CN107219140A - 一种煤岩残余瓦斯含气量的估算方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于岩石物理领域，公开一种煤岩残余瓦斯含量的估算方法。煤样中流体主要为残余瓦斯和游离的水分，残余瓦斯主要以吸附方式附着于煤体孔隙空间上，游离水主要以游离态赋存于孔隙空间中。本发明中把残余瓦斯和水分全部看成是以游离态赋存于孔隙空间里，完全和煤岩骨架分离。首先通过一定的实验方法测出煤岩样本的体密度，然后再通过一定的实验方法测出煤样的含水率，把样品烘干抽真空后进而测出孔隙度和真密度，这样就可以利用密度理论计算公式和以上实验数据求出残余瓦斯的等效密度，最后利用标准状态下瓦斯密度换算得到煤样残余瓦斯含量。另外，本发明采用配套的实验装置来实施上述测试方法，从而能更快速、准确的估算出煤样的残余瓦斯含量，给实际应用带来效益。
Description
技术领域
本发明属于岩石物理领域，具体涉及一种煤岩残余瓦斯含气量的估算方法及相关设备。
背景技术
地下煤层中含有大量的瓦斯(甲烷为主)气体，煤层中含有瓦斯多少通过含气量来表征。含气量的测试可以划分为三部分：散逸气、自然解析气和残余气。残余气是指煤样经自然解析后仍残留在微孔隙中的气体。这部分气体由于扩散速率极低或者在大气压下煤层气处于吸附平衡状态而不再解析。根据国内外实验的测定，残余气体积在低煤阶煤中可占总含气量的40％～50％，高煤阶煤中也可达到10％左右。因此准确估算残余气的含量对于煤层气的开采利用有很大的指导意义。常规的含气量测量中(GB/T 19559-2008)，针对残余气的测量，把煤块粉碎后解析的方法来测定试样中残余气的含量，需要按照24小时的间隔进行读数，测试时间往往长达一个星期以上。
残余瓦斯含气量的测试需要较长的时间，这对于设备的气密性提出了较大的要求，同时，效率比较低下。这里根据密度的测试理论及瓦斯赋存特征，给出了一个估算煤样残余瓦斯含量的理论公式，可以较为准确的估算出样品中残余瓦斯的含量。
发明内容
本技术方法主要目的是提供一种快速准确的估算煤样中残余瓦斯的含量的方法，主要思想方法为把煤样中流体假设为全部以游离态赋存于孔隙空间里，通过测定煤样的体密度和真密度以及孔隙度，进而结合等效密度理论公式给出了本发明的理论公式，利用本发明的计算公式可以较为准确的估算出标准状态下煤样中残余瓦斯的含量，从而为计算残余瓦斯含量提供了一种新的思路。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案：
(1)煤样体密度的实验测定：通过制作一个圆柱状的样品，利用游标卡尺对该煤岩样品的直径和高度进行测量和控制，然后通过精度为0.001g的天平对煤岩样品在标准状态下进行称重，求得煤岩的体密度。
(2)样品含水量的测定：在制作圆柱状煤岩样品中，采用其中的碎屑，通过国标GB/T23561.6-2009含水率的测定方法可以测得所用煤样的含水率。
(3)样品孔隙度的测定：对所制备样品在一定100℃下快速烘干和抽真空处理后利用波义耳定律双室实验方法可以测得样品的孔隙度。
(4)样品真密度的测定：利用精度为0.001g的天平对步骤(3)中所得样品在标准状态下称重后利用前面实验步骤已测实验参数计算出样品真密度，即不含流体的骨架密度。
(5)残余瓦斯含量的计算：最后利用本发明的公式就可以给出计算残余瓦斯含量的公式，进而估算出残余瓦斯的含量。
优选地，所述煤样残余含气量估算方法具体包括以下步骤：
S1样品的制备：把煤样制备成一个直径3.8cm，高度5cm的标准圆柱状样品，用于样品测试，其中直径和高度用游标卡尺进行测量和控制。
S2煤样体密度的实验测定：利用精度为0.001g的天平对步骤(1)中的煤岩样品在标准状态下进行称重，然后计算出样品的体密度。
S3样品含水量的测定：通过国标GB/T 23561.6-2009含水率的测定方法利用制备样品用到的煤体碎屑测出样品的含水率，进而计算出圆柱状样品中水的含量。
S4对样品加热到100℃进行快速烘干处理后再进行抽真空处理，以便快速、完全的去除样品孔隙中的流体。
S5孔隙度的测定：对步骤S4中所得样品通过本发明中配套实验设备利用波义耳定律双室实验方法测得样品的孔隙度。
