CN109946215A - 一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，包括原位煤体模拟***、煤体注水***、吸附平衡***、吸附监测***、数据采集与分析***；原位煤体模拟***中采用柱状煤体试验，通过围压加载器和轴压加载器模拟原位煤体所受的应力，通过煤体注水***模拟原位煤体的含水量，以煤体对气体发生吸附过程中煤体应变的动态变化特征反应煤体对气体的吸附动力学过程，以煤体达到吸附平衡前后的时间节点为关键点，厘定煤体吸附作用引起的气体参考缸压力变化，通过改变煤体所受的模拟应力和含水量得出不同条件下煤体对气体的吸附量，不仅解决了常规容量法的不足之处，更为精确评估原位条件下煤体对气体的吸附能力提供了一种方法。
Description
技术领域
本发明属于非常规天然气开发领域，具体是一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置。
背景技术
目前，有关煤储层气体吸附量的测试均是对粉煤在未承载条件下，采用容量法进行静态等温吸附实验，并以实验过程中粉煤对气体的吸附量来评估原位条件下煤储层对气体的吸附能力及煤储层含气饱和度等基础参数，进而指导煤层气开发工程的实施。然而，粉煤在粒度、应力状态方面与实际煤储层完全不一致，这就导致了未承载条件下粉煤的静态等温吸附实验获取的气体吸附量测试结果与实际煤储层严重不符，这种情况对于深部处于高温、高地应力条件下的煤储层更为明显。此外，基于容量法的常规静态等温吸附实验中，煤粉的吸附膨胀会造成样品缸自由空间体积的变化，这进一步对容量法中基于样品缸自由空间体积而获取的煤粉气体吸附量的测试结果形成误差。然而由于测试难度的影响，目前有关煤粉吸附膨胀对样品缸自由空间体积影响的校正方法尚不存在。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，以煤体对气体发生吸附过程中煤体应变的动态变化特征反应煤体对气体的吸附动力学过程，以煤体达到吸附平衡前后的时间节点为关键点，厘定煤体吸附作用引起的气体参考缸压力变化，进而结合真实气体状态方程获取模拟原位条件下煤体对气体的吸附量，本发明不仅解决了常规容量法的不足之处，更为精确评估原位条件下煤体对气体的吸附能力提供了一种方法。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，包括原位煤体模拟***、煤体注水***、吸附平衡***、吸附监测***、数据采集与分析***；
所述原位煤体模拟***包括夹持器、电加热器、柱状煤体、液压伺服***；液压伺服***包括液压泵、围压加载器、轴压加载器；其中，电加热器通过底座安装在夹持器外表面并对夹持器加热使夹持器内部温度达到预设温度；柱状煤体置于夹持器内，液压泵通过液压管线和溢流阀与围压加载器和轴压加载器均连接，围压加载器安装于夹持器外表面，轴压加载器安装于夹持器左端；
所述煤体注水***包括储水箱、设置于注水管线的高压水泵、水流阀门、水压表、水流量表，储水箱通过该注水管线与夹持器连接，高压水泵、水流阀门、水压表、水流量表在注水管线上沿储水箱到夹持器的方向依次设置；
所述吸附平衡***包括夹持器出口阀门、CH4气瓶、CO2气瓶、气体增压泵、CH4参考缸、CO2参考缸、设置于CH4气瓶输出管线的第一阀门、设置于CO2气瓶输出管线的第二阀门、设置于真空泵抽真空管线的第三阀门、设置于气体增压泵出口的第四阀门、第五阀门、第六阀门、真空泵、CH4参考缸进口阀门、CH4参考缸出口阀门、CO2参考缸进口阀门、CO2参考缸出口阀门、第七阀门、第八阀门；其中，CH4气瓶、CO2气瓶均与气体增压泵连接，真空泵安装于CH4气瓶、CO2气瓶之后、气体增压泵之前，CH4参考缸、CO2参考缸依次安装于气体增压泵之后；真空泵通过抽真空管线与气体输送管线连接；
吸附监测***包括安装于CH4参考缸入口端的第一气体压力表、安装于CO2参考缸入口端的第二气体压力表、第三气体压力表、安装于CH4参考缸、CO2参考缸之后的气体压力自动***、第一气体流量计、第一应变片、第二应变片、第二气体流量计；所述的第七阀门、第八阀门分别安装于气体压力自动***两端；第七阀门左端及第八阀门右端还连接有一安装有第五阀门的辅助管线，辅助管线与气体压力自动***所在的气体输出管线并联，第八阀门之后的气体输出管线上依次安装有第三气体压力表、第一气体流量计、第六阀门；第一应变片沿轴向安装于柱状煤体表面，第二应变片沿径向安装于柱状煤体表面；第二气体流量计设置于夹持器出口阀门之后；
