本實(shí)用新型涉及頁(yè)巖氣勘探開發(fā)實(shí)驗(yàn)用儀器設(shè)備，具體涉及一種利用微波快速制備不同含水飽和度頁(yè)巖樣品的設(shè)備，屬于非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在美國(guó)頁(yè)巖油氣大發(fā)展的背景下，我國(guó)頁(yè)巖油氣也開始進(jìn)行了較大規(guī)模的勘探開發(fā)，對(duì)頁(yè)巖油氣的相關(guān)研究也日益深入。
與常規(guī)油氣儲(chǔ)層不同，頁(yè)巖油氣儲(chǔ)層既是烴源巖，又是儲(chǔ)集層。頁(yè)巖儲(chǔ)層中多發(fā)育納米級(jí)孔隙，油氣在頁(yè)巖儲(chǔ)層中的賦存狀態(tài)也是多樣的。對(duì)頁(yè)巖特征的研究，既要研究其作為烴源巖的特征，如有機(jī)碳含量、熱解分析等，又要研究其作為儲(chǔ)層的特征，如基質(zhì)滲透率、比表面積等，還要研究它的含油氣性特征，如等溫吸附實(shí)驗(yàn)，可以說是實(shí)驗(yàn)種類繁多。
一般認(rèn)為在頁(yè)巖含油氣性方面，頁(yè)巖氣在頁(yè)巖儲(chǔ)層中的賦存狀態(tài)有三種：游離態(tài)頁(yè)巖氣、吸附態(tài)頁(yè)巖氣和溶解態(tài)頁(yè)巖氣。研究認(rèn)為，頁(yè)巖中吸附態(tài)頁(yè)巖氣占總含氣量的20％～80％，因此對(duì)頁(yè)巖中吸附態(tài)頁(yè)巖氣的研究將極大地影響對(duì)頁(yè)巖總含氣量的計(jì)算，進(jìn)而會(huì)對(duì)頁(yè)巖氣資源量的評(píng)價(jià)產(chǎn)生較大影響。
頁(yè)巖中主要包含有機(jī)質(zhì)和無機(jī)礦物等，對(duì)于有機(jī)質(zhì)生烴過程中形成的孔隙(如氣孔)而言，通常認(rèn)為孔隙潤(rùn)濕性多表現(xiàn)為油濕，且孔隙幾乎不含水。而黏土礦物則微孔隙較為發(fā)育，基于固－氣界面吸附理論認(rèn)為，其對(duì)甲烷具有一定的吸附能力，尤其蒙脫石具有極高的內(nèi)比表面積。所以通常認(rèn)為頁(yè)巖儲(chǔ)層有機(jī)質(zhì)(干酪根)和黏土礦物共同決定了甲烷的吸附能力。但是對(duì)黏土礦物孔隙及甲烷吸附能力的評(píng)價(jià)通常是在干燥情況下進(jìn)行的，而由于黏土礦物具有極強(qiáng)的親水性，實(shí)際儲(chǔ)層黏土孔隙表面吸附水膜，并且孔隙中存在一定毛細(xì)水及可動(dòng)水。在黏土孔隙表面存在水膜的情況下，大多數(shù)甲烷分子聚集在孔隙中心，或者吸附在水膜上，而并非吸附在黏土表面，這就在很大程度上降低了黏土礦物對(duì)甲烷的吸附能力。
目前，我國(guó)學(xué)者對(duì)于頁(yè)巖開展的等溫吸附實(shí)驗(yàn)研究，大多是采用干燥巖樣進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析處理。而實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)，由于頁(yè)巖儲(chǔ)層中有機(jī)質(zhì)及黏土礦物含有大量微-納米孔隙，而原始儲(chǔ)層黏土礦物孔隙內(nèi)具有較高含水飽和度，且固相又屬于極性分子，容易吸附水。因此，為了使實(shí)驗(yàn)操作在更加接近真實(shí)地層條件的狀態(tài)下進(jìn)行，需要根據(jù)實(shí)際頁(yè)巖的含水飽和度來處理樣品，使頁(yè)巖樣品在不同的含水飽和度條件下進(jìn)行相關(guān)吸附測(cè)定。
