一种气体驱替置换天然气模拟实验系统及方法与流程

1.本发明涉及煤层气、页岩气等非常规天然气开发领域，特别涉及到一种气体驱替置换天然气模拟实验系统及方法。


背景技术：

2.我国的页岩气、煤层气等非常规天然气资源丰富，它主要以吸附态或者游离态赋存于非常规天然气储层内。非常规天然气储层一般渗透率普遍偏低，自然产能不高，生产到一定阶段后迫切需要新的增产技术来增加天然气产量。当前，向非常规天然气储层注入co2或n2驱替置换天然气是一种新兴的增产技术，其原理是通过向非常规天然气储层注入co2或n2气体后，通过与ch4同储层岩样的竞争吸附作用，降低ch4的有效分压，从而促进非常规天然气储层吸附的ch4解吸，同时驱替游离的ch4气体，从而提高非常规天然气的产量和采收率。
3.目前现有公开的专利中存在的主要技术问题：
4.1、现有同类实验装置极少、功能单一、操作不便：当前针对非常规天然气储层驱替置换技术的研究，主要关注n2或co2单一气体的吸附解析规律，用于模拟n2或co2驱替置换天然气装置、特别是用于模拟n2和co2混合后驱替置换天然气的实验装置极少，功能单一、操作不便，且普遍存在实验数据计量精度不高的缺陷。
5.2、co2容易发生相变，计量精度不高：由于co2物理性质等原因，现有的同类实验装置在实验过程中，随着温度和压力等实验条件的变化，co2容易发生相变，常规的气体计量方法无法准确计量实验过程中注入和排除的co2量，存在计量精度不高、实验效果不佳的问题。
6.3、实验中涉及的多种气体的流量计量困难：当开展多种气体驱替置换实验时，行业内一般采用气相色谱仪计量混合气体组分，无法实时在线计量，给实验操作带来不便。也有个别同类装置采用红外线气体分析仪计量气体流量，但是由于实验气路中压力作用，对红外线气体分析仪计量气体的精度影响巨大，导致实验结果误差较大，实验效果不佳。
7.因此，如何提供一种气体驱替置换天然气模拟实验系统及方法，同时实现n2或co2单一气体，或者n2和co2混合气体驱替置换天然气过程的功能是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

8.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，提供一种n2和co2气体驱替置换天然气的模拟实验系统及方法，本发明可以通过模拟将n2和co2两种气体按不同比例、流量分别或者同时注入非常规天然气储层，从而实现模拟利用n2或co2单一气体，或者n2和co2混合气体驱替置换天然气过程的功能。
9.有鉴于此，根据本发明的第一个目的提出了一种气体驱替置换天然气模拟实验系统，包括
10.第二控温箱以及放置于第二控温箱内的岩心夹持器；第二控温箱用于调节岩心夹持器内部岩样的温度；
11.气体注入装置；通过第八压力表连接在岩心夹持器入口端；向岩心夹持器内输送气体；
12.气体计量装置；连接在岩心夹持器出口端，统计模拟实验系统末端混合气体计量；
13.轴压和回压控制装置；分别连接岩心夹持器和气体计量装置，增加轴压或回压；
14.抽真空装置；抽真空装置与岩心夹持器连接，将模拟实验系统抽真空。
15.根据本发明实施例的模拟实验系统，其中岩心夹持器为耐高压的活塞容器，内部含有若干温度探头，用于监测夹持器内部温度，使得实验更加贴合实际情况。
16.根据本发明的一个实施例，气体注入装置包括注入烃类气体即用ch4模拟的第一条支路、注入氮气的第二条支路和注入co2的第三条支路；第一条支路、第二条支路和第三条支路末端均连接第八压力表。
17.根据本发明的一个实施例，第一条支路、第二条支路和第三条支路均设置有依次上下游连接的气瓶、过滤器、气泵、若干阀门和储罐；其中第一条支路和第二条支路上设置流量计连接在储罐下游；第三条支路上设置恒速恒压泵连接在储罐下游；第三条支路上的储罐放置在第一控温箱中。
