CN110849844A - 一种测量纯矿物纳米级圆柱管内吸附态甲烷厚度的方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量纯矿物纳米级圆柱管内吸附态甲烷厚度的方法,属于天然气勘探领域。该方法测量不同温度、压力条件下纯矿物纳米级圆柱管内吸附态甲烷厚度，弥补实验室无法测量孔隙内吸附态甲烷厚度的缺陷。该方法步骤为：①选纯矿物制成孔径逐渐增大的一系列纳米级圆柱管；②用单色光以入射角0‑90度间某个角度沿圆柱管纵向最大截面分别照射充注液态氢纳米级圆柱管，并按照圆柱管孔径由小到大顺序记录单色光射入点和射出点沿管轴方向的距离；③用单色光以与②中相同入射角照射不同温度、压力条件下充注甲烷气体纳米级圆柱管，并记录单色光射入点和射出点沿管轴方向的距离；④对比②和③中的距离差，确定纯矿物纳米级圆柱管内吸附态甲烷厚度。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量纯矿物纳米级圆柱管内吸附态甲烷厚度的方法,属于天然气勘探领域。
背景技术
页岩气是主体以吸附和游离状态赋存于具有生烃能力的泥岩及页岩等地层中的天然气聚集，吸附作用是页岩气赋存的重要机理之一。目前国内外学者普遍认为泥页岩中吸附气含量占泥页岩总含气量的20-85%，吸附气对页岩气资源量的贡献具有举足轻重的作用。在评价泥页岩储层所赋存吸附态甲烷含量方面，吸附甲烷厚度和密度是2个关键的参数。目前还没有有效的实验方法测量不同温度和压力条件下矿物孔径内表面所赋存吸附态甲烷厚度。这直接影响着泥页岩储层中绝对吸附甲烷量、游离气与吸附气比例的定量评价。国内外众多学者利用分子模拟方法认为在吸附态甲烷在粘土矿物所贡献的孔隙内表面吸附态甲烷厚度约为1-3个甲烷吸附层。该结果仅为模拟计算结果，缺少相应的实验结果进行验证。如何有效的测量不同温度和压力条件下各种矿物或组分所贡献的孔隙内表面吸附态甲烷厚度已经成为天然气勘探领域的难点问题。若能够通过实验方法测量不同温度和压力条件下各种矿物或组分所贡献的孔隙内表面吸附态甲烷厚度，可以作为验证或校正分子模拟方法评价吸附态甲烷厚度的依据，还可以为计算泥页岩储层样品赋存吸附态甲烷的绝对吸附量以及页岩气储层中游离气和吸附气的比例提供关键的评价参数。
为此，本发明提出一种测量纯矿物纳米级圆柱管内吸附态甲烷厚度的方法。利用单色光在充注液态氢和气态甲烷的不同孔径纳米级圆柱管中折射率的不同，测量单色光在两种流体充注状态下入射点和射出点沿管轴方向的距离差异特征，确定相应温度、压力条件下该孔半径纯矿物纳米级圆柱管内吸附态甲烷厚度。
发明内容
本发明的目的是：提供一种测量纯矿物纳米级圆柱管内吸附态甲烷厚度的方法，实现对不同温度、压力条件下纯矿物圆柱管内吸附态甲烷厚度进行定量评价，弥补实验室无法测量孔隙内吸附态甲烷厚度的缺陷。
本发明采用的技术方案是：测量纯矿物纳米级圆柱管内吸附态甲烷厚度的方法，其特征在于：
步骤1：选取纯矿物制成n个纳米级圆柱形管，它们的管壁厚度为h，孔半径为Ri，其中i=1,2,…,n, 是孔半径逐渐变大的纳米级圆柱管编号，Ri的范围为0.3-10.0nm，Ri随i值的增大而逐渐增大，且每次增大0.1nm，纳米级圆柱管的孔半径和管壁厚度的单位均为nm；
步骤2：将步骤1中n个纳米级圆柱管充注液态氢，用单色光从Ai点以入射角为a沿圆柱管纵向最大截面依次照射纳米级圆柱管，入射角a大于0度且小于90度，单色光进入纳米级圆柱管管壁和液态氢的折射角分别为b和c，记录单色光由圆柱管射出点位置Bi，测量单色光入射点位置Ai与射出点位置Bi沿管轴方向的距离Di，i=1，2，…，n，是孔半径逐渐变大的纳米级圆柱管编号，入射角和折射角的单位为度，距离的单位为nm；
步骤3：在温度为Tj、压力为Pk条件下，将步骤1中n个纳米级圆柱管充注甲烷气体，用单色光从Ai点与步骤2中相同的入射角a沿圆柱管纵向最大截面依次照射纳米级圆柱管，单色光进入纳米级圆柱管管壁、甲烷吸附层和甲烷游离层的折射角分别为b、dijk和eijk，记录单色光由圆柱管射出点位置Bijk，测量单色光入射点位置Aijk与射出点位置Bijk沿管轴方向的距离Dijk，入射角的单位为度，i=1，2，…，n，是孔半径逐渐变大的纳米级圆柱管编号，j=1，2，…，m，是温度的编号，k=1，2，…，x，是压力的编号，温度的单位为℃，压力的单位为MPa，入射角和折射角的单位为度，距离的单位为nm；
