【中國(guó)地質(zhì)大學(xué)】全自動(dòng)頁(yè)巖含氣量解析測(cè)試儀

　　功能/作用介紹：頁(yè)巖含氣量的測(cè)試方法主要有直接解析法和等溫吸附實(shí)驗(yàn)。解析法是把頁(yè)巖氣分為解析氣、損失氣和殘余氣三部分來(lái)測(cè)量計(jì)算;而等溫吸附實(shí)驗(yàn)法是把頁(yè)巖氣分為吸附氣、游離氣和溶解氣三部分來(lái)測(cè)量計(jì)算。解析法中解析氣和殘余氣都可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定，因此損失氣的估算對(duì)精確測(cè)定頁(yè)巖含氣量最為關(guān)鍵。損失氣的估算方法主要有USBM法、Smith William法、曲線擬合法等。等溫吸附實(shí)驗(yàn)法中溶解氣可忽略不計(jì)，主要測(cè)定吸附氣和游離氣的含量。吸附氣含量的測(cè)定是綜合運(yùn)用Langmuir 模型;游離氣量估算的關(guān)鍵是確定頁(yè)巖的有效孔隙度和含氣飽和度。等溫吸附實(shí)驗(yàn)所用的時(shí)間較長(zhǎng)，不適宜現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定;直接解析法是頁(yè)巖含氣量測(cè)定最常用的方法。現(xiàn)有用直接解析法測(cè)定頁(yè)巖含氣量的儀器大多數(shù)是人工讀取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)誤差大，而且解析實(shí)驗(yàn)時(shí)間一般較長(zhǎng)，因此頁(yè)巖解析儀器的高自動(dòng)化程度是現(xiàn)在最需要解決的技術(shù)問(wèn)題。

　　中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)基于自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)開(kāi)發(fā)的全自動(dòng)頁(yè)巖含氣量解析測(cè)試儀，是基于排水法原理實(shí)現(xiàn)頁(yè)巖含氣量測(cè)量。全自動(dòng)頁(yè)巖含氣量解析測(cè)試儀用于勘探現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定頁(yè)巖氣(或煤層氣、天然氣水化合物)解吸氣量，并可以現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算損失氣量及生成評(píng)估報(bào)告。儀器分別由測(cè)量裝置、解吸罐、溫控水浴箱、數(shù)據(jù)采集盒和便攜式電腦五部分組成。一套便攜式電腦和數(shù)據(jù)采集盒可同時(shí)對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)恒溫水浴箱可盛放兩個(gè)解吸罐。樣品裝入解吸罐后，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和軟件將實(shí)時(shí)、高速記錄解吸過(guò)程的溫度、壓力、解吸氣量等參數(shù)，并實(shí)時(shí)顯示于軟件界面。損失氣量評(píng)估軟件可現(xiàn)場(chǎng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到損失氣量并生成評(píng)估報(bào)告。該儀器獲得2項(xiàng)軟件著作權(quán)，已受理1項(xiàng)發(fā)明專利。

　　全自動(dòng)頁(yè)巖含氣量解析測(cè)試儀主要技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下：

　　1) 測(cè)量系統(tǒng)供電：24V;

　　2) 體積測(cè)量精度：0.3ml;

　　3) 壓力測(cè)量精度：0.1KPa;

　　4) 溫度測(cè)量精度：0.5℃;

　　5) 恒溫水浴槽工作溫度：0~99℃;

　　6) 解析罐密封耐壓：1MPa;

　　全自動(dòng)頁(yè)巖含氣量解析測(cè)試儀的基本工作流程是：先將儀器的數(shù)據(jù)線和導(dǎo)管連接上，然后在集氣瓶中注入適量的水，再將巖樣放入裝有飽和食鹽水的解析罐中，密封解析罐，將解析罐放入已達(dá)設(shè)定溫度的恒溫水浴箱中，打開(kāi)軟件，讓軟件自動(dòng)測(cè)量和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　全自動(dòng)頁(yè)巖含氣量解析測(cè)試儀可精確測(cè)定巖樣實(shí)時(shí)釋放的氣體體積，并記錄釋放氣體的溫度和壓強(qiáng)，使后續(xù)處理解析氣含量，并推算損失氣含量擁有可靠可信的數(shù)據(jù)來(lái)源。該儀器實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖含氣量的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，對(duì)頁(yè)巖氣的商業(yè)開(kāi)采具有十分重要的價(jià)值。

　　主要性能及特色

　　教學(xué)性：(30分)根據(jù)全自動(dòng)頁(yè)巖含氣量解析測(cè)試儀工作原理和硬軟件結(jié)構(gòu)組成特征，該儀器可以開(kāi)展以下實(shí)驗(yàn)：

　　1) 頁(yè)巖氣現(xiàn)場(chǎng)解析評(píng)估;

　　2) 煤層氣現(xiàn)場(chǎng)解析評(píng)估;

　　3) 天然氣水合物現(xiàn)場(chǎng)解析評(píng)估;

　　4) 大氣壓力測(cè)量實(shí)驗(yàn);

　　5) U型管連通器實(shí)驗(yàn);

　　6) 惠斯通電橋的原理和使用方法;

