含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置及方法

技术领域

本发明涉及氦气勘测、检测设备技术领域，尤其涉及一种含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置及方法。

背景技术

氦气通常作为一种微量组分，与气态烃类组分（主要是CH

发明内容

本发明的目的在于提供一种含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置及方法，以解决缺乏系统的方法以及配套的实验装置对含氦天然气中氦气的扩散行为进行定量表征的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案在于：

一种含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置，包括扩散系统和取气分析系统；扩散系统包括上游扩散室、下游扩散室和真三轴仪，真三轴仪的两端分别与上游扩散室和下游扩散室连接；上游扩散室中填充有氩气，下游扩散室中填充有仿真实际环境的含氦天然气，真三轴仪用于容纳岩芯并向岩芯施加载荷以及模拟地层温度；取气分析系统包括上游气样驻留室、下游气样驻留室和色谱分析仪；上游气样驻留室与上游扩散室连接，用于获取上游扩散室中的气体；下游气样驻留室与下游扩散室连接，用于获取下游扩散室中的气体；上游气样驻留室和下游气样驻留室的初始状态为真空状态，以便获取气体；色谱分析仪用于分别分析上游气样驻留室和下游气样驻留室中的气体的组分。

进一步的，含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置还包括压差平衡氩气瓶和环境气体仿真配置瓶；压差平衡氩气瓶与上游扩散室连接，用于向上游扩散室注入氩气；环境气体仿真配置瓶与下游扩散室连接，用于向下游扩散室注入仿真实际环境的含氦天然气。

进一步的，扩散系统还包括压差传感器，压差传感器的两端分别与上游扩散室、下游扩散室连接，用于检测上游扩散室、下游扩散室之间的气压差。

进一步的，扩散系统还包括转接跳管和第一控制阀；转接跳管与压差传感器并联，转接跳管的两端分别与上游扩散室、下游扩散室连接；第一控制阀安装于转接跳管，用于控制转接跳管的通断。

进一步的，含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置还包括第二控制阀和第三控制阀；第二控制阀设置于上游扩散室和上游气样驻留室之间，用于控制上游扩散室和上游气样驻留室的通断；第三控制阀设置于下游扩散室和下游气样驻留室之间，用于控制下游扩散室和下游气样驻留室的通断。

进一步的，含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置还包括真空泵，真空泵与扩散系统、取气分析系统连接，用于对扩散系统、取气分析系统以及连接管路抽真空。

进一步的，真三轴仪包括增压板、密封条和电加热丝；增压板抵接于岩芯，用于向岩芯施加压力；相邻的增压板之间设置有密封条，多个增压板和密封条围成用于容纳岩芯的空腔；电加热丝安装于增压板背离岩芯的一侧，用于调节岩芯的温度。

进一步的，含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置还包括第一增压泵；真三轴仪还包括增压块和液压囊袋，增压块一端与增压板连接，另一端与液压囊袋连接；第一增压泵与液压囊袋连接以驱动液压囊袋膨胀并推动增压块向岩芯方向移动。

进一步的，取气分析系统还包括色谱载气瓶，色谱载气瓶与上游气样驻留室、下游气样驻留室以及色谱分析仪连接，用于携带上游气样驻留室、下游气样驻留室中的气体进入色谱分析仪。

本发明的另一方面，提供了一种含氦天然气中氦气有效扩散系数测试方法，使用上述的含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置，包括如下步骤：

岩芯加载：将岩芯放置于真三轴仪中施加压力并保压，同时调整岩芯温度至测试温度并保持温度恒定；

抽真空：启动真空泵对扩散系统、取气分析系统以及连接管路抽真空；

充气预制：打开压差平衡氩气瓶并向上游扩散室中注入氩气，打开环境气体仿真配置瓶并向下游扩散室注入仿真实际环境的含氦天然气，在上游扩散室和下游扩散室的气压达到预定值后关闭压差平衡氩气瓶和环境气体仿真配置瓶；