S6煤样真密度的测定：利用精度为0.001g的天平对步骤S5中所得样品其进行称重，通过步骤S5中所测得的孔隙度可以计算出固相骨架的体积，进而可以计算出煤样的真密度，即不含流体的骨架密度。
S7等效瓦斯密度的计算：利用本发明的思想和以上实验数据，通过等效密度理论公式计算出残余瓦斯的等效密度。
S8残余瓦斯含量的计算：利用步骤S7中所得瓦斯等效密度和标准状态下瓦斯密度的关系，利用本发明中的公式可以最终计算得出煤样残余瓦斯的含量。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明中估算煤样残余瓦斯含量的流程图
图2是本发明中用于孔隙度测定的配套实验装置示意图
图3是本发明主要思想方法中所假设的理论模型示意图
具体实施方式
以下将结合流程图对本发明进行详细说明，但本发明并不限于此。
首先按流程图中的步骤通过一定的实验方法测得本发明中需要的煤样参数，具体实施如下：
1、把煤样制备成一个直径3.8cm，高度5cm的样品，尺寸用游标卡尺进行测量和控制。然后用精度为0.001g的天平对样品进行称重后计算出样品的体密度，记为ρb；
2、通过国标GB/T 23561.6-2009含水率的测定方法利用制备样品用到的煤体碎屑测出样品的含水率，从而计算出所制备样品的含水量，密度和体积分别记为ρw、υw,具体实施过程在这里不做叙述。
3、对样品加热到100℃进行快速烘干处理后再进行抽真空处理，完全快速的去除样品孔隙中的流体，这样做的第一个目的是使下一步孔隙度的测定结果更准确，因为孔隙中流体的存在会占据孔隙空间一部分的体积，如果不去除将会使孔隙度的测量结果偏小。第二个目的是为样品真密度的测定做准备。
4、利用完全去除流体的样品通过本发明中配套的实验装置(图2)测出样品的孔隙度，实验用到的方法为波义耳双室实验法，测出的孔隙度记为φ，图2是测量孔隙度的配套实验装置，图中1为减压阀，和2气压罐相连，可以控制气压罐中气体的最大压强，本试验中2气压罐中氦气压强最大控制在150psi，气压罐的作用为试验中向右边系统中输送气体(氦气)；3为泄压阀，控制进入系统的压强不超过110psi；4为单向阀门，控制气体只能从左边系统进入右边系统；5为压力表和10参考室相连，试验中可以测量10参考室中气体压强，6为双向阀门，可以控制气体进入和流出参考室；7为压力表和11样品室相连，试验中可以测量样品室中的气体压强，8为三向阀门，可以控制气体从参考室10中流入样品室11中，也可以控制参考室和样品室中的气体排出系统外；9为单向阀门，试验中控制气体排出系统外；12为恒温水箱，试验中作用为控制参考室和样品室中温度不变。其中样品室的尺寸大小和所制备煤样尺寸相对应，使测量更方便，结果更准确。具体实验方法这里不做详述。
5、利用精度为0.001g的天平对(3)中所得样品在标准状态下进行称重，利用前面所述实验测得的实验数据-孔隙度和样品体积可以计算出固相骨架的体积，进而可以计算出煤样的真密度；
6、煤样孔隙中流体主要为残余瓦斯和水份，残余瓦斯主要以吸附态赋存于孔隙空间中，而水份主要以游离态存在，在本发明中，作者假设残余瓦斯和水份全部以游离态赋存于孔隙空间中而完全和固体骨架分离，如图3模型中所示，图中1为煤样骨架部分，不含流体，2为流体中残余瓦斯部分，3为流体中水份部分，4表示没有孔隙的固相骨架部分，5表示煤样孔隙空间部分。根据本发明思想结合以上实验数据利用等效密度理论公式可以计算出煤样残余瓦斯的等效密度和体积。最后结合标准状态下瓦斯的密度，利用本发明中公式计算出标准状态下残余瓦斯的体积，进而得出煤样中残余瓦斯的含量。
以上为本发明所用到的全部实验方法、数据以及本发明的思想方法，下面给出详细计算过程：
本发明中，把残余瓦斯和水份假设为全部赋存于孔隙空间中，如图3模型中所示，则根据等效密度理论公式，有以下关系：
ρb＝(1-φ)ρo+φρf＝(1-φ)ρo+φ(Swρw+SgρgD) (1)
式中
ρb-煤样真密度，g/cm3；
Φ-孔隙度，％；
ρf-孔隙流体的等效密度，主要是瓦斯和水份，g/cm3；
ρo-煤样真密度即不含流体的骨架密度，g/cm3；
ρw-水的密度，g/cm3；
ρgD-瓦斯全部赋存于孔隙空间中时的等效密度，g/cm3；
Sw-通过测定的含水率，我们可以换算得到含水饱和度Sw，同时Sg＝1-Sw
(1)式中只有ρgD为未知参数，其他参数都是通过一定的试验方法测出的已知参数，所以通过(1)式可以求出残余瓦斯的等效密度ρgD。
