CN104502224A - 饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定装置及方法，该装置包括注气与抽真空控制子***、注水控制子***、真三轴岩心夹持与控制子***以及脱水计量子***；真三轴岩心夹持与控制子***的注气管孔、注水管孔通过管线分别与注气与抽真空控制子***及注水控制子***相连接，真三轴岩心夹持与控制子***的出口端与脱水计量子***的脱水装置入口端相连接；脱水计量子***实现累计排出气水质量的分别计量。饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定方法是在上述装置的基础上进行的实验方法，本发明通过真实地再现煤岩所处的地应力场、地下水压力场和温度场等地下环境，开展煤层气体解吸特性实验，装置结构清晰，数据采集可靠，结果准确可信。

Description

饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定装置及方法

技术领域

本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定装置及方法。

背景技术

煤岩储层一般埋藏在地下深部，处在特定的环境条件之中，受到地应力场、地下水压力场和地温场等多场耦合作用。煤层气开发就是通过特定的工程及其开发方式改变煤层气赋存环境条件，从而使煤层中吸附的甲烷气解吸出来。此外，开发过程中水的注入是必不可少的，注入水会破坏煤层原先建立的地下水动力条件，对煤层气解吸产生影响，因此试验应尽可能接近煤层实际状态，考虑水饱和情况。

通过检索，申请号201110130731.4(授权公告号为CN102297829B)的发明专利公开了一种应力条件下煤岩气体吸附量和吸附变形的测量方法及装置，该方法可以测量不同应力条件下煤岩气体吸附量和吸附变形；申请号201110240836.5(申请公布号为CN102419295A)的发明专利公开了一种受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验***和方法，提供了一种能够对煤试样在不同的外部加载压力和不同的瓦斯气压下进行瓦斯吸附和解吸试验的受载煤岩恒压瓦斯吸附解吸试验***和方法；申请号201210122353.X(申请公布号为CN102636424A)的发明专利公开了一种测定煤岩吸附气体量和渗透率的方法，提供了一种约束煤岩试件环形应变下同时测定煤岩吸附气体量和渗透率的方法与装置；申请号201210409446.0(申请公布号为CN102901803A)的发明专利公开了一种受载含瓦斯煤水气两相吸附-解吸-渗流实验***和方法，可以实现受载含瓦斯煤在不同固气热耦合条件下的吸附解吸实验和瓦斯渗流实验、也可以实现水气两相的渗流实验和不同含水率条件下的瓦斯吸附解吸实验的***和方法；申请号201310030953.8(授权公告号为CN103115844B)的发明专利公开了一种煤页岩等温吸附/解吸曲线的测定方法，用于测定不同地应力、不同温度等真实地层状态下煤页岩中气体吸附/解吸量及等温吸附/解吸曲线。

目前，国内已有的煤岩解吸分析装置与方法的设计环境与煤岩储层实际赋存环境条件相差较大，无法真实反映地应力场、地下水压力场和温度场等对煤层气体解吸的影响，影响因素考虑不够全面，导致煤岩解吸实验数据及规律与实际排采存在较大偏差，因而无法有效地指导煤层气排采生产。

发明内容

为克服现有实验技术的缺陷，本发明提供一种饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定装置及方法，该实验装置操作简单，方法易于实施，可以测定不同地应力、不同温度、饱和可流动水条件下煤岩等温解吸曲线，为科学地指导煤层气现场排采实践提供实验基础。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定装置，包括：注气与抽真空控制子***、注水控制子***、真三轴岩心夹持与控制子***以及脱水计量子***；其中：注气与抽真空控制子***通过管线与真三轴岩心夹持与控制子***的注气管孔相连接，为真三轴岩心夹持与控制子***注气和抽真空；注水控制子***通过管线与真三轴岩心夹持与控制子***的注水管孔相连接，为真三轴岩心夹持与控制子***施加饱和地下水环境；真三轴岩心夹持与控制子***的出口端通过管线连接脱水计量子***的脱水装置入口端相连接；真三轴岩心夹持与控制子***提供煤岩标准试件夹持以及所处地应力场和温度场环境模拟；脱水计量子***实现真三轴岩心夹持与控制子***出口端累计排出气水质量的分别计量。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1、本发明用于原煤煤样，装置与方法的设计环境综合反映了煤岩储层实际赋存条件对煤岩等温解吸曲线的影响，能真实地再现实际煤岩气体解吸所处的地下环境及解吸过程；

2、本发明可真实反映地应力场、地下水压力场和温度场等对煤层气体解吸的影响，也可考虑地下水质或外来液体对地下煤层气体解吸的影响，可以进行单因素影响或多因素耦合影响试验，所测定的解吸曲线可更加真实地表征地下煤层气体的解吸特性；