18.根据本发明的一个实施例，其中过滤器和气泵之间上下游依次设置阀门和压力表；气泵和储罐之间上下游依次设置阀门和单向阀；第一条支路和第二条支路上储罐和流量计之间设置单向阀；流量计与第八压力表之间设置阀门；第三条支路储罐和恒速恒压泵之间上下游依次设置单向阀和阀门；恒速恒压泵和第八压力表之间上下游依次设置安全阀和阀门。
19.根据本发明的一个实施例，气泵一侧连接空压机；储罐顶部设置压力表和温度计，底部设置放空阀；恒速恒压泵上连接压力表。
20.根据本发明的一个实施例，气体计量装置包括上下游依次连接的第四过滤器、第七单向阀、回压阀、高精度减压阀、干燥器、ch4红外线气体分析仪、co2红外线气体分析仪和气囊；第四过滤器和第七单向阀之间上下游依次设置压力表和阀门；co2红外线气体分析仪和气囊之间设置流量计；轴压和回压控制装置与回压阀连接。
21.有利的，ch4红外线气体分析仪、co2红外线气体分析仪为在线式ch4红外线气体分析仪、在线式co2红外线气体分析仪，分别可以实时在线计量。
22.根据本发明实施例的模拟实验系统，回压阀具有加热功能，防止由岩心夹持器流出的液态co2由于压力变化而产生“冰堵”现象，从而导致管路堵塞、仪器损坏。高精度减压阀将从回压阀出来的高压气体减压到常压状态，防止管路中气体压力，影响ch4气体红外线气体分析仪、co2气体红外线气体分析仪的计量精度；干燥器用于干燥经过岩心夹持器和高精度减压阀排出气体中可能含有的微量水分，防止对ch4红外线气体分析仪、co2气体红外线气体分析仪计量精度造成干扰。ch4红外线气体分析仪、co2红外线气体分析仪，分别用于实时在线计量实验系统中干燥器排出的混合气体中ch4、co2气体体积百分比。气体计量装置上设置的流量计为质量流量计，用于计量末端混合气体的流量。具体为第一流量计，第二流量计和第三流量计均为质量流量计，可以调节气体流量。
23.根据本发明的一个实施例，轴压和回压控制装置包括手摇泵和缓冲罐；手摇泵和
缓冲罐之间设置阀门；缓冲罐分别通过阀门与回压阀和岩心夹持器连接。
24.根据本发明实施例的模拟实验系统，手摇泵将水泵入缓冲罐中，一路可通过阀门对岩心夹持器施加轴压，使得岩心夹持器内岩样更加紧实，从而调节岩样孔隙度；另一路也可通过另一阀门对回压阀施加一定的压力，从而调节实验所需的出口压力。
25.根据本发明的第二个目的，提出了一种气体驱替置换天然气模拟实验的方法，利用上述模拟实验系统进行气体驱替置换天然气模拟实验，步骤如下：
26.(1)ch4等温吸附、解吸实验：
27.a将岩样放入岩心夹持器，利用抽真空装置将模拟实验系统抽真空；
28.b利用手摇泵将水注入到岩心夹持器，调节至实验所需的轴压；
29.c将回压阀的压力、温度，调节至实验所需；同时调节第二控温箱，将岩心夹持器中岩样调节至实验所需温度；
30.d将第一条支路上的ch4注入到岩心夹持器中，使得ch4在岩心夹持器内部的岩心吸附饱和后停止ch4注入；
31.e设定回压、或者降低实验温度并在该回压下完成ch4解吸；
32.f改变实验的温度、压力、气体流量、岩样种类、气体种类等条件，开展对比实验；
33.(2)n2和/或co2气体驱替置换ch4。
34.根据本发明的一个实施例，n2驱替置换ch4包括以下步骤，将第二条支路上的n2注入到储罐，增压后注入岩心夹持器中，驱替置换岩心夹持器中岩样饱和的ch4；当岩心夹持器中孔隙压力达到回压阀压力后气体从岩心夹持器输出；当第二条支路上的流量计和气体计量装置上的流量计计量流量相等，且ch4红外线气体分析仪示数达到0％时，驱替实验完成，计算、分析n2驱替ch4的效果。
35.根据本发明的一个实施例，co2驱替置换ch4包括步骤，将第三条支路上的co2注入到储罐，增压后通过恒速恒压泵注入岩心夹持器中，驱替置换岩心夹持器岩样中饱和的ch4；当岩心夹持器中孔隙压力达到回压阀压力后气体输出；当第三条支路上的恒速恒压泵和气体计量装置所计量流量相等，且ch4红外线气体分析仪示数达到0％时，驱替实验完成，计算、分析co2驱替ch4的效果。
