一种岩石不同含水条件下气体吸附等温线测试分析方法技术

本发明专利技术属于石油及化工科研技术领域，针对当前岩石含水条件气体等温吸附测试方法存在的含水饱和度变化、不确定和高含水饱和度条件难控制的问题，本发明专利技术提出了一种岩石不同含水条件下气体吸附等温线测试分析方法，在现有方法基础上，通过采用一次饱和多次测试和增加测试前抽真空前后的质量变化测量以校正含水饱和度及死体积，计算得到校正后的吸附等温线I

【技术实现步骤摘要】
一种岩石不同含水条件下气体吸附等温线测试分析方法
本专利技术属于石油及化工科研
，涉及岩石对气体吸附量的测试技术，尤其涉及一种岩石不同含水条件下气体吸附等温线测试分析方法。
技术介绍
经过中美的勘探开发实践，页岩气被证明是赋存量巨大、具有重大开采价值的战略接替能源。页岩气指的是生成后滞留于烃源岩中的天然气，主要成分为甲烷。含气页岩一般纳米孔隙发育，具有较高的比表面，吸附于孔隙壁面上的气体(一般称为吸附气)对页岩总含气量的贡献不可忽视。研究表明，页岩气中吸附气的占比可达20％到80％。已开展的吸附实验也表明，页岩对甲烷的吸附量随温压发生改变。等温吸附测试技术是评价吸附剂(例如页岩)对吸附质(例如甲烷)吸附能力的常用技术，该技术测定吸附剂在一定温度和不同压力条件下对吸附质的吸附量获得吸附等温线，结合吸附模型及吸附动力学理论计算相关特征参数(例如吸附热、吸附势)。当前，等温吸附实验作为页岩含气性评价的一项重要技术，已经被纳入国家标准中。该标准规定了测试采用的是经过烘干干燥后的页岩样品。实际上，对页岩井下取心进行含水率测试发现均含有一定量的原生水，含水率可达0.02克水每克页岩以上。当前，针对含水情况下页岩的甲烷吸附等温测试尚无被广泛采用或纳入标准的方法。其主要难点在于页岩含水条件的恢复/控制。含水饱和度的定义为孔隙中水所占的体积与孔隙体积之比。不同地区不同层系的页岩的含水饱和度可能存在较大差异，加上页岩在取心及后期保存过程中无法有效保持地层条件下的原始含水饱和度，因此有必要认识不同含水饱和度对页岩甲烷吸附特征影响的一般规律。这也是计算与预测实际地层条件下页岩含气量的基础。开展这项研究工作的先决条件是能够控制页岩样品具有一定的含水饱和度以开展等温吸附测试。含水饱和度恢复的基本原理是将干燥页岩置于水蒸气环境中，通过自发吸附的方式，使水分子通过扩散进入页岩的孔隙中。页岩吸水量的控制方法主要有两大类，一类是通过控制页岩所处的水蒸气环境的湿度实现；一类是通过页岩吸水时间来控制。前者根据一定饱和盐溶液在一定温度下的相对湿度关系选择不同的饱和盐溶液作为页岩吸水来源(如图1所示，沈伟军等，2017)。后者将页岩放入一恒温的、盛有蒸馏水的容器中，通过不同时间的称重，建立饱和时间与含水饱和度的关系作为含水饱和度计算的依据(如图2所示，胡志明等，2018)。通过控制页岩所处的水蒸气环境的湿度实现不同含水饱和度的原理简述如下：水的饱和蒸汽压可采用安托尼(Antoine)方程计算：单位为kPa例如，10℃时饱和蒸气压为1.2054kPa根据理想气体状态方程可得10℃标况下1m3空间中的饱和水蒸气量为：相对湿度为40％时，1m3空间中水蒸气量为9.22g×40％＝3.69g/m3据此，可根据一定温度、大气压下的盐溶液的湿度计算得到单位体积中的水蒸气含量。将页岩放置于盛有饱和盐溶液的容器中，达到平衡时，容器内的湿度维持该饱和盐溶液在给定温压下对应的湿度。由于页岩孔隙表面对水分子具有一定的吸附能力，且该吸附能力随着空气中的水蒸气的含量的增加而增加，因此，采用不同湿度的盐溶液得到的页岩吸水平衡时的质量增量——即吸水量——各不相同，且与湿度正相关。因此，可以通过采用不同包含盐溶液来达到控制页岩含水饱和度的目的。具体含水饱和度的计算过程如下：通过称重确定吸水前后的质量差——即水的质量，除以密度得到水的体积，进一步结合干燥页岩样品测试得到的孔隙度和孔隙体积，计算得到含水饱和度。通过页岩吸水时间来控制含水饱和度的原理可以理解为采用的是相对湿度为100％的环境，根据页岩吸水量存在随时间逐步增加的这一特点，将吸水量采用上述步骤(除以水密度得到水体积后再除以孔隙体积)转换为含水饱和度后，得到含水饱和度和时间的关系，根据目标饱和度控制吸水时间。两种方法比较而言，前者可达到的含水饱和度间隔取决于所采用的盐溶液，吸水饱和更为充分，采用每种盐溶液进行充分饱和所需的时间也更长；后者理论上来说可以得到更为连续的含水饱和度分布，所需时间更短，但是可能存在含水饱和不充分的问题。页岩样品饱和一定量水后便可以开始进行等温吸附测试。等温吸附测试法分为容积法和重量法两大类。容积法应用较广，设备较多，本专利技术针对的是采用容积法进行等温吸附测试的情况。如图3所示，容积法测试的基本原理简要介绍如下：设备包含两个腔体，一个已知体积的基准腔和一个样品腔。测试包含两个阶段，首先是测试死体积，采用的为氦气；第二阶段测试的各个平衡压力的吸附量，采用的为吸附质气体(例如甲烷)。两个阶段的步骤一样，以初始状态两个腔体连通，内部为真空为例，首先关上中间测试阀，向基准腔内充入一定气体，平衡后压力为P1，接着打开中间测试阀，平衡后压力为P2。当采用的是氦气时，由于氦气为惰性气体无吸附，根据中间测试阀门开启前后两个时刻的质量守恒，可以确定样品腔内的死体积Vsample。当采用的为甲烷时，由于存在吸附，此时根据状态方程计算的阀门打开前后的气体量不守恒，减少的部分即为被样品所吸附的气体量。从上述原理可以看出，采用容积法进行等温吸附测试，需要分别采用氦气测死体积和甲烷测吸附量。在死体积测试之前和等温吸附测试之前，都需要对样品腔进行抽真空以尽可能地排出样品孔隙内部的杂质气体，避免干扰吸附测试。抽真空时，样品腔内压力可能接近真空，低于水分子在该温度下的饱和蒸气压，含水样品孔隙内的水分容易蒸发，导致含水量的减少。现有方法关于含水饱和度的控制，侧重的是测试前的含水饱和度，认为测试过程中含水饱和度不变，对于测试过程中含水量的损失和含水饱和度的变化没有提及。测试前不进行抽真空，可降低含水饱和度的损失，但存在杂质气体干扰测试结果的风险；进行抽真空处理，则可能导致含水饱和度的变化，导致实际测的吸附等温线与之前确定的含水饱和度不对应。因此，现有方法存在较大的不确定性且难以评估。此外，对于高含水饱和度情况，由于含水量较高，样品在放置或实验过程中容易丧失水分，也导致无法维持在预设的含水饱和度，这也是现有方法难以进行高含水饱和度实验的原因之一。
技术实现思路
针对当前岩石含水条件气体等温吸附测试方法存在的含水饱和度变化、不确定和高含水饱和度条件难控制的问题，本专利技术提出了一种岩石不同含水条件下气体吸附等温线测试分析方法，在现有方法基础上，通过增加一系列环节，实现对测试前抽真空处理导致含水饱和度变化的计算，可连续进行不同含水条件岩石样品等温吸附测试，提升可测试的含水饱和度上限，提高获得所测吸附等温线对应含水饱和度的准确程度，实现更大范围、快速和准确的含水饱和度对岩石气体吸附性能的变化影响的分析。本专利技术采取的技术方案为：一种岩石不同含水条件下气体吸附等温线测试分析方法，具体步骤如下：(1)依次将待测样品干燥、吸水饱和、装入样品池并称重；目的是使样品充分吸水达到饱和，为含水条件等温吸附测试做准备，同时测量吸水前后质量供后续校正用，i＝1，i为第i个含水饱和度；(2)进行第i个含水饱本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种岩石不同含水条件下气体吸附等温线测试分析方法，其特征在于，具体步骤如下：/n(1)依次将待测样品干燥、吸水饱和、装入样品池并称重，i＝1，i为第i个含水饱和度；/n(2)进行第i个含水饱和度的吸附等温线测试，依据测试前后的质量变化校正死体积，计算得到校正后的吸附等温线I