然而目前對(duì)于不同含水飽和度下頁(yè)巖樣品的制備設(shè)備甚至方法依舊缺失。在不同濕度下依靠吸附達(dá)到不同含水飽和度的傳統(tǒng)方法應(yīng)用在頁(yè)巖樣品上極其困難，往往需要長(zhǎng)達(dá)好幾個(gè)月的平衡周期。另一方面，頁(yè)巖巖心內(nèi)部含水飽和度的分布均勻度也極差，而由于頁(yè)巖較差的熱傳導(dǎo)特性，傳統(tǒng)的接觸式烘烤法會(huì)使得頁(yè)巖內(nèi)部的含水飽和度分布不均勻，同時(shí)熱傳遞過程中較長(zhǎng)的熱衰減周期將導(dǎo)致停止加熱后仍然會(huì)有一部分流體繼續(xù)蒸發(fā)，最終導(dǎo)致無法精確制備特定含水飽和度的頁(yè)巖樣品。
針對(duì)我國(guó)復(fù)雜地質(zhì)條件下的頁(yè)巖氣勘探開發(fā)，制備不同含水飽和度的頁(yè)巖樣品是必不可少的。因此，迫切需要一種有效的制備不同含水飽和度頁(yè)巖樣品的設(shè)備來解決上述問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對(duì)以上現(xiàn)有制備不同含水飽和度的頁(yè)巖樣品的方法存在制備時(shí)間長(zhǎng)，制備的巖心樣品內(nèi)部含水飽和度分布均勻程度極差的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型的目的在于提供一種利用微波快速制備不同含水飽和度頁(yè)巖樣品的設(shè)備。該設(shè)備能夠方便、快捷、準(zhǔn)確地制備不同含水飽和度的頁(yè)巖樣品，并且制備得到的樣品內(nèi)部含水飽和度分布更為均勻，更加有利于等溫吸附批量實(shí)驗(yàn)測(cè)試的進(jìn)行以及測(cè)試結(jié)果的有效性及準(zhǔn)確性。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供了一種利用微波快速制備不同含水飽和度頁(yè)巖樣品的設(shè)備，其包括：一箱體，所述箱體內(nèi)部設(shè)置有一微波產(chǎn)生及傳導(dǎo)裝置、一巖心含水飽和度計(jì)量控制裝置、一微波屏蔽罩、一電源以及至少一風(fēng)扇；
所述微波產(chǎn)生及傳導(dǎo)裝置包括：至少一磁控管、一微波傳導(dǎo)腔、若干第一機(jī)械閥門以及若干微波聚集罩；
所述磁控管用于產(chǎn)生微波，其與所述微波傳導(dǎo)腔連接；所述微波傳導(dǎo)腔用于定向傳導(dǎo)所述磁控管產(chǎn)生的微波；所述若干第一機(jī)械閥門均位于所述微波傳導(dǎo)腔的下部，且每個(gè)第一機(jī)械閥門均與一微波聚集罩連接，所述第一機(jī)械閥門用于控制進(jìn)入所述微波聚集罩的微波通量，進(jìn)而控制單個(gè)巖心樣品的加熱功率；所述微波聚集罩用于集中微波，增強(qiáng)加熱效率，防止不同巖心樣品之間微波干擾；
