页岩气赋存转化与同位素响应模拟装置和方法
阅读说明：本技术 页岩气赋存转化与同位素响应模拟装置和方法 (The conversion of shale gas preservation and isotope response simulation device and method ) 是由 陶成 俞凌杰 张彩明 腾格尔 范明 申宝剑 翟常博 杨华敏 于 2018-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种页岩气赋存转化与同位素响应模拟装置,包括饱和-解吸罐、色谱-同位素质谱分析系统和采送样机构。饱和-解吸罐用于对岩心进行气体高压饱和,并对高压饱和后的岩心进行解吸；色谱-同位素质谱分析系统用于实时监控碳同位素或氢同位素的变化；采送样机构用于收集岩心解吸后的气体,并将岩心解吸后的气体送入色谱-同位素质谱分析系统。该页岩气赋存转化与同位素响应模拟装置,用于页岩岩心气体高压饱和—解吸实验,实验室内模拟页岩气的产出过程,并实时监控碳同位素或氢同位素的变化,为示踪页岩气井的开发状态,进行产能预测提供基础数据和理论支撑。(The invention discloses a kind of conversions of shale gas preservation and isotope response simulation device, including saturation-solution cucurbitula, chromatography-mass spectrometric analysis for isotope system and adopt sample feeding mechanism.Saturation-solution cucurbitula is used to carry out rock core gas high pressure saturation, and desorbs to the rock core after high pressure saturation；Chromatography-mass spectrometric analysis for isotope system is used to monitor in real time the variation of carbon isotope or hydrogen isotope；Sample feeding mechanism is adopted for the gas after collecting rock core desorption, and the gas after rock core is desorbed is sent into chromatography-mass spectrometric analysis for isotope system.Shale gas preservation conversion and isotope response simulation device, for shale core gas high pressure saturation-desorption experiment, test the output process of indoor simulation shale gas, and monitor the variation of carbon isotope or hydrogen isotope in real time, for the development status of tracer shale gas well, carries out capability forecasting and basic data and theory support are provided.)
技术领域
本发明涉及油气地质勘探技术领域，尤其是涉及一种页岩气赋存转化与同位素响应模拟装置和方法。
背景技术
我国在四川盆地焦石坝、威远等区块页岩气产量达到5.1×109m3，现在正处于勘探开发的关键阶段，关于页岩气产出过程中吸附气/游离气比例、页岩气井开发状态和产能预测等问题均是油田单位重点关心的问题。近期的同位素法逐渐得到关注，初步展现了对于上述问题的应用潜力。原理上在吸附/解吸、扩散过程中，会出现明显的甲烷同位素分馏效应，从而会造成同位素分馏现象。已经发现页岩气钻井泥浆气甲烷的碳同位素值要轻于岩屑脱气，且页岩气开采过程中甲烷同位素δ13C随开采时间有变重的趋势。显然与页岩气吸附/解吸、扩散过程中的同位素分馏作用有关。
钟宁宁(2016)等在对上扬子龙马溪组页岩和水井坨组页岩岩心的解析中，观察到页岩气吸附/解吸、扩散过程中，其甲烷碳同位素组成(δ13C1)可以产生高达7‰～14.4‰的分馏作用。对这一明显的同位素分馏效应，采用多组分吸附和双孔隙气体流动模型，利用澳大利亚新南威尔士大学和CSIRO研发的SIMEDWin软件模拟计算了页岩气解吸-扩散过程的同位素分馏效应。依据模拟计算结果，进一步求取了不同时刻解析气中游离气/吸附气的比例及其随解析时间的变化。
