CN107607366B - 一种甲烷收集器、煤层气生产井甲烷排放测定装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种甲烷收集器、煤层气生产井甲烷排放测定装置和方法，该收集器包括硬质顶盖、硬质底盖、气体采样膜及箍圈；硬质顶盖上设有气体检测口；气体采样膜收缩地位于硬质顶盖与硬质底盖之间，且分别与硬质顶盖与硬质底盖密封连接，以形成收集煤层水和甲烷的可膨胀的空间；在气体采样膜上设有煤层水和甲烷气进入及排出该空间的样品入口/排水口；气体采样膜的膜外侧套有箍圈，箍圈为一只或多只，且该箍圈在膜外侧与膜紧密粘合。本发明提供的测定装置包括该收集器。利用该装置的方法可精确测定煤层气生产井排水口的甲烷排放量，对于提高我国油气行业温室气体核查数据精度，推动应对气候变化工作，具有重要的积极意义。

Description

一种甲烷收集器、煤层气生产井甲烷排放测定装置和方法

技术领域

本发明涉及一种煤层气生产井甲烷排放测定装置和方法，属于煤气层开发过程中国甲烷排放测定领域。

背景技术

煤层气是指储存在煤层中以甲烷为主要成分的烃类气体，俗称“瓦斯气”，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气。作为煤层气中的主要成分，甲烷被认为是一种清洁低碳的过渡性能源，其重要原因就是甲烷充分燃烧所产生的CO₂比其他化石能源要少。但是甲烷也是大气中第二大温室气体成分，对全球历史升温作用仅次于CO₂。石油天然气行业是人为甲烷排放的首要来源，根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)的报告，油气行业甲烷排放量约占全球人类活动甲烷总排放量的24％。

据现有研究报告，在煤层气生产过程中，在设备无泄漏的前提下，最主要的甲烷排放源为生产井排水口。甲烷埋藏于地下几百米至2千米的煤层中，常伴生大量煤层水。甲烷通过采气管到达地面的过程中，煤层水常堵塞管道进气孔，导致甲烷气无法到达地面，因此需利用设备通过采气管外面的套管，将地下煤层水提升至地表并排出，以保证采气管道通畅。在排水过程中，套管中的甲烷气伴随煤层水一同排出，造成甲烷有组织排放。甲烷排放过程将伴随煤层气生产全过程。

在我国，煤层气生产已进入大规模开发阶段，但开发过程中的甲烷排放测定数据少且结果差别大，导致推算出的温室效应和经济性影响差别十分巨大。甲烷现场测定结果对温室气体排放核查、企业投资决策、政府政策制定等都能产生巨大影响。因此，煤层气生产井甲烷排放测定装置及方法的准确性作用突显。

测定甲烷排放的方法通常为在排放口附近用塑料袋和塑料薄膜进行简易封闭(不必密封)，使用Hetek Solutions Inc.公司的大流量采样器(Hi Flow Sampler)吸气对排放浓度进行分析，再根据排放时间推算每天排放量。但该方法不适用煤层气排水口甲烷排放的测定，其原因为：

(1)部分排水口有一定量煤层水喷出，在简易封闭环境中使用大流量采样器很有可能将水吸入采样器，造成采样器内部传感器被破坏；

(2)不同煤层气排水口排出的甲烷气体流量差别较大，在气体流量较低情况下，大流量采样器测定数据误差较大。

基于以上问题，需要设计开发适用于我国煤层气甲烷排放的测定装置及方法。

发明内容

有鉴于现实需要，本发明的目的之一在于提供一种甲烷收集容器，该甲烷收集容器可形成煤层气甲烷排放的测定装置，该测定装置在破坏采样设备可能性低的情况下能获取准确的数据。