3、本发明装置结构清晰，数据处理考虑了煤岩孔隙可流动水对煤层气体解吸特性的影响，数据采集可靠，结果准确可信。

附图说明

图1为饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定装置的结构示意图；

图中：1、注气与抽真空控制子***；2、注水控制子***；3、真三轴岩心夹持与控制子***；4、脱水计量子***；

11、高压气瓶；12、出气阀门；13、减压阀；14、真空泵；15、真空泵阀门；16、四通；17、入口端压力计；18、入口端气体质量流量计；19、进气阀门；

21、恒速恒压泵；22、出口端压力计；23、进水三通；24、进水阀门；

31、真三轴岩心夹持器；32a、注气管孔，32b、注水管孔；33、压力传感器；34、温度传感器；35、恒温水浴；36、出口端阀门；37、出口端定压阀；38、压力计；39、出口端三通；

41、脱水装置；42、精密电子天平；43、气体质量流量计。

具体实施方式

如图1所示，饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定装置，包括：注气与抽真空控制子***1、注水控制子***2、真三轴岩心夹持与控制子***3以及脱水计量子***4；注气与抽真空控制子***1通过管线与真三轴岩心夹持与控制子***3的注气管孔32a相连接，为真三轴岩心夹持与控制子***3注气和抽真空；注水控制子***2通过管线与真三轴岩心夹持与控制子***3的注水管孔32b相连接，为真三轴岩心夹持与控制子***3施加饱和地下水环境；真三轴岩心夹持与控制子***3的出口端通过管线连接脱水计量子***4的脱水装置41入口端；真三轴岩心夹持与控制子***3提供煤岩标准试件夹持以及所处地应力场和温度场环境模拟；脱水计量子***4实现真三轴岩心夹持与控制子***3出口端累计排出气水质量的分别计量。

注气与抽真空控制子***1，包括：高压气瓶11、出气阀门12、减压阀13、真空泵14、真空泵阀门15、四通16、入口端压力计17、入口端气体质量流量计18、进气阀门19；高压气瓶11与减压阀13连接，减压阀13调节从高压气瓶11出来的气体压力，中间设置出气阀门12；四通16的四个接口分别通过管线与减压阀13、真空泵14、入口端压力计17、进气阀门19相连；真空泵14与四通16相连的管线上设有真空泵阀门15，四通16与气阀门19相连的管线上设有入口端气体质量流量计18，入口端压力计17实时观测注气实验管路压力，入口端气体质量流量计18测量累计注入真三轴岩心夹持与控制子***3的气体质量。

注水控制子***2，包括：恒速恒压泵21、出口端压力计22、进水三通23、进水阀门24，进水三通23的三个接口分别通过管线与恒速恒压泵21、出口端压力计22、进水阀门24相连；恒速恒压泵21实现恒压注水，出口端压力计22实时观测注水实验管路压力。

真三轴岩心夹持与控制子***3，包括：真三轴岩心夹持器31、注气管孔32a、注水管孔32b、压力传感器33、温度传感器34、恒温水浴35、出口端阀门36、出口端定压阀37、压力计38、出口端三通39；真三轴岩心夹持器31可夹持、固定密封煤样并对煤样施加轴压和X、Y、Z三个方向的围压，属于现有技术，不再详述，真三轴岩心夹持器31置于恒温水浴35中保持恒温；真三轴岩心夹持器31顶端设有注气管孔32a、注水管孔32b；进气阀门19通过管线与注气管孔32a相连接，实现注气和抽真空；进水阀门24通过管线与注水管孔32b相连接，为真三轴岩心夹持与控制子***3施加饱和地下水环境；真三轴岩心夹持器31的进口端设有压力传感器33，用于实时观测真三轴岩心夹持器31内部压力；真三轴岩心夹持器31的内部设有温度传感器34，用于实时观测真三轴岩心夹持器31内部温度；恒温水浴35通过外接水管与恒速恒压泵21入口相连接，用于保持恒速恒压泵21的注水温度与***温度一致；真三轴岩心夹持器31出口端与出口端阀门36、出口端定压阀37依次通过管线连接；

脱水计量子***4，包括：脱水装置41、精密电子天平42、气体质量流量计43，脱水装置41用于对真三轴岩心夹持与控制子***3出口端出来的气水混合流体进行脱水分离，属于现有技术，不再详述；脱水装置41置于精密电子天平42之上，用于计量真三轴岩心夹持与控制子***3出口端的累计流出水质量；脱水装置41的顶部设有入口、出口；

出口端三通39的三个接口分别与出口端定压阀37、压力计38、脱水装置41顶部的入口相连接；压力计38用于实时观测出口端实验管路压力，脱水装置41顶部的出口设有排气管线，排气管线上设有气体质量流量计43，用于测量真三轴岩心夹持与控制子***3出口端的累计流出气体质量。

饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定方法，采用上述饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定装置，具体包括以下步骤：

S1：测定煤岩标准试件的孔隙率，将标准试件装入真三轴岩心夹持器31中，并整体置入恒温水浴35中，开启恒温水浴35，设定实验温度；

S2：向真三轴岩心夹持器31的三轴压力室排空加油，检查各***是否正常工作，并检查实验装置气密性；

S3：打开真空泵阀门15和真空泵14，对标准试件进行脱气3-6h；

S4：关闭真空泵阀门15和真空泵14，设置真三轴岩心夹持器31的轴压和围压，将高压气瓶11换为高压氦气瓶，打开出气阀门12，向***充入氦气(纯度＞99.999％)，待压力传感器33示数稳定后，通过记录的入口端高精度气体质量流量计18和压力传感器33的示数值，由下式计算***的自由空间体积，重复实验三次，取平均值作为自由空间体积:

$V_{\mathrm{free}}=\frac{\mathrm{ZmRT}}{\mathrm{pM}}---\left(1\right)$

式中：V_free为自由空间体积，m³；p为平衡后的***压力，Pa；m为充入夹持器内氦气的质量，g；M为气体相对分子质量，g/mol；Z为气体压缩因子，无量纲；R为通用气体常数，8.314J/(mol·K)；T为***温度，K；

S5：打开真空泵阀门15和真空泵14，对***持续抽真空3-6h后关闭；

S6：将高压气瓶11换为高压待测气瓶，打开出气阀门12，以实验设定压力向***充入待测气体，注入时间持续12h以上；关闭出气阀门12，记录入口端高精度气体质量流量计18和压力传感器33示数值，确定***待测气体累计充入质量及平衡后的***压力；

S7：关闭进气阀门19，设定出口端定压阀37的压力为平衡后的***压力，打开进水阀门24和出口端阀门36，恒速恒压泵21以略高于***压力的水平向真三轴岩心夹持器31中稳定注水，直至高精度气体质量流量计43的示数值在3-6h内无变化，认为此时煤岩标准试件达到饱和水状态，关闭进水阀门24，记录精密电子天平42的示数值，记为m_wi；

S8：***平衡12-48h，待压力传感器33的示数趋于稳定，通过压力传感器33、精密电子天平42和高精度气体质量流量计43分别记录***平衡压力、***累计出水质量以及出口端待测气体累计流出质量，根据下式计算吸附气体积：

$V_{\mathrm{ad}}=\frac{Z_0(m_t-m_g){\mathrm{RT}}_0}{p_{0}M}-\frac{0.0224p}{\mathrm{ZRT}}(V_{\mathrm{free}}-{\mathrm{\φV}}_s+\frac{m_w-m_{\mathrm{wi}}}{{\mathrm{\ρ}}_w})---\left(2\right)$

式中：V_ad为待测气体吸附量，m³；m_t为***待测气体累计充入质量，g；m_g为出口端待测气体累计流出质量，g；φ为试件平均孔隙率；V_s为试件体积；m_w为***累计出水质量，g；ρ_w为水的密度，g/cm³；下标0代表标准状态；

S9：逐次调整降低出口端定压阀37的压力，放出部分待测气体，重复步骤S8、S9，直至设计的最低实验压力；

S10：根据实验记录的***平衡压力及其对应的吸附气体积，绘制饱和水条件下煤岩等温解吸曲线。

实验过程中通过改变加载应力、温度、水质等条件，可以研究不同地质和工程条件下煤岩等温解吸变化情况，从而为煤层气有效开发设计和理论研究提供实验基础。

Claims (7)

1.一种饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定装置，包括：注气与抽真空控制子***、注水控制子***、真三轴岩心夹持与控制子***以及脱水计量子***；其特征在于：注气与抽真空控制子***通过管线与真三轴岩心夹持与控制子***的注气管孔相连接，为真三轴岩心夹持与控制子***注气和抽真空；注水控制子***通过管线与真三轴岩心夹持与控制子***的注水管孔相连接，为真三轴岩心夹持与控制子***施加饱和地下水环境；真三轴岩心夹持与控制子***的出口端通过管线连接脱水计量子***的脱水装置入口端；真三轴岩心夹持与控制子***提供煤岩标准试件夹持以及所处地应力场和温度场环境模拟；脱水计量子***实现真三轴岩心夹持与控制子***出口端累计排出气水质量的分别计量。

2.根据权利要求1所述的饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定装置，其特征在于：注气与抽真空控制子***，包括：高压气瓶、出气阀门、减压阀、真空泵、真空泵阀门、四通、入口端压力计、入口端气体质量流量计、进气阀门；高压气瓶与减压阀通过管线连接，高压气瓶与减压阀相连的管线上设置出气阀门；四通的四个接口分别通过管线与减压阀、真空泵、入口端压力计、进气阀门相连；真空泵与四通相连的管线上设有真空泵阀门，四通与气阀门相连的管线上设有入口端气体质量流量计。

