CN102944571B - 一种测量煤中不同状态水分含量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量煤中不同状态水分含量的方法，包括：对饱和煤样进行低场核磁共振测量，获得饱和煤样的横向弛豫时间T2谱，计算各谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积；根据得到的预设的标准样品建立的换算方式，将各谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积转换为不同状态水的体积百分含量。本发明解决了如何测量煤中不同状态水分含量的问题。
Description
技术领域
本发明涉及煤储层含水特性测量领域，尤其涉及一种测量煤中不同状态水分含量的方法。
背景技术
煤储层中的水具备多样化的储存和运移样式，对煤层气开采具有不同的意义。煤中存在的水不仅影响煤中甲烷的吸附、解吸和产出，同时影响煤层气开发过程中的工程措施决策。
常规煤炭工业分析中将煤中的水分分为外在水分和内在水分，外在水分是存在于煤粒表面和煤粒裂缝及非毛细孔的空穴中的水，内在水分是存在煤的毛细管中的水分，然而在实际测量中由于煤从脱去外在水分到脱去内在水分是个连续而复杂的过程，二者间难以严格分开。因此工业分析中的外在水分和内在水分不是按照其理论定义来划分的，而是按测量方法或者是测量条件来定义的。所谓外在水分是在环境温度和湿度条件下，煤与大气接近湿度平衡时失去的那部分水，而留下的水分则为内在水，这与以表面吸附和毛细管吸附为根据的理论划分有所出入。第一，当煤与环境温度和湿度达到平衡时不仅失去了外在水，部分毛细管吸附的内在水也会失去；第二，这种方式测量的结果随测量环境的不同而不同。
从煤作为储层以及煤层气开发的角度来说，简单地测量煤样的外在水分和内在水分已不能满足储层评价的要求，而是应该将饱和水煤样的水分按照其对煤层气赋存及产出的影响分为吸附水、毛管束缚水和自由水更为合理。自由水即存在于煤样裂隙及非毛细管的空穴中的水，在重力作用下其容易流出；毛管束缚水指存在于煤毛细管孔隙中的水分，其由于毛管力的作用不能在重力状态下流出；吸附水则是存在于煤的微、小孔隙中，由于煤内表面强的表面吸附力使得其极难移动。自由水的状态影响煤储层的渗透率和原位储层压力；毛管束缚水和吸附水的状态则影响煤的吸附能力和气体储存。准确测定不同状态水分的含量对于评价煤中水分对煤层气吸附、解吸、扩散和储集的影响至关重要。
因此，如何测量煤中不同状态水分含量是当前需要解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种测量煤中不同状态水分含量的方法，解决了如何测量煤中不同状态水分含量的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种测量煤中不同状态水分含量的方法，包括：
对饱和煤样进行低场核磁共振测量，获得饱和煤样的横向弛豫时间T2谱，计算各谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积；
根据得到的预设的标准样品建立的换算方式，将各谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积转换为不同状态水的体积百分含量。
与现有技术相比，应用本发明，能够同时、快速、无损地测量煤中不同状态水分的含量，而且测量值不受外界环境的影响；而且本发明的方法操作简便。
附图说明
图1为1号饱和样品核磁共振T2谱特征及其与不同状态水的对照关系图；
图2是本发明的测量煤中不同状态水分含量的方法的流程图；
图3为孔隙度标准样品核磁共振T2谱；
图4为利用标准样品的核磁T2谱拟合的标定曲线图；
图5为2-5号饱和煤样的核磁共振T2谱；
具体实施方式
本发明的方法主要通过低场核磁共振技术测量煤中不同状态水分含量。对于饱和水样品，低场核磁共振技术探测的是样品中水的H原子核，其信号与样品中水的含量成正比，而且存在于不同大小孔隙中的水分具有不同的横向弛豫时间（T2）特征，弛豫时间越长代表其观测的水分所存在的孔隙半径越大。如图1所示，煤样的低场核磁共振T2谱一般具有“三峰”的特征，其谱峰分别在0.1-2.5ms、5-50ms、100-300ms，分别称其为S1、S2、S3。然而三个谱峰在每一个饱和煤样中存在与否与样品的孔隙特征有关，其间以两峰之间的最低点或谱峰的转折点为分界。S3的存在直接和煤样中裂缝以及大孔有关，且当饱和样品在空气中静置3-5小时后基本消失，代表了自由水；S2的谱峰在200Psi离心力作用下离心1小时左右基本消失，为毛管束缚水；S1则在所有的煤样中均存在，且谱峰最高，代表了吸附水。因此，低场核磁共振技术能够很好地区分不同大小孔隙中的水分含量，并能够同时有效识别煤中吸附水、毛管束缚水和自由水的含量。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明的方法首先对饱和煤样进行低场核磁共振测量，获得饱和煤样的横向弛豫时间T2谱，计算各谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积，将各谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积转换为不同状态水的体积百分含量，具体步骤如下所示：