所述的数据采集与分析***包括数据采集箱和计算机，数据采集箱通过数据线与液压泵、第一气体压力表、第二气体压力表、第三气体压力表、气体压力自动***、第一气体流量计、第二气体流量计、第一应变片、第二应变片、计算机均连接。
进一步地，所述CH4参考缸、CO2参考缸均为精密定值的固定体积刚性缸体。
进一步地，柱状煤体直径50cm，长度100cm。
进一步地，第一气体压力表、第二气体压力表和第三气体压力表精度为0.01MPa。
进一步地，第一应变片和第二应变片精度为10-8。
前述的原位煤体气体吸附量测试模拟装置对原位煤体气体吸附量测试的方法包括以下步骤：
(1)、样品准备：沿垂直层理方向钻制柱状煤体，柱状煤体，用砂纸在柱状煤体表面分别沿轴向和径向预粘贴应变片的部位打磨出粗糙面；于柱状煤体表面分别沿轴向粘贴第一应变片、沿径向粘贴第二应变片；
(2)、样品安装：打开夹持器，将粘贴过应变片的柱状煤体放入夹持器内，并将第一应变片、第二应变片用数据线连接至数据采集箱；开启电加热器对夹持器加热至实验温度，保证柱状煤体处于设定温度环境内；
(3)、围压、轴压交替加载：连接液压伺服***，按照先加围压、再加轴压的原则操作，操作步骤依次为：a、先启动液压泵，用围压加载器对柱状煤体施加2MPa的围压后暂停加载；b、打开轴压加载器对柱状煤体施加2MPa的轴压后暂停加载，重复a和b步骤，直到加载至轴压和围压均为实验设定的应力状态后关闭液压泵；
(4)、气密性检验：围压、轴压交替加载后，首先关闭所有阀门，接着打开第三阀门、第四阀门、CH4参考缸进口阀门、CH4参考缸出口阀门、CO2参考缸进口阀门、CO2参考缸出口阀门、第五阀门、第六阀门，启动真空泵对整个装置***进行抽真空至第一气体压力表、第二气体压力表和第三气体压力表的压力值均为-0.1MPa，接着关闭第三阀门，观测压力值是否稳定；若压力值保持稳定，接着进行步骤(5)；若压力值不稳定，重复步骤(2)和(3)；
(5)、注水：气密性检验后，启动高压水泵、打开水流阀门、保持水压表数值为2MPa压力值，向柱状煤体注水，水流量表显示的数值为预设的注水体积时，关闭水流阀门结束注水；
(6)、稳态吸附气源准备：关闭除第二阀门、第四阀门、CO2参考缸进口阀门外的所有阀门，启动气体增压泵向CO2参考缸进行CO2气体增压，增压至第二气体压力表显示的压力值高于最高实验压力值3MPa时，关闭CO2参考缸进口阀门停止增压；
(7)、注气吸附：完成稳态吸附气源准备后，关闭所有阀门，设定气体压力自动***为实验压力值，控制向柱状煤体注入的气体压力始终为设定的实验压力值，保证夹持器内柱状煤体在恒压下稳态吸附，然后依次打开CO2参考缸出口阀门、第七阀门、第八阀门、第六阀门向柱状煤体注入CO2气体，进行吸附实验，第一气体流量计采集注入夹持器的气体量；实验过程中计算机记录轴向应变数据、径向应变数据及CO2参考缸内气体压力变化数据，并在一张图上形成曲线，当轴向应变数据、径向应变数据及CO2参考缸内气体压力数据均平稳不变时，结束注气吸附实验；然后关闭所有阀门，打开夹持器出口阀门将夹持器内的CO2气体放掉，第二气体流量计采集夹持器放掉的气体量；紧接着，关闭除第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门外的所有阀门，启动真空泵对柱状煤体抽真空，脱除煤体内残余的CO2气体，结束实验。
(8)、吸附作用下关键点的判识：以第一应变片记录的煤体轴向应变曲线为依据，选取轴向应变曲线转折点处为煤体发生吸附作用的开始时刻，以轴向应变曲线平稳不变处为煤体达到吸附饱和的终点时刻，该开始时刻和终点时刻分别对应于CO2参考缸内气体压力变化曲线上的压力数据P2和P3；在煤体发生吸附作用期间，CO2参考缸内气体压力由P2降为P3，参考缸内CO2气体的减小量便为模拟状态下煤体对CO2气体的吸附量；
(9)、气体吸附量的计算：以气体摩尔量为单位计算气体吸附量，根据真实气体状态方程ni＝PiV/(ZiRT)计算出P2、P3所对应的气体摩尔量n2、n3，再根据公式Δn＝n2-n3计算出模拟原位状态下煤体对CO2气体的吸附量Δn；真实气体状态方程ni＝PiV/(ZiRT)中，Pi为气体压力，单位：10-3MPa，V为气体参考缸的体积，单位：cm3，Zi为对应于气体压力Pi下气体的压缩因子，R为气体常数，T为温度，单位：K，ni为气体的摩尔量，单位：mol。