3.根据权利要求1‐2所述的饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定装置，其特征在于：注水控制子***，包括：恒速恒压泵、出口端压力计、进水三通、进水阀门，进水三通的三个接口分别通过管线与 恒速恒压泵、出口端压力计、进水阀门相连。

4.根据权利要求1‐3所述的饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定装置，其特征在于：真三轴岩心夹持与控制子***，包括：真三轴岩心夹持器、注气管孔、注水管孔、压力传感器、温度传感器、恒温水浴、出口端阀门、出口端定压阀、压力计、出口端三通；真三轴岩心夹持器置于恒温水浴中保持恒温；真三轴岩心夹持器顶端设有注气管孔、注水管孔；进气阀门通过管线与注气管孔相连接，进水阀门通过管线与注水管孔相连接，真三轴岩心夹持器的进口端设有压力传感器，真三轴岩心夹持器的内部设有温度传感器，恒温水浴通过外接水管与恒速恒压泵入口相连接，真三轴岩心夹持器出口端与出口端阀门、出口端定压阀依次通过管线连接。

5.根据权利要求1‐4所述的饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定装置，其特征在于：脱水计量子***，包括：脱水装置、精密电子天平、气体质量流量计，脱水装置置于精密电子天平之上，脱水装置的顶部设有入口、出口；出口端三通的三个接口分别与出口端定压阀、压力计、脱水装置顶部的入口相连接；脱水装置顶部的出口设有排气管线，排气管线上设有气体质量流量计。

6.一种饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定方法，采用权利要求1‐5之一所述的饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定装置，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1：测定煤岩标准试件的孔隙率，将标准试件装入真三轴岩心夹持器中，并整体置入恒温水浴中，开启恒温水浴，设定实验温度；

S2：向真三轴岩心夹持器的三轴压力室排空加油，检查***是否正常工作，并检查实验装置气密性；

S3：打开真空泵阀门和真空泵，对标准试件进行脱气3‐6h；

S4：关闭真空泵阀门和真空泵，设置真三轴岩心夹持器的轴压和围压，将高压气瓶换为高压氦气瓶，打开出气阀门，向***充入氦气，待压力传感器示数稳定后，通过记录的入口端高精度气体质量流量计和压力传感器的示数值，由下式计算***的自由空间体积，重复实验三次，取平均值作为自由空间体积:

式中：V_free为自由空间体积，m³；p为平衡后的***压力，Pa；m为充入夹持器内氦气的质量，g；M为气体相对分子质量，g/mol；Z为气体压缩因子，无量纲；R为通用气体常数，8.314J/(mol·K)；T为***温度，K；

S5：打开真空泵阀门和真空泵，对***持续抽真空3‐6h后关闭；

S6：将高压气瓶换为高压待测气瓶，打开出气阀门，以实验设定压力向***充入待测气体，注入时间持续12h以上；关闭出气阀门，记录入口端高精度气体质量流量计和压力传感器示数值，确定***待测气体累计充入质量及平衡后的***压力；

S7：关闭进气阀门，设定出口端定压阀的压力为平衡后的***压力，打开进水阀门和出口端阀门，恒速恒压泵以略高于***压力的水平向真三轴岩心夹持器中稳定注水，直至高精度气体质量流量计的示数值在3‐6h内无变化，认为此时煤岩标准试件达到饱和水状态，关 闭进水阀门，记录精密电子天平的示数值，记为m_wi；

S8：***平衡12‐48h，待压力传感器的示数趋于稳定，通过压力传感器、精密电子天平和高精度气体质量流量计分别记录***平衡压力、***累计出水质量以及出口端待测气体累计流出质量，根据下式计算吸附气体积：

式中：V_ad为待测气体吸附量，m³；m_t为***待测气体累计充入质量，g；m_g为出口端待测气体累计流出质量，g；φ为试件平均孔隙率；V_s为试件体积；m_w为***累计出水质量，g；ρ_w为水的密度，g/cm³；下标0代表标准状态；

S9：逐次调整降低出口端定压阀的压力，放出部分待测气体，重复步骤S8、S9，直至设计的最低实验压力；

S10：根据实验记录的***平衡压力及其对应的吸附气体积，绘制饱和水条件下煤岩等温解吸曲线。

7.根据权利要求6所述的饱和水条件下煤岩等温解吸曲线测定方法，其特征在于：实验过程中通过改变加载应力、温度、水质等条件，可以研究不同地质和工程条件下煤岩等温解吸变化情况。