CN107367441B - 一种高精度对比测定瓦斯吸附平衡时间的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度对比测定瓦斯吸附平衡时间的装置及方法。该装置包括瓦斯充气装置，脱气装置，瓦斯对比吸附解吸装置，温度控制装置。瓦斯充气装置包括高压瓦斯气源，与第一管路连接，脱气装置包括真空泵，真空泵连接第三管路，瓦斯对比吸附解吸装置包括空煤样罐、装煤煤样罐和装钢球煤样罐，空煤样罐分别和装煤煤样罐、装钢球煤样罐连接为一个整体；上述的煤样罐均放置在恒温水箱内；第一管路、第二管路、第三管路相连通。本发明结构简单，用于煤的吸附常数、吸附平衡时间的测定，可以测定出同一温度、不同粒径段煤样的吸附平衡时间和平衡时的压力，适合各粒径瓦斯吸附解吸规律的实验；可模拟井下的储层环境；可提高实验效率，测定精度高。

Description

一种高精度对比测定瓦斯吸附平衡时间的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种预测煤层突出危险性的新指标的瓦斯实验装置，具体是一种高精度对比测定瓦斯吸附平衡时间的方法及装置。
背景技术
按照《防治煤与瓦斯突出规定》，我国采用瓦斯含量W作为煤层突出危险性预测的主要指标之一。煤层瓦斯含量通过间接法在井下实测煤层真实瓦斯压力，在实验室测定单一粒径煤样的吸附常数（a、b值）、孔隙率、灰份、水份等数据计算测定。由于不同矿区、不同煤层的煤样在相同力作用下的破碎程度不同，采用单一粒径煤样测定煤层瓦斯含量不能反应煤层瓦斯含量真实值。
“吸附平衡时间”是煤层气开发中不可或缺的储层参数。吸附时间最早曾被定义为气体的63. 2% 被解吸出来时所需的时间;吸附时间单位以小时和天来表示解吸速率的高低。随着煤层气商业性开发进程的需要, 吸附时间重新定义为气含量测试的总气体体积(包括损失气、解吸气和残余气) 的63.2% 被解吸出来时所需的时间。
吸附时间是气体从煤中解吸的速率的一种物理量。同一口井不同煤组或不同煤层的吸附时间, 反映了不同的气体运移特征。通过对储层模拟, 在垂向上可清楚地区分出许多具有不同厚度但气体运移和储集特性相同的岩性单元, 或是把单一煤带分成许多层并给定气体储存和运移的特征，达到预测实际初始和长期产出速率的目的。吸附时间关系到煤层气井进入产气高峰期的时间长短, 例如美国黑勇士盆地3 种吸附时间值所对应的气产量曲线, 具有明显的差别。
发明内容
本发明提供了一种结构简单、可进行瓦斯吸附解吸的平衡时间测量实验、实验数据精确和效率高的一种高精度对比测定瓦斯吸附平衡时间的方法及装置。
本发明提供了一种高精度对比测定瓦斯吸附平衡时间的装置，包括瓦斯充气装置，脱气装置，瓦斯对比吸附解吸装置，温度控制装置。瓦斯充气装置包括高压瓦斯气源、高压瓦斯气源与第一管路连接，第一管路上分别设置有第一控制阀门和减压阀；脱气装置包括真空泵，真空泵连接第三管路，第三管路上设置有第五控制阀门。瓦斯对比吸附解吸装置包括空煤样罐、装煤煤样罐和装钢球煤样罐，分别与第二管路连接，空煤样罐上方设置有第二控制阀门和高精度压力表，装煤煤样罐上方设置有第三控制阀门和第二高精度压力表，装钢球煤样罐上方设置有第四控制阀门和第三高精度压力表，空煤样罐、装煤煤样罐和装钢球煤样罐均为同一型号的煤样罐。温度控制装置包括恒温水箱，空煤样罐和装煤煤样罐或装钢球煤样罐均放置在恒温水箱内。
上述装置中，所述的装煤煤样罐或同型号的装钢球煤样罐为交替使用的两个煤样罐，空煤样罐和装煤煤样罐或装钢球煤样罐连接为一个整体。采用精确度为小数点后三位的数字压力表，尽可能减少度数误差的影响，以便准确记录吸附平衡时间。
本发明提供了一种高精度对比测定瓦斯吸附平衡时间的方法，采用上述装置，包括以下步骤：
步骤1．煤样的采集：采集现场煤层的煤样，在实验室进行破碎，计算煤样的破碎功，使之等于煤样的瓦斯膨胀能；对破碎后的煤样进行筛分，获得各粒径段煤样的质量百分比Wd；
