體積－壓力法碳酸鹽含量測定儀的研制

余維初，周克厚，錢秀蕓，胡秋萍，胡 瓊（長江大學(xué)，湖北荊州434023）

肖想松（荊州市現(xiàn)代石油科技發(fā)展有限公司，湖北 荊州434000）

體積－壓力法碳酸鹽含量測定儀的研制

余維初，周克厚，錢秀蕓，胡秋萍，胡 瓊（長江大學(xué)，湖北荊州434023）

肖想松（荊州市現(xiàn)代石油科技發(fā)展有限公司，湖北 荊州434000）

針對目前巖心分析中碳酸鹽含量測定方法存在的一些問題，提出了一種新方法——體積－壓力法及其測定儀的研制。該儀器屬石油勘探常規(guī)巖心分析測試儀器 ，它克服了體積法和壓力法測定碳酸鹽含量的缺陷，實現(xiàn)了計算機控制，具有操作簡便、分析速度快、體積小、便于攜帶等優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于常規(guī)巖心巖性分析。

碳酸鹽含量；體積法；壓力法；體積－壓力法；分析儀器

碳酸鹽巖是重要的油氣儲集巖，研究和掌握其特性是認(rèn)識、評價、保護(hù)和改造儲層的基礎(chǔ)。巖心常規(guī)分析的目的之一就是精確快速地獲取碳酸鹽巖中碳酸鹽含量，以更好地了解儲層特性，從而為石油的勘探開發(fā)提供依據(jù)。關(guān)于這一參數(shù)的獲取與分析方法較多，一般有體積法、色譜法、庫侖儀法、滴定法、壓力法、擴(kuò)散法、重量法、雙電極法等［1，2］。此外，利用地震資料結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可反演地層中的碳酸鹽含量，為沉積相的判別提供重要指標(biāo)［3］。其含量的測定也廣泛應(yīng)用于冶金、煤碳、建筑、水利等部門，為工程的設(shè)計與施工提供重要參數(shù)。盡管測定碳酸鹽含量的方法眾多，但它們或多或少在分析質(zhì)量和分析速度上都存在一定的缺陷。例如重量法中儀器組裝及化學(xué)材料要求較為繁雜，滴定法和擴(kuò)散法過于耗時。為此，筆者重點探討體積－壓力法及其測定儀的研制。

1 體積法和壓力法的測定原理及優(yōu)缺點

目前最常用的2種方法當(dāng)屬體積法和壓力法，碳酸鹽含量的測定基于下述反應(yīng)：

在體積法中，方法原理是用過量的鹽酸分析巖石樣品中的碳酸鹽，釋放出CO2氣體，通過收集并計量CO2氣體的體積，計算巖石樣品中碳酸鹽的含量。原理如圖1所示。該方法具有操作簡便、分析速度快、造價低廉的優(yōu)點，方法的準(zhǔn)確度和精密度均較好，且在一定的控制條件下引起的分析誤差很小［4］。但缺點也很顯著，試驗裝置過于簡陋，玻璃制品易碎，操作起來不太方便。

圖1 體積法測定碳酸鹽含量試驗裝置圖

壓力法測量在一定密閉容器中，用一定量的巖樣與稀鹽酸反應(yīng)，產(chǎn)生CO2氣體，使容器內(nèi)壓力增加。在一定溫度下，樣品的量越多，生成的CO2越多，產(chǎn)生的壓力越高?？紤]到容器的壓變性，二者并非呈線性關(guān)系。在等溫條件下，可用一系列不同重量的標(biāo)準(zhǔn)巖樣（含量已知的碳酸鈣，最好是純碳酸鈣）來標(biāo)定壓力與CaCO3的重量，再除以樣品總重量，得出巖樣中碳酸鹽的含量［5］。試驗原理圖如2所示。

為了方便獲取試驗數(shù)據(jù)，已在某些相關(guān)設(shè)備中引入了現(xiàn)代電子和微機技術(shù)，解決了精度低、測量范圍窄、沒有溫度補償?shù)热秉c［6］。壓力法的儀器設(shè)備比較先進(jìn)，具有體積小、重量輕、操作簡便、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點，既可用于實驗室分析也適用于現(xiàn)場測試。但也存在不少缺點，由于反應(yīng)時不能攪拌，鹽酸與巖石粉末反應(yīng)不充分；反應(yīng)生成的氣體不多，相應(yīng)壓力也不是很大，產(chǎn)生的誤差較大；生成的CO2水蒸氣呈酸性，會腐蝕容器中的金屬表面，嚴(yán)重影響儀器的使用壽命；若采用特殊材料，又會增加成本。

圖2 壓力法測定碳酸鹽含量的原理圖

2 體積－壓力法測定原理及儀器結(jié)構(gòu)

在綜合比較體積法和壓力法測定試驗儀器的優(yōu)缺點和原理的基礎(chǔ)上，以改進(jìn)體積法儀器設(shè)備為出發(fā)點，運用壓力法處理數(shù)據(jù)，筆者提出了一種測量巖石碳酸鹽含量的新方法——體積－壓力法。

1）方法原理 利用過量的鹽酸分解巖石樣品中的碳酸鹽，收集釋放的CO2氣體并計量，同時計量CO2氣體產(chǎn)生的壓力，通過對試驗壓力進(jìn)行實時采集、分析處理，最后計算得到碳酸鹽總含量。圖3為體積－壓力法測定碳酸鹽含量的儀器結(jié)構(gòu)及原理圖。