所述巖心含水飽和度計(jì)量控制裝置包括：若干巖心加熱罩、若干第二機(jī)械閥門、若干質(zhì)量傳感器以及一微型計(jì)算機(jī)；
所述巖心加熱罩用于隔離單個(gè)巖心樣品的加熱空間，且每個(gè)巖心加熱罩的頂部均設(shè)有一所述第二機(jī)械閥門，所述若干第二機(jī)械閥門的開口與所述若干微波聚集罩下部的開口一一相對(duì)；且每個(gè)巖心加熱罩的內(nèi)部均設(shè)有一質(zhì)量傳感器，所述質(zhì)量傳感器用于放置巖心樣品以及計(jì)量巖心樣品的質(zhì)量變化，并且所述質(zhì)量傳感器與所述巖心加熱罩互不接觸；所述微型計(jì)算機(jī)與所述質(zhì)量傳感器、所述若干第一機(jī)械閥門和所述若干第二機(jī)械閥門連接，用于處理質(zhì)量傳感器信號(hào)、控制微波聚集罩頂部的第一機(jī)械閥門和巖心加熱罩頂部的第二機(jī)械閥門的開合、以及計(jì)算并控制每個(gè)巖心樣品的含水飽和度；
至少所述微波聚集罩、第二機(jī)械閥門、巖心加熱罩、質(zhì)量傳感器位于所述微波屏蔽罩的內(nèi)部，所述微波屏蔽罩用于屏蔽微波聚集罩與巖心加熱罩之間所泄漏的微波，防止微波影響到箱體內(nèi)部的電源以及其它電子設(shè)備的正常工作；
所述電源與所述磁控管、質(zhì)量傳感器、微型計(jì)算機(jī)、第一機(jī)械閥門、第二機(jī)械閥門以及風(fēng)扇連接，用于為設(shè)備電氣部分提供電能；
所述風(fēng)扇連接于所述微波屏蔽罩的內(nèi)部空間，用于將所述微波屏蔽罩內(nèi)部的水蒸氣及時(shí)排出。
在上述設(shè)備中，優(yōu)選地，所述箱體為可以屏蔽微波的材料制成的箱體，用于將微波屏蔽在箱體內(nèi)部。此外，所述微波屏蔽罩也為可以屏蔽微波的材料制成的微波屏蔽罩。
在上述設(shè)備中，優(yōu)選地，所述微波傳導(dǎo)腔可以為一金屬腔體。
在上述設(shè)備中，優(yōu)選地，所述微波聚集罩可以為微波反射率高的材料制成的微波聚集罩，所述巖心加熱罩也可以為微波反射率高的材料制成的巖心加熱罩。
在上述設(shè)備中，優(yōu)選地，所述微波聚集罩的形狀為兩端開口的錐形筒狀，并且其較小直徑的一端與所述第一機(jī)械閥門連接，其較大直徑的一端正對(duì)所述巖心加熱罩。
在上述設(shè)備中，優(yōu)選地，所述巖心加熱罩的形狀為筒狀。
采用本實(shí)用新型提供的利用微波快速制備不同含水飽和度頁(yè)巖樣品的設(shè)備進(jìn)行頁(yè)巖樣品制備的方法，可以包括以下步驟：
(1)將若干巖心樣品分別烘干至質(zhì)量不再變化，得到若干干燥的巖心樣品；
(2)將所述若干干燥的巖心樣品分別用水飽和并稱重，得到若干飽和水的巖心樣品；
(3)將所述若干飽和水的巖心樣品分別放入所述若干巖心加熱罩內(nèi)的若干質(zhì)量傳感器上，每個(gè)質(zhì)量傳感器上放置一飽和水的巖心樣品，所述質(zhì)量傳感器實(shí)時(shí)計(jì)量巖心樣品的質(zhì)量；
(4)開啟所述電源，在所述微型計(jì)算機(jī)內(nèi)輸入各個(gè)巖心樣品的干燥質(zhì)量、飽和水后的質(zhì)量、以及預(yù)設(shè)的含水飽和度；
(5)開啟所述磁控管，并通過所述微型計(jì)算機(jī)控制所述第一機(jī)械閥門和所述第二機(jī)械閥門開啟，通過所述微波傳導(dǎo)腔和所述微波聚集罩將微波傳導(dǎo)至各個(gè)巖心樣品，對(duì)它們進(jìn)行加熱，以加速巖心樣品內(nèi)部的水分蒸發(fā)；