1）制作标样：用蒸馏水配置一定浓度的MnCl2溶液，使其横向弛豫时间T2保持在10-100ms之间，等间隔质量地取上述溶液制成不同孔隙度(≤10%)的标准样品；
2）建立标线方程：设置仪器测量参数回波时间为0.10ms，测量标准样品T2谱，将标准样品的孔隙度作为横坐标，对应单位体积标准样品T2谱积分面积作为纵坐标，采用统计学中的线性回归方法拟合标线方程Y=AX；
3）饱和样品：用游标卡尺测量柱状煤样尺寸后，将煤样在真空度≤-0.095MPa的真空压力下干抽2小时，湿抽大于10小时，使煤样饱和水；
4）样品测量：将饱和煤样用湿纸巾擦拭表面水分后，设置仪器测量参数回波时间为0.10ms，对饱和水煤样进行低场核磁共振测量，获得饱和煤样T2谱，分别计算谱峰S1、S2、S3单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积M1、M2、M3；
5）水含量计算：将M1、M2、M3带入标线方程即分别求得煤样中吸附水、毛管束缚水和自由水的体积百分含量。
如图2所示，本发明的测量煤中不同状态水分含量的方法，包括以下步骤：
步骤110、对饱和煤样进行低场核磁共振测量，获得饱和煤样的横向弛豫时间T2谱，计算各谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积；
还包括：将煤样在真空度小于等于-0.095MPa的真空压力下干抽2小时，且湿抽大于10小时后，得到所述饱和煤样。
所述对饱和煤样进行低场核磁共振测量，获得饱和煤样的横向弛豫时间T2谱，计算各谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积的步骤，包括：
将所述饱和煤样去除表面水分后，设置仪器测量参数回波时间为0.10ms，对饱和煤样进行低场核磁共振测量，获得饱和煤样的T2谱；分别计算S1、S2、S3谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积M1、M2、M3。
步骤120、根据得到的预设的标准样品建立的换算方式，将各谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积转换为不同状态水的体积百分含量。
所述得到预设的标准样品建立的换算方式的步骤，包括：
所述标准样品是通过蒸馏水配置的MnCl2溶液，其T2时间保持在10-100ms之间，等间隔质量地取上述溶液制成不同孔隙度的标准样品，其中孔隙度设置为小于等于10%；
设置仪器测量参数回波时间为0.10ms，对不同孔隙度的标准样品进行低场核磁共振测量，获得其T2谱，建立单位体积标准样品的T2谱积分面积与孔隙度之间的换算方式Y＝AX，其中标准样品的孔隙度作为横坐标X，对应单位体积标准样品T2谱积分面积为纵坐标Y，A为单位体积水的核磁共振信号幅度，A为常数。
所述根据预设的标准样品建立的换算方式，将各谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积转换为不同状态水的体积百分含量，包括：
根据得到的单位体积标准样品T2谱积分面积与孔隙度之间的换算方式Y＝AX，通过得到的所述各谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积M1、M2、M3，分别计算得到煤样中吸附水、毛管束缚水和自由水的体积百分含量。
下面通过实例对本发明作进一步说明，其中试验材料：5个直径为25mm长度不等的柱状煤样、蒸馏水、MnCl2。试验仪器：AniMR(全直径岩心核磁共振成像分析系统)，其共振频率12.15MHz，磁体强度0.285T，探头线圈125mm，磁体稳定控制在31.99-32.00℃。
制备标准样品：用量杯盛取一定量的蒸馏水，向蒸馏水中加入少量MnCl2固体，使其充分溶解，直到上述MnCl2溶液横向弛豫时间T2处于10-100ms之间。将配置的溶液用数字滴定仪分别取1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0ml至可烧制封闭的规格为Ф25mm×20mm的玻璃器皿中，烧制密封，制成对应体积为100ml，孔隙度分别为1%、2%、3%、4%、5%、6%的标准样品。
制备试验样品：取5个不同煤级煤样，钻取直径为25mm的柱状岩心样品，编号1、2、3、4、5。
主要过程，如下所示：
1）设置仪器测量参数回波时间为0.10ms，对配置好的标准样品进行低场核磁共振测量，获得其T2谱，如图3；求取单位体积标准样品的T2谱积分面积，具体结果如下：
表1：
| 孔隙度 | 单位体积样品T2谱积分面积 |
| 1% | 121.12 |
| 2% | 252.85 |
| 3% | 363.97 |
| 4% | 493.60 |
| 5% | 622.41 |
| 6% | 744.51 |
2）将标准样品的孔隙度作为横坐标，将对应单位体积标准样品的T2谱积分面积作为纵坐标，利用统计学的线性回归方法拟合一条标线方程。如图4所示，本试例拟合的标线方程为：y=12387.08x。图4为通过标准样品的核磁T2谱拟合的标定曲线图；
