CN106644840A - 注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置及方法 - Google Patents
注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置，包括煤样罐、注气罐、气源、数据采集装置、第一真空泵、第二真空泵和组分分析装置；起源与注气罐相连，注气罐与煤样罐相连；数据采集装置包括数据采集仪、第一压力传感元件和第二压力传感元件，用于获得煤样罐和注气罐内气体压力变化；第一真空泵与煤样罐相连，第二真空泵与注气罐相连；组分分析装置用于分析从煤样罐内采集的气样的气体组分。本发明能够通过连续测定双向扩散过程中自由空间内的气体压力与气体组分随时间变化的规律，从而计算注入气体的减少规律，即向内扩散规律，和瓦斯气体的增加规律，即向外扩散规律。
Description
技术领域
本发明涉及注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置及方法。
背景技术
目前，关于注气驱替煤层瓦斯试点应用已经取得了一定的成果，但目前关于注气驱替煤层瓦斯的认识仅停留在驱替过程的渗透率变化、竞争吸附和驱替比例等问题上，而对驱替过程中注入气体与瓦斯的双向扩散机制的认识还是一片空白，由于双向扩散过程决定了注入气体和瓦斯在煤层裂隙与基质煤体之间的交换速率，因此掌握其规律具有非常重要的意义。
但目前，现有技术中还没有用于测定注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的装置及方法。
发明内容
本发明提供了注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置及方法。
本发明采用的技术方案如下：
注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置，包括煤样罐、注气罐、气源、数据采集装置、第一真空泵、第二真空泵和组分分析装置；所述起源与所述注气罐相连，所述注气罐与所述煤样罐相连；所述数据采集装置包括数据采集仪、第一压力传感元件和第二压力传感元件，用于获得所述煤样罐和所述注气罐内气体压力变化；所述第一真空泵与所述煤样罐相连，所述第二真空泵与所述注气罐相连；所述组分分析装置用于分析从所述煤样罐内采集的气样的气体组分。
上述注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置还包括恒温控制装置，用于控制所述煤样罐和所述注气罐内温度。
在上述注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置中，所述起源包括氦气瓶、二氧化碳瓶、氮气瓶和瓦斯瓶。
注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定方法，采用上述注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置进行测定，步骤包括：
（a）在煤样罐内装入煤样，将煤样罐与注气罐连接，将所述注气罐与气源中的氦气瓶连接，打开所述氦气瓶，向所述煤样罐内通入氦气，通过与所述煤样罐相连的数据采集装置的第一压力传感元件和数据采集仪获得所述煤样罐内气体压力变化，测定所述煤样罐内自由空间体积；
（b）利用第一真空泵将所述煤样罐抽成真空，打开所述气源中的瓦斯瓶，通过所述注气罐向所述煤样罐注入瓦斯，通过连续采集所述煤样罐内气体压力下降过程和最终的平衡压力，获得瓦斯气体扩散规律和吸附平衡后的煤体瓦斯含量；
（c）待所述煤样罐内瓦斯吸附平衡后，停止向所述煤样罐注入瓦斯，将所述注气罐抽成真空，打开二氧化碳瓶或氮气瓶，向所述注气罐内注入二氧化碳或氮气，并使达到预定压力；
（d）将所述注气罐与所述煤样罐连通，模拟注气驱替的气体双向扩散过程，通过所述第一压力传感元件记录所述煤样罐内气体压力变化，通过第二压力传感元件记录所述注气罐内气体压力变化，通过采样装置按一定规律采集所述煤样罐内的气样并记录采集时间，采气频率为先高后低，利用组分分析装置分析采集气样的气体组分，分析游离气体的压力与组分变化规律，及其扩散平衡后的最终状态；
