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一种模拟CO2驱替置换 页岩 气动态过程的方法

阅读：686发布：2023-01-09

专利汇可以提供一种模拟CO2驱替置换页岩气动态过程的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供了一种模拟CO2驱替置换页岩气动态过程的方法，基于相应的模拟装置，主要是将页岩粉末样品置于填砂管的样品室中，根据实际地层条件设定试样的初始状态，标定管道体积后，通入适量的CH4，然后进行CO2驱替置换页岩气实验，根据入口端的体积流量计和出口端的体积流量计以及红外线气体分析仪测定实验数据，通过计算可以评价驱替置换效果。本发明可实时监测驱替置换过程的作用效果，获得温度、压力、注入排量等因素对CO2驱替置换CH4的动态过程的影响规律。，下面是一种模拟CO2驱替置换页岩气动态过程的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种模拟CO2驱替置换页岩气动态过程的方法，基于的模拟装置包括：
CO2气瓶(9)，依次连接第一增压泵(10)、第二安全阀(11)、第二压力传感器(12)、第三阀(8)、第一活塞容器(7)和第四阀(13)，第四阀(13)的出口连接第七阀(21)和第一流量计(22)；
所述CH4气瓶(17)，依次连接第二增压泵(18)、第三安全阀(19)、第三压力传感器(20)、第六阀(16)、第二活塞容器(15)和第七阀(21)，第七阀(21)的出口连接第四阀(13)和第一流量计(22)；
液压动力驱动系统(57)，包括依次连接的第一储液槽(1)、第一阀(2)、平流泵(3)、第一压力传感器(4)和第一安全阀(5)，压动力驱动系统(57)通过第二阀(6)连接第一活塞容器(7)的驱动端，通过第五阀(14)连接第二活塞容器(15)的驱动端；
填砂管(41)，放置在恒温箱(40)内，连接第一活塞容器(7)和第二活塞容器(15)的输出端；
真空泵(25)，真空泵(25)的输入端连接第一流量计(22)且连接管路上设置有单向阀(23)和第八阀(24)，真空泵(25)的输出端连有第五安全阀(33)；
所述标定系统(58)，包括标准室(30)和标准块室(32)，标准块室(32)内放置有已知体积的页岩岩心样品块，标准室(30)的入口连接单向阀(23)的出口，并在管路上设置有第九阀(26)、高精度温度传感器(27)、第四压力传感器(28)和第四安全阀(29)，出口经第十阀(31)连接标准块室(32)；
尾气回收瓶(56)，连接填砂管(41)的输出端；
回压控制系统(59)，用于控制填砂管出口端压力，模拟真实地层压力状态，其包括电动回压泵(50)、回压缓冲容器(52)和回压阀(46)，电动回压泵(50)输入端连接第七安全阀(49)，输出端接回压缓冲容器(52)并在其管路中设置第十四阀(51)，回压缓冲容器(52)与回压阀(46)之间的连接管路中设置有第七压力传感器(47)和第六安全阀(48)，回压阀(46)的输入端与第十三阀(45)的输出端连接，输出端依次连接第二流量计(53)、红外线气体分析仪(54)、第十五阀(55)和尾气回收容器(56)；
红外气体分析仪(54)，设置在填砂管(41)与尾气回收瓶(56)的连接管路上；
其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对恒温箱(40)设定实验温度；
步骤2，检测实验装置密封性；
步骤3，操作标定系统(58)，利用气体的状态方程定律标定从第四阀(13)和第七阀(21)至回压阀(46)之间的管路体积；
步骤4，开启真空泵(25)，对装置抽真空，设置回压阀(46)的压力；
步骤5，首先给出CH4气瓶(17)的CH4气体增压，通过液压动力驱动系统(57)向填砂管(41)中注入CH4气体，记录填砂管(41)入口端第一流量计(22)的数据，保持填砂管(41)及相关装置恒温恒压一定时间至饱和；
步骤6，以恒定的流量持续通入CO2，模拟CO2置换页岩气的动态过程，直到填砂管(41)出口端流出的气体中检测不到CH4为止，其间实时记录第一流量计(22)、第二流量计(53)和红外线气体分析仪(54)的数据；
步骤7，根据实验数据计算CH4吸附量和CO2置换页岩气量，测评CO2置换CH4的效果；
