阅读说明：本技术 页岩油气现场检测装置 (Shale oil gas on-site detection device ) 是由 裴学良 孙浩玉 吴仲华 刘丹 陈忠帅 马文武 李风叶 司英晖 聂云飞 庄伟� 赵 于 2019-02-20 设计创作，主要内容包括：页岩油气现场检测装置,包括集气筒、压力平衡罐、过滤装置、前过滤装置、质谱分析仪、工控机和打印机；该装置可极大的减少页岩油气采集决策的等待时间,可自动检测气体成分,通过显示设备显示检测结果,具有多种表述方式,无需专业知识也可操作该系统(只需控制开启及关闭按钮),集成了自动化冲洗功能,检测后设备自动冲洗,极大的提高了现场操作的可行性,具有适当的体积,可配置于移动车辆上,适应多种条件下的页岩油气成分检测；可实现气液分离、液相体积和质量测量、气体总量测量、气体组分和浓度的在线测量及设备的自动化冲洗,体积适中,现场的可操作性极强；针对较大范围内气压下的气体均可实现该测量,具有较大的社会意义和实用价值。(The shale oil gas on-site detection device comprises a gas collecting cylinder, a pressure balancing tank, a filtering device, a front filtering device, a mass spectrum analyzer, an industrial personal computer and a printer; the device can greatly reduce the waiting time of shale oil gas acquisition decision-making, can automatically detect gas components, displays the detection result through the display equipment, has various expression modes, can operate the system without professional knowledge (only controls to turn on and turn off a button), integrates an automatic flushing function, automatically flushes equipment after detection, greatly improves the feasibility of field operation, has proper volume, can be configured on a mobile vehicle, and is suitable for shale oil gas component detection under various conditions; the gas-liquid separation, the liquid phase volume and mass measurement, the gas total quantity measurement, the on-line measurement of gas components and concentration and the automatic flushing of equipment can be realized, the volume is moderate, and the field operability is strong; the measurement can be realized aiming at the gas under the air pressure in a larger range, and the method has larger social significance and practical value.)

页岩油气现场检测装置

技术领域

本专利涉及页岩油气现场检测领域，具体为一种页岩油气现场检测装置。

背景技术

现有的页岩含气量的测试方法有解吸法、等温吸附法、测井解释法等。其中解吸法是页岩含气量测定的直接方法，也是最常用的方法，它能够在模拟地层实际环境的条件下反映页岩的含气性特征，因此被用来作为页岩气含量测量的基本方法，但这种方法耗时长、误差较大；等温吸附法和测井解释法是页岩含气量测定的间接方法。等温吸附是解吸的逆过程，通过等温吸附模拟，可以研究富有机质页岩的吸附特征和能力，获得吸附气含量参数数据，但是对于吸附态量少的页岩气而言，采用等温吸附法并不合适，而且误差很大；测井解释法是通过测井资料解释获得页岩含气量的方法，这种方法首先要建立岩电关系，包括岩石密度与有机质含量、放射性物质含量与有机质含量、有机质含量与含气量的关系等，再通过测井资料解释吸附气含量、游离气含量和总含气量，但目前我国页岩气的岩电关系还没有有效建立。

发明内容

针对页岩油气检测设备及检测方法中的不足，本专利目的是提供一种可实现气液分离、液相体积和质量测量、气体总量测量、气体组分和浓度的在线测量及设备的自动化冲洗，并且体积适中，现场的可操作性极强的页岩油气现场检测装置，其技术方案如下：

页岩油气现场检测装置，包括第一管路，第一管路从左至右依次连通集气筒、第三电磁阀、压力平衡罐、第四电磁阀、第一三通管、第十二电磁阀、过滤装置、前过滤装置、质谱分析仪；第二管路从左至右依次连通压力平衡罐、第七电磁阀、第二三通管、第十一电磁阀、气缸加压装置、第八电磁阀、第一三通管，所述气缸加压装置由气缸和活塞组成，活塞将气缸分隔为第一腔室和第二腔室，第一腔室与第十一电磁阀连通，第二腔室与第八电磁阀连通；第三管路从左至右依次连通压力平衡罐、第六电磁阀、第三三通管、第九电磁阀、第一腔室；所述压力平衡罐上还设置有温度计和压力表，所述第二三通管还连通鼓风机，所述第三三通管还连通真空泵。