　　7) 虛擬儀器設(shè)計(jì)

　　8) 磁致伸縮傳感器實(shí)驗(yàn)

　　9) 壓力傳感器實(shí)驗(yàn)

　　10) 熱電偶溫度傳感器實(shí)驗(yàn)

　　11) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

　　該儀器系統(tǒng)完整，有配套的使用說(shuō)明書，可用于熱學(xué)、電工電子、測(cè)試技術(shù)、傳感器技術(shù)、油氣資源勘查、數(shù)學(xué)建模、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含種類多，可以針對(duì)單門課程做基礎(chǔ)性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，也可以做擴(kuò)展設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和專業(yè)綜合性實(shí)驗(yàn)。儀器還能用于科學(xué)研究。

　　科學(xué)性：(15分)頁(yè)巖含氣量的測(cè)試方法主要有直接解析法和等溫吸附法。等溫吸附法所用的配套設(shè)備費(fèi)用高，且測(cè)試所用的時(shí)間長(zhǎng)不適宜現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定頁(yè)巖含氣量;直接解析法能夠較準(zhǔn)確的測(cè)定頁(yè)巖的含氣量，且設(shè)備費(fèi)用較低。

　　經(jīng)過(guò)對(duì)各種直接解析法比較，使用高溫快速解析，能夠較準(zhǔn)確地快速獲得頁(yè)巖解析氣含量。通過(guò)USBM法和多項(xiàng)式回歸來(lái)確定損失氣的下和上限，然后對(duì)上線和下限進(jìn)行加權(quán)，可以較準(zhǔn)確地推算頁(yè)巖損失氣的含量。

　　儀器科學(xué)性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　1)研發(fā)了全自動(dòng)頁(yè)巖含氣量解析測(cè)試儀主機(jī)系統(tǒng)，包含：解吸裝置、氣體收集裝置、檢測(cè)裝置、計(jì)算機(jī)控制平臺(tái)。

　　2)研究了損失氣的推算算法：USBM法中損失氣的推算原理是解析初期，解析氣與時(shí)間的平方根成正比，然后在反推至初始時(shí)刻，可得到損失氣含量。多項(xiàng)式回歸的原理是基于全部的解析數(shù)據(jù)，得出解析氣與時(shí)間平方根的函數(shù)關(guān)系，再反推至初始時(shí)刻，反推得到損失氣含量。USBM法得到的損失氣含量偏低，而多項(xiàng)式回歸得到的損失氣含量偏高，對(duì)這兩個(gè)推算的損失氣含量進(jìn)行加權(quán)，可較準(zhǔn)確地得到損失氣含量。

　　3)測(cè)量精度高：磁致伸縮傳感器具有0.0015%的分辨率(最小1μm)、0.05%FS的非線性誤差，可以實(shí)現(xiàn)誤差為0.2mm(5.6x10-4L)的精確測(cè)量。數(shù)據(jù)采集卡具有16位A/D分辨率，16路單端模擬輸入，250K/S采樣速率，滿足高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換需求。相比人工讀數(shù)要精確很多。同時(shí)儀器測(cè)量過(guò)程考慮了氣體受溫度、壓力變化影響，消除了總體計(jì)算誤差。

　　創(chuàng)新性：(20分)1)實(shí)現(xiàn)了頁(yè)巖含氣量測(cè)試的自動(dòng)化，解算模型的多樣化，儀器除了適用于頁(yè)巖氣測(cè)試，還可用于煤層氣、天然氣水合物測(cè)試分析。

　　2)通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出了基于頁(yè)巖解吸氣量推算其損失氣量的算法模型，該算法解決了長(zhǎng)期以來(lái)頁(yè)巖含氣量估算誤差很大的難題。

　　3)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的測(cè)試、分析、報(bào)告生成一體化。

　　啟發(fā)性：(15分)全自動(dòng)頁(yè)巖含氣量解析測(cè)試儀的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包含基礎(chǔ)、擴(kuò)展、研究等不同層面，涉及機(jī)械、電子、地?zé)釋W(xué)等多種學(xué)科領(lǐng)域，可以充分激發(fā)學(xué)生對(duì)多學(xué)科交叉的認(rèn)識(shí)，激發(fā)學(xué)生研究興趣，拓展學(xué)生的視野，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，有利于學(xué)生的全面發(fā)展。操作儀器的過(guò)程中，學(xué)生可以將觀察到的現(xiàn)象相互交流，能夠使學(xué)生更牢靠地掌握科學(xué)知識(shí)。

　　實(shí)用性：(20分)全自動(dòng)頁(yè)巖含氣量解析測(cè)試儀采用模塊化設(shè)計(jì)理念，人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單方便，易學(xué)易用，解決了一般頁(yè)巖解析儀器的高強(qiáng)度觀察并記錄數(shù)據(jù)的問(wèn)題，并可以實(shí)時(shí)顯示解析數(shù)據(jù)的變化。可廣泛應(yīng)用于教學(xué)、科研和油氣資源勘探生產(chǎn)。

　　作品名稱：全自動(dòng)頁(yè)巖含氣量解析測(cè)試儀

　　完成單位：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)