CN106918532A - 一种煤吸附甲烷势阱深度分布的测定方法 - Google Patents

Abstract

一种煤吸附甲烷势阱深度分布的测定方法，涉及煤储层中甲烷储量的评估方法，鉴于天然煤体吸附甲烷势阱深度非均匀的特征，本发明对块煤样品进行不同恒温条件下的多测点吸附压力下的吸附量测试；利用基于吸附动力学的朗格缪尔方程，首先对不同恒温条件下的吸附速率参数b与其对应温度T进行拟合计算，得到比例常数b_m，然后对各个恒温条件下的甲烷吸附量与吸附压力进行分段拟合，计算出不同深度势阱的数量，从而绘制出一定深度范围内的势阱分布直方图。利用本发明可实现对煤体在不同温度与压力条件下的甲烷吸附能力的精确计算，进而对煤储层煤层气含量精确评价。

Description

一种煤吸附甲烷势阱深度分布的测定方法

技术领域

本发明涉及煤储层中甲烷储量的评估方法，具体涉及利用不同恒温条件下，多吸附压力测点的甲烷吸附量与吸附压力分段拟合，对煤中甲烷势阱深度与数量分布曲线进行统计的一种煤吸附甲烷势阱分布的测定方法。

背景技术

煤中甲烷的吸附储集方式主要为物理吸附；即甲烷分子和煤分子在范德华力作用下相互吸引的结果。煤中甲烷分子具有吸附态和游离态两种形式，并且大约90％的甲烷分子都处于吸附态。根据吸附动力学，吸附势阱是指煤表面局部势能较低且能发生吸附甲烷的位置，其深度与煤与甲烷之间的相互吸引力有关。煤中甲烷吸附量取决于煤体吸附势阱参数(势阱深度，势阱数量)与甲烷气体状态参数(吸附压力，温度等)两方面因素。1916年，朗缪尔(I.Langmuir)在假定煤表面吸附势阱均匀的条件下，从动力学观点推导了单分子层吸附状态方程，称为朗格缪尔方程。该方程确立了等温吸附过程中吸附质的吸附量，吸附压力，以及吸附材料参数之间的数学关系，在吸附科学与界面化学领域得到广泛的应用，成为目前煤层气储集特征评价的理论基础。

然而与人工均质吸附材料不同，煤体是天然的多组分非均质吸附剂，由于不同煤阶微孔隙表面大分子结构的官能团与侧链的多样性，孔隙表面形态的分形特征，以及煤中煤岩组分矿物质结构的复杂性等多种原因，其吸附甲烷的势阱深度具有明显的非均匀性。这使得煤储层与理想朗格缪尔方程均匀势阱吸附的基本假设不能完全相符。这为煤储层中甲烷储量的评估与煤层气高效开采带来了极大的困难。

发明内容

鉴于天然煤体吸附甲烷势阱深度非均匀的特征，本发明提供一种煤吸附甲烷势阱深度分布的测定方法，实现对煤体在不同温度与压力条件下的甲烷吸附能力的精确计算，绘制势阱深度与势阱数量之间的分布直方图，进而对煤储层煤层气含量精确评价。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种煤吸附甲烷势阱分布的测定方法，其特征在于：所述的煤吸附甲烷势阱分布的测定方法，其具体步骤如下：：

①从目标煤层直接切割体积为10mm×10mm×10mm立方体煤样；

②利用恒温吸附仪器，对煤样在不同恒温条件进行多测点吸附压力的甲烷吸附量精密测试并记录；

③利用基于吸附动力学的朗格缪尔方程，对吸附温度与吸附速率参数b测定值拟合计算，得到比例参数b_m；

④利用基于吸附动力学的朗格缪尔方程，对不同吸附压力段的吸附量与吸附压力进行分段拟合，得到不同压力段的平均势阱深度及其对应势阱数量；

⑤统计煤中吸附势阱总量，并绘制煤吸附甲烷势阱深度分布直方图。

进一步，所述步骤①中，测试所取煤样为天然块煤，而非粉煤或压制型煤。

进一步，所述步骤②中，利用恒温吸附仪器对煤样不同恒温条件下的多测点吸附压力下的吸附量测试并记录，其中测试温度为不少于3组，参考实际煤储层温度范围应分布在10℃～90℃之间，恒温测试温度分布在每组温度间隔不小于15℃。参考天然煤储层压力范围，每组温度下吸附压力测点应分布在0～3MPa，且测点数不小于10个。