气体扩散：连通上游扩散室、下游扩散室和真三轴仪，在浓度梯度驱动下，上游扩散室中的氩气经岩芯向下游扩散室扩散，下游扩散室中的含氦天然气经岩芯向上游扩散室扩散；

取气分析：扩散过程中，打开真空泵将上游气样驻留室和下游气样驻留室抽真空，然后关闭真空泵，打开第二控制阀使上游气样驻留室中的气体进入上游扩散室，打开第三控制阀使下游气样驻留室中的气体进入下游扩散室，然后关闭述第二控制阀和第三控制阀；使用色谱分析仪分别分析上游气样驻留室和下游气样驻留室中的混合气体的组分；此步骤至少重复五次，以获取至少五组混合气体的组分的数据，并保证最后两次获取的混合气体组分的数据相同；

扩散系数计算:根据费克第二定律，含氦天然气中第i种气体的有效扩散系数D

（1）；

其中，

L——岩芯的长度，

A——岩芯的横截面积，

V

V

α——第i种气体的浓度衰减指数，计算公式为：

（2）；

——扩散过程中t

——扩散过程中t时刻上游扩散室和下游扩散室中第i种气体的浓度差；

——扩散时间，

气体体扩散过程中初始t

因此由上述计算式（1）（2）可得：

（3）；

其中，E=A (1/ V

式（3）用最小二乘法拟合得到斜率k；

最终，含氦天然气中第i种气体的有效扩散系数D

综合上述技术方案，本发明所能实现的技术效果在于：

本发明提供的含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置包括扩散系统和取气分析系统；扩散系统包括上游扩散室、下游扩散室和真三轴仪，真三轴仪的两端分别与上游扩散室和下游扩散室连接；上游扩散室中填充有氩气，下游扩散室中填充有仿真实际环境的含氦天然气，真三轴仪用于容纳岩芯并向岩芯施加载荷以及模拟地层温度；取气分析系统包括上游气样驻留室、下游气样驻留室和色谱分析仪；上游气样驻留室与上游扩散室连接，用于获取上游扩散室中的气体；下游气样驻留室与下游扩散室连接，用于获取下游扩散室中的气体；上游气样驻留室和下游气样驻留室的初始状态为真空状态，以便获取气体；色谱分析仪用于分别分析上游气样驻留室和下游气样驻留室中的气体的组分。

本发明通过扩散系统模拟含氦天然气在地层中的扩散过程，并通过真三轴仪模拟地层压力和温度。其中上游扩散室与下游扩散室内的气压相等，以保证对扩散过程的准确模拟，从而准确测量扩散数据。扩散过程中，下游扩散室中的含氦天然气经过岩芯进入上游扩散室，下游扩散室中的氩气经过岩芯进入下游扩散室，最终达到扩散平衡。取气分析系统则在扩散过程中按一定间隔时间重复获取上游扩散室和下游扩散室中的气体并使用色谱分析仪分别分析两个扩散室中的气体组分，以获取多组气体组分数据。

最后对获取的气体组分数据进行计算和拟合，最终得到含氦天然气中氦气的有效扩散系数。

即本发明提供的含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置通过扩散系统模拟含氦天然气在地层环境中的扩散过程，并通过取气分析系统在扩散过程中采集气样进行分析，最后经过计算获得含氦天然气中氦气的有效扩散系数，从而提供了一套完善的测试装置以测算含氦天然气中氦气的扩散系数，对含氦天然气中氦气的扩散行为进行定量表征。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置的结构示意图；

图2为真三轴仪第一方向的剖视图；

图3为真三轴仪第二方向的剖视图；

图4为液压缸、增压块、增压板的结构示意图；

图5为密封条的结构示意图；

图6为上游扩散室的结构示意图。

图标：11-上游扩散室；12-下游扩散室；13-真三轴仪；14-压差传感器；15-转接跳管；16-第一控制阀；17-第一开关阀；18-第二开关阀；19-第一压力传感器；101-第一增压泵；102-负载压力表；21-上游气样驻留室；22-下游气样驻留室；23-色谱分析仪；24-色谱载气瓶；25-第一三通阀；26-第二三通阀；27-第三开关阀；28-第四开关阀；29-第五开关阀；30-压差平衡氩气瓶；40-环境气体仿真配置瓶；50-第二控制阀；60-第三控制阀；70-数据处理模块；80-真空泵；90-第一气瓶控制阀；100-第二气瓶控制阀；110-第四控制阀；