进一步地，步骤(3)应力加载过程中，为了防止柱状煤体裂开，采用应力控制的方式进行加载，加载速率小于等于0.05MPa/s。
进一步地，步骤(2)中的实验温度可以为25℃～60℃，步骤(3)中实验设定的应力可以为8～50MPa，步骤(5)中预设的注水体积可以为5～30mL。
进一步地，原位煤体吸附量计算后，启动真空泵对夹持器抽真空；可以重复步骤(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)，通过改变煤体的受力状态、煤体含水量以及注气压力，进一步开展不同条件下原位煤体气体吸附量的测试实验，最终总结出应力、含水性、气体压力对原位煤体气体吸附量的影响规律，为研究不同地质背景条件下煤体对气体吸附能力的评估提供依据。
进一步地，上述测试装置和测试方法可以用于模拟原位煤体对CH4和/或CO2气体吸附量的测试中。
采用上述技术方案，本发明具有如下优点：
本发明采用煤体替代粉煤、采用液压伺服***对煤体进行应力加载，通过使用原位煤体模拟***和煤体注水***，能够实现对煤层原始状态的模拟，真实反应煤体所处的应力环境、地层温度、含水性信息等；安装于夹持器之前的气体压力自动***可以实现气体压力的跟踪控制，保证柱状煤体进行稳态吸附。本发明中进行含气量测试所采用的实验样品为柱状煤体，而非粉煤，且在模拟原始地层条件下进行气体吸附量测试，以煤体对气体发生吸附过程中煤体应变的动态变化特征反应煤体对气体的吸附动力学过程，以煤体达到吸附平衡前后的时间节点为关键点，进而厘定煤体吸附作用引起的气体参考缸压力变化，进而结合真实气体状态方程获取模拟原位条件下煤体对气体的吸附量，通过煤体吸附膨胀过程中应变的测量动态反应煤对气体发生吸附作用这一微观行为，实验数据可靠性高；能对不同应力、不同温度、不同含水性条件下原位煤体对气体的吸附量进行测试，为区块内煤层气资源量的合理评估提供了技术方案，不仅解决了常规容量法的不足之处，更为精确评估原位条件下煤体对气体的吸附能力提供了一种方法。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明图1中所述柱状煤体的立体图。
图3为本发明方法中所记录的柱状煤体的轴向应变、径向应变以及CO2参考缸内气体压力数据图。
【主要元件符号说明】
1：气体输送管线 2：气体输出管线 3：抽真空管线 4：辅助管线
5：注水管线 11：夹持器 12：电加热器 13：柱状煤体 14：液压泵
15：围压加载器 16：轴压加载器 17：液压管线 18：溢流阀
21：储水箱 22：高压水泵 23：水流阀门 24：水压表 25：水流量表
31：夹持器出口阀门 32：CH4气瓶 33：CO2气瓶 34：气体增压泵
35：CH4参考缸 36：CO2参考缸 37：第一阀门 38：第二阀门 39：第三阀门
40：第四阀门 41：第五阀门 42：第六阀门 43：真空泵
44：CH4参考缸进口阀门 45：CH4参考缸出口阀门 46：CO2参考缸进口阀门
47：CO2参考缸出口阀门 48：第七阀门 49：第八阀门 51：第一气体压力表
52：第二气体压力表 53：第三气体压力表 54：气体压力自动***
55：第一气体流量计 56：第一应变片 57：第二应变片
58：第二气体流量计 61：数据采集箱 62：计算机
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例，对依据本发明提出的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
如图1至图3所示，本发明提供如下技术方案：一种原位煤体气体吸附量测试的模拟装置，包括原位煤体模拟***、煤体注水***、吸附平衡***、吸附监测***、数据采集与分析***；
原位煤体模拟***包括夹持器11、电加热器12、柱状煤体13、液压伺服***；其中，电加热器通过金属底座安装在夹持器外表面，柱状煤体直径50cm，长度100cm，通过对夹持器加热使处于夹持器内的柱状煤体处于预设的温度环境中。液压伺服***包括液压泵14、围压加载器15、轴压加载器16；液压泵通过液压管线17和溢流阀18与围压加载器和轴压加载器均连接，围压加载器安装在夹持器外表面，轴压加载器安装在夹持器左端头。
煤体注水***包括储水箱21、高压水泵22、水流阀门23、水压表24、水流量表25。储水箱26通过注水管线5与夹持器11连接，高压水泵、水流阀门、水压表、水流量表在注水管线上沿储水箱到夹持器的方向依次设置。
