体积－压力法碳酸盐含量测定仪的研制

余维初，周克厚，钱秀芸，胡秋萍，胡 琼（长江大学，湖北荆州434023）

肖想松（荆州市现代石油科技发展有限公司，湖北 荆州434000）

体积－压力法碳酸盐含量测定仪的研制

余维初，周克厚，钱秀芸，胡秋萍，胡 琼（长江大学，湖北荆州434023）

肖想松（荆州市现代石油科技发展有限公司，湖北 荆州434000）

针对目前岩心分析中碳酸盐含量测定方法存在的一些问题，提出了一种新方法——体积－压力法及其测定仪的研制。该仪器属石油勘探常规岩心分析测试仪器 ，它克服了体积法和压力法测定碳酸盐含量的缺陷，实现了计算机控制，具有操作简便、分析速度快、体积小、便于携带等优点，可广泛应用于常规岩心岩性分析。

碳酸盐含量；体积法；压力法；体积－压力法；分析仪器

碳酸盐岩是重要的油气储集岩，研究和掌握其特性是认识、评价、保护和改造储层的基础。岩心常规分析的目的之一就是精确快速地获取碳酸盐岩中碳酸盐含量，以更好地了解储层特性，从而为石油的勘探开发提供依据。关于这一参数的获取与分析方法较多，一般有体积法、色谱法、库仑仪法、滴定法、压力法、扩散法、重量法、双电极法等［1，2］。此外，利用地震资料结合人工神经网络方法可反演地层中的碳酸盐含量，为沉积相的判别提供重要指标［3］。其含量的测定也广泛应用于冶金、煤碳、建筑、水利等部门，为工程的设计与施工提供重要参数。尽管测定碳酸盐含量的方法众多，但它们或多或少在分析质量和分析速度上都存在一定的缺陷。例如重量法中仪器组装及化学材料要求较为繁杂，滴定法和扩散法过于耗时。为此，笔者重点探讨体积－压力法及其测定仪的研制。

1 体积法和压力法的测定原理及优缺点

目前最常用的2种方法当属体积法和压力法，碳酸盐含量的测定基于下述反应：

在体积法中，方法原理是用过量的盐酸分析岩石样品中的碳酸盐，释放出CO2气体，通过收集并计量CO2气体的体积，计算岩石样品中碳酸盐的含量。原理如图1所示。该方法具有操作简便、分析速度快、造价低廉的优点，方法的准确度和精密度均较好，且在一定的控制条件下引起的分析误差很小［4］。但缺点也很显著，试验装置过于简陋，玻璃制品易碎，操作起来不太方便。

图1 体积法测定碳酸盐含量试验装置图

压力法测量在一定密闭容器中，用一定量的岩样与稀盐酸反应，产生CO2气体，使容器内压力增加。在一定温度下，样品的量越多，生成的CO2越多，产生的压力越高。考虑到容器的压变性，二者并非呈线性关系。在等温条件下，可用一系列不同重量的标准岩样（含量已知的碳酸钙，最好是纯碳酸钙）来标定压力与CaCO3的重量，再除以样品总重量，得出岩样中碳酸盐的含量［5］。试验原理图如2所示。

为了方便获取试验数据，已在某些相关设备中引入了现代电子和微机技术，解决了精度低、测量范围窄、没有温度补偿等缺点［6］。压力法的仪器设备比较先进，具有体积小、重量轻、操作简便、经济适用等优点，既可用于实验室分析也适用于现场测试。但也存在不少缺点，由于反应时不能搅拌，盐酸与岩石粉末反应不充分；反应生成的气体不多，相应压力也不是很大，产生的误差较大；生成的CO2水蒸气呈酸性，会腐蚀容器中的金属表面，严重影响仪器的使用寿命；若采用特殊材料，又会增加成本。

图2 压力法测定碳酸盐含量的原理图

2 体积－压力法测定原理及仪器结构

在综合比较体积法和压力法测定试验仪器的优缺点和原理的基础上，以改进体积法仪器设备为出发点，运用压力法处理数据，笔者提出了一种测量岩石碳酸盐含量的新方法——体积－压力法。

1）方法原理 利用过量的盐酸分解岩石样品中的碳酸盐，收集释放的CO2气体并计量，同时计量CO2气体产生的压力，通过对试验压力进行实时采集、分析处理，最后计算得到碳酸盐总含量。图3为体积－压力法测定碳酸盐含量的仪器结构及原理图。

