一种重量法与容积法等温吸附测试相结合的二元气体吸附测试方法技术

本发明专利技术公开了一种重量法与容积法等温吸附测试相结合的二元气体吸附测试方法，利用重量法等温吸附测试测得目标温度、压力条件下样品的二元气体吸附质量，利用容积法等温吸附测试测得目标温度、压力条件下样品的二元气体吸附体积(标准状态)，重量法与容积法等温吸附测试的测试结果相结合，测算得到吸附相二元气体标准状态密度，结合组分气体各自标准密度进行计算，获得样品的二元气体吸附总量(摩尔量)和吸附相二元气体组成比例，进而建立样品的二元气体吸附总量曲线和吸附相二元气体组成比例随压力变化曲线。本发明专利技术不需要考虑吸附相体积的影响，且直接对吸附相气体组成进行测算，测试精度更高；不需要额外的气相色谱分析，测试过程更简便。

【技术实现步骤摘要】
一种重量法与容积法等温吸附测试相结合的二元气体吸附测试方法
本专利技术涉及页岩气研究领域，具体涉及一种重量法与容积法等温吸附测试相结合的二元气体吸附测试方法。
技术介绍
页岩气作为一种资源量巨大的非常规油气资源，其勘探和开发工作在过去十年间取得了巨大的突破。吸附气是页岩气重要的赋存形式，其在页岩气中所占的比例可达85％(Curtiset.al,2002；张金川等，2004)。页岩气体吸附性能直接决定了页岩层段中吸附气的含量，主要通过等温吸附测试进行测定，是目前页岩气领域的研究热点之一。现有的等温吸附测试方法主要为一元气体等温吸附测试，按其测试原理可分为容积法等温吸附测试和重量法等温吸附测试，其中容积法等温吸附测试引用GB/T35210.1-2017《页岩甲烷等温吸附测定方法第1部分：容积法》，测定实验过程中样品所吸附实验气体的标准状态体积；重量法等温吸附测试测定样品吸附气体前后重量变化，测定实验过程中样品所吸附实验气体的质量。利用上述测试方法，近年来国内外研究者针对页岩的甲烷一元气体吸附性能开展了广泛、深入的研究，在高温、高压条件下页岩的甲烷气体吸附行为、甲烷储集能力等方面均取得了较为深入的理解和认识(杨峰等，2013；Zhangetal.,2014；毕赫等，2014；Jietal.,2015)。而二元气体吸附测试技术发展较缓慢，受制于此，针对页岩二元气体吸附性能的研究仍较薄弱。陆相生油理论是我国油气地质的重要特色，陆相沉积地层中勘探开发获得的常规油气资源产量是目前支撑我国油气工业发展的主体部分。与海相页岩相比，陆相页岩有着鲜明的特色。在气体组成方面，不同于海相页岩气主要以甲烷为主的特征，陆相页岩气中乙烷气体含量同样较高。以鄂尔多斯盆地中南部三叠系延长组泥页岩层段为例，其所含气体中乙烷含量普遍在15％以上(Wanget.al,2015)。目前研究者对我国陆相页岩含气性开展的研究中，普遍利用一元气体等温吸附测试，对页岩样品的甲烷吸附性能进行评价，并以此推测页岩的吸附气含量(王香增等，2014)。已有研究证明，页岩对甲烷、乙烷二元气体吸附性能明显高于甲烷一元气体的吸附性能(唐书恒等，2002；Ambroseetal.,2011；Luoetal.,2015；Gaspariket.al,2014)，因此，利用一元气体等温吸附测试评价陆相页岩中吸附气含量的准确性较低。建立准确的页岩二元气体等温吸附测试方法，对我国陆相页岩气资源潜力评价和有利区块选择具有重要的意义。此外，页岩气储层低孔、低渗的特征要求在开发过程中对储层进行压裂和改造。由于二氧化碳对于甲烷具有竞争吸附置换作用，利用二氧化碳进行储层改造并驱替甲烷是一种有效的开发方法。同时页岩对二氧化碳有着较强的吸附能力，将二氧化碳注入页岩气储层可以实现大量的二氧化碳封存，减少二氧化碳排放(王晓琦等，2017)。因此，二氧化碳压裂、驱替技术可在提高页岩气采收率的同时实现二氧化碳的地下封存，具有非常好的应用前景。而针对页岩层段中二氧化碳驱替甲烷的效果进行准确预测，也需要一种高精度的页岩二元气体吸附测试方法。