吸附平衡***包括、夹持器出口阀门31、CH4气瓶32、CO2气瓶33、气体增压泵34、CH4参考缸35、CO2参考缸36、第一阀门37、第二阀门38、第三阀门39、第四阀门40、第五阀门41、第六阀门42真空泵43、CH4参考缸进口阀门44、CH4参考缸出口阀门45、CO2参考缸进口阀门46、CO2参考缸出口阀门47、第七阀门48、第八阀门49。其中，CH4气瓶32、CO2气瓶33均与气体增压泵34连接，真空泵43安装于CH4气瓶、CO2气瓶之后、气体增压泵34之前，CH4参考缸35、CO2参考缸36依次安装于气体增压泵34之后；其中，CH4参考缸、CO2参考缸均为精密定值的固定体积刚性缸体。CH4气瓶、CO2气瓶的输出管线上分别安装有第一阀门37、第二阀门38，CH4或CO2均通过气体输送管线1进入气体增压泵，并经过气体输出管线2分别进入CH4参考缸、CO2参考缸以及后续进入夹持器内进行注气实验。真空泵43通过安装有第三阀门39的抽真空管线3与气体输送管线1连接；第四阀门40设置于气体增压泵34出口。
吸附监测***包括第一气体压力表51、第二气体压力表52、第三气体压力表53、气体压力自动***54、第一气体流量计55、第一应变片56、第二应变片57、第二气体流量计58；其中，第一气体压力表安装于CH4参考缸入口端，第二气体压力表安装于CO2参考缸入口端；气体压力自动***安装于CH4参考缸、CO2参考缸之后，且气体压力自动***两端分别安装有第七阀门、第八阀门，在第七阀门左端及第八阀门右端还连接有一安装有第五阀门的辅助管线4，辅助管线4与气体压力自动***54所在的气体输出管线并联；第八阀门49之后的气体输出管线上依次安装有第三气体压力表53、第一气体流量计55、第六阀门42；第一应变片56沿轴向安装于柱状煤体表面，第二应变片57沿径向安装于柱状煤体表面；第一气体压力表51、第二气体压力表52和第三气体压力表53精度为0.01MPa，第一应变片和第二应变片的应变ε精度为10-8。
数据采集与分析***包括数据采集箱61和计算机62，所述数据采集箱为集成式数据采集箱，可以通过数据线分别与液压泵、第一气体压力表、第二气体压力表、第三气体压力表、气体压力自动***、第一气体流量计、第二气体流量计、第一应变片、第二应变片、计算机连接，其中计算机可实现对数据采集箱采集数据的分析与作图。
第一应变片和第二应变片通过检测柱状煤体吸附气体过程中的应变变化，采用煤体吸附气体过程中煤体应变发生动态变化这一方式解决了常规静态等温吸附实验无法反应煤对气体吸附过程这一难题，同时以煤体达到吸附膨胀平衡前后的时间节点为关键点，读取煤体吸附平衡前后CH4参考缸或者CO2参考缸的气体压力值，进而结合参考缸气体和真实气体状态方程，计算原位煤体对CH4或者CO2气体的吸附量。
为验证本发明一种原位煤体气体吸附量测试的模拟装置的有效性，本发明人采集了蒙陕矿区的长焰煤，以CO2气体为例，采用本发明进行了原位煤体气体吸附量测试。
使用本发明进行原位煤体气体吸附量测试时，按以下步骤进行操作：
(a)、样品准备：采集自蒙陕矿区的长焰煤，沿着垂直层理方向钻制柱状煤体，柱状煤体直径50cm，长度100cm；用砂纸在柱状煤体表面分别沿轴向和径向预粘贴应变片的部位打磨出粗糙面；进一步，参见图2，沿轴向粘贴第一应变片于柱状煤体表面，沿径向粘贴第二应变片于柱状煤体表面；
(b)、样品安装：打开夹持器，将粘贴过应变片的柱状煤体放入夹持器内，放置好后，将第一应变片、第二应变片用数据线连接至数据采集箱；接着，开启电加热器对夹持器加热至实验温度，可以是30℃，保证柱状煤体处于设定温度环境内；
(c)、围压、轴压交替加载：连接液压伺服***，按照先加围压、再加轴压的原则进行操作，操作步骤依次为：a、先启动液压泵，用围压加载器对柱状煤体施加2MPa的围压后暂停加载；b、打开轴压加载器对柱状煤体施加2MPa的轴压后暂停加载，重复a和b步骤，直到加载至轴压10MPa、围压10MPa的应力状态后，关闭液压泵；应力加载过程中，为了防止柱状煤体裂开，采用应力控制的方式进行加载，加载速率小于等于0.05MPa/s；
(d)、气密性检验：围压、轴压交替加载后，首先关闭所有阀门，接着打开第三阀门、第四阀门、CH4参考缸进口阀门、CH4参考缸出口阀门、CO2参考缸进口阀门、CO2参考缸出口阀门、第五阀门、第六阀门，启动真空泵对整个装置***进行抽真空，抽真空至第一气体压力表、第二气体压力表和第三气体压力表的压力值均为-0.1MPa，接着关闭第三阀门，观测压力值是否稳定；若压力值保持稳定，接着进行步骤(e)；若压力值不稳定，重复步骤(b)和(c)；
