一種精確測量甲烷在頁巖上吸附相密度的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種精確測量甲烷在頁巖上吸附相密度的方法，屬于地質(zhì)勘探技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 國內(nèi)外學(xué)者在對煤系泥巖和頁巖的吸附性能進(jìn)行研宄時，大多采用容量法等溫吸 附儀，近幾年隨著頁巖氣勘探開發(fā)的蓬勃發(fā)展，重量法等溫吸附儀也正逐漸被國內(nèi)外學(xué)者 所接受，后者以磁懸浮天平為主要檢測工具，測試結(jié)果更精準(zhǔn)。
[0003]國內(nèi)外學(xué)者在利用容量法對煤系泥巖和頁巖等溫吸附特征進(jìn)行研宄時發(fā)現(xiàn)，在利 用容量法對頁巖吸附甲烷進(jìn)行測試時，吸附相體積的存在將減小樣品池中自由氣體的體 積，進(jìn)而對頁巖吸附能力的測試結(jié)果產(chǎn)生影響。而在此之前的相關(guān)研宄中均忽略了吸附相 體積存在，這必將導(dǎo)致對于吸附能力的評價存在較大偏差。針對這樣的問題，一部分學(xué)者試 圖從不同的角度校正吸附相體積對吸附氣能力測試所產(chǎn)生的影響。然而無論以何種方式對 吸附相體積所產(chǎn)生的影響進(jìn)行校正，終將遵循物質(zhì)守恒原理，因此吸附相密度的確定是無 法回避的問題，且吸附相密度的準(zhǔn)確性將直接影響校正結(jié)果。
[0004] 由于目前對于等溫吸附實驗的研宄大多采用容量法等溫吸附儀，重量法等溫吸 附儀的使用相對較少，測試手段的單一化導(dǎo)致無法從實驗角度對吸附相密度進(jìn)行精確 測試，因此，目前國內(nèi)外對于吸附相密度的研宄仍處于理論假設(shè)和數(shù)學(xué)優(yōu)化階段。Yee D. (1994)認(rèn)為當(dāng)溫度高于臨界溫度時（通常情況下），吸附相密度等于氣體壓縮的極限 密度，以此推論甲烷的吸附相密度為0. 375g/cm3。Arri(1992)假設(shè)吸附相密度為常壓沸 點下的液體密度，以此推論甲燒的吸附相密度為〇. 421g/cm3。Katsuyuki Murayta(2001) 利用經(jīng)驗公式得到甲烷吸附相密度約為〇.59g/cm3。以上研宄均將吸附相密度作為定 值，未考慮溫度、壓力等條件產(chǎn)生的影響，為此，德國學(xué)者Berhard M. Krooss及其團隊 (2008, 2010, 2012, 2013, 2014)將Gibbs關(guān)于吸附的定義與蘭格繆爾方程結(jié)合，將吸附相密 度作為待定參數(shù)，從數(shù)學(xué)優(yōu)化角度對甲烷和二氧化碳在煤系泥巖和頁巖上的吸附相密度進(jìn) 行評價，得到不同吸附劑和吸附質(zhì)組合在不同溫度條件下的吸附相密度。類似的，國內(nèi)學(xué)者 周理（2000,2001)將Gibbs對吸附的定義式與D-A方程相結(jié)合，推導(dǎo)出絕對吸附量模型， 并優(yōu)化出不同溫度條件下甲烷在AX-21活性炭上的吸附相密度，溫度在233K-333K時甲烷 吸附相密度為0. 15g/cm3-0. 350g/cm3。這種與等溫吸附模型相結(jié)合進(jìn)而對吸附相密度進(jìn)行 優(yōu)化的方法，其對吸附相密度評價結(jié)果的準(zhǔn)確性將很大程度上依賴于等溫吸附模型的適用 性，而頁巖孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，等溫吸附模型的適用性難以確定，因此利用該方法所得到的評價 結(jié)果尚待進(jìn)一步研宄。