进一步的，所述压力平衡罐上还设有注水管、第一排气管、出水管，所述出水管上还连通第二排气管，出水管与第二排气管连通端的后段设有第二电磁阀，所述第二排气管上设有第十电磁阀，所述注水管上设有第一电磁阀。

进一步的，所述过滤装置内装有饱和NaHCO₃溶液。

进一步的，所述出水管末端连通储液桶。

进一步的，所述储液桶下方设置有电子秤。

进一步的，还包括工控机和打印机，工控机与质谱分析仪通讯连接，打印机与工控机通讯连接。

还包括页岩油气现场检测装置的检测方法，包括以下步骤：

a.系统开机，根据软件登录界面显示，输入用户名和密码；输入正确后，开始系统初始化；

b.系统初始化，关闭全部电磁阀，读取压力平衡罐压力表参数，该参数可约等于1个大气压，则正常开始工作；

c.开启第六电磁阀、第四电磁阀、第八电磁阀、第十一电磁阀，开启真空泵，直到压力表读数3s未变化，平衡罐和主管道为真空，气缸活塞落至最下方，关闭第六电磁阀、第四电磁阀、第八电磁阀、第十一电磁阀，关闭真空泵。系统初始化结束；

d.开启第三电磁阀，将待测气体全部推入平衡罐，静置5分钟，根据压力表读数，选择操作流向：若平衡罐内压强达到0.2MPa时，执行步骤e-f、j-n；若压强不足0.001MPa或集气筒内气体标准大气压下少于3升，则放弃本次测量，执行流程j-n；若压强大于0.001MPa，小于0.2MPa，则启动气缸加压装置，执行流程g-n；立即关闭第三电磁阀，记录压力表、温度计31读数，计算平衡罐内气体总体积；根据理想气体状态方程：

PV＝nRT (1)

整理可得：

(2)式中，P为气体压强，V是气体体积，n是气体的mol数，R是常量，T是温度。

由此可知，在此装置中右式为定值，即：

而装置的体积V₁为300L，压强P₁和温度T₁可分别用压力表和温度计测得；等式(3)右侧P₂为一个标准大气压，T₂为室温25℃。因此可求得气体体积V₂；

e.开启第四电磁阀、第十二电磁阀，监测平衡罐内气体体积，当排放掉3升气体后，吹扫掉电磁阀12之后管道中的大气，避免污染被测样本，开启质谱分析仪37第一次检测，记录检测结果，检测结果包括气体组分和浓度；

f.进行质谱分析仪37多次检测，保存数据，并多次检测取平均值，得到气体组分和浓度的统计结果；

g.开启第四电磁阀发、第八电磁阀、第九电磁阀，启动真空泵，抽吸平衡罐内低压或负压气体，平衡罐体积为300升，气缸体积为3升，同步检测平衡罐内气体的压强若降低了3/300时或气缸活塞接近气缸顶部，关闭第四电磁阀、第九电磁阀、真空泵，开启第十一电磁阀和鼓风机，10秒后，开启第十二电磁阀；

h.吹扫掉第十二电磁阀之后管道中的大气，避免污染被测样本；

i.重复步骤g，并启动质谱分析仪37，进行多次检测，保存数据，关闭所有电磁阀。对保存的气体组分和浓度结果，进行平均，得到统计结果；

j.吹扫：打开第五电磁阀，排放平衡罐中的残留气体，待直至读数小于0.105MPa当残余气体的压强大于0.1MPa时，执行本操作，若小于该数值，则忽略本操作；开启第七电磁阀，开启鼓风机，运行5分钟；关闭第五电磁阀5，开启第四电磁阀、第十二电磁阀、第八电磁阀，继续吹扫3分钟，将管道中的残留气体推入大气，关闭所有电磁阀，关闭鼓风机；

k.开启第二电磁阀，将压力平衡罐中的液体排入储液桶，并使用电子秤测量液体的质量，存入系统；

l.冲洗：打开第一电磁阀，放入0.1m³液体，关闭第一电磁阀，静置至少5min，打开第十电磁阀，将液体排放至户外；

m.风干：开启第五电磁阀、第七电磁阀，开启鼓风机，运行至少15分钟，将罐体吹干，提示检测完毕，得到全部检测结果：气体组分、浓度、液体质量。

本专利的有益效果是：

该装置可极大的减少页岩油气采集决策的等待时间，并且该装置实现了高度自动化，可自动检测气体成分，通过显示控件显示检测结果，具有多种表述方式(可选)，无需专业知识也可操作该系统(只需控制开启及关闭按钮)。该装置还集成了自动化冲洗功能，可实现检测后设备自动冲洗，极大的提高了现场操作的可行性。并且该设备具有适当的体积，可配置于移动车辆上，可适应多种条件下的页岩油气成分检测；可实现气液分离、液相体积和质量测量、气体总量测量、气体组分和浓度的在线测量及设备的自动化冲洗，并且体积适中，现场的可操作性极强；针对较大范围内气压下的气体均可实现该测量，具有较大的社会意义和实用价值。