(e)、注水：气密性检验后，关闭所有阀门，启动高压水泵、打开水流阀门、保持水压表数值为2MPa压力值，向柱状煤体注水，水流量表显示的数值为10mL时(此时相当于煤体含水量在10％左右)，关闭水流阀门，结束注水；
(f)、稳态吸附气源准备：为保障煤体发生恒定气体吸附压力下的稳态吸附时有充足的气源，实验开始前进行了稳态吸附气源准备，首先，关闭除第二阀门、第四阀门、CO2参考缸进口阀门外的所有阀门，启动气体增压泵向CO2参考缸进行CO2气体增压，增压至第二气体压力表显示的压力值高于最高实验压力值3MPa时，关闭CO2参考缸进口阀门，停止增压；
(g)、注气吸附：完成稳态吸附气源准备后，关闭所有阀门，以6MPa(实验压力值)气体压力下煤体发生吸附作用为例，设定气体压力自动***为6MPa，控制向柱状煤体注入的气体压力始终为6MPa，保证夹持器内柱状煤体在恒压下进行稳态吸附，然后依次打开CO2参考缸出口阀门、第七阀门、第八阀门、第六阀门向柱状煤体注入CO2气体，进行吸附实验；第一气体流量计采集注入夹持器的气体量；实验过程中计算机记录轴向应变数据、径向应变数据及CO2参考缸内气体压力变化数据，并在同一张图上形成曲线，当轴向应变数据、径向应变数据及CO2参考缸内气体压力数据均平稳不变时，结束注气吸附实验；然后，关闭所有阀门，打开夹持器出口阀门将夹持器内的CO2气体放掉，第二气体流量计采集夹持器放掉的气体量；紧接着，关闭除第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门外的所有阀门，启动真空泵对柱状煤体抽真空，脱除煤体内残余的CO2气体，结束实验。
(h)、气体吸附量计算时应变曲线的选取：由图3可以看出，在数据监测时间内，数据质量良好，为便于对比柱状煤体对CO2气体发生吸附过程中，CO2参考缸内气体压力变化情况与柱状煤体吸附CO2过程中应变量的变化情况，将轴向应变、径向应变、CO2参考缸内气体压力绘制在同一时间坐标的图形上。图3显示CO2气体注入夹持器进行注气吸附的过程中，柱状煤体径向应变始终呈现出增加的趋势，因此无法从径向应变判识气体吸附作用下引起的变形量。由于CO2气体自夹持器端口注入，在CO2气体注入初期，CO2气体参考缸气体压力迅速降低(图3中点P1至点P2)，此时夹持器内柱状煤体尚未对CO2气体发生吸附，在CO2气体压缩作用下第一应变片记录的煤体轴向应变呈现出下降趋势(图3中点A11至点A22)，在此阶段受轴向压缩变形的影响，第二应变片记录的煤体径向应变相应增加；随着注气时间的持续，至点A22时，第一应变片记录的煤体轴向应变呈现出增加的趋势，显然这是由于煤体对CO2发生吸附作用导致煤体膨胀所致，伴随着吸附作用的发生煤体发生吸附膨胀变形，柱状煤体轴向应变由A11至A22段的压缩变形转为自A22点开始的吸附膨胀变形，煤体轴向应变和径向应变均持续增加，由此可见轴向应变曲线上转折点A22即为柱状煤体对CO2气体发生吸附作用的起始时刻；至点A33柱状煤体已达到吸附饱和状态，对气体不再发生吸附作用，相应的不再存在吸附膨胀现象，煤体轴向应变和径向应变已持续稳定一段时间，点A33对应的时间为柱状煤体达到吸附饱和的最终时刻。为此，相比于径向应变曲线，选取图3中柱状煤体的轴向应变曲线便于判识煤体对气体发生吸附作用的起始与终止时刻。
(i)气体吸附量计算时关键点的选取：图3中关键点P1与A11、关键点P2与A22、关键点P3与A33分别对应相同的时间点。柱状煤体对CO2气体发生吸附前，受气体注入作用的影响，CO2参考缸内气体压力迅速下降(对应于图3中点P1至P2之间)，同时由于气体自加持器轴向注入，对柱状煤体的轴向起到压缩作用，第一应变片监测到的柱状煤体轴向处于应变减小状态(对应于图3轴向应变曲线上点A11至点A22)；随着柱状煤体对CO2气体开始发生吸附作用，柱状煤体产生吸附膨胀(对应于图3中点A22)，吸附至图3中轴向应变曲线上点A33对应的时间坐标时，第一应变片监测到的轴向应变基本保持不变，同时第二应变片监测到的径向应变基本保持不变。同时由图3可以看出，在柱状煤体对CO2气体发生吸附期间(图3中点A22至点A33之间)，CO2参考缸内气体压力持续下降(图3中点P2至点P3之间)，分别选取关键点P2及点P3对应的气体压力数据P2、P3保存于计算机，为下一步计算煤体的气体吸附量提供参数。
(j)原位煤体气体吸附量计算：计算原位煤体气体吸附量的具体方法为：