131-承载机架；132-增压室；133-液压囊袋；134-增压块；135-增压板；136-密封条；137-第二压力传感器；138-温度传感器；139-电加热丝；130-液压缸；1301-导向柱；1302-驱动电路；1303-透孔；1304-导流孔；1361-圆弧段；1362-定位段；1363-强化密封段；1364-形变腔；

221-空气涡流管；222-空气泵；223-换热管；224-多通阀；225-分流管；226-汇流管；

111-储气瓶；112-氦气传感器；113-第一气压传感器；114-温湿度传感器；115-负压泵；116-曝气管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

现有技术中缺乏系统的方法以及配套的实验装置对含氦天然气中氦气的扩散行为进行定量表征，制约了对氦气成藏理论和资源潜力评估的认知。

有鉴于此，本发明提供了一种含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置，包括扩散系统和取气分析系统；扩散系统包括上游扩散室11、下游扩散室12和真三轴仪13，真三轴仪13的两端分别与上游扩散室11和下游扩散室12连接；上游扩散室11中填充有氩气，下游扩散室12中填充有仿真实际环境的含氦天然气，真三轴仪13用于容纳岩芯并向岩芯施加载荷以及模拟地层温度；取气分析系统包括上游气样驻留室21、下游气样驻留室22和色谱分析仪23；上游气样驻留室21与上游扩散室11连接，用于获取上游扩散室11中的气体；下游气样驻留室22与下游扩散室12连接，用于获取下游扩散室12中的气体；上游气样驻留室21和下游气样驻留室22的初始状态为真空状态，以便获取气体；色谱分析仪23用于分别分析上游气样驻留室21和下游气样驻留室22中的气体的组分。

本发明通过扩散系统模拟含氦天然气在地层中的扩散过程，并通过真三轴仪13模拟地层压力和温度。其中上游扩散室11与下游扩散室12内的气压相等，以保证对扩散过程的准确模拟，从而准确测量扩散数据。扩散过程中，下游扩散室12中的含氦天然气经过岩芯进入上游扩散室11，下游扩散室12中的氩气经过岩芯进入下游扩散室12，最终达到扩散平衡。取气分析系统则在扩散过程中按一定间隔时间重复获取上游扩散室11和下游扩散室12中的气体并使用色谱分析仪23分别分析两个扩散室中的气体组分，以获取多组气体组分数据。

最后对获取的气体组分数据进行计算和拟合，最终得到含氦天然气中氦气的有效扩散系数。

以下结合图1-图6对本实施例提供的含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置的结构和形状进行详细说明：

本实施例提供的含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置包括扩散系统、取气分析系统、压差平衡氩气瓶30、环境气体仿真配置瓶40、数据处理模块70和真空泵80，如图1所示。

其中，扩散系统用于模拟含氦天然气在地层中的扩散过程，取气分析系统对扩散过程中的气体进行取样分析，从而获得计算数据以得到氦气的扩散系数；数据处理模块70与各电气件连接，用于收集传感器数据并控制设备运行状态；真空泵80用于实现对装置的气路部分进行抽真空以保证测试准确；压差平衡氩气瓶30、环境气体仿真配置瓶40用于向扩散系统注入测试所需的气体。