步骤8，改变实验设定的温度、压力，重复以上步骤，得到压力—置换气量之间的关系、温度—置换气量之间的关系，从而研究不同温度、压力、流速的CO2在不同温度、压力条件下对页岩气的置换效果。
2.根据权利要求1所述模拟CO2驱替置换页岩气动态过程的方法，其特征在于，所述填砂管(41)连有依靠液压驱动的轴压泵(38)，轴压泵(38)作用在于压实样品室(43)内页岩粉末上，模拟地层条件下页岩的受压状态，轴压泵(38)的输入端连接第二储液槽(36)并在管路上设置有第十一阀(37)，输出端连接填砂管(41)的输入端并在管路上设有第十二阀(39)，填砂管(41)的输入端与单向阀(23)的输出端相连接并在管路上设置第六安全阀(34)和第五压力传感器(35)，输出端依次连接第六压力传感器(44)和第十三阀(45)，填砂管(41)内部包括样品室(43)和连接样品室(43)的带凹槽的活塞(42)，活塞(42)在贴近页岩一侧上设计有凹槽，其目的在于增加气体与页岩的接触面积，使得气体置换和吸附过程进行的更加充分。
3.根据权利要求2所述模拟CO2驱替置换页岩气动态过程的方法，其特征在于，所述步骤
3中标定从第四阀(13)和第七阀(21)至回压阀(46)之间的管路体积，包括以下步骤：
打开第十一阀(37)和第十二阀(39)，利用轴压泵(38)向填砂管(41)加一定轴压将样品室(43)内页岩粉末样品压实，压实后关闭第十一阀(37)和第十二阀(39)，打开第四阀(13)、第七阀(21)、单向阀(23)、第八阀(24)、第九阀(26)和第十三阀(45)，利用真空泵(25)对第一活塞容器(7)、第二活塞容器(15)及管路进行抽真空，关闭第四阀(13)、第七阀(21)和单向阀(23)，打开第一阀(2)、第五阀(14)和第六阀(16)，将CH4气瓶(17)的CH4气体转入第二活塞容器(15)中，用平流泵(3)对第二活塞容器(15)增压到设定压力，关闭第二阀(2)、第五阀(14)和第六阀(16)，待稳定后，缓慢打开第七阀(21)和单向阀(23)，待压力稳定后，记录高精度温度传感器(27)和第四压力传感器(28)的示数T1和P1，取出标准块室(32)的标准块一，标准室体积为V1，标准块一的体积为V，打开第十阀(31)，待温度压力稳定后，记录下高精度温度传感器(27)和第四压力传感器(28)的示数T2和P2，据此根据气体状态方程定律可算出从第四阀(13)和第七阀(21)至回压阀(46)之间的管路体积：
V’＝(P2T1V1+P2T1V-P1T2V1)/(P2T1-P2T1)，标定后关闭第九阀(26)。
4.根据权利要求2所述模拟CO2驱替置换页岩气动态过程的方法，其特征在于，所述步骤
6中模拟CO2置换页岩气的动态过程，具体包括以下步骤：
打开第一阀(2)、第二阀(6)和第三阀(8)，将CO2气瓶(9)的CO2气体转入第一活塞容器(7)中，用平流泵(3)对第一活塞容器(7)增压到设定压力，设定压力在合理范围内略高于回压压力，关闭第一阀(2)、第二阀(6)和第三阀(8)，待稳定后，缓慢打开第四阀(13)、单向阀(23)，使CO2流体缓慢转入填砂管(41)中，待压力稳定后，打开第一阀(2)、第二阀(6)、第三阀(8)和单向阀(23)，将CO2气瓶(9)的CO2气体转入第一活塞容器(7)中，用平流泵(3)对第一活塞容器(7)增压到设定压力，设定压力在合理范围内略高于回压压力，关闭第一阀(2)、第二阀(6)和第三阀(8)，待稳定后，缓慢打开单向阀，通CO2直到出口端流出的气体中检测不到CH4为止。
5.根据权利要求2所述模拟CO2驱替置换页岩气动态过程的方法，其特征在于，所述步骤
7中计算CH4吸附量的方法如下：
由第一流量计(22)可计量出通入CH4累计体积VinCH4，通入的CH4一部分以吸附态吸附在页岩样品上，一部分以游离态充满管道且体积为标定体积V，由温度压力传感器测得的压力温度值，可计算通入的CH4的质量m1总和游离态CH4质量m1游，做差即可得到CH4吸附量m1吸。
6.根据权利要求2所述模拟CO2驱替置换页岩气动态过程的方法，其特征在于，所述步骤
7中计算CO2置换页岩气量的方法如下：
根据第一流量计(22)得知通入CO2累计体积、根据第二流量计(53)和红外线气体分析仪(54)测量出CO2累计流出体积、残余在管道中的CO2体积，由温度压力传感器测得的压力温度值，可计算CO2的累计通入质量m2总、累计流出质量m2出和游离态CO2的质量m2游，则得到CO2吸附量m2吸＝m2总-m2出-m2游，其中CO2累计流出体积根据实时监测体积积分计算得出。

