本发明涉及石油勘探开发，特别是涉及一种高精度体积法气体吸附和扩散实验方法。
背景技术：
1、气体在多孔介质中的吸附是一种重要的表面现象，在材料、化工、能源等领域具有重要的应用。例如，在能源领域，非常规油气储层主要为页岩和煤，页岩气和煤层气分别以吸附态赋存在页岩和煤的微纳米孔隙的表面；在材料和化工领域，沸石和活性炭都具有极强的吸附能力，因此需要表征气体在这些多孔介质中的吸附行为。同时，气体在吸附过程中，需要通过扩散作用运移经过多孔介质的孔隙结构，扩散系数也是一个重要的实验参数。
2、目前测量气体吸附量的方法主要为三种，体积法、压力法和重力法。体积法通过一个恒定体积的参考缸向样品缸提供气体，通过参考缸和样品缸在实验前后的压力变化和计算出相应的气体密度，建立物质守恒方程计算吸附量。压力法是通过一个注入泵在恒压模式下向样品缸注入气体，恒压模式下气体的密度不变，通过注入泵注入前后的体积变化计算注入的气体量，然后计算吸附量。重力法直接使用磁悬浮天平称量样品重量变化或使用高精度电子秤称量含样品的样品缸的重量变化来计算吸附量。三种方法有各自的优缺点，体积法设备成本低且制造容易，但是精度最低，其主要原因是吸附实验前后压力变化通过压力传感器测量，其误差对吸附量的影响极大，尤其是针对吸附量低的多孔介质样品；压力法要求注入泵的体积计量具有极高的精度，同时注入泵是有移动的活塞，对气密性的要求极高，因此这类注入泵成本很高，优点是吸附测量精度较高；重力法是最直观测量吸附量的一种方式，但是需要高精度的磁悬浮天平或者电子秤，成本是最高的，且磁悬浮天平最大量程只有10克，很难满足样品量大时候的测量；另外一种重力法是通过电子秤，但是要同时称量样品缸的重量，然而样品缸的重量远远大于吸附引起的重量变化，所以误差较大。因此，目前的实验方法很难满足高精度、低成本的吸附等温曲线的测量。
3、目前，对储氢材料吸附性能的测试，由于氢气密度极低，重力法无法计量准确；压力法开展氢气吸附实验需要使用特制的注入泵，即使用特制的注入泵，氢气的泄漏风险也很大；体积法由于其设计简单，气密性容易得到保证，如有新的实验方法的设计提高其测量精度，其适应范围将极大拓展。
4、综上，提供一种高精度体积法气体吸附和扩散实验方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种高精度体积法气体吸附和扩散实验方法，以解决上述现有技术存在的问题，可以实现高压气体条件下等温吸附曲线的高精度测试，并同时实现气体在多孔介质中的扩散测量。
2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
3、本发明提供一种高精度体积法气体吸附和扩散实验方法，包括参考缸、压力缸、样品缸、压差传感器、压力表、放空抽真空系统、温度控制系统和管阀系统；所述参考缸通过管阀系统分别连接氦气源、所述压力缸和所述样品缸，所述压差传感器设置于所述样品缸与压力缸之间，所述压力表设置于所述压力缸处，所述样品缸还通过管阀系统连接所述放空抽真空系统，所述温度控制系统用于控制整个装置的温度；
4、所述管阀系统包括管路和阀门，所述氦气源与所述参考缸之间的管路上设置阀门一，所述参考缸与所述压力缸之间的管路上设置有阀门二，所述参考缸与所述样品缸之间的管路上设置有阀门三；
5、所述放空抽真空系统包括排气管和真空泵，所述样品缸通过管路分别连接排气管和真空泵，所述排气管上设置有阀门四，所述真空泵的管路上设置有阀门五；
6、包括以下步骤：
7、1）、样品安装及初始化
8、将样品按实验要求制备后，安装进所述样品缸；关闭所述阀门一和阀门四，打开所述阀门二、阀门三和阀门五，将整个系统抽真空；抽真空完成后，关闭所有的阀门，记录此时压力为p1；升高系统的温度直至目标温度；
9、2）、不同氦气压力下的样品缸空体积测量
10、设定进气口的氦气压力，打开所述阀门一和阀门二，将氦气充入所述压力缸和参考缸，然后关闭阀门一；当压力稳定后，分别记录压差传感器的读数δp0和压力表的读数记为p2；且可以得知δp0=(p2-p1)；关闭所述阀门二后打开所述阀门三；当压差传感器的读数不变时，实验结束，并记录此时的压差传感器读数δpf；
11、通过公式（1）计算样品缸侧的空体积：
12、 （1）