步骤2.称取50g的煤样放入空煤样罐（体积为V空）中并进行死空间（煤样罐体积除去煤样的体积后所剩余的体积）测定，得V煤死；检查系统确保连接的可靠，将恒温水浴调整到预定值30℃；打开第二控制阀门、第四控制阀门，打开真空泵进行脱气，脱气完毕后，关闭第二控制阀门、第四控制阀门；
步骤3.打开减压阀进行充气，充气完毕后，记录高精度压力表的读数P0空；打开第一控制阀门和第二控制阀门，待空煤样罐和装煤煤样罐的压力相等时记录高精度压力表的读数P1煤，关闭第一控制阀门；打开第三控制阀门并开始计时，观察第二高精度压力表的数值，待其读数稳定时记录时间为t2。
步骤4.计算需要放入钢球（半径为r）的数目N，使得V空-V煤死=N×4πr3/3 。
步骤5.取N个钢球放入装钢球煤样罐中进行死空间测定，使V钢死=V煤死；检查系统确保连接的可靠，将恒温水浴调整到预设定值30℃；打开第二控制阀门、第四控制阀门，打开真空泵进行脱气，脱气完毕后，关闭第二控制阀门、第四控制阀门。
步骤6. 打开减压阀进行充气，充气完毕后，打开第一控制阀门和第二控制阀门，待空煤样罐和装煤煤样罐的压力相等时，关闭第一控制阀门；打开第四控制阀门并开始计时，观察第三高精度压力表的数值，待其读数稳定时记录时间为t1。
步骤7.整理实验记录，根据实际气体状态方程PV=nRTZ，由公式P0空V0空=n0空RTZ，得到n0空；P煤（V0空+ V煤死）=n1RTZ，得到n1；P煤（V0空+ V钢死）=n2RTZ，得到n2；可以分析与计算实验数据n0钢球、n0煤。其中：P0空、V0空、n0分别为初始状态的参数；n1为CH4在空煤样罐和装煤煤样罐连通时达到吸附平衡状态时的CH4的物质的量；n2为CH4在空煤样罐和装钢球煤样罐连通时达到平衡状态时的CH4的物质的量。
上述方法中，实验时首先打开空煤样罐第二控制阀门经过真空泵脱气后用CH4高压气源充气，待压力稳定后，分别打开装煤煤样罐第三控制阀门或装煤钢球样罐第四控制阀门并开始计时，第二、第三高精度压力表读数稳定时，达到吸附平衡压力点，实验终止，分别记录两个时间t2、t1，时间t=（t2-t1）为吸附平衡时间，以此测定煤存在对平衡时间的影响。
所述的每个吸附平衡压力点的测定，均采用CH4高压源向空煤样罐中充气方式进行，排除其他因素的干扰，进一步加深对煤样吸附/解吸性能的了解。
本发明的原理：煤样内瓦斯运移平衡时间也可以反映煤吸附/解吸性能，在煤样给定情况下，煤孔内吸附平衡时间越短，说明瓦斯运移速度越快，在突出发生时的贡献也越大。为此，研究煤孔内瓦斯运移平衡时间对研究煤与瓦斯突出具有重要意义。
本发明的有益效果：
本发明提供的装置结构简单、可进行瓦斯吸附/解吸的平衡时间的测量实验，采用高精度压力表作为平衡时间测量依据等使实验数据精确度高；采用空煤样罐、装煤煤样罐，装钢球煤样罐连接在一起形成三通管，提高了实验的效率；对研究煤与瓦斯突出机理具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中空煤样罐分别与装煤煤样罐或装钢球煤样罐连接时，其中的压强随时间的变化。
图3是本发明中装煤煤样罐和装钢球煤样罐中的压强随时间的变化。
图中：1为高压瓦斯气源，2为第一管路，3为第一控制阀门，4为减压阀，5为真空泵，6为第三管路，7为第五控制阀门，8为空煤样罐，9为装煤煤样罐，10为装钢球煤样罐，11为第二控制阀门，,12为高精度压力表，13为第三控制阀门，14为第二高精度压力表，15为第四控制阀门，16为第三高精度压力表，17为第二管路，18为恒温水箱，19为温度控制器，20为控制开关。
具体实施方式