36.根据本发明的一个实施例，n2和co2驱替置换ch4包括步骤：将第二条支路上的n2和第三条支路上的co2分别注入到储罐，增压后将n2注入岩心夹持器，同时增压后将co2通过恒速恒压泵注入岩心夹持器中，n2和co2的比例，通过分别调节第二条支路上流量计、第三条支路上的恒速恒压泵注入流量，从而实现不同比例的n2和co2气体混合驱替的功能，n2和co2气体比例根据实验目的灵活调整。
37.通过以上技术方案，本发明提出了一种n2和co2气体驱替置换天然气模拟实验系统及方法，具有如下技术效果：本发明可以通过模拟将n2和co2两种气体按不同比例、流量分别或者同时注入非常规天然气储层，从而实现模拟利用n2或co2单一气体，或者n2和co2混合气体驱替置换天然气的过程的功能，co2不易发生相变计量精度较高，且本模拟实验系统气压稳定，不影响红外线气体分析仪计量气体的精度，实验结果误差小，实验效果好。
附图说明
38.本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得
明显和容易理解，其中：
39.图1为实施例1提供的气体驱替置换天然气模拟实验系统结构图。其中，1第一气瓶，2第一过滤器，3第一阀，4第一压力表，5第一空压机，6第一泵，7第二阀，8第一单向阀，9第一储罐，10第二压力表，11第一温度计，12第二单向阀，13第三阀，14第一流量计，15第四阀，16第二气瓶，17第二过滤器，18第五阀，19第三压力表，20第二空压机，21第二泵，22第六阀，23第三单向阀，24第二储罐，25第四压力表，26第二温度计，27第四单向阀，28第七阀，29第二流量计，30第八阀，31第三气瓶，32第三过滤器，33第九阀，34第五压力表，35第三空压机，36第三泵，37第十阀，38第五单向阀，39第一控温箱，40第三储罐，41第六压力表，42第三温度计，43第六单向阀，44第十一阀，45第十二阀，46恒速恒压泵，47第七压力表，48安全阀，49第十三阀，50第八压力表，51第十四阀，52真空泵，53第十五阀，54第二控温箱，55岩心夹持器，56手摇泵，57第十六阀，58缓冲罐，59第十七阀，60第九压力表，61第四过滤器，62第十压力表，63第十八阀，64第七单向阀，65回压阀，66第二十阀，67高精度减压阀，68干燥器，69ch4红外线气体分析仪，70co2红外线气体分析仪，71第三流量计，72气囊。
具体实施方式
40.为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
41.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
42.实施例1
43.本实施例提出了一种气体驱替置换天然气模拟实验系统，包括
44.放置于第二控温箱54内的岩心夹持器55；
45.气体注入装置；通过第八压力表50连接在岩心夹持器55入口端；向岩心夹持器55内输送气体；
46.气体计量装置；连接在岩心夹持器55出口端，统计模拟实验系统末端混合气体计量；
47.轴压和回压控制装置；分别连接岩心夹持器55和气体计量装置，增加轴压或回压；
48.抽真空装置；抽真空装置与岩心夹持器55连接，将模拟实验系统抽真空。
49.根据本实施例的模拟实验系统，其中岩心夹持器55为耐高压的活塞容器，内部含有若干温度探头，用于监测夹持器内部温度，使得实验更加贴合实际情况。
50.示例性且不限制的，本实施例中的抽真空装置包括第十四阀51和真空泵52，依次和岩心夹持器55的入口相连接。抽真空装置用于将系统中抽真空，排出实验系统内空气对实验精度和实验效果的影响。
51.根据本发明的一个实施例，气体注入装置包括注入烃类气体的第一条支路、注入氮气的第二条支路和注入co2的第三条支路；第一条支路、第二条支路和第三条支路末端均连接第八压力表50。
