一種氣水同注的煤層氣吸附解吸實驗方法及其設備技術

本發明專利技術提供了一種氣水同注的煤層氣吸附解吸實驗方法及其設備。所述設備包括：甲烷儲罐(1)、水蒸汽發生器(2)、第一容器R1(3)、第二容器R2(4)、第三容器R3(5)和填充實驗煤樣的第四容器R4(6)；其中第一容器R1通過管路、以及管路另一端的第一氣體入口(7)可控的與外界連通，第二容器R2通過管路、以及管路另一端的第二氣體入口(8)可控的與外界連通，第一容器R1、第二容器R2分別可控地通過管路與第三容器R3連通，第三容器R3可控地通過管路與第四容器R4連通；其中水蒸汽發生器可與所述第二氣體入口連通以與第二容器R2連通，甲烷儲罐可通過第一氣體入口連通以與第一容器R1連通。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及煤層氣吸附解吸領域，具體的說，是涉及一種氣水同注的煤層氣吸附解吸實驗方法及其設備。
技術介紹
目前國內外普遍采用煤的高壓容量法等溫吸附實驗方法，即將一定粒度的煤樣置于密封容器中，測定在不同壓力條件下達到吸附平衡時所吸附的甲烷等實驗氣體的體積。根據Langmuir單分子層吸附理論，計算求得表征煤的吸附特性的Langmuir體積(VL)、Langmuir壓力(PL)以及等溫吸附曲線。此方法現被普遍采用。高壓容量法的測定原理是：將處理好的干燥煤樣裝入吸附罐，高溫真空脫氣，脫氣完成后充氦氣標定吸附罐的自由體積，向吸附罐中充入一定體積甲烷，使吸附罐內壓力達到平衡，部分氣體被吸附，部分氣體仍以游離狀態存在，已知充入的甲烷體積，扣除自由體積中的游離體積，即為吸附體積；重復上述過程，得到各平衡壓力下的吸附體積量，連通起來即為吸附等溫線。反之，壓力由高向低，逐步放出甲烷氣體，就可以得到解吸等溫線。下列現有實驗方法僅對實驗樣品的制備及氣水注入次序進行了不同的改進與改變，其它實驗流程及步驟均按照高壓容量法等溫吸附實驗方法進行。(1)干煤樣等溫吸附解吸實驗方法1968年，M.E.Daines組裝建立了新的氣體等溫吸附測量裝置，用稱重法計量吸附氣量。1974年，T.C.Ruppel通過一系列純氣體在干燥煤樣中的等溫吸附實驗，進一步改進了體積法測定吸附曲線的方法。1990年，M.J.Mavor等建立了評價氣體在煤巖中等溫吸附數據的方法，建立了測量煤層氣等溫吸附曲線的步驟，并基于Langmuir方程進行推導，認為理論上煤層氣的等溫吸附/解吸曲線沒有滯后現象。該方法的缺點是：無法還原原始地層條件，實驗環境與煤巖基質孔隙存在水的原始儲層條件差異較大，該方法基于的吸附解吸理論均未考慮基質中水的作用。(2)平衡水煤樣和先注水后吸附解吸煤樣等溫吸附解吸實驗方法該方法主要參照美國ASTM標準[5]平衡水處理過程進行：把煤粉加入蒸餾水，然后放入恒溫箱中。將煤樣中多余的水濾干。攪勻煤粉，取出一定厚度煤樣稱重，放入干燥器中達到平衡狀態。將干燥器保持恒溫，通入干燥空氣。將干燥器從水浴中取出并立即打開，快速蓋上稱重瓶的瓶蓋，稱重。將其放到預熱到105℃的水份測量烘箱內，加熱，然后取出稱重瓶，蓋上蓋子，在盛有硫酸的封閉干燥器中冷卻30min并再次稱重。平衡濕度計算公式為： M e = ( 1 - G 2 - G 1 G 2 ) × M a d + G 2 - G 1 G 2 × 100 ]]>式中：Me——樣品的平衡水分含量，單位為百分數(％)；G1——平衡前空氣干燥基樣品質量，單位為克(g)；G2——平衡后樣品質量，單位為克(g)；Mad——樣品的空氣干燥基水分含量，單位為百分數(％)該方法的缺點是：雖然平衡水煤樣等溫吸附實驗結果比干燥煤樣更接近原位地層條件，但是嚴格來講，儲層條件下煤層中存在自由水，而平衡水處理僅僅相當于恢復了分解水、化合水、吸附水，而自由水在該條件下并不能得到恢復。實際地層條件下的原位煤儲層都不同程度的含有液態水，煤中液態水能克服一定的毛細管力而進入孔徑更小的孔隙中，該方法未能考慮到充填孔裂隙和潤濕煤內表面的液態水對煤吸附特性的影響。