计算机根据真实气体状态方程ni＝PiV/(ZiRT)编程计算上述(i)步中P2、P3对应的气体吸附量n2、n3；式中，Pi为气体压力(10-3MPa)，V为气体参考缸的体积(cm3)，Zi为对应于气体压力Pi下气体的压缩因子，R为气体常数，T为温度(K)，ni为气体的摩尔量(mol)。计算出n2、n3后，计算机根据公式Δn＝n2-n3编程，计算出的Δn便为模拟原位状态下煤体对CO2气体的吸附量；
(k)原位煤体吸附量计算后，关闭第七阀门、第八阀门，打开第三阀门、第四阀门、第五阀门，启动真空泵对夹持器抽真空；可重复步骤(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)，改变煤体的受力状态、煤体的含水量、注气压力，进一步开展不同条件下原位煤体对CO2气体吸附量的测试实验，最终总结出应力、含水性、气体压力对原位煤体对CO2气体吸附量的影响规律，为研究不同地质背景条件下煤体对气体吸附能力的评估提供依据。
上述方法中，气体吸附量计算时应变曲线的选取以应变片记录的轴向应变曲线为依据，对煤体发生吸附的起始时刻与终止时刻进行判识。气体吸附量计算时关键点的选取中以轴向应变曲线转折点处为煤体发生吸附作用的开始时刻，以轴向应变曲线平稳不变处为煤体达到吸附饱和的终点时刻。气体吸附量计算时，参考缸体积为已知的固定体积，以气体摩尔质量为单位，利用真实气体状态方程获取吸附开始时刻与终止时刻参考缸气体的减小量，即为模拟状态下原位煤体的气体吸附量。
本发明可以利用同样的方法改变阀门打开关闭情况研究原位煤体对CH4气体吸附量的影响规律。具体为：上述步骤(f)中关闭除第一阀门、第四阀门、CH4参考缸进口阀门外的所有阀门，启动气体增压泵向CH4参考缸进行CH4气体增压，增压至第一气体压力表显示的压力值高于最高实验压力值3MPa时，关闭CH4参考缸进口阀门，停止增压；
上述步骤(g)中保证夹持器内柱状煤体在恒压下进行稳态吸附，依次打开CH4参考缸出口阀门、第七阀门、第八阀门、第六阀门向柱状煤体注入CH4气体，进行吸附实验并计算原位煤体对CH4气体的吸附量。
无论煤粉或者煤体对气体发生吸附时，吸附膨胀现象仅对样品缸自由空间体积产生影响，对气体参考缸自由空间体积无任何影响。受样品缸内煤体对气体吸附作用的影响，参考缸内气体压力必然下降，在气体参考缸自由空间体积不变的情况下，当采集了“试样吸附平衡前后气体参考缸内气体的压力值”，进一步采取真实气体状态方程便可获取气体参考缸内气体的减小量，该值便为煤体对气体的吸附量。本发明不以样品缸自由空间体积为基准，而是以煤体吸附平衡前后气体参考缸的自由空间体积不发生变化为重点，以煤体吸附平衡前后气体参考缸的压力变化着手，进而测试煤体对气体的吸附量，有效克服了常规容量法基于样品缸自由空间体积获取气体吸附量的不足之处。由于煤对气体的吸附作用是分子层面的一种现象，宏观上不可见，但是煤体吸附气体过程中的膨胀变形行为可以采用应变测量手段进行，因此，在获取了煤体吸附气体发生膨胀变形的应变曲线后，分别选取应变曲线上煤体开始发生吸附膨胀和煤体达到吸附膨胀应变平衡的时间节点作为关键点，并以此确定气体参考缸内对应于关键点的气体压力值，便可获取“试样吸附平衡前后气体参考缸内气体的压力值”。
本发明公开的原位煤体气体吸附量测试模拟装置，采用煤体替代粉煤、采用液压伺服***对煤体进行应力加载，以煤体对气体发生吸附过程中煤体应变的动态变化特征反应煤体对气体的吸附动力学过程，以煤体达到吸附平衡前后的时间节点为关键点，进而厘定煤体吸附作用引起的气体参考缸压力变化，进而结合真实气体状态方程获取模拟原位条件下煤体对气体的吸附量，该法不仅解决了常规容量法的不足之处，更为精确评估原位条件下煤体对气体的吸附能力提供了一种方法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于包括原位煤体模拟***、煤体注水***、吸附平衡***、吸附监测***、数据采集与分析***；
所述原位煤体模拟***包括夹持器(11)、电加热器(12)、柱状煤体(13)、液压伺服***；液压伺服***包括液压泵(14)、围压加载器(15)、轴压加载器(16)；其中，电加热器(12)通过底座安装在夹持器(11)外表面并对夹持器(11)加热使夹持器内部温度达到预设温度；柱状煤体(13)置于夹持器(11)内，液压泵(14)通过液压管线(17)和溢流阀(18)与围压加载器(15)和轴压加载器(16)均连接，围压加载器(15)安装于夹持器(11)外表面，轴压加载器(16)安装于夹持器(11)左端；