进一步，所述步骤④中，每个拟合压力段的压力测点为3～4个，共获得不小于7个吸附压力段。

进一步，所述步骤⑤中，对不同势阱深度段所对应的所有测试温度下势阱数量平均值绘制归一化的势阱深度分布直方图，而非某一温度或部分测试温度的平均值。

所述步骤③④中，计算理论依据为基于吸附动力学的朗格缪尔方程，即：

式中：n—煤中某细观结构甲烷吸附量，mol；

p—吸附压力，MPa；

a—煤表面甲烷最大吸附量，即吸附位的总量，mol；

b—与吸附速率相关的参数；

b的表达式为：

式中：b_m—比例参数；

k—玻尔兹曼常数；取1.3806488(13)×10^-23J/K。

T—吸附体系温度，℃；

ε—煤表面甲烷分子所占据吸附位的势阱深度，kJ/mol。

所述步骤④中，不同压力段势阱深度与势阱数量之间的计算依据为：

式中：—在T_j温度c压力段煤吸附甲烷的平均势阱深度(kJ/mol)

—在T_j温度c压力段吸附甲烷的势阱总量(mol)

ε_c—c压力段至c+1压力段发生吸附甲烷势阱的深度(kJ/mol)

N_c—势阱深度为ε_c的势阱数量(mol)；

利用式(5)可精确计算一定温度与吸附压力范围内的煤中甲烷吸附量：

式中：—在T温度条件下深度为ε_c的势阱吸附甲烷的速率参数。

其余各符号含义同上。

本发明的有益效果：

鉴于天然煤体吸附甲烷势阱深度非均匀的特征，通过本发明所获得的势阱分布直方图，利用式(5)可计算一定温度与吸附压力范围内的煤中甲烷吸附量，由于其考虑了煤中吸附势阱深度的非均匀性，其测定值在理论上比朗格缪尔方法测算值更精确。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

一种煤吸附甲烷势阱分布的测定方法的步骤如下：

步骤1，块煤煤样制取：

为了保证原始煤体孔隙结构不被破坏，从目标块煤切割10mm×10mm×10mm立方体煤样，清洁烘干备用。

步骤2，煤样不同恒温条件下的多测点吸附压力下的吸附量测试：

将煤样放入恒温吸附仪器，对煤样进行真空处理，然后将温度调节为T₁＝20℃，放入待测试煤样，恒温保持1h，保证煤样内部温度平衡。设定0.3-3MPa范围内间隔为0.3MPa的共计10组吸附压力测点p_i(i＝1、2、3……10)，开始吸附测试:恒压注入p₁＝0.3MPa甲烷气体(99.99％)，直至吸附平衡后，记录平衡吸附量测试结果将压力升高至下一设定压力测点p₂＝0.6MPa,测试其平衡吸附量按照上述方法重复测试。最终获得T₁＝20℃条件下的10组压力测点所对应的甲烷吸附量(i＝1、2、3……10，j＝1)。

对恒温吸附仪器中煤样再次进行真空处理，将温度分别调节至T₂＝40℃，T₃＝60℃，按照上述方法，获得不同恒温条件下的煤样吸附压力测点及其对应吸附量(i＝1、2、3……10，j＝2、3)。测试所得数据按照表(1)整理：

步骤3，比例参数b_m计算

式中：i—压力测点序号；

j—温度测点序号；

c—压力段序号；

d—压力段测点数；

p_i—第i个吸附压力测点

—温度T_j吸附压力p_i条件下的煤中甲烷吸附量(mol)。

—温度T_j吸附压力p_i条件下的煤中吸附甲烷势阱总量(mol)。

—温度T_j吸附压力p_i条件下的煤吸附甲烷速率参数。

—温度T_j条件下c压力段的平均吸附势阱深度(kJ/mol)。

其余各符号含义同上。

依据式(6)选取一个压力段的10个测点(p₁,p₂,p₃……p₁₀)，即c＝1，d＝9；然后对各组温度T_j(j＝1、2、3)下此压力段的吸附量与吸附压力p_i进行拟合计算，分别获得测试温度T₁、T₂、T₃下的朗格缪尔吸附速率参数 由于比例参数b_m是与吸附温度和压力无关的常数，因此，依据式(7)对测试温度T₁、T₂、T₃与吸附速率参数进行拟合计算即可获得比例参数b_m。