3）用游标卡尺测量柱状煤样尺寸后，将煤样在真空度≤-0.095MPa的真空压力下干抽2小时，湿抽大于10小时，使样品饱和水。
4）将饱和煤样用湿纸巾擦拭表面水分后，设置仪器测量参数回波时间为0.10ms，对饱和煤样进行核磁共振测量，获得饱和煤样T2谱，分别计算S1、S2、S3谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积M1、M2、M3，图5为2-5号饱和煤样的核磁共振T2谱；具体结果如下：
表2：
| 样品 | 煤样体积(ml) | M1 | M2 | M3 |
| 1 | 24.54 | 419.14 | 95.85 | 99.91 |
| 2 | 18.38 | 314.88 | 15.70 | 10.48 |
| 3 | 22.57 | 505.77 | 29.99 | 43.64 |
| 4 | 29.36 | 236.99 | 180.35 | 0 |
| 5 | 16.86 | 639.93 | 0 | 0 |
5）将各谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积M1、M2、M3作为Y值带入上述的标线方程，求得的X值即分别为对应煤样中吸附水、毛管束缚水和自由水的体积百分含量，计算结果如下：
表3：
| 样品 | 吸附水(%) | 毛管束缚水(%) | 自由水(%) |
| 1 | 3.4 | 0.8 | 0.8 |
| 2 | 2.5 | 0.1 | 0.1 |
| 3 | 4.1 | 0.2 | 0.4 |
| 4 | 1.9 | 1.5 | 0 |
| 5 | 5.2 | 0 | 0 |
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种测量煤中不同状态水分含量的方法，其特征在于，包括：
对饱和煤样进行低场核磁共振测量，获得饱和煤样的横向弛豫时间T2谱，计算在0.1-2.5ms、5-50ms、100-300ms三个区间内三个谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积；
根据得到的预设的标准样品建立的换算方式，将0.1-2.5ms、5-50ms、100-300ms三个区间内三个谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积分别转换为不同状态水的体积百分含量，其中所述不同状态水依次为吸附水、毛管束缚水和自由水；
其中，所述根据得到预设的标准样品建立的换算方式的步骤，包括：
所述标准样品是通过蒸馏水配置的MnCl2溶液，其T2时间保持在10-100ms之间，等间隔质量地取上述溶液制成不同孔隙度的标准样品，其中孔隙度设置为小于等于10％；
设置仪器测量参数回波时间为0.10ms，对不同孔隙度的标准样品进行低场核磁共振测量，获得其T2谱，建立单位体积标准样品T2谱积分面积与孔隙度之间的换算方式Y＝AX，其中标准样品的孔隙度作为横坐标X，对应单位体积标准样品T2谱积分面积为纵坐标Y，A为单位体积水的核磁共振信号幅度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
还包括：将煤样在真空度≤-0.095MPa的真空压力下干抽2小时，湿抽大于10小时后，得到所述饱和煤样。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述对饱和煤样进行低场核磁共振测量，获得饱和煤样的横向弛豫时间T2谱，计算在0.1-2.5ms、5-50ms、100-300ms三个区间内三个谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积的步骤，包括：
将所述饱和煤样去除表面水分后，设置仪器测量参数回波时间为0.10ms，对饱和煤样进行低场核磁共振测量，获得饱和煤样的T2谱，分别计算在0.1-2.5ms、5-50ms、100-300ms三个区间内三个谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积M1、M2、M3，其中不同的谱峰其间以两峰之间的最低点或谱峰的转折点为分界。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，
所述根据预设的标准样品建立的换算方式，将0.1-2.5ms、5-50ms、100-300ms三个区间内三个谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积分别转换为不同状态水的体积百分含量的步骤，包括：
根据得到的单位体积标准样品T2谱积分面积与孔隙度之间的换算方式Y＝AX，通过得到的在0.1-2.5ms、5-50ms、100-300ms三个区间内三个谱峰单位体积饱和煤样的T2谱的积分面积M1、M2、M3，分别计算得到煤样中吸附水、毛管束缚水和自由水的体积百分含量。
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