如图1所示的是一种高精度对比测定瓦斯吸附平衡时间的装置，其包括通过管路连接的瓦斯充气装置，脱气装置，瓦斯对比吸附解吸装置，温度控制装置。瓦斯充气装置包括高压瓦斯气源1、高压瓦斯气源1与第一管路2连接，第一管路2上分别设置有第一控制阀门3和减压阀4，减压阀是将气体调节到实验所需要的压力，从而排除第一管路中的空气。脱气装置包括真空泵5，真空泵5连接第三管路6，第三管路6上设置有第五控制阀门7。瓦斯对比吸附解吸装置包括空煤样罐8、装煤煤样罐9和装钢球煤样罐10，分别与第二管路17连接，空煤样罐8上方设置有第二控制阀门11和高精度压力表12，装煤煤样罐9上方设置有第三控制阀门13和第二高精度压力表14，装钢球煤样罐10上方设置有第四控制阀门15和第三高精度压力表16，空煤样罐8、装煤煤样罐9和装钢球煤样罐10均为同一型号的煤样罐，且装煤煤样罐9和装钢球煤样罐10交替使用，即二者交替与空煤样罐8连接进行测量。温度控制装置包括恒温水箱18，空煤样罐8、装煤煤样罐9或装钢球煤样罐10均放置在恒温水箱18内。恒温水箱18由温度控制器19和控制开关20控制。
上述装置中，所述的装煤煤样罐或同型号的装钢球煤样罐为交替使用的两个煤样罐，空煤样罐和装煤煤样罐或装钢球煤样罐连接为一个整体。采用精确度为小数点后三位的数字压力表，尽可能减少度数误差的影响，以便准确记录吸附平衡时间。
在本实施方式中，空煤样罐的容积为100ml，装50g煤煤样罐的容积通过死空间测定为V死，装钢球煤样罐的死空间V钢球=V死，第一管路、第二管路和第三管路的内径均为4.55mm，长度为750mm。
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
一种高精度对比测定瓦斯吸附平衡时间的方法，包括以下步骤：
步骤1．煤样的采集：采集现场煤层的煤样，在实验室进行破碎，计算煤样的破碎功，使之等于煤样的瓦斯膨胀能；对破碎后的煤样进行筛分，获得各粒径段煤样的质量百分比Wd；
步骤2.称取50g的煤样放入空煤样罐（体积为V空）中并进行死空间（煤样罐体积除去煤样的体积后所剩余的体积）测定，得V煤死；检查系统确保连接的可靠，将恒温水浴调整到预定值30℃；打开第二控制阀门、第四控制阀门，打开真空泵进行脱气，脱气完毕后，关闭第二控制阀门、第四控制阀门；
步骤3.打开减压阀进行充气，充气完毕后，记录高精度压力表的读数P0空；打开第一控制阀门和第二控制阀门，待空煤样罐和装煤煤样罐的压力相等时记录高精度压力表的读数P1煤，关闭第一控制阀门；打开第三控制阀门并开始计时，观察第二高精度压力表的数值，待其读数稳定时记录时间为t2。
步骤4.计算需要放入钢球（半径为r）的数目N，使得V空-V煤死=N×4πr3/3 。
步骤5.取N个钢球放入装钢球煤样罐中进行死空间测定，使V钢死=V煤死；检查系统确保连接的可靠，将恒温水浴调整到预设定值30℃；打开第二控制阀门、第四控制阀门，打开真空泵进行脱气，脱气完毕后，关闭第二控制阀门、第四控制阀门。
步骤6. 打开减压阀进行充气，充气完毕后，打开第一控制阀门和第二控制阀门，待空煤样罐和装煤煤样罐的压力相等时，关闭第一控制阀门；打开第四控制阀门并开始计时，观察第三高精度压力表的数值，待其读数稳定时记录时间为t1。
步骤7.整理实验记录，根据实际气体状态方程PV=nRTZ，由公式P0空V0空=n0空RTZ，得到n0空；P煤（V0空+ V煤死）=n1RTZ，得到n1；P煤（V0空+V钢死）=n2RTZ，得到n2；可以分析与计算实验数据n0钢球、n0煤。
上述方法中，实验时首先打开空煤样罐第二控制阀门经过真空泵脱气后用CH4高压气源充气，待压力稳定后，分别打开装煤煤样罐第三控制阀门或装煤钢球样罐第四控制阀门并开始计时，第二、第三高精度压力表读数稳定时，达到吸附平衡压力点，实验终止，分别记录两个时间t2、t1，时间t=（t2-t1）为吸附平衡时间，以此测定煤存在对平衡时间的影响。
所述的每个吸附平衡压力点的测定，均采用CH4高压源向空煤样罐中充气方式进行，排除其他因素的干扰，进一步加深对煤样吸附/解吸性能的了解。
其中的n1为CH4在空煤样罐和装煤煤样罐连通时达到吸附平衡状态时的CH4的物质的量；n2为CH4在空煤样罐和装钢球煤样罐连通时达到平衡状态时的CH4的物质的量。

