【中國地質大學】全自動頁巖含氣量解析測試儀
功能/作用介紹：頁巖含氣量的測試方法主要有直接解析法和等溫吸附實驗。解析法是把頁巖氣分為解析氣、損失氣和殘余氣三部分來測量計算;而等溫吸附實驗法是把頁巖氣分為吸附氣、游離氣和溶解氣三部分來測量計算。解析法中解析氣和殘余氣都可以通過實驗來測定，因此損失氣的估算對精確測定頁巖含氣量最為關鍵。損失氣的估算方法主要有USBM法、Smith William法、曲線擬合法等。等溫吸附實驗法中溶解氣可忽略不計，主要測定吸附氣和游離氣的含量。吸附氣含量的測定是綜合運用Langmuir 模型;游離氣量估算的關鍵是確定頁巖的有效孔隙度和含氣飽和度。等溫吸附實驗所用的時間較長，不適宜現場測定;直接解析法是頁巖含氣量測定最常用的方法?，F有用直接解析法測定頁巖含氣量的儀器大多數是人工讀取數據，數據誤差大，而且解析實驗時間一般較長，因此頁巖解析儀器的高自動化程度是現在最需要解決的技術問題。
中國地質大學(武漢)基于自主知識產權開發的全自動頁巖含氣量解析測試儀，是基于排水法原理實現頁巖含氣量測量。全自動頁巖含氣量解析測試儀用于勘探現場測定頁巖氣(或煤層氣、天然氣水化合物)解吸氣量，并可以現場計算損失氣量及生成評估報告。儀器分別由測量裝置、解吸罐、溫控水浴箱、數據采集盒和便攜式電腦五部分組成。一套便攜式電腦和數據采集盒可同時對多個樣品進行測量，每個恒溫水浴箱可盛放兩個解吸罐。樣品裝入解吸罐后，數據采集系統和軟件將實時、高速記錄解吸過程的溫度、壓力、解吸氣量等參數，并實時顯示于軟件界面。損失氣量評估軟件可現場對測量數據進行處理，得到損失氣量并生成評估報告。該儀器獲得2項軟件著作權，已受理1項發明專利。
全自動頁巖含氣量解析測試儀主要技術與經濟指標如下：
1) 測量系統供電：24V;
2) 體積測量精度：0.3ml;
3) 壓力測量精度：0.1KPa;
4) 溫度測量精度：0.5℃;
5) 恒溫水浴槽工作溫度：0~99℃;
6) 解析罐密封耐壓：1MPa;
全自動頁巖含氣量解析測試儀的基本工作流程是：先將儀器的數據線和導管連接上，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，將解析罐放入已達設定溫度的恒溫水浴箱中，打開軟件，讓軟件自動測量和記錄實驗數據。
全自動頁巖含氣量解析測試儀可精確測定巖樣實時釋放的氣體體積，并記錄釋放氣體的溫度和壓強，使后續處理解析氣含量，并推算損失氣含量擁有可靠可信的數據來源。該儀器實現了頁巖含氣量的準確評價，對頁巖氣的商業開采具有十分重要的價值。
主要性能及特色
教學性：(30分)根據全自動頁巖含氣量解析測試儀工作原理和硬軟件結構組成特征，該儀器可以開展以下實驗：
1) 頁巖氣現場解析評估;
2) 煤層氣現場解析評估;
3) 天然氣水合物現場解析評估;
4) 大氣壓力測量實驗;
5) U型管連通器實驗;
6) 惠斯通電橋的原理和使用方法;
7) 虛擬儀器設計
8) 磁致伸縮傳感器實驗
9) 壓力傳感器實驗
10) 熱電偶溫度傳感器實驗
11) 實驗數據處理
該儀器系統完整，有配套的使用說明書，可用于熱學、電工電子、測試技術、傳感器技術、油氣資源勘查、數學建模、實驗數據分析等課程的實驗教學。實驗項目包含種類多，可以針對單門課程做基礎性、驗證性實驗，也可以做擴展設計性實驗和專業綜合性實驗。儀器還能用于科學研究。
科學性：(15分)頁巖含氣量的測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備費用高，且測試所用的時間長不適宜現場測定頁巖含氣量;直接解析法能夠較準確的測定頁巖的含氣量，且設備費用較低。
經過對各種直接解析法比較，使用高溫快速解析，能夠較準確地快速獲得頁巖解析氣含量。通過USBM法和多項式回歸來確定損失氣的下和上限，然后對上線和下限進行加權，可以較準確地推算頁巖損失氣的含量。
儀器科學性體現在以下幾個方面：
1)研發了全自動頁巖含氣量解析測試儀主機系統，包含：解吸裝置、氣體收集裝置、檢測裝置、計算機控制平臺。
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，解析氣與時間的平方根成正比，然后在反推至初始時刻，可得到損失氣含量。多項式回歸的原理是基于全部的解析數據，得出解析氣與時間平方根的函數關系，再反推至初始時刻，反推得到損失氣含量。USBM法得到的損失氣含量偏低，而多項式回歸得到的損失氣含量偏高，對這兩個推算的損失氣含量進行加權，可較準確地得到損失氣含量。
3)測量精度高：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，可以實現誤差為0.2mm(5.6x10-4L)的精確測量。數據采集卡具有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轉換需求。相比人工讀數要精確很多。同時儀器測量過程考慮了氣體受溫度、壓力變化影響，消除了總體計算誤差。
創新性：(20分)1)實現了頁巖含氣量測試的自動化，解算模型的多樣化，儀器除了適用于頁巖氣測試，還可用于煤層氣、天然氣水合物測試分析。
2)通過大量的現場試驗數據，得出了基于頁巖解吸氣量推算其損失氣量的算法模型，該算法解決了長期以來頁巖含氣量估算誤差很大的難題。
3)實現了數據的測試、分析、報告生成一體化。
啟發性：(15分)全自動頁巖含氣量解析測試儀的實驗內容包含基礎、擴展、研究等不同層面，涉及機械、電子、地熱學等多種學科領域，可以充分激發學生對多學科交叉的認識，激發學生研究興趣，拓展學生的視野，培養學生的團隊合作意識，有利于學生的全面發展。操作儀器的過程中，學生可以將觀察到的現象相互交流，能夠使學生更牢靠地掌握科學知識。
實用性：(20分)全自動頁巖含氣量解析測試儀采用模塊化設計理念，人機界面友好，操作簡單方便，易學易用，解決了一般頁巖解析儀器的高強度觀察并記錄數據的問題，并可以實時顯示解析數據的變化?？蓮V泛應用于教學、科研和油氣資源勘探生產。
作品名稱：全自動頁巖含氣量解析測試儀
完成單位：中國地質大學(武漢)