说明书全文

一种模拟CO2驱替置换页岩 气动态过程的方法

技术领域

[0001] 本发明属于油气田开发工程技术领域，特别涉及一种模拟CO2驱替置换页岩气动态过程的方法。

背景技术

[0002] 随着对页岩气资源勘探开发的不断深入，相关的水力压裂技术也逐渐成熟，同时，该技术需要消耗大量水资源以及能够对地层产生污染等问题也受到人们的关注。CO2驱替置换页岩气作为一种开发页岩气的新技术是目前国内外研究的热点之一。目前的研究CO2驱替置换的方法多针对煤层，针对页岩较少；其次，关于CO2驱替置换页岩气的装置大多受限于测量装置，很难对实验进程进行实时监测。因此，研究数据计算结果就实验过程有一定的滞后性，不能实时对置换效果进行定量评价。

发明内容

[0003] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种模拟CO2驱替置换页岩气动态过程的方法，可以实时模拟并测试不同温度、压力、流量的CO2在不同温度、压力条件下对页岩气的置换效果，以及针对某一置换效果，可以分析压力和温度的作用规律。

[0004] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

[0005] 一种模拟CO2驱替置换页岩气动态过程的方法，基于的模拟装置包括：

[0006] CO2气瓶9，依次连接第一增压泵10、第二安全阀11、第二压力传感器12、第三阀8、第一活塞容器7和第四阀13，第四阀13的出口连接第七阀21和第一流量计22；

[0007] 所述CH4气瓶17，依次连接第二增压泵18、第三安全阀19、第三压力传感器20、第六阀16、第二活塞容器15和第七阀21，第七阀21的出口连接第四阀13和第一流量计22；

[0008] 液压动力驱动系统57，包括依次连接的第一储液槽1、第一阀2、平流泵3、第一压力传感器4和第一安全阀5，压动力驱动系统57通过第二阀6连接第一活塞容器7的驱动端，通过第五阀14连接第二活塞容器15的驱动端；

[0009] 填砂管41，放置在恒温箱40内，连接第一活塞容器7和第二活塞容器15的输出端；

[0010] 真空泵25，真空泵25的输入端连接第一流量计22且连接管路上设置有单向阀23和第八阀24，真空泵25的输出端连有第五安全阀33；

[0011] 所述标定系统58，包括标准室30和标准块室32，标准块室32内放置有已知体积的页岩岩心样品块，标准室30的入口连接单向阀23的出口，并在管路上设置有第九阀26、高精度温度传感器27、第四压力传感器28和第四安全阀29，出口经第十阀31连接标准块室32；

