所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述激光发射器和所述激光接收器与外部计算机通信连接。

【技术特征摘要】
1.一种用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统，其特征在于，包括：一恒温控制箱，所述恒温控制箱内设有第一温度传感器、参考舱、样品舱、激光发射器和激光接收器；所述参考舱的进气口与外接气源和增压装置连接，所述参考舱的出气口通过设有气动阀的气体管路与所述样品舱的进气口连接，所述参考舱的出气口处设有第一压力传感器；所述样品舱的进气口处设有第二压力传感器，所述样品舱外部设有加热恒温腔，所述样品舱侧壁设有第二温度传感器，所述样品舱左右两侧对衬设有第一光学镜片和第二光学镜片，所述第一光学镜片和第二光学镜片通过透光组件与样品舱光连通，所述激光发射器与所述第一光学镜片对应设置，所述激光接收器与所述第二光学镜片对应设置，所述激光发射器发出的激光通过第一光学镜片和透光组件射入所述样品舱，穿过样品舱内的气体后，通过透光组件和所述第二光学镜片后，射入所述激光接收器；所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述激光发射器和所述激光接收器与外部计算机通信连接。2.如权利要求1所述的用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统，其特征在于，还包括第一支架和第二支架，所述第一支架用于支撑所述激光发射器，所述第二支架用于支撑所述激光接收器。3.如权利要求2所述的用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统，其特征在于，所述第一温度传感器设置在所述第一支架的侧壁上。4.一种基于权利要求1所述的用于测量气体吸附-扩散-置换的实验系统的测量气体吸附-扩散-置换的实验方法，其特征在于，包括：将岩芯试样放入样品舱内，关闭气动阀门，通过外接气源和增压装置向参考舱内注入待测气体，待稳定第一预设时长后，通过第一温度传感器获取参考舱的初始温度Tn，通过第一压力传感器获取参考舱的初始压力Pn；打开气动阀，使得待测气体进入样品舱，待测气体开始被岩芯试样吸附；在吸附的过程中，通过第二温度传感器获取样品舱的实时温度Ti,，通过第二压力传感器获取样品舱的实时压力Pi，并通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机实时根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的待测气体的实时浓度值Ci；根据参考舱的初始温度Tn、考舱的初始压力Pn、样品舱的实时温度Ti、样品舱的实时压力Pi、待测气体的实时浓度值Ci和预存的样品舱自由体积V自由，计算得到待测气体被岩芯试样的实时吸附的吸附量Vi。5.如权利要求4所述的测量气体吸附-扩散-置换的实验方法，其特征在于，在待测气体被岩芯试样的吸附的吸附量不变之后，还包括：关闭气动阀，将参考舱内的待测气体排除，然后打开气动阀，使得样品舱内的待测气体进入参考舱，样品舱中的压力下降，已经吸附在岩芯试样上的待测气体开始扩散；在扩散过程中，通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的待测气体的初始浓度值C01和实时浓度值Ct1；根据待测气体的初始浓度值C01、实时浓度值Ct1和预存的样品舱自由体积V自由，计算得到待测气体从岩芯试样的实时扩散的扩散量Vt。6.如权利要求4所述的测量气体吸附-扩散-置换的实验方法，其特征在于，在待测气体被岩芯试样的吸附的吸附量不变之后，还包括：关闭气动阀，将参考舱内抽真空，向参考舱内注入高压置换气体，按照预设压差通过第一压力传感器和第二压力传感器获取的压力值，设置参考舱和样品舱的压差；打开气动阀，通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机根据发送和接受的激光强弱获取样品舱内的待测气体的初始浓度值C02和实时浓度值Ct2，根据待测气体的初始浓度值C02、实时浓度值Ct2和预存的样品舱自由体积V自由，计算得到岩芯试样中待测气体被高压置换气体实时置换的置换量Vr；或者，打开气动阀，通过激光发射器实时发送激光，激光接收器实时接收通过样品舱的激光，计算机根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：张金川，魏晓亮，李中明，李振，李沛，刘书文，刘聪利，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11