本发明的另一目的在于提供包含前述甲烷收集容器的煤层气生产井甲烷排放测定装置。

本发明的再一目的在于提供一种煤层气甲烷排放的测定方法，该测定方法应用前述甲烷收集容器或含其的测定装置。

为实现上述目的，本发明的提供一种甲烷收集容器，其包括硬质顶盖、硬质底盖、气体采样膜及箍圈；所述硬质顶盖上设有气体检测口；所述气体采样膜收缩地位于硬质顶盖与硬质底盖之间，且分别与硬质顶盖与硬质底盖密封连接，以形成收集煤层水和甲烷的可膨胀的空间；在所述气体采样膜上设有煤层水和甲烷进入及排出该空间的样品入口/排水口；所述气体采样膜的膜外侧套有箍圈，所述箍圈至少为一只，且该箍圈在膜外侧与膜紧密贴合，以约束所述气体采样膜在收集煤层水与甲烷的过程中过度膨胀。

上述的甲烷收集容器中，优选地，所述硬质顶盖的材质为聚四氟乙烯。

上述的甲烷收集容器中，优选地，所述硬质底盖的材质为聚四氟乙烯。

上述的甲烷收集容器中，优选地，所述气体采样膜的材质为聚氟乙烯。

上述的甲烷收集容器中，优选地，所述的箍圈为金属圈。

上述的甲烷收集容器中，优选地，所述气体检测口处设有与所述硬质顶盖密封连接的软橡胶短管。

上述的甲烷收集容器中，优选地，所述的硬质顶盖、硬质底盖各自独立地包括圆形平盖、椭圆性平盖、正方性平盖、长方形平盖、三角形平盖或梯形平盖，各平盖的边沿下垂或不下垂。

更优选地，所述的硬质顶盖、硬质底盖为半径相同的圆形平盖，且该平盖的边沿不下垂，所述箍圈为环形金属圈；所述气体采样膜分别与硬质顶盖与硬质底盖的周边密封连接，以使其膨胀后基本呈圆柱体形，所述环形金属圈的个数为能使膨胀后的甲烷收集器维持圆柱体形，以准确计算其体积。本发明采用这种圆形平盖一方面便于准确计算体积，另外也便于制作环形金属圈，如果金属圈是环形的话，收集容器膨胀起来不会发生变形，如果是其他形状(例如椭圆形)，一旦膨胀起来压力稍大，可能造成容器变形，体积也会发生改变，计算量就不准确。

更优选地，所述气体采样膜垂直裁开后为长方形，该长方形一相对的两边分别与所述圆形平盖的沿边密封连接。

上述的甲烷收集容器中，优选地，该甲烷收集容器体积为20L、50L、100L或200L。

本发明所述甲烷收集容器体积是指膨胀后体积，考虑到膜会向外鼓起来，本发明所以采用了金属箍圈，箍圈能有效控制膜向外膨胀。例如50L的收集容器，本发明可采用6个箍圈，膨胀很小。此外，在使用中要注意看到膜开始膨胀时，及时停止采样。

本发明之所以设置不同体积的甲烷收集容器主要是根据现场实测经验，不同生产井的排水、排气情况差别较大，因而需设计不同体积的甲烷收集容器。当所述的硬质顶盖、硬质底盖为半径相同的圆形平盖时，可使其半径为20cm，最大高度(充满气体时的最大高度，也就是气体采样膜垂直裁开后的长方形的短边长度)为16cm以获得20L的体积；可使其半径为20cm，最大高度为40cm以获得50L的体积；可使其半径为30cm，最大高度为35cm以获得100L的体积；可使其半径为40cm，最大高度为40cm以获得200L的体积。

另一方面，本发明提供一种煤层气生产井甲烷排放测定装置，其包括上述的甲烷收集容器、甲烷浓度分析仪、橡胶锥形收集器；

所述橡胶锥形收集器套接在排放煤层水及甲烷气体的管口，该橡胶锥形收集器与所述甲烷收集容器的样品入口/排水口之间以管路相连，所述甲烷收集容器的气体进样口与所述甲烷浓度分析仪的进气口以管路相连；且在每一连接管路上设有或不设有阀门。