所述煤体注水***包括储水箱(21)、设置于注水管线(5)的高压水泵(22)、水流阀门(23)、水压表(24)、水流量表(25)，储水箱(21)通过该注水管线(5)与夹持器(11)连接，高压水泵(22)、水流阀门(23)、水压表(24)、水流量表(25)在注水管线(5)上沿储水箱到夹持器的方向依次设置；
所述吸附平衡***包括夹持器出口阀门(31)、CH4气瓶(32)、CO2气瓶(33)、气体增压泵(34)、CH4参考缸(35)、CO2参考缸(36)、设置于CH4气瓶(32)输出管线的第一阀门(37)、设置于CO2气瓶(33)输出管线的第二阀门(38)、设置于真空泵(43)抽真空管线(3)的第三阀门(39)、设置于气体增压泵(34)出口的第四阀门(40)、第五阀门(41)、第六阀门(42)、真空泵(43)、CH4参考缸进口阀门(44)、CH4参考缸出口阀门(45)、CO2参考缸进口阀门(46)、CO2参考缸出口阀门(47)、第七阀门(48)、第八阀门(49)；其中，CH4气瓶(32)、CO2气瓶(33)均与气体增压泵(34)连接，真空泵(43)安装于CH4气瓶(32)、CO2气瓶(33)之后、气体增压泵(34)之前，CH4参考缸(35)、CO2参考缸(36)依次安装于气体增压泵(34)之后；真空泵(43)通过抽真空管线(3)与气体输送管线(1)连接；
吸附监测***包括安装于CH4参考缸(35)入口端的第一气体压力表(51)、安装于CO2参考缸(36)入口端的第二气体压力表(52)、第三气体压力表(53)、安装于CH4参考缸(35)、CO2参考缸(36)之后的气体压力自动***(54)、第一气体流量计(55)、第一应变片(56)、第二应变片(57)、第二气体流量计(58)；所述的第七阀门(48)、第八阀门(49)分别安装于气体压力自动***(54)两端；第七阀门(48)左端及第八阀门(49)右端还连接有一安装有第五阀门(41)的辅助管线(4)，辅助管线(4)与气体压力自动***(54)所在的气体输出管线(2)并联，第八阀门(49)之后的气体输出管线上依次安装有第三气体压力表(53)、第一气体流量计(55)、第六阀门(42)；第一应变片(56)沿轴向安装于柱状煤体(13)表面，第二应变片(57)沿径向安装于柱状煤体(13)表面；第二气体流量计(58)设置于夹持器出口阀门(31)之后；
所述的数据采集与分析***包括数据采集箱(61)和计算机(62)，数据采集箱(61)通过数据线与液压泵(14)、第一气体压力表(51)、第二气体压力表(52)、第三气体压力表(53)、气体压力自动***(54)、第一气体流量计(55)、第二气体流量计(58)、第一应变片(56)、第二应变片(57)、计算机(62)均连接。
2.如权利要求1所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于所述CH4参考缸(35)、CO2参考缸(36)均为精密定值的固定体积刚性缸体。
3.如权利要求1所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于柱状煤体(13)直径50cm，长度100cm。
4.如权利要求1所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于第一气体压力表(51)、第二气体压力表(52)和第三气体压力表(53)精度为0.01MPa。
5.如权利要求1所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于第一应变片(56)和第二应变片(57)精度为10-8。
6.如权利要求1所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于用于对原位煤体气体吸附量测试的方法包括以下步骤：
(1)、样品准备：沿垂直层理方向钻制柱状煤体，柱状煤体，用砂纸在柱状煤体表面分别沿轴向和径向预粘贴应变片的部位打磨出粗糙面；于柱状煤体表面分别沿轴向粘贴第一应变片、沿径向粘贴第二应变片；
(2)、样品安装：打开夹持器，将粘贴过应变片的柱状煤体放入夹持器内，并将第一应变片、第二应变片用数据线连接至数据采集箱；开启电加热器对夹持器加热至实验温度，保证柱状煤体处于设定温度环境内；
(3)、围压、轴压交替加载：连接液压伺服***，按照先加围压、再加轴压的原则操作，操作步骤依次为：a、先启动液压泵，用围压加载器对柱状煤体施加2MPa的围压后暂停加载；b、打开轴压加载器对柱状煤体施加2MPa的轴压后暂停加载，重复a和b步骤，直到加载至轴压和围压均为实验设定的应力状态后关闭液压泵；