（e）待所述煤样罐和所述注气罐内气体压力与气体组分稳定后，确认双向扩散过程达到平衡；
（f）通过第一真空泵和第二真空泵将所述煤样罐和所述注气罐抽成真空，变换注气种类、注气压力或实验煤样，重复步骤（a）-（e）；
（g）经过步骤（a）-（f），测定不同注气种类、注气压力或实验煤样条件下所述煤样罐（1）自由空间内注入气体与瓦斯的压力与组分变化，采用下式计算获得所述煤样罐（1）自由空间内各组分的含量变化规律：
，
，
其中，为游离体积中瓦斯气体质量，为游离体积中注入气体质量；为瓦斯气体分子量；为注入气体分子量；为所述煤样罐与注气罐中的自由空间的总体积；为t时刻游离气体的压力；为气体常数；为所述煤样罐内绝对温度；为混合气体的压缩因子；为测定的自由空间中瓦斯气体组分；
（h）进一步根据下式获得t时刻，煤样中的瓦斯气体和注入气体的吸附总量：
，
，
其中，为所述煤样罐和所述注气罐内瓦斯气体的总质量为所述煤样罐和所述注气罐内注入气体的总质量；
再根据下式得到在t时刻与(t-1)时刻间，瓦斯气体与注入气体从自由空间向煤体中的扩散量和：
，
，
进而根据下式得到在吸附段i达到彻底吸附平衡后，瓦斯和注入气体的吸附总量和：
，
；
（i）最后得到在每个压力的注气驱替吸附段，瓦斯的解吸-扩散量与注入气体的扩散-吸附量分别为：
，
，
其中，为实验采用的颗粒煤体的平均半径，为瓦斯气体的扩散系数，为注入气体的扩散系数。
在上述注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定方法中，通过微量取气装置从所述煤样罐取气，然后传给所述组分分析装置分析采集气样的气体组分。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明提供的注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置及方法，利用已知体积的注气罐和装有煤样的煤样罐相连，通过连续测定双向扩散过程中自由空间内的气体压力与气体组分随时间变化的规律，从而能够计算获得注入气体的减少规律，即向内扩散规律，和瓦斯气体的增加规律，即向外扩散规律。利用大容量置换吸附装置和微量取气装置，配合高精度气相色谱仪进行气体组分的测定，能够有效避免对气体扩散与吸附解吸平衡过程的扰动，测定结果更为精确。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置及方法实施示意图。
图中标记为：1-煤样罐，2-注气罐，3-气源，301-氦气瓶，302-二氧化碳瓶，303-氮气瓶，304-瓦斯瓶，4-数据采集装置，401-数据采集仪，402-第一压力传感元件，403-第二压力传感元件，5-第一真空泵，6-第二真空泵，7-恒温控制装置，8-组分分析装置。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
图1所示是本发明注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置及方法的优选实施例。
所述注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置，包括煤样罐1、注气罐2、气源3、数据采集装置4、第一真空泵5、第二真空泵6和组分分析装置8；所述起源3与所述注气罐2相连，所述注气罐2与所述煤样罐2相连；所述数据采集装置4包括数据采集仪401、第一压力传感元件402和第二压力传感元件403，用于获得所述煤样罐1和所述注气罐2内气体压力变化；所述第一真空泵5与所述煤样罐1相连，所述第二真空泵6与所述注气罐2相连；所述组分分析装置8用于分析从所述煤样罐1内采集的气样的气体组分。
所述注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置还包括恒温控制装置7，用于控制所述煤样罐1和所述注气罐2内温度。