【技术特征摘要】
1.一种岩石不同含水条件下气体吸附等温线测试分析方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)依次将待测样品干燥、吸水饱和、装入样品池并称重，i＝1，i为第i个含水饱和度；
(2)进行第i个含水饱和度的吸附等温线测试，依据测试前后的质量变化校正死体积，计算得到校正后的吸附等温线Ii；
(3)判断是否完成所有含水饱和度的吸附等温线测试，未完成的话，则i＝i+1，进入下一个含水饱和度的吸附等温线测试，重复步骤(2)；已完成的话则继续；
(4)将样品及样品池置于烘箱中烘干，记录质量为m7；
(5)对各个含水饱和度点计算含水饱和度值；
(6)样品池重新装入仪器，抽真空一定时间后采用氦气进行死体积测试，抽真空一定时间后，开始进行等温吸附测试，获得不同平衡压力的气体吸附量；
(7)对干燥样品池进行称重，记为m3，采用干燥样品质量(m7-m3)替代不同含水条件下的样品质量重新计算单位质量样品的吸附等温线Ii，统计最大吸附量max(Ii)随含水饱和度Swi下降的曲线。


2.根据权利要求1所述一种岩石不同含水条件下气体吸附等温线测试分析方法，其特征在于，所述步骤(1)具体如下步骤：
(1)将样品进行烘干去除样品中的水分，放入质量为m0的烧杯中，进行称重，记为m1；
(2)将装有样品的烧杯放置于加入去离子水的干燥皿中，间隔一定时间t对烧杯进行称重，记为m2(t)，直至烧杯质量...

【专利技术属性】
技术研发人员：江文滨，林缅，姬莉莉，曹高辉，周羁，徐志朋，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11