(4)、气密性检验：围压、轴压交替加载后，首先关闭所有阀门，接着打开第三阀门、第四阀门、CH4参考缸进口阀门、CH4参考缸出口阀门、CO2参考缸进口阀门、CO2参考缸出口阀门、第五阀门、第六阀门，启动真空泵对整个装置***进行抽真空至第一气体压力表、第二气体压力表和第三气体压力表的压力值均为-0.1MPa，接着关闭第三阀门，观测压力值是否稳定；若压力值保持稳定，接着进行步骤(5)；若压力值不稳定，重复步骤(2)和(3)；
(5)、注水：气密性检验后，启动高压水泵、打开水流阀门、保持水压表数值为2MPa压力值，向柱状煤体注水，水流量表显示的数值为预设的注水体积时，关闭水流阀门结束注水；
(6)、稳态吸附气源准备：关闭除第二阀门、第四阀门、CO2参考缸进口阀门外的所有阀门，启动气体增压泵向CO2参考缸进行CO2气体增压，增压至第二气体压力表显示的压力值高于最高实验压力值3MPa时，关闭CO2参考缸进口阀门停止增压；
(7)、注气吸附：完成稳态吸附气源准备后，关闭所有阀门，设定气体压力自动***为实验压力值，控制向柱状煤体注入的气体压力始终为设定的实验压力值，保证夹持器内柱状煤体在恒压下稳态吸附，然后依次打开CO2参考缸出口阀门、第七阀门、第八阀门、第六阀门向柱状煤体注入CO2气体，进行吸附实验，第一气体流量计采集注入夹持器的气体量；实验过程中计算机记录轴向应变数据、径向应变数据及CO2参考缸内气体压力变化数据，并在一张图上形成曲线，当轴向应变数据、径向应变数据及CO2参考缸内气体压力数据均平稳不变时，结束注气吸附实验，然后关闭所有阀门，打开夹持器出口阀门将夹持器内的CO2气体放掉，第二气体流量计采集夹持器放掉的气体量，紧接着，关闭除第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门外的所有阀门，启动真空泵对柱状煤体抽真空，脱除煤体内残余的CO2气体，结束实验。
(8)、吸附作用下关键点的判识：以第一应变片记录的煤体轴向应变曲线为依据，选取轴向应变曲线转折点处为煤体发生吸附作用的开始时刻，以轴向应变曲线平稳不变处为煤体达到吸附饱和的终点时刻，该开始时刻和终点时刻分别对应于CO2参考缸内气体压力变化曲线上的压力数据P2和P3；在煤体发生吸附作用期间，CO2参考缸内气体压力由P2降为P3，参考缸内CO2气体的减少量便为模拟状态下煤体对CO2气体的吸附量；
(9)、气体吸附量的计算：以气体摩尔量为单位计算气体吸附量，根据真实气体状态方程ni＝PiV/(ZiRT)计算出P2、P3所对应的气体摩尔量n2、n3，再根据公式Δn＝n2-n3计算出模拟原位状态下煤体对CO2气体的吸附量Δn；真实气体状态方程ni＝PiV/(ZiRT)中，Pi为气体压力，V为气体参考缸的体积，Zi为对应于气体压力Pi下气体的压缩因子，R为气体常数，T为温度，ni为气体的摩尔量。
7.如权利要求6所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于步骤(3)应力加载过程中，为了防止柱状煤体裂开，采用应力控制的方式进行加载，加载速率小于等于0.05MPa/s。
8.如权利要求6所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于步骤(2)中的实验温度为25～30℃，步骤(3)中实验设定的应力为8～50MPa，步骤(5)中预设的注水体积为5～30mL。
9.如权利要求6所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于原位煤体吸附量计算后，启动真空泵对夹持器抽真空；重复步骤(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)、(9)，通过改变煤体的受力状态、煤体含水量以及注气压力，进一步开展不同条件下原位煤体气体吸附量的测试实验，最终总结出应力、含水性、气体压力对原位煤体气体吸附量的影响规律，为研究不同地质背景条件下煤体对气体吸附能力的评估提供依据。
10.如权利要求1-9任一权利要求所述的一种原位煤体气体吸附量测试模拟装置，其特征在于用于模拟原位煤体对CH4和/或CO2气体吸附量的测试。
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