[0012] 尾气回收瓶56，连接填砂管41的输出端；

[0013] 回压控制系统59，用于控制填砂管出口端压力，模拟真实地层压力状态，其包括电动回压泵50、回压缓冲容器52和回压阀46，电动回压泵50输入端连接第七安全阀49，输出端接回压缓冲容器52并在其管路中设置第十四阀51，回压缓冲容器52与回压阀46之间的连接管路中设置有第七压力传感器47和第六安全阀48，回压阀46的输入端与第十三阀45的输出端连接，输出端依次连接第二流量计53、红外线气体分析仪54、第十五阀55和尾气回收容器56；

[0014] 红外气体分析仪54，设置在填砂管41与尾气回收瓶56的连接管路上；

[0015] 其特征在于，包括如下步骤：

[0016] 步骤1，对恒温箱40设定实验温度；

[0017] 步骤2，检测实验装置密封性；

[0018] 步骤3，操作标定系统58，利用气体的状态方程定律标定从第四阀13和第七阀21至回压阀46之间的管路体积；

[0019] 步骤4，开启真空泵25，对装置抽真空，设置回压阀46的压力；

[0020] 步骤5，首先给出CH4气瓶17的CH4气体增压，通过液压动力驱动系统57向填砂管41中注入CH4气体，记录填砂管41入口端第一流量计22的数据，保持填砂管41及相关装置恒温恒压一定时间至饱和；

[0021] 步骤6，以恒定的流量持续通入CO2，模拟CO2置换页岩气的动态过程，直到填砂管41出口端流出的气体中检测不到CH4为止，其间实时记录第一流量计22、第二流量计53和红外线气体分析仪54的数据；

[0022] 步骤7，根据实验数据计算CH4吸附量和CO2置换页岩气量，测评CO2置换CH4的效果；

[0023] 步骤8，改变实验设定的温度、压力，重复以上步骤，得到压力—置换气量之间的关系、温度—置换气量之间的关系，从而研究不同温度、压力、流速的CO2在不同温度、压力条件下对页岩气的置换效果。

[0024] 所述填砂管41连有依靠液压驱动的轴压泵38，轴压泵38作用在于压实样品室43内页岩粉末上，模拟地层条件下页岩的受压状态，轴压泵38的输入端连接第二储液槽36并在管路上设置有第十一阀37，输出端连接填砂管41的输入端并在管路上设有第十二阀39，填砂管41的输入端与单向阀23的输出端相连接并在管路上设置第六安全阀34和第五压力传感器35，输出端依次连接第六压力传感器44和第十三阀45，填砂管41内部包括样品室43和连接样品室43的带凹槽的活塞42，活塞42在贴近页岩一侧上设计有凹槽，其目的在于增加气体与页岩的接触面积，使得气体置换和吸附过程进行的更加充分。

[0025] 所述步骤3中标定从第四阀13和第七阀21至回压阀46之间的管路体积，包括以下步骤：

[0026] 打开第十一阀37和第十二阀39，利用轴压泵38向填砂管41加一定轴压将样品室43内页岩粉末样品压实，压实后关闭第十一阀37和第十二阀39，打开第四阀13、第七阀21、单向阀23、第八阀24、第九阀26和第十三阀45，利用真空泵25对第一活塞容器7、第二活塞容器15及管路进行抽真空，关闭第四阀13、第七阀21和单向阀23，打开第一阀2、第五阀14和第六阀16，将CH4气瓶17的CH4气体转入第二活塞容器15中，用平流泵3对第二活塞容器15增压到设定压力，关闭第二阀2、第五阀14和第六阀16，待稳定后，缓慢打开第七阀21和单向阀23，待压力稳定后，记录高精度温度传感器27和第四压力传感器28的示数T1和P1，取出标准块室
32的标准块一，标准室体积为V1，标准块一的体积为V，打开第十阀31，待温度压力稳定后，记录下高精度温度传感器27和第四压力传感器28的示数T2和P2，据此根据气体状态方程定律可算出从第四阀13和第七阀21至回压阀46之间的管路体积：