附图说明

图1是页岩油气现场检测装置整体结构图；

图2是页岩油气现场检测装置的检测方法流程图；

图中：1、第一电磁阀，2、第二电磁阀，3、第三电磁阀，4、第四电磁阀，5、第五电磁阀，6、第六电磁阀，7、第七电磁阀，8、第八电磁阀，9、第九电磁阀，10、第十电磁阀，11、第十一电磁阀，12、第十二电磁阀，13、第一管路，14、第二管路，15、第三管路，16、集气筒，17、压力平衡罐，18、第一三通管，19、过滤装置，20、前过滤装置，21、质谱分析仪，22、打印机，23、工控机，24、鼓风机，25、气缸加压装置，26、活塞，27、第一腔室，28、第二腔室，29、真空泵，30、注水管，31、温度计，32、压力表，33、第一排气管，34、第二排气管，35、出水管，36、电子秤，37、通道，38、标准气体罐，39、储液桶。

具体实施方式

以下为本专利优选的实施方式之一：

参照图1所示的一种页岩油气现场检测装置，该装置包括集气筒16、真空泵29、鼓风机24、压力平衡罐17、过滤装置19、气缸加压装置25、质谱分析仪21、工业控制计算机(以下简称工控机23)，采用压力参数为主要控制参数，逐级递减压力。

第一管路13，第一管路13从左至右依次连通集气筒16、第三电磁阀3、压力平衡罐17、第四电磁阀4、第一三通管18、第十二电磁阀12、过滤装置19、前过滤装置20、质谱分析仪21。

第二管路14从左至右依次连通压力平衡罐17、第七电磁阀7、第二三通管、第十一电磁阀11、气缸加压装置25、第八电磁阀8、第一三通管18，所述气缸加压装置25由气缸和活塞26组成，活塞26将气缸分隔为第一腔室27和第二腔室28，第一腔室27与第十一电磁阀11连通，第二腔室28与第八电磁阀8连通。

第三管路15从左至右依次连通压力平衡罐17、第六电磁阀6、第三三通管、第九电磁阀9、第一腔室27。

所述压力平衡罐17上还设置有温度计31和压力表32，所述第二三通管还连通鼓风机24，所述第三三通管还连通真空泵29，所述压力平衡罐17上还设有注水管30、第一排气管33、出水管35，第一排气管33上设有第五电磁阀5，所述出水管35上还连通第二排气管34，出水管35与第二排气管34连通端的后段设有第二电磁阀2，所述第二排气管34上设有第十电磁阀10，所述注水管30上设有第一电磁阀1，工控机23与质谱分析仪21通讯连接，打印机22与工控机23通讯连接，所述第三电磁阀3为压力阀，所述前过滤装置20通过多条并列连通的通道37与质谱分析仪21连通，所述质谱分析仪21还连通有多个标准气体罐38，内部装有标准气体。

集气筒16：收集页岩地层油气，并以此作为测量对象，将气体压入压力平衡罐17中。

压力平衡罐17：起到了稳定及使气体混合均匀的作用，预防气体分层现象对检测精度可能造成的影响。

前过滤装置20：对气体中灰尘及液体进行二次过滤，可在一定程度上提高液相及气相检测精度。

气缸加压装置25：通过活塞26来将压力平衡罐17中待测气体推入过滤装置19及质谱分析仪21。

过滤装置19：通过饱和NaHCO₃溶液滤除页岩油气中可能会腐蚀后续装置的一些酸性气体。

质谱分析仪21：实现气体成分检测的功能，可在线实时对输入气体组分进行监测，将检测结果送至工控机23。

工控机23：安装油田管理软件，与油田自动化系统接驳，实现整个系统的逻辑控制，并将结果统一在显示设备(例如显示器、显示屏等)中表述。

参照附图1和2，一种页岩油气现场检测装置的设备冲洗流程和检测流程如下：

n.系统开机，根据软件登录界面显示，输入用户名和密码；输入正确后，开始系统初始化。

o.初始化内容包括：关闭全部电磁阀，读取压力平衡罐17压力表32参数，该参数可约等于1个大气压，则正常开始工作。

p.开启第六电磁阀6,、第四电磁阀4、第八电磁阀8、第十一电磁阀11，开启真空泵29，直到压力表32读数3s未变化(平衡罐和主管道为真空，气缸活塞26落至最下方)，关闭第六电磁阀6,、第四电磁阀4、第八电磁阀8、第十一电磁阀11，关闭真空泵29。系统初始化结束。