由于假设为瓦斯全部以游离态赋存于孔隙空间中，此时瓦斯的体积比实际煤样中标准状态下瓦斯的体积小，密度比标准状态下密度大，利用已知的标准状态下瓦斯的密度就可以把残余瓦斯体积换算为标准状态下的体积，换算公式如下：
式中
υgS-标准状态下瓦斯的体积，cm3；
υgD-本发明假设状态下瓦斯的体积，cm3；
ρgS-标准状态下瓦斯的密度，g/cm3；
其他参数同(1)
最后根据吨煤含气量的定义，即每吨煤中含有的瓦斯体积，结合(1)(2)式我们得出下面关系式：
式中
G-残余瓦斯含量，cm3/g,也就是m3/t；
其他参数同上
从而计算得到残余瓦斯含量
以上根据本发明的目的，对本发明的具体实施过程、技术方案和所用装置进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的思想原则范围之内所做的任何修改、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种煤岩残余瓦斯含量的估算方法及设备，其特征在于，方法包括八个步骤：
S1，煤样样品的制备；
S2，测定煤样的体密度ρb；
S3，测定样品的含水率，得到含水体积vw；
S4，对样品进行进一步加热烘干及抽真空处理；
S5，利用配套设备测定样品的孔隙度φ；
S6，测定样品真密度，即不含流体的骨架密度ρo；
S7，利用本发明所述公式计算残余瓦斯的等效密度ρgD；
S8，利用标准状态下瓦斯的密度，换算得到标准状态下煤样残余瓦斯含量G。
2.根据权利要求1所述的煤岩残余瓦斯的估算方法及设备，其特征在于，所述步骤S1中，把煤样制备成一个直径3.8cm，高度5cm的样品，这样方便利用配套设备对其进行各种所需参数的测定。
3.根据权利要求2中所述的煤岩残余瓦斯的估算方法及设备，其特征在于，所述步骤S2中，利用精度为0.001g的天平在标准状态下对所制备的样品进行称重，利用所称质量和计算出的体积计算样品的体密度ρb，为最后残余瓦斯含量的计算提供2个输入参数，即体密度ρb和样品体积υ0。
4.根据权利要求3中所述的煤岩残余瓦斯的估算方法及设备，其特征在于，所述步骤S3中，通过国标GB/T 23561.6-2009里的实验方法测定所制备样品的含水率，可以得到样品中水的含量，为最后残余瓦斯含量的计算公式提供2个输入参数，即水的密度ρw、水的体积υw。
5.根据权利要求4中所述的煤岩残余瓦斯的估算方法及设备，其特征在于，所述步骤S4中，对样品进行进一步加热烘干及抽真空处理，加热温度可控制到100℃以上，以便快速、完全的去除样品中所残留的水份和气体，这样可以使下一步测得的孔隙度更加准确，因为根据孔隙度测定的方法原理，孔隙中水份的存在会使最后的测量结果有所偏差。
6.根据权利要求5中所述的煤岩残余瓦斯的估算方法及设备，其特征在于，所述步骤S5中，对去除流体的样品用波义耳双室实验法测量样品的孔隙度，该设备是和煤样尺寸相对应的配套设备，设备控制条件更加严格，所以能更加快速而且高精度的测得煤样的孔隙度，为最后残余瓦斯含量的计算公式提供1个输入参数，即孔隙度φ。
7.根据权利要求6中所述的煤岩残余瓦斯的估算方法及设备，其特征在于，所述步骤S6中，用精度为0.001g的天平在标准状态下对样品进行称重，利用所测孔隙度和样品体积，进而可以计算出样品真密度，较传统方法更加快捷，精确度也更高，为最后残余瓦斯含量的计算公式提供1个输入参数，即煤样真密度ρo。
8.根据权利要求7中所述的煤岩残余瓦斯的估算方法及设备，其特征在于，所述步骤S7中，利用权利要求3-7中所测得的参数，结合本发明的思想方法和所述公式可以计算得到煤样中残余瓦斯在一定状态下的等效密度ρgD。
9.根据权利要求8中所述的煤岩残余瓦斯的估算方法及设备，其特征在于，所述步骤S8中，利用标准状态下瓦斯的密度结合权利要求8中所得瓦斯的等效密度，可以计算得出标准状态下瓦斯的体积，进而得出煤体残余瓦斯含量G。
10.相对应的配套设备，其特征在于，包括：
权利要求6中测量样品孔隙度的实验装置为本发明的配套实验设备，所设计尺寸与构造完全为本发明服务，使得测量过程更加方便、快速，测量结果更加准确；该设备同时也是本发明中真密度测定的配套实验设备。
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