具体而言，扩散系统包括上游扩散室11、下游扩散室12、真三轴仪13、压差传感器14。真三轴仪13的两端分别与上游扩散室11和下游扩散室12连接，即三者串联。上游扩散室11中填充有氩气，下游扩散室12中填充有仿真实际环境的含氦天然气，仿真实际环境的含氦天然气即按照地层中的含氦天然气的组分配制的混合气体，以便于测试使用。真三轴仪13用于容纳岩芯并向岩芯施加载荷以及模拟地层温度，以模拟含氦天然气的扩散条件。扩散过程中上游扩散室11中的氩气在浓度梯度的作用下经过岩芯向下游扩散室12扩散；下游扩散室12中的仿真实际环境的含氦天然气经过岩芯向上游扩散室11扩散。需要注意的是，扩散开始前，上游扩散室11和下游扩散室12中的气压相等，实际测试中，上游扩散室11和下游扩散室12的初始气压设定在0.1MPa-0.5MPa区间，且两者的气压差不大于0.1KPa。

为监测气压差，扩散系统还包括压差传感器14，压差传感器14的两端分别与上游扩散室11、下游扩散室12连接，用于检测上游扩散室11、下游扩散室12之间的气压差。

进一步的，为避免压差过大导致超出压差传感器14量程造成损坏，扩散系统还包括转接跳管15和第一控制阀16，转接跳管15的两端分别与上游扩散室11、下游扩散室12连接；第一控制阀16安装于转接跳管15，用于控制转接跳管15的通断。即转接跳管15与压差传感器14并联，当压力差接近量程极限时，接通第一控制阀16使转接跳管15连通，进而使上游扩散室11和下游扩散室12连通，消除压力差并避免压差传感器14损坏。

进一步的，扩散系统还包括第一开关阀17和第二开关阀18，第一开关阀17设置于上游扩散室11和真三轴仪13之间，第二开关阀18设置于下游扩散室12和真三轴仪13之间，通过控制第一开关阀17和第二开关阀18以控制测试的开始，测试过程中，以同时接通第一开关阀17和第二开关阀18为宜，且第一开关阀17和第二开关阀18到岩芯的路程相等，避免其中一个扩散室中的气体首先进入岩芯，从而使扩散过程更为准确。

本实施例的可选方案中，扩散系统还包括第一压力传感器19，第一压力传感器19用于监测扩散系统气路的气压，可设置在扩散系统中任意可选的位置。

本实施例的可选方案中，扩散系统还包括第一增压泵101和负载压力表102，第一增压泵101与真三轴仪13连接，用于向真三轴仪13加压，驱动真三轴仪13向岩芯施加足够的载荷。负载压力表102与第一增压泵101连接，用于监测负载压力，避免系统压力过高导致危险。

本实施例的可选方案中，真三轴仪13包括承载机架131、增压室132、液压囊袋133、增压块134、增压板135、密封条136、第二压力传感器137、温度传感器138、电加热丝139、液压缸130、导向柱1301及驱动电路1302。如图2所示，承载机架131为轴向截面成矩形的框架结构，其轴线垂直于水平面，增压室132设置于承载机架131内。增压室132包括承载槽和顶盖，顶盖和承载槽可拆卸连接并可构成容腔体，以便于取放岩芯。增压板135设置于增压室132内，用于向岩芯施加压力，具体的六块增压板135围成矩形空间，相邻的增压板135之间设置有密封条136以形成容纳岩芯的空腔。增压块134为正棱台结构，六个增压块134嵌于增压室132内，四个增压块134环形布置，两个增压块134分别位于上下两端。增压块134一端与增压板135连接，另一端与液压缸130连接，液压缸130背离增压块134的一端与增压室132的内壁连接。具体而言，增压室132的顶部、顶部、前端面、后端面、左端面及右端面均设置有液压缸130及相应的增压块134、增压板135，且液压缸130与增压块134间通过导向柱1301连接并同轴分布，同时各液压缸130间相互并联并分别与第一增压泵101通过高压管路连通，液压囊袋133为轴向截面呈矩形的空心柱状结构，嵌于增压室132内。液压囊袋133设置于增压块134和增压室132之间，并通过高压管路与第一增压泵101连通，通过第一增压泵101驱动液压囊袋133，进而使液压囊袋133膨胀以向增压块134施加压力，进而辅助增压块134推动增压板135并向岩芯加压。相邻两个增压块134之间及增压块134与增压室132内表面间通过密封条136相连，且各增压块134通过密封条136构成闭合腔体结构，以使容纳岩芯的空间恒定，避免气体进入增压室132侧壁与增压块134之间，以及受到液压囊袋133体积变化等因素影响导致气路中的体积变化，进而使测试结果受到干扰。增压室132顶部及底部位置的增压板135设置有透孔1303，增压块134和导向柱1301内均设有导流孔1304，且增压块134的导流孔1304分别与透孔1303及导向柱1301的导流孔1304连通以供气体通过，以保证气体可进入上游扩散室11和下游扩散室12。