13、其中，vr是参考缸侧的空体积；v2是需要求取的样品缸侧的空体积；p3为样品缸及参考缸在试验后的压力，通过p2-δpf计算获得；z1，z2，z3分别为p1，p2，p3压力下及温度t下的氦气压缩因子；由于系统在恒温状态下，r是气体常数，且δp0=p2-p1，δpf=p2-p3，即p1=p2-δp0，p3=p2-δpf；
14、通过公式（2）计算样品的固体体积；
15、 （2）
16、其中，vs为样品固体体积；vc为样品缸侧的体积；
17、重复上述步骤，测试另一个氦气压力点下的固体体积，计算出不同压力下的vs记作vs(p)，对应的样品缸空体积为：
18、v2(p)=vc-vs(p) （3）
19、3）、样品在不同吸附性气体压力下的吸附量测量
20、打开所述阀门二、阀门三和阀门四将氦气放空后关闭所述阀门四，打开所述阀门五将系统抽至真空状态，此时压力记为p1，关闭所述阀门三和阀门五；
21、设定进气口的吸附性气体压力，打开所述阀门一和阀门二，将吸附性气体充入所述压力缸和参考缸，然后关闭阀门一；当压力稳定后，分别记录压差传感器的读数δp0和压力表的读数记为p2；且可以得知δp0=(p2-p1)；关闭所述阀门二后打开所述阀门三；当压差传感器的读数不变时，此压力步骤吸附实验结束，并记录此时的压差传感器读数δpf；同理可以获得样品缸初始压力为p1=p2-δp0，参考缸实验初始压力为p2，实验结束后参考缸和样品缸压力为p3=p2-δpf；由此，压力变化可以由压差传感器直接测定；计算此压力条件下的吸附量为：
22、 （4）
23、在此压力下的吸附扩散曲线，即吸附量与压力p的变化关系为：
24、 （5）
25、因为p与时间t的关系是一一对应的，因此吸附量与时间的关系能够获得；
26、在此压力步骤结束后，重复上述步骤，可以获得下一个压力点的吸附量和扩散曲线；开展一系列压力下的吸附实验即可获得一条完整的等温吸附曲线以及每一个压力步骤对应的扩散曲线；
27、4）、吸附膨胀样品的吸附量测量
28、有些样品，比如煤或者页岩，吸附气体后会引起固体体积的膨胀；因此，气体在不同压力下对样品固体体积的综合影响包含了吸附膨胀效应和压力压缩效应；此时，需要另外测量在不同压力下固体体积应变，记为ε(p)，将公式（2）改写为：
29、v2(p)=vc-vs(p)×(1+ ε(p))（6）
30、将公式（6）得到的v2(p)代入公式（4）和（5）中，获得吸附膨胀样品的吸附量和扩散曲线。
31、优选地，所述温度控制系统为一带有温度调节功能的恒温箱，所述参考缸、压力缸、样品缸、压差传感器、压力表、放空抽真空系统和所述管阀系统均放置所述恒温箱内。
32、优选地，所述样品缸为一带有腔体的缸体结构或为岩心夹持器。
33、本发明相对于现有技术取得了以下有益技术效果：
34、本发明提供的高精度体积法气体吸附和扩散实验方法，可以实现高压气体条件下等温吸附曲线的高精度测试，并同时实现气体在多孔介质中的扩散测量；使用一个压力缸保持参考缸的压力状态，利用高精度压差传感器测试实验前后压力缸与样品缸之间较小的压差变化，并使用真实气体状态方程计算吸附量和扩散量，极大提高了体积法测试吸附量的精度。同时本发明考虑了不同压力条件下，样品固体被压缩引起的样品侧空体积变化，进一步提高了实验的精度。此实验方法比传统的体积法吸附方法具有更高的精度，尤其是可用于测量吸附量小或者氢气吸附等需要高精度的应用场景。实验所用样品可以为柱状、块状或粉末状样品。
1.一种高精度体积法气体吸附和扩散实验方法，其特征在于：包括参考缸、压力缸、样品缸、压差传感器、压力表、放空抽真空系统、温度控制系统和管阀系统；所述参考缸通过管阀系统分别连接氦气源、所述压力缸和所述样品缸，所述压差传感器设置于所述样品缸与压力缸之间，所述压力表设置于所述压力缸处，所述样品缸还通过管阀系统连接所述放空抽真空系统，所述温度控制系统用于控制整个装置的温度；
2.根据权利要求1所述的高精度体积法气体吸附和扩散实验方法，其特征在于：所述温度控制系统为一带有温度调节功能的恒温箱，所述参考缸、压力缸、样品缸、压差传感器、压力表、放空抽真空系统和所述管阀系统均放置所述恒温箱内。
3.根据权利要求1所述的高精度体积法气体吸附和扩散实验方法，其特征在于：所述样品缸为一带有腔体的缸体结构或为岩心夹持器。