步骤4：保证a>eijk>c>dijk>b，比较步骤2中Di与步骤3中Dijk的值，在温度为Tj、压力为Pk条件下随着纳米级圆柱管孔半径逐渐增大，当纳米级圆柱管孔半径Ri小于甲烷吸附层厚度Hijk时，Dijk小于Di，而且两值之差的绝对值呈现增大趋势；当纳米级圆柱管孔半径Ri等于甲烷吸附层厚度Hijk时，两值之差的绝对值达到一个极大值；当纳米级圆柱管孔半径Ri大于甲烷吸附层厚度Hijk时，Dijk逐渐由小于Di变为大于Di，而且两值之差的绝对值先呈现减小趋势然后呈现增大趋势；当Dijk小于Di，而且两值之差的绝对值达到最大时，在温度为Tj、压力为Pk条件下，孔半径为Ri的该纯矿物纳米级圆柱管内甲烷吸附层厚度Hijk值等于纳米级圆柱管孔半径Ri。
本发明的有益效果：本发明提供一种测量纯矿物纳米级圆柱管内吸附态甲烷厚度的方法，实现对不同温度、压力条件下纯矿物圆柱管内吸附态甲烷厚度进行定量评价，弥补实验室无法测量孔隙内吸附态甲烷厚度的缺陷。本发明测量的不同温度和压力下纯矿物圆柱管内吸附态甲烷厚度可以作为验证或校正分子模拟方法评价吸附态甲烷厚度的依据，还可以为计算泥页岩储层样品赋存吸附态甲烷的绝对吸附量以及页岩气储层中游离气和吸附气的比例提供关键的评价参数。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是采用本发明测量单色光在充注液态氢和充注甲烷气体的纯矿物圆柱管内折射传播示意图。
具体实施方式：
实施例1：如图1所述，一种测量纯矿物纳米级圆柱管内吸附态甲烷厚度的方法，含有以下步骤。
步骤1：选取纯矿物制成15个纳米级圆柱形管，它们的管壁厚度h为100nm，孔半径Ri由小到大的顺序依次为0.3nm、0.4nm、0.5nm、0.6nm、0.7nm、0.8nm、0.9nm、1.0nm、1.1nm、1.2nm、1.3nm、1.4nm、1.5nm、1.6nm和1.7nm。
步骤2：如图2a、c、e和g示意图所示，将步骤1中15个纳米级圆柱管充注液态氢，用单色光从Ai点以入射角a为50度沿圆柱管纵向最大截面依次照射纳米级圆柱管，单色光先折射进入纳米级圆柱管管壁，然后折射进入液态氢，随后折射进入纳米级圆柱管管壁，最后由圆柱管管壁射出，单色光在圆柱管管壁中的折射角b为30度，在液态氢中的折射角c为50度，记录单色光由圆柱管射出点位置Bi，测量单色光入射点位置Ai与射出点位置Bi沿管轴方向的距离Di，入射角的单位为度，i=1，2，…，15，是孔半径逐渐变大的纳米级圆柱管的编号，单色光入射点位置与射出点位置沿管轴方向的距离Di按照纳米级圆柱管孔半径由小到大的顺序依次为116.185nm、116.423nm、116.662nm、116.900nm、117.139nm、117.377nm、117.615nm、117.854nm、118.092nm、118.330nm、118.569nm、118.807nm、119.045nm、119.284nm和119.760nm；Di还可以利用下列公式进行计算
Di =2h×tan(b)+2Ri×tan(c)。
步骤3：如图2b、d、f和h示意图所示，在温度为30℃、压力为10MPa条件下，将步骤1中15个纳米级圆柱管充注甲烷气体，用单色光从Ai点以入射角a为50度沿圆柱管纵向最大截面依次照射纳米级圆柱管，单色光先折射进入纳米级圆柱管管壁，然后折射进入甲烷吸附层或者是折射进入甲烷吸附层-甲烷游离层-甲烷吸附层，随后折射进入纳米级圆柱管管壁，最后由圆柱管管壁射出，单色光在纳米级圆柱管中的折射角b为30度，在甲烷吸附层中的折射角dijk为40度，在甲烷游离层中的折射角eijk为60度，记录单色光由圆柱管射出点位置Bijk，测量单色光入射点位置Aijk与射出点位置Bijk沿管轴方向的距离Dijk，i=1，2，…，15，是孔半径逐渐变大的纳米级圆柱管的编号，j=1，2，…，m，是温度的编号，k=1，2，…，x，是压力的编号，单色光入射点位置与射出点位置沿管轴方向的距离Dijk按照纳米级圆柱管孔半径由小到大的顺序依次为115.974nm、116.141nm、116.309nm、116.477nm、116.645nm、116.813nm、117.159nm、117.505nm、117.852nm、118.198nm、118.545nm、118.891nm、119.237nm、119.584nm和119.930nm；Dijk还可以利用下列公式进行计算