目前，同位素法的研究还只是刚刚起步，用于研究页岩气赋存状态的转化和页岩气开发状态的示踪还有很大的潜力。重点是要掌握页岩气解析(吸附/解吸、扩散)过程中的同位素分馏规律，并建立具有理论基础的分馏效应定量表征模型。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种页岩气赋存转化与同位素响应模拟装置和方法。根据本发明的一方面，该页岩气赋存转化与同位素响应模拟装置包括：
饱和-解吸罐，用于对岩心进行气体高压饱和，并对所述高压饱和后的岩心进行解吸；
色谱-同位素质谱分析系统，用于实时监控碳同位素或氢同位素的变化；
采送样机构，用于收集所述岩心解吸后的气体，并将所述岩心解吸后的气体送入所述色谱-同位素质谱分析系统。
在一实施方式中，所述饱和-解吸罐和所述采送样机构之间沿气体流通方向依次设有减压阀和流量控制器。
在一实施方式中，所述采送样机构为六通阀，所述六通阀内设有取样管。
在一实施方式中，所述色谱-同位素质谱分析系统包括沿气体流通方向依次设置的色谱仪和同位素质谱仪，所述色谱仪和所述同位素质谱仪之间设有燃烧炉，所述燃烧炉用于将气体氧化或者将气体高温裂解。
在一实施方式中，所述饱和-解吸罐的外部设有加热套，所述加热套用于为所述饱和-解吸罐提供合适的温度。
在一实施方式中，所述饱和-解吸罐的进口连接高压储气罐，所述高压储气罐的出口设有第一压力计，所述饱和-解吸罐的出口设有第二压力计。
在一实施方式中，所述饱和-解吸罐的下部连接真空泵。
根据本发明的另一方面，该页岩气赋存转化与同位素响应模拟的方法，包括以下步骤：
S1、对放置有岩心的饱和-解吸罐抽真空，利用高压储气罐对所述饱和-解吸罐进行气体高压饱和；
S2、对气体饱和后的岩心进行解吸，并对岩心解吸后的气体进行取样；
S3、将所取得的样品送入所述色谱-同位素质谱分析系统，以实时监控碳同位素或氢同位素的变化。
在一实施方式中，在所述步骤S1前，还包括步骤S0：
将干燥后的岩心置于所述饱和-解吸罐中，并对所述饱和-解吸罐进行抽真空；
利用所述高压储气罐向所述饱和-解吸罐中通入惰性气体，直至所述高压储气罐的压力和所述饱和-解吸罐的压力达到平衡；
根据所述高压储气罐向所述饱和-解吸罐通惰性气体前后的压力变化，获取所述饱和-解吸罐空隙空间的体积；
根据获得的饱和-解吸罐空隙空间的体积计算所述高压储气罐中所需充注的气体的体积。
在一实施方式中，通入的岩心饱和气体为甲烷或者页岩气。
与现有技术相比，本发明的优点在于，提供了一种页岩气赋存转化与同位素响应模拟装置，用于页岩岩心气体高压饱和—解吸实验，实验室内模拟页岩气的产出过程，并实时监控同位素的变化，明确伴随页岩气产出过程中，同位素在传质迁移过程中的变化规律和分馏机理，理清页岩气赋存转化与同位素响应的关系，示踪页岩气井的开发状态。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述。在图中：
图1显示了根据本发明实施例的一种页岩气赋存转化与同位素响应模拟装置的结构示意图。
图2显示了根据本发明实施例的一种页岩气赋存转化与同位素响应模拟方法的流程图。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步说明。
图1显示了根据本发明的页岩气赋存转化与同位素响应模拟装置，该装置包括饱和-解吸罐1、色谱-同位素质谱分析系统2和采送样机构3。饱和-解吸罐1用于对岩心进行气体高压饱和，并对高压饱和后的岩心进行解吸。色谱-同位素质谱分析系统2用于实时监控同位素的变化。采送样机构3用于收集岩心解吸后的气体，并将岩心解吸后的气体送入色谱-同位素质谱分析系统2。对岩心进行气体高压饱和时，所用的气体可以是纯甲烷或者页岩气。
根据页岩气开发过程中，甲烷的同位素变化与页岩气井的采收率存在一定的对应关系，从而利用甲烷的同位素变化示踪页岩气井的开发状态。本发明利用上述原理，将页岩气赋存转化与同位素响应模拟装置用于页岩岩心气体高压饱和—解吸实验，也可以用于全直径页岩岩心(不经过切割和劈分，整段用于实验室进行分析测定的柱状岩心)气体高压饱和-解吸实验，实验室内模拟页岩气的产出过程，并实时监控同位素的变化，示踪页岩气井的开发状态。
在一实施例中，饱和-解吸罐1和采送样机构3之间沿气体流通方向(如图1中箭头b所示)依次设有减压阀11和流量控制器12。减压阀11用于降低饱和-解吸罐1出口的压力，流量控制器12用于控制气体的流量，优选地，控制气体的流量为5.0ml/min。
在一实施例中，采送样机构3为六通阀，六通阀内设有取样管31，六通阀3的进口还设有送气装置(图中未显示)，以该送气装置送入的惰性气体(如图1中箭头a所示)为载体，将取样管31内收集到的气体送入色谱-同位素质谱分析系统2。如图1所示的六通阀中，未收集到取样管31的气体通过标号①、④、⑤和⑥所示的管道放空。优选地，取样管的长度为10ul。作为载体的惰性气体可以是氦气，也可以是其它惰性气体。
在一实施例中，色谱-同位素质谱分析系统2包括沿气体流通方向(如图中箭头c所示)依次设置的色谱仪21和同位素质谱仪22，色谱仪21和同位素质谱仪22之间设有燃烧炉23。燃烧炉23可以是氧化炉，也可以是裂解炉。