现有的二元气体吸附测试方法为容积—色谱法，即将容积法等温吸附测试与气相色谱分析相结合，在利用容积法等温吸附实验测定样品所吸附的二元混合气体总量的基础上，通过气相色谱仪测定样品仓中游离相气体的气体组成，结合游离相气体赋存空间，推算吸附相气体的气体组成(于洪观，2005；赵鹏涛等，2013；周来诚，2015)。在该方法中，利用游离相气体组成推算吸附相气体组成要求对样品仓中游离相气体的赋存空间(自由空间)进行准确测定，现有的测定方法为在吸附实验开始前，利用氦气测定真空条件下样品仓中的自由空间，并假定吸附实验过程中自由空间保持不变。该方法忽略了吸附测试过程中吸附相气体体积对自由空间的占据(胡涛等，2002；Gaspariket.al,2014)。Ambrose等(2010；2011)利用分子热力学方法对二元气体吸附体系中吸附相气体的体积进行了分析，结果表明吸附相气体的体积在直径100nm的孔隙自由空间中所占据的比例可达20％，是不可忽略的。因此，容积—色谱法二元气体吸附测试的测试原理存在缺陷，导致其准确性较低。此外，容积—色谱法二元气体吸附测试在测试过程中，需要在每个压力点样品吸附平衡后采集气体进行气相色谱分析，测试过程繁琐，测试成本也较高。综上所述，容积—色谱法二元气体吸附测试作为现有的二元气体吸附测试方法存在以下问题：(1)在测试和数据计算过程中忽略了吸附相气体的体积，在测试原理上存在缺陷，导致其准确性较低；(2)在测试过程中需要同步进行多件气相色谱分析，导致测试流程繁琐，测试成本高。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了一种测试精度高、测试流程简单的将重量法与容积法等温吸附测试相结合的二元气体吸附测试方法，对页岩二元气体吸附性能进行准确评价，并对页岩气开采过程中二氧化碳驱替甲烷的效果进行准确预测。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种重量法与容积法等温吸附测试相结合的二元气体吸附测试方法，包括如下步骤：步骤1：利用重量法高压气体吸附仪对目标温度条件下，样品在各预设压力点对前期配比的目标二元气体的吸附质量进行测试，建立二元气体过剩吸附质量曲线。步骤2：利用兰格谬尔过剩吸附质量模型(1)和三元非线性拟合的数学方法，对步骤1获得的二元气体过剩吸附质量曲线进行拟合，确定兰格谬尔最大吸附质量、兰格谬尔压力、吸附相密度三个关键参数，随后将兰格谬尔最大吸附质量、兰格谬尔压力代入兰格谬尔绝对吸附质量模型(2)，获得样品的二元气体绝对吸附质量曲线；式中，mex—二元气体过剩吸附质量，单位mg/g，由重量法等温吸附测试测得；ρf—游离相二元气体密度，单位mg/g，由重量法等温吸附测试测得；ρad—实验状态下吸附相二元气体密度，单位mg/g，常量；mL—兰格谬尔最大吸附质量，单位mg/g，常量；PL—兰格谬尔压力，单位MPa，常量；P—样品仓中压力，单位MPa，由仪器读取；mabs—二元气体绝对吸附质量，单位mg/g；步骤3：利用容积法高压气体吸附仪对与步骤1中相同温度条件下，样品在各压力点对目标二元气体的标准状态下的过剩吸附体积进行测试，建立二元气体过剩吸附体积曲线；步骤4：利用兰格谬尔过剩吸附体积模型(3)和三元非线性拟合的数学方法，对步骤3获得的二元气体过剩吸附体积曲线进行拟合，确定兰格谬尔最大吸附体积、兰格谬尔压力、吸附相密度三个关键参数，随后将兰格谬尔最大吸附体积、兰格谬尔压力代入兰格谬尔绝对吸附体积模型(4)，获得二元气体绝对吸附体积曲线；式中，Vex—二元气体标准状态下的过剩吸附体积，单位ml/g，由容积法等温吸附测试测得；VL—标准状态下兰格谬尔最大吸附体积，单位ml/g，常量；Vabs—二元气体标准状态下的绝对吸附体积，单位ml/g；步骤5：根据步骤2获得二元气体绝对吸附质量曲线和步骤4