52.根据本发明的一个实施例，第一条支路、第二条支路和第三条支路均设置有依次
上下游连接的气瓶、过滤器、气泵和储罐；其中第一条支路和第二条支路上设置流量计连接在储罐下游；第三条支路上设置恒速恒压泵46连接在储罐下游；第三条支路上的储罐放置在第一控温箱39中。
53.根据本发明的一个实施例，其中过滤器和气泵之间上下游依次设置阀门和压力表；气泵和储罐之间上下游依次设置阀门和单向阀；第一条支路和第二条支路上储罐和流量计之间设置单向阀；流量计与第八压力表50之间设置阀门；第三条支路储罐和恒速恒压泵46之间上下游依次设置单向阀和阀门；恒速恒压泵46和第八压力表50之间上下游依次设置安全阀48和阀门。
54.根据本发明的一个实施例，气泵一侧连接空压机；储罐顶部设置压力表和温度计，底部设置放空阀；恒速恒压泵46上连接压力表。
55.示例性且不限制的，本实施例中的第一条支路包括充有烃类气体如ch4的第一气瓶1，第一气瓶1的出口端依次连接有第一过滤器2，第一阀3，第一压力表4，第一泵6，第二阀7，第一单向阀8，第一储罐9，第二单向阀12，第一流量计14，第四阀15；其中，第一泵6的侧面与第一空压机5相连，第一储罐9顶部接有第二压力表10、第一温度计11，底部接有第三阀13(第三阀13即本实施例中的放空阀)。
56.第二条支路充有氮气的第二气瓶16，第二气瓶16的出口端依次连接有第二过滤器17，第五阀18，第三压力表19，第二泵21，第六阀22，第三单向阀23，第二储罐24，第四单向阀27，第二流量计29，第八阀30；其中，第二泵21侧面与第二空压机20相连，第二储罐24顶部接有第四压力表25、第二温度计26，底部接有第七阀28(第七阀28即本实施例中的放空阀)。
57.第三条支路具体可包括充有co2的第三气瓶31，第三气瓶31的出口端依次连接有第三过滤器32，第九阀33，第五压力表34，第三泵36，第十阀37，第五单向阀38，第三储罐40，第六单向阀43，第十二阀45，恒速恒压泵46，第七压力表47，安全阀48，第十三阀49；其中第三泵36侧面与第三空压机35相连，将第三储罐40放置于第一控温箱39中，储罐顶部接有第六压力表41、第三温度计42，底部接有第十一阀44(第十一阀44即本实施例中的放空阀)，第一条支路、第二条支路和第三条支路三条支路汇合后依次与第八压力表50、岩心夹持器55的入口依次相连。
58.本实施例中的第三储罐40为体积足够大的储罐，防止在通过恒速恒压泵46对co2加压、引流输出时，储罐储存co2的密度、状态等性质的变化，从而保持co2气体的物理状态参数恒定，防止co2密度上下波动给实验中co2计量和结果带来误差。
59.根据本发明的一个实施例，气体计量装置包括上下游依次连接的第四过滤器61、第七单向阀64、回压阀65、高精度减压阀67、干燥器68、ch4红外线气体分析仪69、co2红外线气体分析仪70和气囊72；第四过滤器61和第七单向阀64之间上下游依次设置压力表和阀门；co2红外线气体分析仪70和气囊72之间设置流量计；轴压和回压控制装置与回压阀65连接。
60.示例性且不限制的，气体计量装置，包括第四过滤器61、第十压力表62、第十八阀63、第七单向阀64、回压阀65、高精度减压阀67、干燥器68、ch4红外线气体分析仪69、co2红外线气体分析仪70、第三流量计71、气囊72依次相连接。
61.根据本实施例的模拟实验系统，回压阀65具有加热功能，防止由岩心夹器流出的液态co2由于压力变化产生“冰堵”现象从而管路堵塞、损坏仪器。高精度减压阀67将从回压