平衡水煤樣吸附解吸實驗可視為先注水后吸附解吸煤樣等溫吸附解吸實驗方法的特例。先注水后吸附解吸的實驗過程為：1)樣品干燥與抽真空。2)大氣壓下水浸。3)高壓注水。該方法的優缺點是：該方法考慮了水對煤層甲烷吸附過程的影響，但注水后再充入甲烷進行吸附時，由于煤顆粒表面被水膜所包被，甲烷只能吸附在水膜上，實驗獲得的吸附量較實際情況偏小。(3)先注氣吸附后注水解吸煤樣的等溫吸附解吸實驗方法Joubert的實驗過程為：將煤樣放置于吸附裝置中，脫氣24h，接通注氣裝置開始吸附，記錄所有吸附過程的壓力變化；吸附平衡后接通注水設備，注水的同時調節內部試樣的水壓，持續24h，記錄全部注水過程的水壓變化；注水完成后接通集氣裝置進行常壓解吸，解吸平衡的判定依據是解吸速率小于10mL/h，所有的解吸試驗均持續48h，同時記錄所有解吸過程的排氣量。該方法的優缺點是：該方法考慮了水對煤層甲烷解吸過程的影響，但注水后再進行解吸時，由于水對甲烷分子的阻隔作用，使得實驗解吸數據較真實情況偏小。相關研究結果表明，潤濕次序對吸附解吸具有影響，但是現有的實驗潤濕卻沒有考慮煤層氣成藏過程氣水同時生成的事實。本專利技術采用氣水同時注入煤樣孔隙中再降壓解吸的實驗方法，使甲烷氣和水蒸汽競爭吸附后再降壓解吸，盡可能還原實際煤層氣水賦存方式和吸附解吸特征。因此很有必要設計該實驗方法從而進一步得出相應結論，豐富吸附解吸機理。
技術實現思路
本專利技術的一個目的在于提供一種氣水同注的煤層氣吸附解吸實驗用設備。本專利技術的另一目的在于提供一種氣水同注的煤層氣吸附解吸實驗方法。為達上述目的，一方面，本專利技術提供了一種氣水同注的煤層氣吸附解吸實驗用設備，所述設備包括：甲烷儲罐1、水蒸汽發生器2、第一容器R13、第二容器R24、第三容器R35和填充實驗煤樣的第四容器R46；其中第一容器R1通過管路、以及管路另一端的第一氣體入口7可控的與外界連通，第二容器R2通過管路、以及管路另一端的第二氣體入口8可控的與外界連通，第一容器R1、第二容器R2分別可控地通過管路與第三容器R3連通，第三容器R3可控地通過管路與第四容器R4連通；其中水蒸汽發生器可與所述第二氣體入口連通以與第二容器R2連通，甲烷儲罐可通過第一氣體入口連通以與第一容器R1連通。根據本專利技術的一些具體實施方式，其中所述設備還包括真空泵16，所述真空泵可控地與第二容器R2連通。根據本專利技術的一些具體實施方式，其中當甲烷氣體儲罐與第一氣體入口連通后，在甲烷氣體儲罐和第一容器R1之間的管路上設置第一氣體增壓泵17、以及當水蒸氣發生器與第二氣體入口連通后，在水蒸氣發生器和第二容器R2之間的管路上設置第二氣體增壓泵17’。根據本專利技術的一些具體實施方式，其中第一容器R1通過第一三通管路9可控地分別與第一氣體入口和第三容器R3連通，第二容器R2通過第二三通管路10可控地分別與第二氣體入口和第三容器R3連通，第三容器R3通過管路可控地與第四容器R4連通。根據本專利技術的一些具體實施方式，其中第一三通管路與第一氣體入口連通的管路上設置閥門V1，第一三通管路與第三容本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種氣水同注的煤層氣吸附解吸實驗用設備，其特征在于，所述設備包括：甲烷儲罐(1)、水蒸汽發生器(2)、第一容器R1(3)、第二容器R2(4)、第三容器R3(5)和填充實驗煤樣的第四容器R4(6)；其中第一容器R1通過管路、以及管路另一端的第一氣體入口(7)可控的與外界連通，第二容器R2通過管路、以及管路另一端的第二氣體入口(8)可控的與外界連通，第一容器R1、第二容器R2分別可控地通過管路與第三容器R3連通，第三容器R3可控地通過管路與第四容器R4連通；其中水蒸汽發生器可與所述第二氣體入口連通以與第二容器R2連通，甲烷儲罐可通過第一氣體入口連通以與第一容器R1連通；優選還包括真空泵(16)，所述真空泵可控地與第二容器R2連通；還優選當甲烷氣體儲罐與第一氣體入口連通后，在甲烷氣體儲罐和第一容器R1之間的管路上設置第一氣體增壓泵(17)、以及當水蒸氣發生器與第二氣體入口連通后，在水蒸氣發生器和第二容器R2之間的管路上設置第二氣體增壓泵(17’)。