Dijk =2h×tan(b)+2Hijk×tan(dijk)+(2Rijk-2Hijk)×tan(eijk)。
步骤4：比较步骤2中Di与步骤3中Dijk的值，在温度为30℃、压力为10MPa条件下随着纳米级圆柱管孔半径由0.3nm逐渐增大，单色光在充注甲烷的纳米级圆柱管中的入射点和射出点沿管轴方向的距离距离Dijk先是小于单色光在充注液态氢的纳米级圆柱管中的入射点和射出点沿管轴方向的距离距离Di，而且Dijk与Di差值的绝对值越来越大，并在圆柱管孔半径Ri等于0.8nm时Dijk与Di差值的绝对值达到最大；然后随着纳米级圆柱管孔半径继续增大，Dijk与Di差值的绝对值逐渐减小，直到Dijk大于Di之后两者之间差值的绝对值才逐渐增大；通过比较Dijk与Di大小和它们差值的变化特征，确定温度为30℃、压力为10MPa条件下，孔半径为Ri的该纯矿物纳米级圆柱管内吸附态甲烷厚度Hijk的值等于0.8nm；在Hijk值大于或等于Ri，以及Hijk值小于Ri时， Dijk与Di差值计算公式如下。
Claims (1)
1.一种测量纯矿物纳米级圆柱管内吸附态甲烷厚度的方法，其特征在于：
步骤1：选取纯矿物制成n个纳米级圆柱形管，它们的管壁厚度为h，孔半径为Ri，其中i=1,2,…,n, 是孔半径逐渐变大的纳米级圆柱管编号，Ri的范围为0.3-10.0nm，Ri随i值的增大而逐渐增大，且每次增大0.1nm，纳米级圆柱管的孔半径和管壁厚度的单位均为nm；
步骤2：将步骤1中n个纳米级圆柱管充注液态氢，用单色光从Ai点以入射角为a沿圆柱管纵向最大截面依次照射纳米级圆柱管，入射角a大于0度且小于90度，单色光进入纳米级圆柱管管壁和液态氢的折射角分别为b和c，记录单色光由圆柱管射出点位置Bi，测量单色光入射点位置Ai与射出点位置Bi沿管轴方向的距离Di，i=1，2，…，n，是孔半径逐渐变大的纳米级圆柱管编号，入射角和折射角的单位为度，距离的单位为nm；
步骤3：在温度为Tj、压力为Pk条件下，将步骤1中n个纳米级圆柱管充注甲烷气体，用单色光从Ai点与步骤2中相同的入射角a沿圆柱管纵向最大截面依次照射纳米级圆柱管，单色光进入纳米级圆柱管管壁、甲烷吸附层和甲烷游离层的折射角分别为b、dijk和eijk，记录单色光由圆柱管射出点位置Bijk，测量单色光入射点位置Aijk与射出点位置Bijk沿管轴方向的距离Dijk，入射角的单位为度，i=1，2，…，n，是孔半径逐渐变大的纳米级圆柱管编号，j=1，2，…，m，是温度的编号，k=1，2，…，x，是压力的编号，温度的单位为℃，压力的单位为MPa，入射角和折射角的单位为度，距离的单位为nm；
步骤4：保证a>eijk>c>dijk>b，比较步骤2中Di与步骤3中Dijk的值，在温度为Tj、压力为Pk条件下随着纳米级圆柱管孔半径逐渐增大，当纳米级圆柱管孔半径Ri小于甲烷吸附层厚度Hijk时，Dijk小于Di，而且两值之差的绝对值呈现增大趋势；当纳米级圆柱管孔半径Ri等于甲烷吸附层厚度Hijk时，两值之差的绝对值达到一个极大值；当纳米级圆柱管孔半径Ri大于甲烷吸附层厚度Hijk时，Dijk逐渐由小于Di变为大于Di，而且两值之差的绝对值先呈现减小趋势然后呈现增大趋势；当Dijk小于Di，而且两值之差的绝对值达到最大时，在温度为Tj、压力为Pk条件下，孔半径为Ri的该纯矿物纳米级圆柱管内甲烷吸附层厚度Hijk值等于纳米级圆柱管孔半径Ri。
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