阀65出来的高压气体减压到常压状态，防止管路中气体压力变化影响ch4气体红外线气体分析仪、co2气体红外线气体分析仪的计量精度；干燥器68用于干燥经过岩心夹持器55和高精度减压阀67排出气体中可能含有的微量水分，防止对ch4红外线气体分析仪69、co2气体红外线气体分析仪计量精度造成干扰。ch4红外线气体分析仪、co2红外线气体分析仪70分别用于实时在线计量实验系统中干燥器68排出的混合气体中ch4、co2气体体积百分比。气体计量装置上设置的流量计为质量流量计，用于计量末端混合气体的流量。
62.根据本发明的一个实施例，轴压和回压控制装置包括手摇泵56和缓冲罐58；手摇泵56和缓冲罐58之间设置阀门；缓冲罐58分别通过阀门与回压阀65和岩心夹持器55连接。
63.示例性且不限制的，轴压和回压控制装置为手摇泵56、第十六阀57、缓冲罐58依次相连后分为两条支路，第一条支路将缓冲罐58与第十五阀53相连后接岩心夹持器55；第二条支路将缓冲罐58与第二十阀66、回压阀65依次相连。其中缓冲罐58顶部接第九压力表60，侧面接第十七阀59。
64.根据本实施例的模拟实验系统，手摇泵56将水泵入缓冲罐58中，一路可通过阀门调节对岩心夹持器55施加轴压，使得岩心夹持器55内岩样更加紧实，从而根据实验方案需要调节岩样孔隙度；另一路也可通过另一阀门对回压阀65施加一定的压力，从而调节实验所需的出口回压。
65.根据实施例提出了利用上述模拟实验系统进行气体驱替置换天然气模拟实验的方法，步骤如下：
66.(1)ch4等温吸附、解吸实验：
67.a检查气密性：如图1，将系统连接完毕后，清洗好设备后，检查该系统各部件，关闭好进出口阀门，检查装置气密性。
68.b装样抽真空：将岩样装填至岩心夹持器55中，打开真空泵52、第十四阀51将系统中的空气排空，从而排出空气对实验效果的干扰，为实验做好准备。抽真空后将上述阀门关闭。所用岩样可以为颗粒、粉末、或者柱状岩心，岩心尺寸可以灵活设计。
69.c加轴压：打开第十五阀53、第十六阀57后，通过手摇泵56将水注入到岩心夹持器55中，将岩心夹持器55中的样品压实。根据实验方案需要，增加至实验所需的轴压后，将第十五阀53关闭。
70.d加回压：根据实验需要，打开第二十阀66，将回压阀65的压力增加至实验所需压力，回压阀具有加热功能，调节回压阀65加热温度至实验所需温度；其中有co2气体流过时进行加热。
71.e吸附ch4：打开第一阀3、第二阀7通过第一泵6增压至第一储罐9中，增压至适当压力后，将第一阀3、第二阀7关闭。打开第四阀15，设定好适当排量将ch4注入到岩心夹持器55中，使得岩心饱和ch4。打开第十八阀63，当ch4气体压力达到回压阀65压力后，气体通过ch4红外线气体分析仪69，当第一流量计14和第三流量计71计量流量相等，且ch4红外线气体分析仪69示数为100％时，表示岩心吸附ch4达到饱和状态，关闭第四阀15。
72.f解吸ch4：在关闭第四阀15、设定好回压后，打开第18阀，当第三流量计71计量流量为0时，该回压条件下ch4解吸完成。
73.g改变条件继续开展对比实验：根据实验目的需要，针对不同岩样，改变实验温度、轴压、回压、气体注入排量、气体注入总量等条件，同理开展其他实验条件下对比实验。
74.h研究岩样对co2和n2的吸附实验、解析实验与上述方法同理可得。
75.(2)n2和/或co2气体驱替置换ch4。
76.根据本发明的一个实施例，n2驱替置换ch4步骤包括，打开第五阀18、第六阀22将第二气瓶16中的n2注入到第二储罐24中，增压至适当压力后，将第五阀18、第六阀22关闭。打开第八阀30，将n2注入到岩心夹持器55中，驱替置换饱和好的ch4。当气体达到回压阀65的设定压力后，气体输出，当第二流量计29和第三流量计71计量流量相等，且ch4红外线气体分析仪69示数达到0％时，表示驱替实验完成。
77.实验计量：通过进口第一流量计14和第三流量计71计量岩心饱和的ch4的量。通过第二流量计29、ch4红外线气体分析仪69、第三流量计71计量，从而达到实现计算n2对ch4的驱替效果。