步骤4，不同压力段的势阱深度与势阱数量之间的拟合计算：

依据式(6)，分别取8个压力段，每个压力段3个测点，即c＝1，2，3.……8，d＝2，可获得(p₁,p₂,p₃)、(p₂,p₃,p₄)……(p₈,p₉,p₁₀)。对T₁温度下这8个压力段的吸附压力(p_c，p_c+1，p_c+2)与其吸附量进行拟合计算，即可获得各个压力段吸附甲烷的势阱总量和该压力段吸附甲烷速率参数利用步骤3计算所得b_m，依据式(7)，即可获得各个压力段吸附甲烷的平均势阱深度最后依据式(3)、式(4)对不同势阱深度ε_c的势阱数量N_c分别计算。

按照上述方法对T₂与T₃温度条件下不同平均势阱深度ε_c的势阱数量N_c分别计算，计算结果以势阱深度ε_c从小到大的顺序依次记录在表2中。

步骤5，煤吸附甲烷势阱深度分布直方图绘制：

统计煤样吸附势阱总量，并依据表2数据绘制势阱深度分布直方图。

通过该势阱分布直方图，利用式(5)可计算一定温度与吸附压力范围内的煤中甲烷吸附量，由于其考虑了煤中吸附势阱深度的非均匀性，其测定值在理论上比朗格缪尔方法测算值更精确。

表1煤样不同恒温条件下的多测点吸附压力下的吸附量(mol)

表2煤样不同吸附势阱深度段势阱数量统计(mol)

平均势阱深度/(kJ/mol)				……
						势阱数量(mol)				……

本发明能够以多种形式具体实施而不脱离本发明的精神和范围，应当理解，上述实施例不限于前述的细节，而应在权利要求所限定的范围内广泛地解释。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作岀若干改进和等效范围内的变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种煤吸附甲烷势阱分布的测定方法，其特征在于：所述的煤吸附甲烷势阱分布的测定方法，其具体步骤如下：：

①从目标煤层直接钻取体积为10mm×10mm×10mm立方体煤样；

②利用恒温吸附仪器，对煤样在不同恒温条件进行多测点吸附压力的甲烷吸附量精密测试并记录；

③利用基于吸附动力学的朗格缪尔方程，对吸附温度与吸附速率参数b测定值拟合计算，得到比例参数b_m；

④利用基于吸附动力学的朗格缪尔方程，对不同吸附压力段的吸附量与吸附压力进行分段拟合，得到不同压力段的平均势阱深度及其对应势阱数量；

⑤记录煤中吸附势阱总量，对势阱深度及其对应不同温度下的平均势阱数量关系进行归一化处理，并绘制煤吸附甲烷势阱深度分布直方图。

2.根据权利要求1所述的煤吸附甲烷势阱分布的测定方法，其特征在于：所述步骤①中，测试所取煤样为天然块煤。

3.根据权利要求1所述的煤吸附甲烷势阱分布的测定方法，其特征在于：所述步骤②中，利用恒温吸附仪器对煤样不同恒温条件下的多测点吸附压力下的吸附量测试并记录，其中测试温度为不少于3组，参考实际煤储层温度范围应分布在10～90℃之间，恒温测试温度分布在每组温度间隔不小于15℃。参考天然煤储层压力范围，每组温度下吸附压力测点应分布在0～3MPa，且测点数不小于10个。

4.根据权利要求1所述的煤吸附甲烷势阱分布的测定方法，其特征在于：所述步骤④中，每个拟合压力段的压力测点为3～4个，共获得不小于7个吸附压力段。

5.根据权利要求1所述的煤吸附甲烷势阱分布的测定方法，其特征在于：所述步骤⑤中，对不同势阱深度段所对应的所有测试温度下势阱数量平均值绘制归一化的势阱深度分布直方图。