[0027] V’＝(P2T1V1+P2T1V-P1T2V1)/(P2T1-P2T1)，标定后关闭第九阀26。

[0028] 所述步骤6中模拟CO2置换页岩气的动态过程，具体包括以下步骤：

[0029] 打开第一阀2、第二阀6和第三阀8，将CO2气瓶9的CO2气体转入第一活塞容器7中，用平流泵3对第一活塞容器7增压到设定压力，设定压力在合理范围内略高于回压压力，关闭第一阀2、第二阀6和第三阀8，待稳定后，缓慢打开第四阀13、单向阀23，使CO2流体缓慢转入填砂管41中，待压力稳定后，打开第一阀2、第二阀6、第三阀8和单向阀23，将CO2气瓶9的CO2气体转入第一活塞容器7中，用平流泵3对第一活塞容器7增压到设定压力，设定压力在合理范围内略高于回压压力，关闭第一阀2、第二阀6和第三阀8，待稳定后，缓慢打开单向阀，通CO2直到出口端流出的气体中检测不到CH4为止。

[0030] 所述步骤7中计算CH4吸附量的方法如下：

[0031] 由第一流量计22可计量出通入CH4累计体积VinCH4，通入的CH4一部分以吸附态吸附在页岩样品上，一部分以游离态充满管道且体积为标定体积V，由温度压力传感器测得的压力温度值，可计算通入的CH4的质量m1总和游离态CH4质量m1游，做差即可得到CH4吸附量m1吸。

[0032] 所述步骤7中计算CO2置换页岩气量的方法如下：

[0033] 根据第一流量计22得知通入CO2累计体积、根据第二流量计53和红外线气体分析仪54测量出CO2累计流出体积、残余在管道中的CO2体积，由温度压力传感器测得的压力温度值，可计算CO2的累计通入质量m2总、累计流出质量m2出和游离态CO2的质量m2游，则得到CO2吸附量m2吸＝m2总-m2出-m2游，其中CO2累计流出体积根据实时监测体积积分计算得出。

[0034] 与现有技术相比，本发明的优势是：

[0035] (1)本发明专用于模拟CO2驱替置换页岩气的动态过程，实时评价置换效果的方法。

[0036] (2)本发明减小测试误差的方法：一是采用适当内径的管线；二是采用标定系统58标定体积，标定系统58包括标准室30和标准块室32，标定系统58利用气体的状态方程标定从第四阀13和第七阀21至回压阀46之间的管路体积和容器体积，可以有效减小测试的误差。

[0037] (4)本发明的恒温箱40可以根据需要控制填砂管中页岩粉末样品的温度，轴压泵38可以对页岩粉末样品进行压实作用，与回压控制系统57共同控制填砂管中的压力，可进行不同温度、压力下的置换实验。

[0038] (5)本发明使用材料为页岩粉末，与页岩颗粒相比压实后能够较为真实地模拟地层的真实情况，与真实岩心相比更容易实现驱替置换过程。

[0039] (6)本发明包括第二流量计53和红外线气体分析仪54，能够快速测量混合气体的总体积流量和各组分的浓度，实现实时计量填砂管输出气体各成分的量的功能，直观反映CO2置换CH4的效果。附图说明

[0040] 图1是本发明所基于的模拟装置的结构示意图。

具体实施方式

[0041] 下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

[0042] 本发明一种模拟CO2驱替置换页岩气动态过程的方法，其原理是：

[0043] 首先将页岩粉末样品置于填砂管中，根据实际地层条件设定样品试件的初始状态(包括温度和压力)；检查装置的气密性；利用标定系统，使用标准块标定管路体积；开启真空泵将装置抽真空，操作回压控制系统设置回压；开启CH4气体的增压泵和动力驱动系统，将CH4气体注入填砂管系统，在模拟地层条件下充分吸附，并记录填砂管入口端的体积累计流量；开启CO2气体的增压泵和动力驱动系统，持续向系统中通入CO2直到出口端流出的气体中检测不到CH4为止，实时记录并处理体积流量计数据和红外线气体分析仪的数据；改变填砂管的温度、压力，研究不同温度、压力、流量条件下CO2置换CH4的效果，分析内在规律。