78.改变条件继续开展对比实验：根据实验目的需要，针对不同岩样，改变实验温度、轴压、回压、气体注入排量等条件，同理开展其他实验条件下对比实验。
79.根据本发明的一个实施例，co2驱替置换ch4步骤包括，打开第九阀33、第十阀37将co2气体增压到第三储罐40中，增压至适当压力后，将第九阀33、第十阀37关闭。打开第十二阀45、第十三阀49通过恒速恒压泵46将co2注入到岩心夹持器55中。当气体压力达到回压阀65压力后，气体输出，当恒速恒压泵46和第三流量计71计量流量相等，且ch4红外线气体分析仪69示数达到0％时，表示驱替实验完成。
80.实验计量：通过进口第一流量计14和第三流量计71计量岩心饱和的ch4的量。通过恒速恒压泵46、ch4红外线气体分析仪69、第三流量计71计量，从而达到实现co2驱替置换ch4时计算ch4的驱替效果。
81.改变条件继续开展对比实验：根据实验目的需要，针对不同岩样，改变实验温度、轴压、回压、气体注入排量等条件，同理开展其他实验条件下对比实验。
82.根据本发明的一个实施例，n2和co2驱替置换ch4步骤包括：打开第五阀18、第六阀22将第二气瓶16中的n2注入到第二储罐24中，增压至适当压力后，将第五阀18、第六阀22关闭。打开第九阀33、第十阀37将co2气体增压到第三储罐40中，增压至适当压力后，将第九阀33、第十阀37关闭。打开第八阀30将n2注入岩心夹持器55中；打开第十二阀45、第十三阀49，通过恒速恒压泵46将co2注入到岩心夹持器55中。n2、co2气体二者的注入流量比例通过监测第二流量计29、恒速恒压泵46注入流量来计量，n2、co2气体比例根据实验目的灵活调整。
83.实验计量：通过进口第一流量计14和第三流量计71计量岩心吸附饱和的ch4的量。通过第一流量计14、第二流量计29、ch4红外线气体分析仪69、co2红外线气体分析仪70、第三流量计71、恒速恒压泵46计量，从而实现n2和co2混合后驱替置换ch4时计算ch4的驱替效果。当n2和co2气体混合后驱替置换ch4时，当ch4红外线气体分析仪69示数达到0％时，且注入岩心夹持器55的气体总量和经过第三流量计71排出的气体总量相等，则表示该实验条件驱替实验完成。
84.改变条件继续开展对比实验：根据实验目的需要，针对不同岩样，改变实验温度、轴压、回压、气体混合比例和注入排量等条件，同理开展其他实验条件下对比实验。
85.本实施例是将气体混合后进行驱替置换的实验系统，根据不同体积流量将n2和co2气体按照不同比例混合，从而实现任意比例条件下开展混合气体驱替置换的实验。
86.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人
员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种气体驱替置换天然气模拟实验系统，其特征在于，包括：第二控温箱以及放置于第二控温箱内的岩心夹持器；气体注入装置；通过第八压力表连接在所述岩心夹持器入口端；向所述岩心夹持器内输送气体；气体计量装置；连接在所述岩心夹持器出口端，用于所述模拟实验系统末端混合气体计量；轴压和回压控制装置；分别连接所述岩心夹持器和所述气体计量装置，调节轴压或回压；抽真空装置；所述抽真空装置与所述岩心夹持器连接，将所述模拟实验系统抽真空。2.根据权利要求1所述的模拟实验系统，其特征在于，所述气体注入装置包括注入烃类气体的第一条支路、注入氮气的第二条支路和注入co2的第三条支路；所述第一条支路、所述第二条支路和所述第三条支路末端均连接所述第八压力表。3.根据权利要求2所述的模拟实验系统，其特征在于，所述第一条支路、所述第二条支路和所述第三条支路均设置有上下游依次连接的气瓶、过滤器、气泵、若干阀门和储罐；其中所述第一条支路和所述第二条支路上设置流量计连接在所述储罐下游；其中所述第三条支路上设置恒速恒压泵连接在所述储罐下游；所述第三条支路上的所述储罐放置在第一控温箱中。