在本实施例中，所述起源3包括氦气瓶301、二氧化碳瓶302、氮气瓶303和瓦斯瓶304。
采用本实施例进行测定的所述注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定方法，步骤包括：
（a）在煤样罐1内装入煤样，将煤样罐1与注气罐2连接，将所述注气罐2与气源3中的氦气瓶301连接，打开所述氦气瓶301，向所述煤样罐1内通入氦气，通过与所述煤样罐1相连的数据采集装置4的第一压力传感元件402和数据采集仪401获得所述煤样罐1内气体压力变化，测定所述煤样罐1内自由空间体积；
（b）利用第一真空泵5将所述煤样罐1抽成真空，打开所述气源3中的瓦斯瓶304，通过所述注气罐2向所述煤样罐1注入瓦斯，通过连续采集所述煤样罐1内气体压力下降过程和最终的平衡压力，获得瓦斯气体扩散规律和吸附平衡后的煤体瓦斯含量；
（c）待所述煤样罐1内瓦斯吸附平衡后，停止向所述煤样罐1注入瓦斯，将所述注气罐2抽成真空，打开二氧化碳瓶302或氮气瓶303，向所述注气罐2内注入二氧化碳或氮气，并使达到预定压力；
（d）将所述注气罐2与所述煤样罐1连通，模拟注气驱替的气体双向扩散过程，通过所述第一压力传感元件402记录所述煤样罐1内气体压力变化，通过第二压力传感元件403记录所述注气罐2内气体压力变化，通过采样装置按一定规律采集所述煤样罐1内的气样并记录采集时间，采气频率为先高后低，利用组分分析装置8分析采集气样的气体组分，分析游离气体的压力与组分变化规律，及其扩散平衡后的最终状态；
（e）待所述煤样罐1和所述注气罐2内气体压力与气体组分稳定后，确认双向扩散过程达到平衡；
（f）通过第一真空泵5和第二真空泵6将所述煤样罐1和所述注气罐2抽成真空，变换注气种类、注气压力或实验煤样，重复步骤（a）-（e）；
（g）经过步骤（a）-（f），测定不同注气种类、注气压力或实验煤样条件下所述煤样罐1自由空间内注入气体与瓦斯的压力与组分变化，采用下式计算获得所述煤样罐1自由空间内各组分的含量变化规律：
，
，
其中，为游离体积中瓦斯气体质量，为游离体积中注入气体质量；为瓦斯气体分子量；为注入气体分子量；为所述煤样罐1与注气罐2中的自由空间的总体积；为t时刻游离气体的压力；为气体常数；为所述煤样罐1内绝对温度；为混合气体的压缩因子；为测定的自由空间中瓦斯气体组分；
（h）进一步根据下式获得t时刻，煤样中的瓦斯气体和注入气体的吸附总量：
，
，
其中，为所述煤样罐1和所述注气罐2内瓦斯气体的总质量为所述煤样罐1和所述注气罐2内注入气体的总质量；
再根据下式得到在t时刻与(t-1)时刻间，瓦斯气体与注入气体从自由空间向煤体中的扩散量和：
，
，
进而根据下式得到在吸附段i达到彻底吸附平衡后，瓦斯和注入气体的吸附总量和：
，
；
i最后得到在每个压力的注气驱替吸附段，瓦斯的解吸-扩散量与注入气体的扩散-吸附量分别为：
，
，
其中，为实验采用的颗粒煤体的平均半径，为瓦斯气体的扩散系数，为注入气体的扩散系数。
在本实施例中，通过微量取气装置从所述煤样罐1取气，然后传给所述组分分析装置8分析采集气样的气体组分。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (5)
1.注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置，其特征在于：包括煤样罐（1）、注气罐（2）、气源（3）、数据采集装置（4）、第一真空泵（5）、第二真空泵（6）和组分分析装置（8）；
所述起源（3）与所述注气罐（2）相连，所述注气罐（2）与所述煤样罐（2）相连；
所述数据采集装置（4）包括数据采集仪（401）、第一压力传感元件（402）和第二压力传感元件（403），用于获得所述煤样罐（1）和所述注气罐（2）内气体压力变化；
所述第一真空泵（5）与所述煤样罐（1）相连，所述第二真空泵（6）与所述注气罐（2）相连；
所述组分分析装置（8）用于分析从所述煤样罐（1）内采集的气样的气体组分。
2.根据权利要求1所述的注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置，其特征在于：还包括恒温控制装置（7），用于控制所述煤样罐（1）和所述注气罐（2）内温度。