q.开启第三电磁阀3(压力平衡罐17与集气筒16间的压力阀)，将待测气体全部推入平衡罐，静置5分钟(让溶解在液体中的气体缓释出来)，根据压力表32读数，选择操作流向：(1)平衡罐内压强达到0.2MPa时，执行流程e-f、j-n；(2)压强不足0.001MPa(即集气筒16内气体少于3升，标准大气压下)，则放弃本次测量，执行流程j-n；(3)压强大于0.001MPa，小于0.2MPa，则启动气缸(加压装置)，执行流程g-n。立即关闭第三电磁阀3，记录压力表32、温度计31读数，计算平衡罐内气体总体积。根据理想气体状态方程：

PV＝nRT (1)

整理可得：

(2)式中，P为气体压强，V是气体体积，n是气体的mol数，R是常量，T是温度。

由此可知，在此装置中右式为定值，即：

而装置的体积V₁为300L，压强P₁和温度T₁可分别用压力表32和温度计31测得；等式(3)右侧P₂为一个标准大气压，T₂为室温25℃。因此可求得气体体积V₂。

r.开启第四电磁阀4、第十二电磁阀12，监测平衡罐内气体体积(通过压力、温度实时计算)，当排放掉3升气体后(吹扫掉第十二电磁阀12之后管道中的大气，避免污染被测样本)，开启质谱分析仪37第一次检测，记录检测结果(气体组分和浓度)。

s.进行质谱分析仪37多次检测，保存数据，并多次平均，给出气体组分和浓度的统计结果。

t.开启第四电磁阀4、第八电磁阀8、第九电磁阀9，,启动真空泵29，抽吸压力平衡罐17内低压或负压气体，同步检测压力平衡罐17内气体的压强若降低了3/300时(即活塞26接近气缸顶部，压力平衡罐17体积为300升，气缸体积为3升)，关闭第四电磁阀4、第九电磁阀9和真空泵29，开启第十一电磁阀11和鼓风机24，10秒后，开启第十二电磁阀12。

u.吹扫掉第十二电磁阀12之后管道中的大气，避免污染被测样本。

v.重复步骤g，并启动质谱分析仪37，进行多次检测，保存数据，关闭所有电磁阀；对保存的气体组分和浓度结果，进行平均，给出统计结果。

w.吹扫：打开第五电磁阀5，排放平衡罐中的残留气体，待直至读数小于0.105MPa(当残余气体的压强大于0.1MPa时，执行本操作，若小于该数值，则忽略本操作)。开启第七电磁阀7，开启鼓风机24，运行5分钟(该参数可重新选择)。关闭第五电磁阀5，开启第四电磁阀4、第十二电磁阀12、第八电磁阀8，继续吹扫3分钟，将管道中的残留气体推入大气。关闭所有电磁阀，关闭鼓风机24。

x.开启第二电磁阀2，将压力平衡罐17中的液体排入储液桶39，并使用电子秤36测量质量(液体的质量)，存入工控机系统。

y.冲洗：打开第一电磁阀1(注水管30接外部自来水管道)，放入0.1m³液体(或者计时)，关闭第一电磁阀1，静置5min(时间自定)，打开第十电磁阀10，将液体排放至户外。

z.风干：开启第五电磁阀5、第七电磁阀7，开启鼓风机24，运行15分钟(该参数可重新选择)，将压力平衡罐17罐体吹干。

aa.提示检测完毕，输出全部检测结果(气体组分、浓度和液体质量)。

本发明的最终目标是研发的页岩油气现场检测装置可自动检测气体成分并集成自动化冲洗功能，通过显示控件显示检测结果，具有多种表述方式(可选)，无需专业知识也可操作该系统(只需控制开启及关闭按钮)；极大的提高了现场操作的可行性，并且该设备具有适当的体积，可配置于移动车辆上，可适应多种条件下的页岩油气成分检测；并且用该方法在较大范围的压强变换条件下均适用。