2）儀器結(jié)構(gòu) 耐酸計量泵通過進(jìn)酸閥連接儲酸杯，耐酸計量泵的出口通過注酸閥與酸巖反應(yīng)杯連接，酸巖反應(yīng)杯通過連接管線與U型計量管連接；U型計量管中裝入有一定量的水，其出口通過管線與大氣相通；酸巖反應(yīng)杯與U型計量管的連接管線上裝有排氣閥和壓力傳感器；壓力傳感器通過電纜線與數(shù)據(jù)采集板連接；數(shù)據(jù)采集板通過通訊線和R232串口與計算機連接；酸巖反應(yīng)杯置于電磁攪拌器上，電磁攪拌器具有無級調(diào)速攪拌功能。

圖3 壓力－體積法碳酸含量儀原理圖

3 體積－壓力法測定試驗步驟

1）稱取一定量的巖石粉末，打開排氣閥，取下酸巖反應(yīng)杯，將巖石粉末裝入其中，然后擰上蓋，片刻后關(guān)閉排氣閥。

2）打開進(jìn)酸閥，用耐酸計量泵吸入15ml濃度為15%的鹽酸，關(guān)閉進(jìn)酸閥，打開注酸閥，將鹽酸注入酸巖反應(yīng)杯中。

3）啟動電磁攪拌器，使巖石粉末與鹽酸充分反應(yīng)。

4）待U型計量管內(nèi)液面穩(wěn)定后，讀取兩端液面體積V。

5）按公式計算生成的CO2的體積。

6）按公式計算出砂巖中碳酸鹽巖的含量。

4 體積－壓力法測定計算

4.1 CO2的體積計算

1）初始空白體積V0進(jìn)酸閥、注酸閥關(guān)閉（初始狀態(tài)）且U型壓差計液面處于0－0位置時，從進(jìn)酸閥到注酸閥的管線中的空白體積，需要預(yù)先標(biāo)定，設(shè)為V0，即：

式中，ρw為管中水的密度，g/cm3。

雖然在試驗過程中由于酸 －鹽反應(yīng)的反應(yīng)熱會導(dǎo)致儀器反應(yīng)器系統(tǒng)升溫，但結(jié)合氣體狀態(tài)方程，系統(tǒng)升溫的影響可忽略不計，故可視為整個試驗過程中是在等溫條件下進(jìn)行的，也可采用一定的設(shè)備保證整個反應(yīng)過程是在等溫環(huán)境下發(fā)生的［5］。則有：

式中，pa為換算到大氣壓條件下帶壓氣體的壓力，且p0＝pa；Va為換算到大氣壓條件下帶壓氣體的體積，cm3。

當(dāng)酸巖反應(yīng)杯中溫度降到初始溫度時：

所以，碳酸鹽巖反應(yīng)生成的CO2氣體在大氣壓下的體積Vx為初始條件下氣體的增量，即：

式中，W為巖樣重量，g；ρ巖為巖樣的密度，mg/ml；ρw為U型計量管中水的密度，mg/ml。

4.2 碳酸鹽巖含量計算

巖石樣品中碳酸鹽巖的含量以碳酸鈣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來表示，其計算公式為：

式中，η為巖樣中碳酸鈣的含量，%；ρ為實驗室溫度、大氣壓下CO2氣體密度，g/cm3。

5 結(jié) 語

體積－壓力法碳酸鹽含量測定儀克服了體積法和壓力法測定巖石碳酸鹽含量的缺陷，實現(xiàn)了計算機控制，具有操作簡便、分析速度快、分析精度高、主機體積小、便于攜帶等優(yōu)點，且儀器的使用壽命長，可廣泛應(yīng)用于常規(guī)巖心巖性的分析測試，具有較高的推廣價值。

體積－壓力法測定儀已取得1項國家專利，專利號為：ZL201020274451.1。

［1］沈吉，王楚，梁雪，等.庫侖法碳酸鹽含量自動分析儀的研制［J］.分析測試技術(shù)與儀器，1994，（2）：1～5.

［2］郁慧福.碳酸鹽測定方法現(xiàn)狀及方法比較［J］.海洋地質(zhì)動態(tài)，2007，23（1）：35～39.

［3］熊艷，鐘廣法，李前裕，等.利用地震資料反演地層的碳酸鹽含量［J］.地球科學(xué)（中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報），2006，31（6）：851～856.

［4］關(guān)云梅.氣體體積法測定巖心中碳酸鹽的含量［J］.石油與天然氣化工，1995，24（4）：292～294.

［5］秦己舜，孫士孝 .TSY－1型碳酸鹽含量分析儀［J］.石油儀器，1990，4（3）：135～141.

［6］劉忠戰(zhàn)，于堅.微機技術(shù)在碳酸鹽含量測定分析儀中的應(yīng)用［J］.新疆石油地質(zhì)，1990，11（2）：163～165.

Development of Carbonate－content Detecting Tool Based on Pressure－volume Method

YU Wei－chu，ZHOU Ke－h(huán)ou，QIAN Xiu－yun，HU Qiu－ping，HU Qiong，XIAO Xiang－song（First Author's Address：Yangtze U－niversity，Jingzhou434023，Hubei，China）

A carbonate－content detecting tool based on pressure－volume method was introduced，it belonged to conventional core analyzing tools for oil exploration.It avoided the shortcomings of carbonate－content detecting with pressurevolume method and it was computer controlled.It has the advantages of easy operation，rapid analysis，compactness and portable.It can be widely used for conventional core analysis.

carbonate－content detection；volumetric method；pressure method

TE928

A

1000－9752（2012）05－0158－03

2011－10－15

余維初（1965－），男，2006年中國石油大學(xué)（北京）畢業(yè)，博士，教授，現(xiàn)主要從事油田化學(xué)和油氣儲層保護(hù)研究領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作。

［編輯］ 蘇開科