如图4所示，增压板135背离岩芯的一侧设至有少一条环绕增压板135轴线呈螺旋状分布的电加热丝139及至少一个温度传感器138，导向柱1301与液压缸130连接位置设置有第二压力传感器137，第二压力传感器137、温度传感器138、电加热丝139、液压缸130均与驱动电路1302电气连接，驱动电路1302与承载机架131外表面连接并与数据处理模块70电气连接。

进一步的，两增压块134相邻的两侧面均为圆弧面结构，密封条136嵌于相邻两个增压块134之间，并包覆在增压块134侧面。如图5所示，密封条136包括圆弧段1361、定位段1362及强化密封段1363，圆弧段1361分别包覆在相邻两个增压块134圆弧侧面，并与相邻两个承压块圆弧侧面滑动连接。圆弧段1361前端面与强化密封段1363连接，后端面与定位段1362连接，且圆弧段1361、定位段1362及强化密封段1363间同轴分布。定位段1362为轴向截面呈L型的直角形结构，且其两直角面分别与相邻的两个增压块134对应的增压室132侧壁平行分布，强化密封段1363为轴向截面呈直角三角形的槽形结构，强化密封段1363超出增压块134并包覆在增压板135靠近岩芯的一侧，直角三角形的槽的边并与增压板135表面平齐，定位段1362超出增压块134并与增压室132内侧面相抵且滑动连接。通过增压板135与密封条136的配合以形成容纳岩芯的空间，并通过增压块134与密封条136的配合提高密封效果，保证在增压板135、增压块134发生移动时仍能保证连接处的密封，从而保证测试气体仅从岩芯中穿过。圆弧段1361、定位段1362及强化密封段1363内均布若干与密封条136轴线平行分布的椭球状形变腔1364，圆弧段1361两端与定位段1362及强化密封段1363连接位置处设至少两个与密封条136轴线垂直分布的椭球状形变腔1364，以保证密封条136的形变空间，提高与被密封件的接触面积，提高密封效果。

本实施例的可选方案中，真三轴仪13另设温控机构，温控机构包括空气涡流管221、空气泵222、换热管223、多通阀224、分流管225及汇流管226，其中空气涡流管221、空气泵222、多通阀224、分流管225及汇流管226均与真三轴仪13的承载机架131连接，空气涡流管221进气端与空气泵222连通，空气泵222通过多通阀224与汇流管226及外部空气环境连通，空气涡流管221的低温排气口、高温排气口分别通过导流管与分流管225连通，分流管225另通过导流管分别与各换热管223进气端通过控制阀连通，汇流管226与各换热管223的排气端间通过控制阀连通，换热管223为“U”字形管状结构，增压块134、密封条136内均设至少一条换热管223，换热管223的进气端、排气端均沿增压室132轴线从上向下分布，并对称分布在增压室132中点两侧，空气泵222、多通阀224均与驱动电路1302电气连接。

使用时，打开增压室132的顶盖，将岩芯放入，随后启动第一增压泵101使液压缸130和液压囊袋133推动增压板135挤压岩芯使岩芯定位。在第一增压泵101的推动下进一步加压，使岩芯达到地层中的受力状态。同时电加热丝139工作进行加热，并通过温控机构调节温度以保持恒温，从而模拟岩芯在地层中的温度。