(6)當(dāng)某巖心樣品達(dá)到預(yù)設(shè)的含水飽和度時(shí)，通過所述微型計(jì)算機(jī)控制該巖心樣品所對(duì)應(yīng)的微波聚集罩頂部的第一機(jī)械閥門和巖心加熱罩頂部的第二機(jī)械閥門關(guān)閉，使微波不再傳遞到該巖心樣品上，停止加熱，以防止該巖心樣品內(nèi)部水分繼續(xù)蒸發(fā)；
(7)當(dāng)所有巖心樣品均達(dá)到預(yù)設(shè)的含水飽和度時(shí)，通過所述微型計(jì)算機(jī)控制關(guān)閉所述磁控管，并使所述風(fēng)扇持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間后停止；
(8)關(guān)閉所述電源，取出制備得到的不同含水飽和度的巖心樣品。
在上述方法中，優(yōu)選地，步驟(1)中將巖心樣品烘干至質(zhì)量不再變化是在105℃的溫度下進(jìn)行的。
在上述方法中，優(yōu)選地，所述風(fēng)扇隨電源的開啟而開啟。
在上述方法中，優(yōu)選地，步驟(8)中使所述風(fēng)扇持續(xù)運(yùn)行至停止的一段時(shí)間為10分鐘。
本實(shí)用新型利用微波較強(qiáng)的穿透性，以及水分子本身的極性對(duì)于微波能量的吸收，而非極性分子對(duì)微波的穿透及反射特性達(dá)到精準(zhǔn)地對(duì)巖心孔隙內(nèi)部水分子均勻加熱，從而使巖心孔隙內(nèi)部水分子的熱運(yùn)動(dòng)變得劇烈，加速孔隙內(nèi)水分子的蒸發(fā)。由于微波較強(qiáng)的穿透性，可使得巖心內(nèi)部水分子均勻受熱，均勻蒸發(fā)，蒸發(fā)出的水蒸氣迅速被風(fēng)扇帶出箱體。處理前通過稱量干燥巖心質(zhì)量，以及飽和后巖心質(zhì)量可以得到巖心內(nèi)部的總含水量。而蒸發(fā)過程中，通過巖心底部的質(zhì)量傳感器可以實(shí)時(shí)獲得巖心的總質(zhì)量，減去干燥巖心質(zhì)量即巖心內(nèi)部流體的實(shí)時(shí)質(zhì)量。采用巖心含水飽和度的計(jì)算公式并依托微型計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算，可以獲得巖心內(nèi)部實(shí)時(shí)的含水飽和度；當(dāng)某巖心達(dá)到預(yù)設(shè)的含水飽和度后，微型計(jì)算機(jī)控制該巖心所對(duì)應(yīng)的微波聚集罩頂部的機(jī)械閥門關(guān)閉，停止對(duì)該巖心的繼續(xù)加熱，同時(shí)關(guān)閉該巖心所對(duì)應(yīng)的巖心加熱罩頂部的機(jī)械閥門，防止巖心內(nèi)部流體繼續(xù)蒸發(fā)，以達(dá)到精確控制巖心含水飽和度的目的，進(jìn)而可以制備得到不同含水飽和度的巖心樣品。本實(shí)用新型提供的設(shè)備能夠方便、快捷、準(zhǔn)確地制備不同含水飽和度的頁(yè)巖樣品，且制備得到的樣品內(nèi)部含水飽和度分布更為均勻，更加有利于等溫吸附批量實(shí)驗(yàn)測(cè)試的進(jìn)行以及測(cè)試結(jié)果的有效性及準(zhǔn)確性。
附圖說明