对岩心进行气体高压饱和时，所用的气体是纯甲烷时，色谱仪21用于除去可能存在的杂质气体，以避免该杂质气体对甲烷的干扰。经色谱仪21分离后的气体，经氧化炉将甲烷气体氧化为二氧化碳，或者经裂解炉将甲烷气体高温裂解为氢气。之后，通过同位素质谱仪22检测碳同位素或者氢同位素。
当所用的气体是页岩气时，色谱仪21除了用于除去可能存在的杂质气体外，还用于将甲烷和乙烷分离。经色谱仪21分离后的气体，经氧化炉将页岩气氧化为二氧化碳，或者经裂解炉将页岩气高温裂解为氢气。之后，通过同位素质谱仪22可以分别检测到甲烷、乙烷的碳同位素色谱峰，或者分别检测到甲烷、乙烷的氢同位素色谱峰。
在一实施例中，饱和-解吸罐1的外部设有加热套13，加热套13用于为饱和-解吸罐1提供合适的温度。一般情况下，将该温度设置为岩心所在地层的温度，以最大程度模拟岩心在其地层的环境。
在一实施例中，饱和-解吸罐1的进口连接高压储气罐14，饱和-解吸罐1与高压储气罐14之间设有阀门。高压储气罐14的出口设有第一压力计15，饱和-解吸罐1的出口设有第二压力计17。该实施例中，饱和-解吸罐1的下部连接真空泵16。在对岩心进行甲烷气体或者页岩气饱和-解吸实验前，先将该高压储气罐14中充注压力为P的惰性气体(优选地，该惰性气体选用氦气)，高压储气罐14的压力值通过第一压力计15进行观察。然后将岩心置于饱和-解吸罐1中，之后利用真空泵16对饱和-解吸罐抽真空，抽真空后，开启高压储气罐14和饱和-解吸罐1之间的阀门，直至高压储气罐14和饱和-解吸罐1的压力达到平衡(通过第一压力计15和第二压力计17观测高压储气罐14和饱和-解吸罐1的压力是否达到平衡)，并通过第一压力计15压力的变化，计算饱和-解吸罐1的空隙空间的体积。该空隙空间是指放置有岩心的饱和-解吸罐1中的空间和岩心孔隙的总和。
根据本发明的另一方面，该页岩气赋存转化与同位素响应模拟的方法，包括以下步骤：
S1、对放置有岩心的饱和-解吸罐抽真空，利用高压储气罐对饱和-解吸罐进行气体高压饱和；
S2、对气体饱和后的岩心进行解吸，并对岩心解吸后的气体进行取样；
S3、将所取得的样品送入所述色谱-同位素质谱分析系统，以实时监控同位素的变化。
在一实施方式中，在所述步骤S1前，还包括步骤S0：
将干燥后的岩心置于饱和-解吸罐中，并对饱和-解吸罐进行抽真空；
利用高压储气罐向饱和-解吸罐中通入惰性气体，直至高压储气罐的压力和所述饱和-解吸罐的压力达到平衡；
根据所述高压储气罐向所述饱和-解吸罐通入惰性气体前后的压力变化，获取所述饱和-解吸罐空隙空间的体积；
根据获得的饱和-解吸罐空隙空间的体积计算所述高压储气罐中所需充注的气体的体积。
在一具体实施例中，页岩气赋存转化与同位素响应模拟的方法如下：
1)将高压储气罐14中充注一定压力的高纯氦气，记录第一压力计15的压力值；
2)将待测岩心置于真空烘箱中充分脱气去水，真空条件下温度设置为85℃，干燥时间设为1小时；
3)将干燥后的岩心置于饱和-解吸罐1中，将饱和-解吸罐1密封后对其进行抽真空，时间约为1小时；
4)抽真空后，将高压储气罐14和饱和-解吸罐1连通，直至高压储气罐14和饱和-解吸罐1的压力达到平衡后，根据第一压力计15压力值的变化，计算放置有岩心的饱和-解吸罐1的空隙空间的体积；
5)对放置有岩心的饱和-解吸罐1重新抽真空；
6)根据获取的放置有岩心的饱和-解吸罐1的空隙空间的体积计算高压储气罐14中所需充注甲烷的压力，并将高压储气罐14中充注该压力的甲烷；
7)开启高压储气罐14与饱和-解吸罐1之间的阀门，使得高压储气罐中的甲烷流向饱和-解吸罐1内对岩心进行甲烷高压饱和，并根据第二压力计17检测饱和-解吸罐1中的压力变化，直到岩心充分饱和；
8)关闭高压储气罐14与饱和-解吸罐1之间的阀门，开始解吸，解吸过程中，通过流量控制器控制甲烷气体的流速为5ml/min，并实时累计气体流出量；
9)岩心解吸流出的甲烷气体流经六通阀3时，利用取样管31进行取样。可以设定取样管31取样的时间间隔，不需要取样时，甲烷气体通过六通阀3的管道①、④、⑤和⑥所示的管道进行放空；
10)以氦气为载体，如图1中箭头a所示，将取样管31中收集到的甲烷气体送入色谱-同位素质谱分析系统，甲烷气体在色谱仪21中进行组分分离，甲烷气体经过氧化炉转化为CO2，或者经裂解炉高温裂解为H2，之后通过同位素质谱仪22监控碳同位素或者氢同位素。
根据此实验方法，可设计不同时间、不同压力、不同气体流速条件下的碳同位素或者氢同位素的变化情况来模拟页岩岩心产出过程中同位素的分馏机理，反演页岩气开发过程中同位素的变化规律。
在另一实施例中，可以用页岩气替代甲烷气体，对饱和-解吸罐中的岩心进行页岩气高压饱和，解吸后将收集到的气体送入色谱仪21进行组分分离，并经氧化炉转化为CO2，或者经裂解炉高温裂解为H2，之后通过同位素质谱仪22监控碳同位素或者氢同位素的变化情况。其它步骤与上述通入甲烷气体的步骤一样。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，但本发明保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。