【技術特征摘要】
2015.06.04 CN 20151030301451.一種氣水同注的煤層氣吸附解吸實驗用設備，其特征在于，所述設備包括：甲烷儲罐(1)、水蒸汽發生器(2)、第一容器R1(3)、第二容器R2(4)、第三容器R3(5)和填充實驗煤樣的第四容器R4(6)；其中第一容器R1通過管路、以及管路另一端的第一氣體入口(7)可控的與外界連通，第二容器R2通過管路、以及管路另一端的第二氣體入口(8)可控的與外界連通，第一容器R1、第二容器R2分別可控地通過管路與第三容器R3連通，第三容器R3可控地通過管路與第四容器R4連通；其中水蒸汽發生器可與所述第二氣體入口連通以與第二容器R2連通，甲烷儲罐可通過第一氣體入口連通以與第一容器R1連通；優選還包括真空泵(16)，所述真空泵可控地與第二容器R2連通；還優選當甲烷氣體儲罐與第一氣體入口連通后，在甲烷氣體儲罐和第一容器R1之間的管路上設置第一氣體增壓泵(17)、以及當水蒸氣發生器與第二氣體入口連通后，在水蒸氣發生器和第二容器R2之間的管路上設置第二氣體增壓泵(17’)。2.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，其中第一容器R1通過第一三通管路(9)可控地分別與第一氣體入口和第三容器R3連通，第二容器R2通過第二三通管路(10)可控地分別與第二氣體入口和第三容器R3連通，第三容器R3通過管路可控地與第四容器R4連通。3.根據權利要求1所述的設備，其特征在于，其中第一三通管路與第一氣體入口連通的管路上設置閥門V1(11)，第一三通管路與第三容器R3連通的管路上設置閥門V3(13)；第二三通管路與第二氣體入口連通的管路上設置閥門V2(12)，第二三通管路與第三容器R3連通的管路上設置閥門V4(14)；第三容器R3與第四容器R4連通的管路上設置閥門V5(15)；優選所述氣體增壓泵分別設置在第一三通管路與閥門V1連通的管路上，以及第二三通管路與閥門V2連通的管路上；優選所述真空泵通過設置閥門V6(22)的管路與連接在閥門V4、第二容器R2和第二氣體增壓泵之間的管路相連通。4.根據權利要求1～3任意一項所述的設備，其特征在于，第一容器R1、第二容器R2、第三容器R3和第四容器R4各自獨立分別設置壓力傳感器(18)、溫度傳感器(19)和濕度傳感器(20)中的至少一種或多種；優選所述壓力傳感器、溫度傳感器和濕度傳感器與計算機(21)電連接。5.一種氣水同注的煤層氣吸附解吸實驗方法，其特征在于，所述方法為應用權利要求1～4任意一項所述的設備，包括如下步驟：(1)在保持第一容器R1、第二容器R2、第三容器R3和第四容器R4真空狀態下，分別切斷第一容器R1、第二容器R2和第三容器R3的連通；連通甲烷儲罐和第一容器R1，給第一容器R1充入甲烷；連通水蒸汽發生器和第二容器R2，給第二容器R2充入水蒸汽；并保持甲烷儲罐、水蒸汽發生器不與第三容器R3連通；(2)切斷甲烷儲罐和第一容器R1的連通，以及切斷水蒸氣發生器和第二容器R2的連通，保持第一容器R1和第二容器R2在密閉下分別記錄第一容器R1和第二容器R2的壓力Pc1和Ph1(單位為MPa)，優選控制Ph1須小于當前實驗溫度下水的飽和蒸汽壓，然后計算得到第一容器中甲烷的摩爾量nc1，計算公式為nc1＝Pc1*VR1/Zc1/R/(273.15+Tc1)，其中，VR1表示第一容器R1內甲烷的體積，單位為cm3，Zc1表示第一容器R1內甲烷的氣體偏差因子，通過D-A-K天然氣偏差系數計算關系式得到，R為摩爾氣體常數