圖1是本實(shí)用新型一具體實(shí)施方式中的利用微波快速制備不同含水飽和度頁(yè)巖樣品的設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
主要組件符號(hào)說明：
1.微型計(jì)算機(jī)，2.電源，3.風(fēng)扇，4.磁控管，5.第一機(jī)械閥門，6.微波聚集罩，7.微波傳導(dǎo)腔，8.微波聚集罩的內(nèi)部空間，9.巖心加熱罩，10.質(zhì)量傳感器，11.巖心樣品，12.第二機(jī)械閥門，13.箱體，14.微波屏蔽罩。
具體實(shí)施方式
為了對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行以下詳細(xì)說明，但不能理解為對(duì)本實(shí)用新型的可實(shí)施范圍的限定。
實(shí)施例1
本實(shí)施例提供了一種利用微波快速制備不同含水飽和度頁(yè)巖樣品的設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，該設(shè)備包括：一箱體13，所述箱體13內(nèi)部設(shè)置有一微波產(chǎn)生及傳導(dǎo)裝置、一巖心含水飽和度計(jì)量控制裝置、一微波屏蔽罩14、一電源2以及一風(fēng)扇3；
所述微波產(chǎn)生及傳導(dǎo)裝置包括：一磁控管4、一微波傳導(dǎo)腔7、若干第一機(jī)械閥門5以及若干微波聚集罩6；
所述磁控管4用于產(chǎn)生微波，其與所述微波傳導(dǎo)腔7連接；所述微波傳導(dǎo)腔7為一金屬腔體，用于定向傳導(dǎo)所述磁控管4產(chǎn)生的微波；所述若干第一機(jī)械閥門5并排設(shè)置于所述微波傳導(dǎo)腔7的下部，且每個(gè)第一機(jī)械閥門5均與一微波聚集罩6連接，所述磁控管4產(chǎn)生的微波經(jīng)所述微波傳導(dǎo)腔7的內(nèi)壁反射傳遞到所述若干第一機(jī)械閥門5處，所述第一機(jī)械閥門5用于控制進(jìn)入所述微波聚集罩6的微波通量，進(jìn)而控制單個(gè)巖心樣品11的加熱功率；所述微波聚集罩6用于集中微波，增強(qiáng)加熱效率，防止不同巖心樣品11之間微波干擾；
所述巖心含水飽和度計(jì)量控制裝置包括：若干巖心加熱罩9、若干第二機(jī)械閥門12、若干質(zhì)量傳感器10以及一微型計(jì)算機(jī)1；
所述巖心加熱罩9的形狀為筒狀，其用于隔離單個(gè)巖心樣品11的加熱空間，且每個(gè)巖心加熱罩9的頂部均設(shè)有一所述第二機(jī)械閥門12，所述若干第二機(jī)械閥門12的開口與所述若干微波聚集罩6下部的開口一一相對(duì)；且每個(gè)巖心加熱罩9的內(nèi)部均設(shè)有一質(zhì)量傳感器10，所述質(zhì)量傳感器10用于放置巖心樣品11以及計(jì)量巖心樣品11的質(zhì)量變化，并且所述質(zhì)量傳感器10與所述巖心加熱罩9互不接觸；所述微型計(jì)算機(jī)1與所述質(zhì)量傳感器10、所述若干第一機(jī)械閥門5和所述若干第二機(jī)械閥門12連接，用于處理質(zhì)量傳感器10的信號(hào)、控制微波聚集罩6頂部的第一機(jī)械閥門5和巖心加熱罩9頂部的第二機(jī)械閥門12的開合、以及實(shí)時(shí)計(jì)算并控制每個(gè)巖心樣品11的含水飽和度；所述微型計(jì)算機(jī)1具有液晶顯示器以及輸入按鍵，用于輸入各巖心樣品11的干燥質(zhì)量、飽和水質(zhì)量以及預(yù)設(shè)所要達(dá)到的含水飽和度；