[0044] 具体地，基于如图1所示的模拟装置，装置包括CO2气瓶9和CH4气瓶17，所述CO2气瓶9和CH4气瓶17分别连接第一活塞容器7和第二活塞容器15的输入端，第一活塞容器7和第二活塞容器15的动力驱动端连接有液压动力驱动系统57，输出端均连接至填砂管41的输入端，并在连接管线上设置有真空泵25、标定系统58，填砂管41放置在恒温箱40内，并且连有轴压泵38，输出端连接至尾气回收容器56，并在管路上设置外线气体分析仪54和回压控制系统59，其中：

[0045] CO2气瓶9能够根据需要接入气体，存放时应将气瓶瓶口向下倾斜存放，便于稳定地存储与输出CO2。CO2气瓶9依次连接第一增压泵10、第二安全阀11、第二压力传感器12、第三阀8、第一活塞容器7和第四阀13。第一增压泵10的作用是是增加CO2气体的压力使其压力达到需要值。第一活塞容器7采用液压驱动装置，可以将具有一定压力CO2气体稳定的注入填砂管中。

[0046] CH4气瓶17能够根据需要接入气体，存放时应将气瓶瓶口向下倾斜存放，便于稳定地存储与输出CH4。CH4气瓶17依次连接第二增压泵18、第三安全阀19、第三压力传感器20、第六阀16、第二活塞容器15和第七阀21。第二增压泵18的作用是是增加CH4气体的压力使其压力达到需要值。第二活塞容器15采用液压驱动装置，可以将具有一定压力CH4气体稳定的注入填砂管中。

[0047] 第一活塞容器7和第二活塞容器15连接有动力驱动系统57，动力驱动系统57依次连接包括第一储液槽1、第一阀2、平流泵3、第一压力传感器4和第一安全阀5，平流泵3可以根据需要，选择适当规格型号，设定排量，能够调节泵的流量。该装置通过第二阀6和第五阀14分别连接至第一活塞容器7和第二活塞容器15的驱动端。

[0048] 真空泵25连接至第一活塞容器7和第二活塞容器15，分别经其出口端第四阀13和第七阀21汇入第一流量计22，管路上依次通过单向阀23、第八阀24，真空泵25出口端设置第五安全阀33。

[0049] 标定系统58包括标准室30和标准块室32，标定系统58利用气体的状态方程定律标定从第四阀13和第七阀21至回压阀46之间的管路体积和容器体积，标准室30的入口连接单向阀23的出口，并在管路上设置有第九阀26、高精度温度传感器27、第四压力传感器28、第四安全阀29，出口经第十阀31连接岩心块室32。

[0050] 填砂管41位于恒温箱40内，连接有轴压泵38，轴压泵38依靠液压驱动，输入端连接第二储液罐36，并在管路上设置有第十一阀37，输出端连接填砂管41的输入端，并在管路上设有第十二阀39，填砂管41的输入端与第九阀26的输出端相连接，并在管路上设置第六安全阀34和第五压力传感器35，输出端依次连接第六压力传感器44和第十三阀45。填砂管41中设置压实活塞42和样品室43，活塞表面设置有长方体凹槽，其作用在于增大注气时气体与页岩粉末的接触面积，提高实验效率；恒温箱40和轴压泵38可以根据需要控制填砂管41的温度和压力，模拟特定的温度和压力条件，CO2置换CH4的过程。

