CN102518409A - 一种利用超声波提高煤层气产率的方法及装置 - Google Patents

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孙仁远
林李
吴仕贵
战永平
张建山
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Abstract

本发明公开了一种用超声波提高煤层气产率的方法及装置，该方法利用超声波发生器产生一定功率和强度的超声波，以水为耦合介质，使超声波传导至煤样或煤层气井近井地带，利用超声波的机械振动作用、空化作用及热效应促进煤岩中甲烷分子的解吸脱附；通过调整超声的功率、频率、作用时间和作用方式，实现超声波作用参数的优化。该装置主要包括煤层气吸附解吸性能评价装置以及超声波处理系统。本发明的技术方案成本低，操作简便，易于实现，可以广泛应用于煤层气开发技术领域。

Description

一种利用超声波提高煤层气产率的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种提高煤层气产率的方法及装置，特别涉及一种用超声波提高煤层气产率的方法及装置。
背景技术
我国煤层气资源丰富，但煤层气井产气时间普遍较短，产气高峰期也短。主要原因有：(1)煤层气井排采速度过快，引起煤层吐砂或吐煤粉，导致煤层气产量下降。(2)我国大多数煤层渗透率偏低。目前煤层气井改造的常规措施是压裂，但煤层气井的低产导致煤层气井不可能实施重复压裂，因而对于压裂效果不理想或大量出煤粉的煤层气井，目前尚缺乏经济有效的技术措施。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够促进煤层气解吸、提高煤层气产率的方法及装置。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种利用超声波提高煤层气产率的方法，该方法利用超声波发生器产生一定强度的超声波对煤岩样品或煤层进行处理，利用超声波的振动作用、空化作用及热效应，促进煤岩中吸附甲烷分子的解吸脱附，从而提高煤层气的产量；通过调节超声波的功率、频率、作用时间以及方式等来优化超声波的作用参数，提高超声波处理效果。
一种用超声波提高煤层气产率的装置，该装置主要包括煤岩吸附解吸评价系统以及超声波处理系统；煤层气吸附解吸评价系统主要包括气源7、真空泵6、量气瓶1、标准室3和样品室2等；超声波处理系统主要包括超声波发生器4和超声波处理槽5，以水作为耦合介质，采用超声波对煤岩样品进行处理。
为了研究不同超声波作用参数对煤层气解吸的影响，可以调整超声波的功率、频率、处理时间和方式等。
本发明与其他提高煤岩采收率的技术相比，具有以下优点：可以显著加快煤层气解吸速度，缩短解吸时间，提高煤层气的产率，并且不对煤岩基质产生破坏。另外，本发明提供的装置结构简单，成本低，操作简便，易于实现。
附图说明
图1为超声波促进煤岩解吸性能评价装置示意图。
图2为煤层气吸附解吸实验过程原理图。
图3为超声波“剥落”煤岩表面甲烷分子示意图。
图4为某煤样中煤层气吸附解吸曲线。
图5为超声波处理对煤层气解吸效果影响实验结果图。
具体实施方法
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施：本发明利用超声波促进煤岩解吸的装置包括两部分：一部分为超声波处理系统，另一部分为煤岩吸附解吸性能评价系统。
图1为本发明中超声波促进煤岩解吸性能评价装置示意图。它主要包括气源7、真空泵6、量气瓶1、超声波发生器4、超声波处理槽5、标准室3和样品室2等。实验过程如下：
(1)利用真空泵对煤岩模型抽真空。
(2)进行煤岩吸附实验。
(3)进行无超声波作用下的煤层气解吸实验，记录实验过程中的初始压力及平衡压力。
(4)进行超声波处理下的煤层气解吸实验，记录实验过程中的初始压力和平衡压力；
(5)改变超声波处理参数(如功率、频率、作用时间及作用方式等)，重复上述过程。
图2为煤层气吸附解吸实验过程原理图。
(1)吸附实验时，先关闭阀门A1、A2，打开阀门A3，通过气源7向标准室3中注入实验气体，记录压力值；然后关闭阀门A3，打开阀门A2，连通标准室3与样品室2，使气体在煤岩中吸附，记录平衡时的压力值。重复上述过程，直至实验最大压力，吸附实验结束。
(2)解吸实验时，关闭阀门A1、A2，打开阀门A3，从标准室3中排出一定量的气体，记录压力和排出的气量；关闭阀门A3，打开阀门A2，使标准室3中的煤样降压解吸，达到平衡时，记录此时的压力值。重复上述过程，直至实验最低压力，解吸实验结束。
图3为超声波的机械振动作用“剥落”煤岩表面吸附的甲烷分子示意图。
本发明中，超声波的作用机理主要是机械振动、空化作用和热效应。超声波的机械振动机理是基于煤岩骨架与其中流体密度不同，产生的加速度不同，机械振动使煤岩骨架及颗粒产生振动，两相物质界面发生相对运动，使甲烷气在煤岩表面的附着力减弱，促进了甲烷气的脱附和解吸。同时，机械振动具有降低孔隙或孔隙喉道内附面层的影响，使煤岩孔隙有效半径增加，流动速度增大。
本发明方法基于超声波的空化作用，由于超声波通过液体时，会使介质中的微气泡发生共振，迅速胀大，继而湮灭，提高煤层气井近井地带的渗透性能。
本发明方法基于超声波的热效应是由于超声波在煤体中传播的能量被煤岩介质、煤层水及甲烷吸收并转化为热能，使煤体质点温度升高，增大了分子的动能，减弱了甲烷气与煤表面分子间的吸附力，促进煤体中甲烷气的解吸。
图4为某煤样中煤层气吸附解吸曲线。
图5为超声波处理对煤层气解吸效果影响实验结果图。由图5可见，超声波作用下的煤层气解吸曲线位于自然解吸曲线上方，可见超声波作用促进了煤层气从煤岩表面的解吸，提高了煤层甲烷的产量；并且解吸量随超声波作用功率的增大而增大。
表1为超声波处理前后甲烷解吸表。
表1超声波处理前后甲烷的解吸时间表
Figure BSA00000615836700031
由表1可见，在超声波作用下，甲烷达到解吸平衡的时间明显缩短，解吸速率增大；且压力越低，解吸时间缩短效果越明显，最高降幅可达70％。说明超声波作用能够促进煤层气从煤岩中解吸，增大煤层气产气速率，促进甲烷的产出。

Claims (5)

1.一种利用超声波提高煤层气产率的方法，其特征在于利用超声波发生器产生一定强度的超声波，对吸附煤层气的煤岩样品或煤层进行处理，利用超声波的振动作用、空化作用及热效应促进煤岩中吸附的甲烷分子解吸脱附。
2.根据权利要求1所述的一种利用超声波提高煤层气产率的方法，其特征在于，通过改变超声波的作用参数，可以提高煤层气的解吸速度和产率。
3.根据权利要求1所述的一种利用超声波提高煤层气产率的方法，其特征在于，所述室内实验使用的超声波发生器功率在0W到200W之间变化。
4.根据权利要求1所述的一种利用超声波提高煤层气产率的方法，其特征在于，所述室内实验使用的超声波发生器频率在20kHz到100kHz之间变化。
5.一种实施如权利要求1所述方法的装置，该装置主要包括煤岩的吸附解吸性能评价体系以及超声波处理系统；吸附解吸性能评价体系主要包括气源(7)、真空泵(6)、量气瓶(1)、标准室(3)和样品室(2)；超声波处理系统主要包括超声波发生器(4)和超声(5)波处理槽，其特征在于，实验煤岩样品沉浸在耦合介质中。
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