所述微波聚集罩6、第二機(jī)械閥門12、巖心加熱罩9、質(zhì)量傳感器10位于所述微波屏蔽罩14的內(nèi)部，所述微波屏蔽罩14用于屏蔽微波聚集罩6與巖心加熱罩9之間所泄漏的微波，防止微波影響到箱體內(nèi)部的電源2以及其它電子設(shè)備的正常工作；
所述電源2與所述磁控管4、風(fēng)扇3、質(zhì)量傳感器10、微型計(jì)算機(jī)1、第一機(jī)械閥門5、第二機(jī)械閥門12連接，用于為它們提供電力；
所述風(fēng)扇3的一端進(jìn)風(fēng)口與所述微波聚集罩的內(nèi)部空間8相連接，用于將所述微波聚集罩14內(nèi)部的水蒸氣及時(shí)排出；
其中，所述微波聚集罩6的形狀為兩端開口的錐形筒狀，并且其較小直徑的一端與所述第一機(jī)械閥門5連接，其較大直徑的一端正對(duì)所述巖心加熱罩9；
所述微波聚集罩6以及巖心加熱罩9的材料為微波反射率高的材質(zhì)
所述箱體13采用屏蔽微波的材料，用于將微波屏蔽在箱體13內(nèi)部。
實(shí)施例2
本實(shí)施例提供了一種利用微波快速制備不同含水飽和度頁(yè)巖樣品的方法，其采用實(shí)施例1提供的利用微波快速制備不同含水飽和度頁(yè)巖樣品的設(shè)備，該方法包括以下步驟：
(1)將若干巖心樣品分別在105℃烘干至質(zhì)量不再變化，得到若干干燥的巖心樣品；
(2)將所述若干干燥的巖心樣品分別用水飽和并稱重，得到若干飽和水的巖心樣品；
(3)將所述若干飽和水的巖心樣品分別放入所述若干巖心加熱罩9內(nèi)的若干質(zhì)量傳感器10上，每個(gè)質(zhì)量傳感器10上放置一飽和水的巖心樣品，所述質(zhì)量傳感器10實(shí)時(shí)計(jì)量巖心樣品的質(zhì)量；
(4)開啟所述電源2，在所述微型計(jì)算機(jī)1內(nèi)輸入各個(gè)巖心樣品的干燥質(zhì)量、飽和水后的質(zhì)量、以及預(yù)設(shè)的含水飽和度，同時(shí)所述風(fēng)扇3隨電源2的開啟而開啟；
(5)開啟所述磁控管4，并通過所述微型計(jì)算機(jī)1控制所述第一機(jī)械閥門5和所述第二機(jī)械閥門12開啟，通過所述微波傳導(dǎo)腔7和所述微波聚集罩6將微波傳導(dǎo)至各個(gè)巖心樣品，對(duì)它們進(jìn)行加熱，以加速巖心樣品內(nèi)部的水分蒸發(fā)；
(6)當(dāng)某巖心樣品達(dá)到預(yù)設(shè)的含水飽和度時(shí)，通過所述微型計(jì)算機(jī)1控制該巖心樣品所對(duì)應(yīng)的微波聚集罩6頂部的第一機(jī)械閥門5和巖心加熱罩9頂部的第二機(jī)械閥門12關(guān)閉，使微波不再傳遞到該巖心樣品上，停止加熱，以防止該巖心樣品內(nèi)部水分繼續(xù)蒸發(fā)；
(7)當(dāng)所有巖心樣品均達(dá)到預(yù)設(shè)的含水飽和度時(shí)，通過所述微型計(jì)算機(jī)1控制關(guān)閉所述磁控管4，并使所述風(fēng)扇3持續(xù)運(yùn)行10分鐘后停止；
(8)關(guān)閉所述電源1，取出制備得到的不同含水飽和度的巖心樣品。