[0005] 綜上，前人對吸附相密度的研宄仍處于理論假設(shè)或數(shù)學(xué)優(yōu)化階段，尚未從實驗角 度對其進(jìn)行精確測試，而不同學(xué)者研宄結(jié)果相差很大，終無定論，這必將對客觀評價巖吸附 氣能力產(chǎn)生較大影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于實驗手段且適用性強的精確測量甲 烷在頁巖上吸附相密度的方法。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種精確測量甲烷在頁巖上吸附相 密度的方法，包括以下步驟：1)將一塊泥頁巖樣品粉碎至60~80目，分成兩份；2)對第一 份泥頁巖樣品進(jìn)行容量法等溫吸附實驗，并得到吸附態(tài)甲烷的物質(zhì)的計算模 型；3)對第二份泥頁巖樣品進(jìn)行重量法等溫吸附實驗，并得到吸附態(tài)甲烷的質(zhì)量的 計算模型；4)對步驟2)中所得到的吸附態(tài)甲烷的物質(zhì)的量nTOcH4的計算模型和步驟3)中 所得到的吸附態(tài)甲烷的質(zhì)量的計算模型進(jìn)行吸附相體積的修正，得到吸附態(tài)甲烷的 修正后的物質(zhì)的量的計算模型和質(zhì)量的計算模型；5)根據(jù)物質(zhì)的量的定義公式，結(jié)合步驟 4)中的兩個計算模型，求出吸附態(tài)甲烷的質(zhì)量和體積V"";6)根據(jù)密度的定義，求 得甲烷在頁巖上吸附相密度的準(zhǔn)確值，即：
[0008]
【主權(quán)項】
1. 一種精確測量甲烷在頁巖上吸附相密度的方法，包括以下步驟： 1) 將一塊泥頁巖樣品粉碎至60~80目，分成兩份； 2) 對第一份泥頁巖樣品進(jìn)行容量法等溫吸附實驗，并得到吸附態(tài)甲烷的物質(zhì)的量Iiwft OM的計算模型； 3) 對第二份泥頁巖樣品進(jìn)行重量法等溫吸附實驗，并得到吸附態(tài)甲烷的質(zhì)量 計算模型； 4) 對步驟2)中所得到的吸附態(tài)甲烷的物質(zhì)的量nmcH4的計算模型和步驟3)中所得 到的吸附態(tài)甲烷的質(zhì)量Hi wftai4的計算模型進(jìn)行吸附相體積的修正，得到吸附態(tài)甲烷的修正 后的物質(zhì)的量的計算模型和質(zhì)量的計算模型； 5) 根據(jù)物質(zhì)的量的定義公式，結(jié)合步驟4)中的兩個計算模型，求出吸附態(tài)甲烷的質(zhì)量 m吸附CH4和體積V1?附； 6) 根據(jù)密度的定義，求得甲烷在頁巖上吸附相密度P "^的準(zhǔn)確值，即：
2. 如權(quán)利要求1所述的一種精確測量甲烷在頁巖上吸附相密度的方法，其特征在于： 所述步驟2)中，通過容量法等溫吸附實驗建立吸附態(tài)甲烷的物質(zhì)的量Ii wftai4的計算模型 的過程如下： ① 設(shè)置一包括參比池、樣品池、第一閥門、第二閥門、第一溫壓表、第二溫壓表、氦氣氣 源和甲烷氣源的容量法等溫吸附儀，其中，參比池分別連接一進(jìn)氣管路和一出氣管路第一 閥門設(shè)置在進(jìn)氣管路上，第二閥門設(shè)置在出氣管路上，出氣管路的末端連接樣品池；第一溫 壓表設(shè)置在參比池中，第二溫壓表設(shè)置在樣品池中；氦氣氣源和甲烷氣源均通過管路連接 在進(jìn)氣管路的初始端； ② 在樣品池中放入第一份泥頁巖樣品后將系統(tǒng)抽真空，關(guān)閉第二閥門，然后打開第一 閥門，利用氦氣氣源向參比池中充入一定量的氦氣，之后關(guān)閉第一閥門，待參比池的溫度和 壓力穩(wěn)定后，記錄參比池中氦氣的溫度和壓力P 的值，根據(jù)氣體狀態(tài)方程，有： P參比池He V參比池=Z參比池He n參比池He RT參比池He 上式中為參比池的容積；Z#t_He為參比池中氦氣的非理想氣體狀體方程的校正 因子；n#t_He為充入?yún)⒈瘸貎?nèi)的氦氣的物質(zhì)的量；R為理想氣體常數(shù)； ③ 打開第二閥門，參比池中的氦氣通過出氣管路進(jìn)入樣品池，待參比池和樣品池的溫 度和壓力均穩(wěn)定后，記錄參比池與樣品池所構(gòu)成的系統(tǒng)中氦氣的溫度T saite和壓力P 的值，此時，根據(jù)氣體狀態(tài)方程，有： P系統(tǒng)He V系統(tǒng)自由=Z系統(tǒng)He n系統(tǒng)He RT系統(tǒng)He 上式中，VsaS參比池1與樣品池2的容積和扣除樣品體積后所得到的系統(tǒng)自由空間 的體積；Ziyflte為參比池1與樣品池2所構(gòu)成的系統(tǒng)中氦氣的非理想氣體狀體方程的校正 因子；1^_ 6為參比池1與樣品池2內(nèi)的氦氣的物質(zhì)的量