本实施例的可选方案中，上游扩散室11和下游扩散室12结构相同，以上游扩散室11为例，如图6所示，上游扩散室11包括储气瓶111、氦气传感器112、气压传感器、温湿度传感器114、负压泵115、曝气管116。氦气传感器112、第一气压传感器113、温湿度传感器114设置于储气瓶111内腔的顶部，用于环境状态信息采集，诸如氦气浓度、储气瓶111内部的气压、温度、湿度，其中氦气传感器112可用于辅助监控扩散进度，以便于确定取样时机。负压泵115通过三通阀与储气瓶111连接，可用于对上游扩散室11抽真空，以便于向储气瓶111中注气。曝气管116用于提高储气瓶111内气体分散效率和均匀性。

具体而言，储气瓶111为轴向截面呈矩形的柱状腔体结构，即空心圆柱。储气瓶111内设置有至少三条与储气瓶111轴线平行的曝气管116，且曝气管116环绕储气瓶111的轴线均布。各曝气管116间相互并联并通过三通阀连通，气体进出储气瓶111均需经过曝气管116和三通阀。曝气管116高度不大于储气瓶111高度的1/2，氦气传感器112、第一气压传感器113、温湿度传感器114、负压泵115均与数据处理模块70电气连接。

本实施例的可选方案中，压差平衡氩气瓶30与上游扩散室11连接，用于向上游扩散室11注入氩气；环境气体仿真配置瓶40与下游扩散室12连接，用于向下游扩散室12注入仿真实际环境的含氦天然气。

进一步的，含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置还包括第一气瓶控制阀90和第二气瓶控制阀100。第一气瓶控制阀90设置于压差平衡氩气瓶30和上游扩散室11之间，第二气瓶控制阀100设置于环境气体仿真配置瓶40和下游扩散室12，用于控制气体注入过程。其中，第一气瓶控制阀90仅在注入氩气时接通，其余时刻均保持断开状态。

本实施例中，取气分析系统包括上游气样驻留室21、下游气样驻留室22、色谱载气瓶24和色谱分析仪23。上游气样驻留室21与上游扩散室11连接，用于获取上游扩散室11中的气体；下游气样驻留室22与下游扩散室12连接，用于获取下游扩散室12中的气体；上游气样驻留室21和下游气样驻留室22的初始状态为真空状态，以便获取气体；色谱分析仪23用于分别分析上游气样驻留室21和下游气样驻留室22中的气体的组分；色谱载气瓶24与上游气样驻留室21、下游气样驻留室22以及色谱分析仪23连接，用于携带上游气样驻留室21、下游气样驻留室22中的气体进入色谱分析仪23。

本实施例的可选方案中，上游气样驻留室21和下游气样驻留室22结构相同，以上游气样驻留室21为例。上游气样驻留室21包括承载储气罐、第二气压传感器、第二增压泵、活塞块、驱动气囊。承载储气罐为轴向截面呈矩形的柱状腔体结构，即空心圆柱体。活塞块嵌于承载储气罐内并与承载储气罐内侧面滑动连接，且活塞块与承载储气罐同轴设置并将承载储气罐沿轴线方向分隔为氦气缓存腔和调节腔。驱动气囊嵌于调节腔内并与承载储气罐同轴分布，驱动气囊上端面分别与活塞块下端面及承载储气罐底部相抵，且驱动气囊与第二增压泵连通，氦气缓存腔顶部设置有注入口和排放口，第二气压传感器至少一个并设置于承载储气罐内腔的顶部，第二气压传感器、第二增压泵均与数据处理模块70电气连接。通过第二增压泵带动驱动气囊，并使驱动气囊推动活塞块，从而调节氦气缓存腔的大小，以改变取样的体积，并且通过活塞块的移动可以将氦气缓存腔内的气体排至色谱分析仪23进行分析。