[0051] 回压控制系统59包括电动回压泵50、回压缓冲容器52和回压阀46。电动回压泵50可以根据需要，选择适当规格型号，设定排量，压力，能够调节泵的流量。电动回压泵输入端接有第七安全阀49，输出端接有回压缓冲容器52，并在其管路中设置第十四阀51，回压缓冲容器52与回压阀46之间的连接管路中设置有第七压力传感器47和第六安全阀48，回压阀46的输入端与第十三阀45的输出端连接，输出端设有第二流量计53。

[0052] 红外线气体分析仪54输入端连接至填砂管41的输出端，并在管路上设置第二流量计53。第二流量计53可以计量气体总流量，红外线气体分析仪54可以实时测量气体组分以及浓度，方便快速，输出端接有尾气回收容器56，并在管路上设有第十五阀55，尾气回收容器回收实验后的废弃气，起到保护环境的作用。

[0053] 本发明中，第一流量计22、第二流量计53、红外线气体分析仪54、第一压力传感器4、第二压力传感器11、第三压力传感器19、第四压力传感器28、第五压力传感器35、第六压力传感器44、第七压力传感器47以及恒温箱40均连接数字采集控制卡，可以将采集的压力、温度和流量数据处理生成原始数据报表，分析报表以及曲线图，同时生成数据库文件格式以便用户灵活使用。

[0054] 本发明中所有连接管路均采用316L管路，以防CO2对管路的酸性腐蚀；且连接第三阀8和第六阀16到第二流量计53之间的所有管路，用保温材料缠绕包裹，便于防止热量传递、散失等引起的测试误差。

[0055] 本发明完整的模拟过程包括如下布置：

[0056] 步骤1，按照图1的装置图组装实验设备，对恒温箱40设定实验温度。

[0057] 步骤2，检测实验装置密封性。

[0058] 关闭装置的所有阀门，打开第二阀2、第五阀14、第六阀16和第七阀21，将CH4气瓶17的CH4气体转入第二活塞容器15中，用平流泵3对第二活塞容器15增压到设定压力。关闭第二阀2、第五阀14和第六阀16，待稳定后，缓慢打开单向阀23，使高压CH4气体缓慢转入填砂管41中，对实验系统进行试压工作，确定其密封性良好。

[0059] 步骤3，操作标定系统标定从第四阀13和第七阀21至回压阀46之间的管路体积。

[0060] 打开第十一阀37和第十二阀39，利用轴压泵38向填砂管41加一定轴压将样品室43内页岩粉末样品压实，压实后关闭第十一阀37和第十二阀39。打开第四阀13、第七阀21、单向阀23、第八阀24、第九阀26和第十三阀45，利用真空泵25对第一活塞容器7、第二活塞容器15及管路进行抽真空，关闭第四阀13、第七阀21和单向阀23，打开第一阀2、第五阀14和第六阀16，将CH4气瓶17的CH4气体转入第二活塞容器15中，用平流泵3对第二活塞容器15增压到设定压力，关闭第二阀2、第五阀14和第六阀16，待稳定后，缓慢打开第七阀21和单向阀23，待压力稳定后，记录高精度温度传感器27和第四压力传感器28的示数T1和P1，取出标准块室
32的标准块1，标准室体积为V1，标准块1的体积为V’，打开第十阀31，待温度压力稳定后，记录下高精度温度传感器27和第四压力传感器28的示数T2和P2，据此根据气体状态方程定律可算出从第四阀13和第七阀21至回压阀46之间的管路体积：

[0061] V＝(P2T1V1+P2T1V’-P1T2V1)/(P2T1-P2T1)，标定后关闭第九阀26。

[0062] 步骤4，开启真空泵，对装置抽真空，设置回压阀的压力。

[0063] 关闭所有阀门后，打开第四阀13、第七阀21、第一流量计22、第八阀23、第九阀26和第十三阀45，利用真空泵25对第一活塞容器7、第二活塞容器15及管路进行抽真空，抽真空后关闭第八阀24和第十三阀45，打开第十四阀51，利用电动回压泵50对回压缓冲容器52增压到设定压力。待稳定之后，缓慢打开回压阀46，保持回压阀46的压力不变。