Claims (3)

1.一种高精度对比测定瓦斯吸附平衡时间的装置，其特征在于：包括瓦斯充气装置，脱气装置，瓦斯对比吸附解吸装置，温度控制装置；瓦斯充气装置包括高压瓦斯气源，高压瓦斯气源与第一管路连接，第一管路上分别设置有第一控制阀门和减压阀；脱气装置包括真空泵，真空泵连接第三管路，第三管路上设置有第五控制阀门；瓦斯对比吸附解吸装置包括空煤样罐、装煤煤样罐和装钢球煤样罐，分别与第二管路连接，空煤样罐上方设置有第二控制阀门和高精度压力表，装煤煤样罐上方设置有第三控制阀门和第二高精度压力表，装钢球煤样罐上方设置有第四控制阀门和第三高精度压力表，空煤样罐、装煤煤样罐和装钢球煤样罐均为同一型号的煤样罐；温度控制装置包括恒温水箱，空煤样罐、装煤煤样罐和装钢球煤样罐均放置在恒温水箱内；上述第一管路、第二管路、第三管路相连通；空煤样罐分别和装煤煤样罐、装钢球煤样罐连接为一个整体；
所述的装煤煤样罐或同型号的装钢球煤样罐为交替使用的两个煤样罐；
所述的高精度压力表和第二高精度压力表、第三高精度压力表采用精确度为小数点后三位的数字压力表；
采用上述装置进行高精度对比测定瓦斯吸附平衡时间的方法，包括以下步骤：
步骤1．煤样的采集：采集现场煤层的煤样，在实验室进行破碎，计算煤样的破碎功，使之等于煤样的瓦斯膨胀能；对破碎后的煤样进行筛分，获得各粒径段煤样的质量百分比Wd；
步骤2.称取50g的煤样放入装煤煤样罐中并进行死空间测定，得V煤死；死空间是指煤样罐体积除去煤样的体积后所剩余的体积；
检查系统确保连接的可靠，将恒温水浴调整到预定值30℃；打开第二控制阀门、第三控制阀门，打开真空泵进行脱气，脱气完毕后，关闭第二控制阀门、第三控制阀门；
空煤样罐的体积为V空；
步骤3.打开减压阀进行充气，充气过程为：打开第一控制阀门和第二控制阀门对空煤样罐充入CH4气体；充气完毕后，记录高精度压力表的读数P0空；关闭第一控制阀门，打开第三控制阀门并开始计时，观察第二高精度压力表的数值，待空煤样罐和装煤煤样罐的压力相等时记录高精度压力表的读数P1煤，记录时间t2;
步骤4.计算需要放入钢球的数目N，使得V空-V煤死=N×4πr3/3 ；装钢球煤样罐内的钢球体积等于装煤煤样罐内煤的体积；钢球的半径为r；
步骤5.取N个钢球放入装钢球煤样罐中进行死空间测定，使V钢死=V煤死；检查系统确保连接的可靠，将恒温水浴调整到预设定值30℃；打开第二控制阀门、第四控制阀门，打开真空泵进行脱气，脱气完毕后，关闭第二控制阀门、第四控制阀门；
步骤6. 打开减压阀进行充气，充气过程为：打开第一控制阀门和第二控制阀门对空煤样罐充入CH4气体；充气完毕后，关闭第一控制阀门，打开第四控制阀门并开始计时，观察第三高精度压力表的数值P2煤，待空煤样罐和装煤煤样罐的压力相等时，记录时间为t1；时间t=（t2-t1）为吸附平衡时间，以此测定煤存在对平衡时间的影响；
步骤7.整理实验记录，根据实际气体状态方程PV=nRTZ，由公式P0空V0空=n0空RTZ，得到n0空；P1煤（V0空+ V煤死）=n1RTZ，得到n1；P2煤（V0空+ V钢死）=n2RTZ，得到n2；其中的n1为CH4在空煤样罐和装煤煤样罐连通时达到吸附平衡状态时的CH4的物质的量；n2为CH4在空煤样罐和装钢球煤样罐连通时达到平衡状态时的CH4的物质的量。
2.如权利要求1所述的高精度对比测定瓦斯吸附平衡时间的装置，其特征在于：实验时首先打开第二控制阀门，待压力稳定后，关闭第一控制阀门，再打开第三控制阀门并开始计时，等达到吸附平衡压力点时实验终止，分别记录时间t1、t2，测定煤存在对平衡时间的影响。
3.如权利要求1所述的高精度对比测定瓦斯吸附平衡时间的装置，其特征在于：每个吸附平衡压力点的测定，均采用空煤样罐向装煤煤样罐或装钢球煤样罐中充气方式进行。
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