3.根据权利要求1或2所述的注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置，其特征在于：所述起源（3）包括氦气瓶（301）、二氧化碳瓶（302）、氮气瓶（303）和瓦斯瓶（304）。
4.注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定方法，其特征在于：采用权利要求3所述的注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置进行测定，步骤包括：
（a）在煤样罐（1）内装入煤样，将煤样罐（1）与注气罐（2）连接，将所述注气罐（2）与气源（3）中的氦气瓶（301）连接，打开所述氦气瓶（301），向所述煤样罐（1）内通入氦气，通过与所述煤样罐（1）相连的数据采集装置（4）的第一压力传感元件（402）和数据采集仪（401）获得所述煤样罐（1）内气体压力变化，测定所述煤样罐（1）内自由空间体积；
（b）利用第一真空泵（5）将所述煤样罐（1）抽成真空，打开所述气源（3）中的瓦斯瓶（304），通过所述注气罐（2）向所述煤样罐（1）注入瓦斯，通过连续采集所述煤样罐（1）内气体压力下降过程和最终的平衡压力，获得瓦斯气体扩散规律和吸附平衡后的煤体瓦斯含量；
（c）待所述煤样罐（1）内瓦斯吸附平衡后，停止向所述煤样罐（1）注入瓦斯，将所述注气罐（2）抽成真空，打开二氧化碳瓶（302）或氮气瓶（303），向所述注气罐（2）内注入二氧化碳或氮气，并使达到预定压力；
（d）将所述注气罐（2）与所述煤样罐（1）连通，模拟注气驱替的气体双向扩散过程，通过所述第一压力传感元件（402）记录所述煤样罐（1）内气体压力变化，通过第二压力传感元件（403）记录所述注气罐（2）内气体压力变化，通过采样装置按一定规律采集所述煤样罐（1）内的气样并记录采集时间，采气频率为先高后低，利用组分分析装置（8）分析采集气样的气体组分，分析游离气体的压力与组分变化规律，及其扩散平衡后的最终状态；
（e）待所述煤样罐（1）和所述注气罐（2）内气体压力与气体组分稳定后，确认双向扩散过程达到平衡；
（f）通过第一真空泵（5）和第二真空泵（6）将所述煤样罐（1）和所述注气罐（2）抽成真空，变换注气种类、注气压力或实验煤样，重复步骤（a）-（e）；
（g）经过步骤（a）-（f），测定不同注气种类、注气压力或实验煤样条件下所述煤样罐（1）自由空间内注入气体与瓦斯的压力与组分变化，采用下式计算获得所述煤样罐（1）自由空间内各组分的含量变化规律：
，
，
其中，为游离体积中瓦斯气体质量，为游离体积中注入气体质量；为瓦斯气体分子量；为注入气体分子量；为所述煤样罐（1）与注气罐（2）中的自由空间的总体积；为t时刻游离气体的压力；为气体常数；为所述煤样罐（1）内绝对温度；为混合气体的压缩因子；为测定的自由空间中瓦斯气体组分；
（h）进一步根据下式获得t时刻，煤样中的瓦斯气体 和注入气体的吸附总量：
，
，
其中，为所述煤样罐（1）和所述注气罐（2）内瓦斯气体的总质量为所述煤样罐（1）和所述注气罐（2）内注入气体的总质量；
再根据下式得到在t时刻与(t-1)时刻间，瓦斯气体与注入气体从自由空间向煤体中的扩散量和：
，
，
进而根据下式得到在吸附段i达到彻底吸附平衡后，瓦斯和注入气体的吸附总量和：
，
；
（i）最后得到在每个压力的注气驱替吸附段，瓦斯的解吸-扩散量与注入气体的扩散-吸附量分别为：
，
，
其中，为实验采用的颗粒煤体的平均半径，为瓦斯气体的扩散系数，为注入气体的扩散系数。
5.根据权利要求4所述的注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定方法，其特征在于：通过微量取气装置从所述煤样罐（1）取气，然后传给所述组分分析装置（8）分析采集气样的气体组分。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20170510 |