[0064] 步骤5，给CH4气体增压，通过动力驱动系统向页岩样品中注入CH4气体，记录填砂管入口段体积流量计的数据，保持填砂管及相关装置恒温恒压一定时间至页岩样品饱和。

[0065] 关闭单向阀23和第四阀13，打开第一阀2、第五阀14和第六阀16，将CH4气瓶17的CH4气体转入第二活塞容器15中，用平流泵3对第二活塞容器15增压到设定压力，设定压力在合理范围内略高于回压压力，关闭第二阀2、第五阀14和第六阀16，待稳定后，缓慢打开单向阀23和第十三阀45，使高压CH4气体缓慢转入填砂管41中，通入CH4累计体积VinCH1，让气体得到充分的扩散及吸附。然后关闭单向阀23，让气体在页岩样品中得到充分扩散和最大程度的吸附。

[0066] 步骤6，以恒定的流量持续不断通入CO2，模拟CO2置换页岩气的动态过程，直到出口端流出的气体中检测不到CH4为止，其间实时记录体积流量计和红外气体分析仪的数据。

[0067] 打开第一阀2、第二阀6和第三阀8，将CO2气瓶9的CO2气体转入第一活塞容器7中，用平流泵3对第一活塞容器7增压到设定压力，设定压力在合理范围内略高于设定回压压力，关闭第一阀2、第二阀6和第三阀8，待稳定后，缓慢打开第四阀13、单向阀23，使CO2流体缓慢转入填砂管41中，待压力稳定后，打开第一阀2、第二阀6、第三阀8和单向阀23，将CO2气瓶9的CO2气体转入第一活塞容器7中，用平流泵3对第一活塞容器7增压到设定压力，设定压力在合理范围内略高于设定回压压力，关闭第一阀2、第二阀6和第三阀8，待稳定后，缓慢打开单向阀，以恒定的流量持续通入CO2直到出口端流出的气体中检测不到CH4为止，记录通入CO2累计体积VinCO2，根据第二流量计53和红外线气体分析仪54计算出CO2累计流出体积VoutCO2。

[0068] 步骤7，根据实验数据计算CH4吸附量和CO2置换页岩气量，测评CO2置换CH4的效果。

[0069] CH4吸附量计算：由第一流量计22可计量出通入CH4累计体积VinCH1，通入的CH4一部分以吸附态吸附在页岩样品上，一部分以游离态充满管道且体积为标定体积V，由温度压力传感器测得的压力温度值，可计算通入的CH4的质量m1总和游离态CH4质量m1游，做差即可得到CH4吸附量m1吸。

[0070] CO2吸附量的计算：上述实验过程可以根据第一流量计22得知通入CO2累计体积VinCO2、根据第二流量计53和红外线气体分析仪54测量出CO2累计流出体积VoutCO2、残余在管道中的CO2体积VCO2，由温度压力传感器测得的压力温度值计算可得出结果分别为m2总,m2出,m2游，则得到CO2吸附量m2吸＝m2总-m2出-m2游，其中CO2累计流出体积是根据实时监测体积积分计算得出。

[0071] CH4置换量的计算：根据第二流量计53和红外线气体分析仪54测量出CH4累计流出体积VoutCH4，可计算出CH4累计流出量m1出，则被CO2置换出的CH4的质量为m1换＝m1出-m1游。

[0072] CH4/CO2置换效果的计算：利用上述结果，即可根据置换出CH4总量与吸附CH4总量的比值评估得到置换效果评价的数学依据，根据CO2吸附量评价CO2的驱替置换效果。

[0073] 步骤8改变实验设定的温度、压力，重复以上步骤，可以得到压力—置换气量之间的关系、温度—置换气量之间的关系等，从而研究不同温度、压力、流量的CO2在不同温度、压力条件下对页岩气的置换效果。

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一种模拟CO2驱替置换页岩气动态过程的方法

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