获得的二元气体绝对吸附体积曲线，选择合适的压力点，计算样品在各压力点的二元气体标准状态下的绝对吸附质量和绝对吸附体积，利用公式(5)和公式(6)计算吸附相二元气体组成比例，利用公式(7)、公式(8)和公式(9)分布计算各气体组分绝对吸附量和二元气体总绝对吸附量；a+b＝1(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种重量法与容积法等温吸附测试相结合的二元气体吸附测试方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：利用重量法高压气体吸附仪对目标温度条件下，样品在各预设压力点对前期配比的目标二元气体的吸附质量进行测试，建立二元气体过剩吸附质量曲线。步骤2：利用兰格谬尔过剩吸附质量模型(1)和三元非线性拟合的数学方法，对步骤1获得的二元气体过剩吸附质量曲线进行拟合，确定兰格谬尔最大吸附质量、兰格谬尔压力、吸附相密度三个关键参数，随后将兰格谬尔最大吸附质量、兰格谬尔压力代入兰格谬尔绝对吸附质量模型(2)，获得样品的二元气体绝对吸附质量曲线；

【技术特征摘要】
1.一种重量法与容积法等温吸附测试相结合的二元气体吸附测试方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：利用重量法高压气体吸附仪对目标温度条件下，样品在各预设压力点对前期配比的目标二元气体的吸附质量进行测试，建立二元气体过剩吸附质量曲线。步骤2：利用兰格谬尔过剩吸附质量模型(1)和三元非线性拟合的数学方法，对步骤1获得的二元气体过剩吸附质量曲线进行拟合，确定兰格谬尔最大吸附质量、兰格谬尔压力、吸附相密度三个关键参数，随后将兰格谬尔最大吸附质量、兰格谬尔压力代入兰格谬尔绝对吸附质量模型(2)，获得样品的二元气体绝对吸附质量曲线；式中，mex—二元气体过剩吸附质量，单位mg/g，由重量法等温吸附测试测得；ρf—游离相二元气体密度，单位mg/g，由重量法等温吸附测试测得；ρad—实验状态下吸附相二元气体密度，单位mg/g，常量；mL—兰格谬尔最大吸附质量，单位mg/g，常量；PL—兰格谬尔压力，单位MPa，常量；P—样品仓中压力，单位MPa，由仪器读取；mabs—二元气体绝对吸附质量，单位mg/g；步骤3：利用容积法高压气体吸附仪对与步骤1中相同温度条件下，样品在各压力点对目标二元气体的标准状态下的过剩吸附体积进行测试，建立二元气体过剩吸附体积曲线；步骤4：利用兰格谬尔过剩吸附体积模型(3)和三元非线性拟合的数学方法，对步骤3获得的二元气体过剩吸附体积曲线进行拟合，确定兰格谬尔最大吸附体积、兰格谬尔压力、吸附相密度三个关键参数，随后将兰格谬尔最大吸附体积、兰格谬尔压力代入兰格谬尔绝对吸附体积模型(4)，获得二元气体绝对吸附体积曲线；式中，Vex—二元气体标准状态下的过剩吸附体积，单位ml/g，由容积法等温吸附测试测得；VL—标准状态下兰格谬尔最大吸附体积，单位ml/g，常量；Vabs—二元气体标准状态下的绝对吸附体积，单位ml/g；步骤5：根据步骤2获得二元气体绝对吸附质量曲线和步骤4获得的二元气体绝对吸附体积曲线，选择合适的压力点，计算样品在各压力点的二元气体标准状态下的绝对吸附质量和绝对吸附体积，利用公式(5)和公式(6)计算吸附相二元气体组成比例，利用公式(7)、公式(8)和公式(9)分布计算各气体组分绝对吸附量和二元气体总绝对吸附量；a+b＝1(6)式中，ρads—吸附相二元气体标准状态下的密度，单位mg/ml；ρas—气体组分1标准状态密度，单...

【专利技术属性】
技术研发人员：李靖，周世新，鲁新川，陈克非，张臣，孙泽祥，李朋朋，张玉红，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心，
类型：发明
国别省市：甘肃,62