4.根据权利要求3所述的模拟实验系统，其特征在于，其中所述过滤器和所述气泵之间上下游依次设置阀门和压力表；所述气泵和所述储罐之间上下游依次设置所述阀门和单向阀；所述第一条支路和所述第二条支路上所述储罐和所述流量计之间设置所述单向阀，所述流量计与所述第八压力表之间设置所述阀门；所述第三条支路所述储罐和所述恒速恒压泵之间上下游依次设置所述单向阀和所述阀门；所述恒速恒压泵和所述第八压力表之间上下游依次设置安全阀和所述阀门。5.根据权利要求3或4所述的模拟实验系统，其特征在于，所述气泵一侧连接空压机；所述储罐顶部设置所述压力表和温度计，底部设置放空阀；所述恒速恒压泵上连接所述压力表。6.根据权利要求1-4任一所述的模拟实验系统，其特征在于，所述气体计量装置包括上下游依次连接的第四过滤器、第七单向阀、回压阀、高精度减压阀、干燥器、ch4红外线气体分析仪、co2红外线气体分析仪和气囊；所述第四过滤器和第七单向阀之间上下游依次设置所述压力表和阀门；所述co2红外线气体分析仪和所述气囊之间设置流量计；所述轴压和回压控制装置与所述回压阀连接。7.根据权利要求6所述的模拟实验系统，其特征在于，所述轴压和回压控制装置包括手摇泵和缓冲罐；所述手摇泵和所述缓冲罐之间设置所述阀门；所述缓冲罐分别通过所述阀门与所述回压阀和所述岩心夹持器连接。8.一种气体驱替置换天然气模拟实验的方法，其特征在于，利用上述模拟实验系统进行气体驱替置换天然气模拟实验，步骤如下：(1)ch4等温吸附、解吸实验：a将岩样放入岩心夹持器，利用抽真空装置将所述模拟实验系统抽真空；b利用手摇泵将水注入到所述岩心夹持器中，增加至实验所需的轴压；
c将回压阀的压力、温度调节至实验所需；同时调节第二控温箱至实验所需温度，使得岩心夹持器中岩样温度稳定到实验目标温度；d将第一条支路上的ch4注入到所述岩心夹持器中，使得ch4在所述岩心夹持器内的岩心饱和后停止ch4注入；e调节回压，或者调节第二控温箱的实验温度，并在该所述回压、温度下完成ch4解吸；(2)n2和/或co2气体驱替置换ch4。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，n2或co2驱替置换ch4包括以下步骤，将n2或co2注入到储罐，增压后注入所述岩心夹持器中，驱替置换岩样中饱和的ch4；所述岩心夹持器中孔隙压力达到回压阀控制的压力后气体输出；当第二条支路或第三条支路上的流量和所述气体计量装置上的流量计所计量流量相等，且ch4红外线气体分析仪示数达到0％时，则驱替实验完成，计算分析n2或co2驱替ch4的效果。10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，n2和co2驱替置换ch4包括步骤：将n2和co2分别注入到相应的储罐，n2、co2增压后同时或分别注入岩心夹持器；其中n2和co2的比例分别通过第二条支路上流量计、和恒速恒压泵调节。

技术总结
本发明公开了一种气体驱替置换天然气模拟实验系统和方法，其中包括了气体注入装置、岩心夹持器、抽真空装置、轴压回压控制装置、气体计量装置、第二控温箱，其中岩心夹持器放置于第二控温箱中方便调节温度，便于模拟不同地层温度。本实验系统和方法可用于模拟非常规天然气储层岩样对气体的吸附、解析作用，或用于模拟N2或CO2单一气体或者N2和CO2的混合气体驱替置换天然气的过程，同时提高了现有的同类实验装置中注入CO2的计量精度，提高了实验系统末端混合气体的计量精度，改善了实验效果。改善了实验效果。改善了实验效果。


技术研发人员：张健 赵清泉 李克相 李朝 李贵和 张国祥
受保护的技术使用者：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司
技术研发日：2021.09.15
技术公布日：2022/3/8