进一步的，取气分析系统还包括第一三通阀25和第二三通阀26，第一三通阀25用于连接上游气样驻留室21、色谱载气瓶24和第二三通阀26，第二三通阀26用于连接下游气样驻留室22、第一三通阀25和色谱分析仪23，通过控制第一三通阀25和第二三通阀26以使上游气样驻留室21和下游气样驻留室22中的气体分别进入色谱分析仪23。具体的，以第一三通阀25和第二三通阀26的三个连接端为a端、b端、c端。第一三通阀25的a端与色谱载气瓶24连接，b端与上游气样驻留室21连接，c端与第二三通阀26的a端连通；第二三通阀26的b端与下游气样驻留室22连接，c端与色谱分析仪23连接。

分析时，首先使第一三通阀25的a端和c端接通，第二三通阀26的a端和c端连通，此时色谱载气瓶24与色谱分析仪23接通。随后使第一三通阀25的a端、b端、c端接通，此时上游气样驻留室21中的气体在色谱载气携带下进入色谱分析仪23。在上游气样驻留室21分析完成后，即色谱图中只显示载气信号时，使第一三通阀25的a端和c端连通，断开与上游气样驻留室21的连接，并且使第二三通阀26的a端、b端、c端接通，对下游气样驻留室22中的气体进行分析。

本实施例的可选方案中，含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置还包括真空泵80和第四控制阀110，真空泵80可用于对装置中的气路进行抽真空，也可对上游气样驻留室21和下游气样驻留室22单独抽真空。第四控制阀110与真空泵80连接，用于控制真空泵80的装置气路的通断。

为保证对上游气样驻留室21和下游气样驻留室22单独抽真空，本实施例的可选方案中，取气分析系统还包括第三开关阀27、第四开关阀28和第五开关阀29。其中第三开关阀27、第四开关阀28串联于上游气样驻留室21和下游气样驻留室22之间，对上游气样驻留室21和下游气样驻留室22抽真空时将第三开关阀27、第四开关阀28接通即可。第五开关阀29设置于下游扩散室12与真空泵80连接的管路上，用于切断真空泵80与下游扩散室12的连通。

进一步的，如图1所示，含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置还包括第四控制阀110，第四控制阀110设置于上游扩散室11与真空泵80连接的管路上，用于切断真空泵80与上游扩散室11的连通。

具体而言，抽真空的过程如下：

对整体气路抽针空时，色谱载气瓶24、压差平衡氩气瓶30和环境气体仿真配置瓶40均关闭，第一三通阀25和第二三通阀26可设置任意状态，其余阀均打开以保证气路抽真空。

当单独对上游气样驻留室21和下游气样驻留室22抽真空时，第二气瓶控制阀100、第三开关阀27和第四开关阀28接通，第二控制阀50、第四控制阀110、第五开关阀29和第三控制阀60断开，第一三通阀25断开与上游气样驻留室21连接，第二三通阀26断开与下游气样驻留室22的连接，然后打开真空泵80即可对游气样驻留室和下游气样驻留室22同时抽真空。

本实施例中，扩散系统的工作过程如下：

在整体气路抽真空后，所有阀均关闭。随后打开第一气瓶控制阀90、第二气瓶控制阀100和第五开关阀29，从而向上游扩散室11中注入氩气，向下游扩散室12中注入仿真实际环境的含氦天然气。当压差传感器14显示上游扩散室11和下游扩散室12压力差不大于0.1KPa，且第一压力传感器19显示气压达到测试所需压力时关闭第一气瓶控制阀90、第二气瓶控制阀100和第五开关阀29。而后打开第一开关阀17和第二开关阀18开始气扩散过程。

在扩散过程中，打开第二控制阀50和第三控制阀60进行取气，此时上游扩散室11与上游气样驻留室21连通，上游扩散室11中的气体进入上游气样驻留室21连通；下游扩散室12与下游气样驻留室22连通，下游扩散室12中的气体进入下游气样驻留室22连通。

随后可控制第一三通阀25和第二三通阀26进行色谱分析。

本实施例的可选方案中，含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置还包括温控系统，温控系统可用于控制各阀、气样驻留室、扩散室、真三轴仪13及管路的温度，以保证测试在恒定的且符合试验要求的温度下进行，从而保证测算结果准确。具体的，温控系统可设置为保温箱，将各阀、气样驻留室、扩散室、真三轴仪13等设置于保温箱内。