2）仪器结构 耐酸计量泵通过进酸阀连接储酸杯，耐酸计量泵的出口通过注酸阀与酸岩反应杯连接，酸岩反应杯通过连接管线与U型计量管连接；U型计量管中装入有一定量的水，其出口通过管线与大气相通；酸岩反应杯与U型计量管的连接管线上装有排气阀和压力传感器；压力传感器通过电缆线与数据采集板连接；数据采集板通过通讯线和R232串口与计算机连接；酸岩反应杯置于电磁搅拌器上，电磁搅拌器具有无级调速搅拌功能。

图3 压力－体积法碳酸含量仪原理图

3 体积－压力法测定试验步骤

1）称取一定量的岩石粉末，打开排气阀，取下酸岩反应杯，将岩石粉末装入其中，然后拧上盖，片刻后关闭排气阀。

2）打开进酸阀，用耐酸计量泵吸入15ml浓度为15%的盐酸，关闭进酸阀，打开注酸阀，将盐酸注入酸岩反应杯中。

3）启动电磁搅拌器，使岩石粉末与盐酸充分反应。

4）待U型计量管内液面稳定后，读取两端液面体积V。

5）按公式计算生成的CO2的体积。

6）按公式计算出砂岩中碳酸盐岩的含量。

4 体积－压力法测定计算

4.1 CO2的体积计算

1）初始空白体积V0进酸阀、注酸阀关闭（初始状态）且U型压差计液面处于0－0位置时，从进酸阀到注酸阀的管线中的空白体积，需要预先标定，设为V0，即：

式中，ρw为管中水的密度，g/cm3。

虽然在试验过程中由于酸 －盐反应的反应热会导致仪器反应器系统升温，但结合气体状态方程，系统升温的影响可忽略不计，故可视为整个试验过程中是在等温条件下进行的，也可采用一定的设备保证整个反应过程是在等温环境下发生的［5］。则有：

式中，pa为换算到大气压条件下带压气体的压力，且p0＝pa；Va为换算到大气压条件下带压气体的体积，cm3。

当酸岩反应杯中温度降到初始温度时：

所以，碳酸盐岩反应生成的CO2气体在大气压下的体积Vx为初始条件下气体的增量，即：

式中，W为岩样重量，g；ρ岩为岩样的密度，mg/ml；ρw为U型计量管中水的密度，mg/ml。

4.2 碳酸盐岩含量计算

岩石样品中碳酸盐岩的含量以碳酸钙的质量分数来表示，其计算公式为：

式中，η为岩样中碳酸钙的含量，%；ρ为实验室温度、大气压下CO2气体密度，g/cm3。

5 结 语

体积－压力法碳酸盐含量测定仪克服了体积法和压力法测定岩石碳酸盐含量的缺陷，实现了计算机控制，具有操作简便、分析速度快、分析精度高、主机体积小、便于携带等优点，且仪器的使用寿命长，可广泛应用于常规岩心岩性的分析测试，具有较高的推广价值。

体积－压力法测定仪已取得1项国家专利，专利号为：ZL201020274451.1。

［1］沈吉，王楚，梁雪，等.库仑法碳酸盐含量自动分析仪的研制［J］.分析测试技术与仪器，1994，（2）：1～5.

［2］郁慧福.碳酸盐测定方法现状及方法比较［J］.海洋地质动态，2007，23（1）：35～39.

［3］熊艳，钟广法，李前裕，等.利用地震资料反演地层的碳酸盐含量［J］.地球科学（中国地质大学学报），2006，31（6）：851～856.

［4］关云梅.气体体积法测定岩心中碳酸盐的含量［J］.石油与天然气化工，1995，24（4）：292～294.

［5］秦己舜，孙士孝 .TSY－1型碳酸盐含量分析仪［J］.石油仪器，1990，4（3）：135～141.

［6］刘忠战，于坚.微机技术在碳酸盐含量测定分析仪中的应用［J］.新疆石油地质，1990，11（2）：163～165.

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

YU Wei－chu，ZHOU Ke－hou，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

余维初（1965－），男，2006年中国石油大学（北京）毕业，博士，教授，现主要从事油田化学和油气储层保护研究领域的教学和科研工作。

［编辑］ 苏开科