，恒等于8.314MPa·cm3/(mol·K)，Tc1表示第一容器R1內甲烷的溫度，單位為℃；(3)切斷第三容器R3和第四容器R4的連通，分別連通第一容器R1和第三容器R3、以及第二容器R2和第三容器R3，待第一容器R1、第二容器R2和第三容器R3壓力平衡后，記錄三個容器的壓力Pch1(單位為MPa)、溫度Tch1(單位為℃)和相對濕度計算出三個容器中自由的甲烷和水蒸汽的總摩爾量nch1，nch1＝Pch1*(VR1+VR2+VR3)/Zch1/R/(273.15+Tch1)，式中VR1、VR2和VR3分別表示第一容器、第二容器和第三容器的體積，單位為cm3，Zch1可根據濕度儀顯示的相對濕度數據折算為氣體中水蒸汽的摩爾含量h1(<1)，折算公式為式中P0為實驗溫度下水的飽和蒸汽壓，再應用D-A-K天然氣偏差系數計算關系式得到；繼而計算三個容器中水蒸汽的摩爾量nh1＝nch1-nc1；(4)連通第三容器R3和第四容器R4，待第一容器R1、第二容器R2、第三容器R3和第四容器R4壓力平衡后，記錄四個容器的壓力Pch1’(單位為MPa)、溫度Tch1’(單位為℃)和相對濕度計算出四個容器中自由的甲烷和水蒸汽的總摩爾量nch1’，計算公式為nch1’＝Pch1’*(VR1+VR2+VR3+VR4)/Zch1’/R/Tch1’，式中R＝8.314MPa·cm3/(mol·K)，Zch1’可根據濕度儀顯示的相對濕度數據折算為氣體中水蒸汽的摩爾含量h1’(<1)，折算公式為再應用D-A-K天然氣偏差系數計算關系式得到；繼而計算出甲烷和水蒸汽總的吸附量ncha1，計算公式為：ncha1＝nch1-nch1’，自由的水蒸汽的摩爾量nh1’＝nch1’*h1’，吸附的水蒸汽量nha1＝nh1-nh1’；吸附的甲烷摩爾量nca1＝ncha1-nha1；(5)切斷第二容器R2和第三容器R3的連通，將第二容器R2抽真空，連通水蒸汽發生器與第二容器R2，給第二容器R2中再次充入水蒸汽，控制R2中壓力小于當前實驗溫度下水的飽和蒸汽壓；切斷第一容器R1和第三容器R3的連通，連通甲烷儲罐與第一容器R1，給第一容器R1中再次充入甲烷，使R1中的壓力大于本次充氣前的2倍以上；(6)切斷甲烷儲罐和第一容器R1的連通，記錄第一容器R1的壓力Pci；切斷水蒸氣發生器和第二容器R2的連通，記錄第二容器R2的壓力Phi，式中下標i表示吸附次數，i＝2,3,4,…,n；(7)切斷第三容器R3和第四容器R4的連通，同時分別連通第一容器R1和第三容器R3、以及第二容器R2和第三容器R3，待第一容器R1、第二容器R2和第三容器R3壓力平衡后，記錄三個容器的壓力Pchi，計算出三個容器中自由的甲烷和水蒸氣的總摩爾量nchi，nchi＝Pchi*(VR1+VR2+VR3)/Zchi/R/(273.15+Tchi)，Zchi可根據濕度儀顯示的相對濕度數據折算為氣體中水蒸汽的摩爾含量hi(<1)，折算公式為再應用D-A-K天然氣偏差系數計算關系式得到；繼而計算三個容器中水蒸汽的摩爾量nhi＝nchi*hi，三個容器中甲烷的摩爾量nci＝nchi*(1-hi)；則第i次吸附前四個容器中自由的甲烷和水蒸汽的總摩爾量為nchi+nchi-1’*VR4/(VR1+VR2+VR3+VR4)，自由的甲烷和水蒸汽的摩爾量分別為nhi+nhi-1’*VR4/(VR1+VR2+VR3+VR4)和nci+nci-1’*VR4/(VR1+VR2+VR3+VR4)；(8)連通第三容器R3和第四容器R4，待第一容器R1、第二容器R2、第三容器R3和第四容器R4壓力平衡后，記錄四個容器的壓力Pchi’，計算出四個容器中自由的甲烷和水蒸汽的總摩爾量nchi’，計算公式為nchi’＝P...

【專利技術屬性】
技術研發人員：石軍太，李靖，蒲云超，李彥尊，崔全勇，孫政，李相方，
申請(專利權)人：中國石油大學北京，
類型：發明
國別省市：北京;11