本实施例的可选方案中，数据处理模块70以PC计算机、工业计算机中任意一种为基础，且数据处处理模块还设置有串口通讯端口、打印机及扫描仪，用以控制装置的运行状态，收集并分析数据，从而可实现测试的自动进行。

基于本实施例提供的含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置，提出了一种含氦天然气中氦气有效扩散系数测试方法，包括如下步骤：

S100-岩芯加载：将岩芯放置于真三轴仪13中施加压力并保压，同时调整岩芯温度至测试温度并保持温度恒定；

其中，负载压力不低于3MPa。

S200-抽真空：启动真空泵80对扩散系统、取气分析系统以及连接管路抽真空；

S300-充气预制：打开压差平衡氩气瓶30并向上游扩散室11中注入氩气，打开环境气体仿真配置瓶40并向下游扩散室12注入仿真实际环境的含氦天然气，在上游扩散室11和下游扩散室12的气压达到预定值后关闭压差平衡氩气瓶30和环境气体仿真配置瓶40；

需要说明的是，上游扩散室11和下游扩散室12充气后气压差相等，实际测试中，充气后压差不大于0.1KPa，上游扩散室11和下游扩散室12充气后的气压值在0.1MPa-0.5MPa范围。本实施例中，取0.1MPa。

S400-气体扩散：连通上游扩散室11、下游扩散室12和真三轴仪13，在浓度梯度驱动下，上游扩散室11中的氩气经岩芯向下游扩散室12扩散，下游扩散室12中的含氦天然气经岩芯向上游扩散室11扩散；

S500-取气分析：扩散过程中，打开真空泵80将上游气样驻留室21和下游气样驻留室22抽真空，然后关闭真空泵80，打开第二控制阀50使上游气样驻留室21中的气体进入上游扩散室11，打开第三控制阀60使下游气样驻留室22中的气体进入下游扩散室12，然后关闭述第二控制阀50和第三控制阀60；使用色谱分析仪23分别分析上游气样驻留室21和下游气样驻留室22中的混合气体的组分；此步骤至少重复五次，以获取至少五组混合气体的组分的数据，并保证最后两次获取的混合气体组分的数据相同，以确认气体扩散过程完成；

需要说明的是，开始扩散5小时后第一次取气，每间隔5小时取一次气以进行采样。具体时间间隔可据实际情况选定，取气次数也可依实际需要确定，少于5次也可，以确认气体扩散过程完成为准。同时，色谱载气不能与测试气体相同。

S600-扩散系数计算：根据费克第二定律，含氦天然气中第i种气体的有效扩散系数D

（1）；

其中，

L——岩芯的长度，

A——岩芯的横截面积，

V

V

α——第i种气体的浓度衰减指数，计算公式为：

（2）；

——扩散过程中t

——扩散过程中t时刻上游扩散室11和下游扩散室12中第i种气体的浓度差；

——扩散时间，

气体体扩散过程中初始t

因此由上述计算式（1）（2）可得：

（3）；

其中，E=A (1/ V

式（3）用最小二乘法拟合得到斜率k；

最终，含氦天然气中第i种气体的有效扩散系数D

需要说明的是，上游扩散室11体积和下游扩散室12体积包括与其连接的管线的体积。

显而易见的，本装置也可测量含氦天然气中其他组分的扩散系数，并不局限于某一种特定的气体，也可适用于其他种类的混合气体，不局限于含氦天然气。

本发明提供的含氦天然气中氦气有效扩散系数测试装置及方法通过扩散系统模拟含氦天然气在地层环境中的扩散过程，并通过取气分析系统在扩散过程中采集气样进行分析，最后经过计算获得含氦天然气中氦气的有效扩散系数，从而提供了一套完善的测试装置以测算含氦天然气中氦气的扩散系数，对含氦天然气中氦气的扩散行为进行定量表征。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。