本发明所述橡胶锥形收集器为橡胶材质的锥形漏斗，可方便在排放口收集气体，可商购获得。

本发明的连接管路主要是排放煤层水及甲烷气体的管口与所述样品入口/排水口之间的连接；及所述气体进样口与所述所述甲烷浓度分析仪的进气口之间的连接，优选地，该连接管路为软管。当管路上不设阀门时，可手动控制物料的进入或排出，当管路上设有阀门时，可通过阀门控制物料的进入或排出。

另一方面，本发明提供一种煤层气生产井甲烷排放测定方法，所述方法包括采用上述的甲烷收集容器或上述的煤层气生产井甲烷排放测定装置；所述测定方法包括如下步骤：

(1)堵住所述气体检测口，然后通过所述样品入口/排水口向所述甲烷收集器内排入来自某井的煤层水及甲烷气体；

(2)排放完毕后，记录排入时间，堵住所述样品入口/排水口；

(3)打开所述气体检测口，采用甲烷浓度分析仪测试收集到的甲烷的浓度；然后打开所述样品入口/排水口，测量收集到的煤层水的测量体积；

(4)按公式：Q＝(V₁-V₂)×ρ×(86400/t)计算该生产井的甲烷排放量，其中，Q为该生产井每天甲烷排放量，其单位为mg/天；V₁为甲烷收集容器体积，其单位为L；V₂为排入的煤层水的体积，其单位为L；ρ为甲烷气体浓度，其单位为mg/L；t为步骤(2)中的排入时间，其单位为秒。

优选地，收集煤层水及甲烷气体的时间不短于5min。这主要是考虑到单井排放周期基本在10到30秒以内，收集时间不短于5min一方面可以保证能收集至少10个排放周期的样品，另一方面这种情况所需的甲烷收集容器的体积也不至于过大。

上述煤层气生产井甲烷排放测定方法中，随着煤层水和甲烷气排入所述甲烷收集器中，其因内部压力增加而膨胀逐步升高，在升高过程中，扶稳所述硬质顶盖，避免顶盖重量影响压缩收集器气囊，影响正常排水、排气过程。

上述煤层气生产井甲烷排放测定方法优选包括如下步骤：

(a)将橡胶锥形收集器套在排放煤层水及甲烷气体的管口，确保没有泄漏点；

(b)根据现场排水、排气情况，选择合适的所述甲烷收集器进行收集测定；压紧所述甲烷气体收集器的硬质顶盖及硬质底盖，确保该甲烷收集器内无残留气体后，采用塞子(优先橡胶塞)堵住所述气体检测口；将所述甲烷气体收集器的的样品入口/排水口通过管路与橡胶锥形收集器底部接口连接，自开始收集计时；

(c)随着煤层水和甲烷气排入收集器中，收集器因内部压力增加而逐步升高，在升高过程中，扶稳硬质顶盖，避免顶盖重量影响压缩收集器气囊，影响正常排水、排气过程；

(d)待所述硬质顶盖升至最大高度后，此时，所述甲烷收集容器不会过度膨胀，立刻断开样品入口/排水口处连接，并用塞子(优先橡胶塞)堵紧样品入口/排水口，同时停止计时，记录下收集时间；单井收集时间不应短于5分钟；

(e)打开所述气体检测口，采用甲烷浓度分析仪(优选便携式)测定甲烷收集容器中甲烷浓度，测定过程确保密封；当气体检测口设有橡胶软管时，可先捏住该橡胶软管，缓慢拔开软管口橡胶塞，待与甲烷浓度分析仪器的进气口密闭连接后，松开橡胶软管；

(f)完成甲烷浓度测定后，拔出所述样品入口/排水口的塞子，测量所述甲烷收集容器中的煤层水的体积(可导入量筒中测量)；

(g)按公式：Q＝(V₁-V₂)×ρ×(86400/t)计算该生产井的甲烷排放量，其中，Q为该生产井每天甲烷排放量，其单位为mg/天；V₁为甲烷收集容器体积，其单位为L；V₂为排入的煤层水的体积，其单位为L；ρ为甲烷气体浓度，其单位为mg/L；t为步骤(2)中的排入时间，其单位为秒。

由于煤层气生产井随生产开发推进，甲烷产量会逐步降低，排水口甲烷排放量也可能逐步降低；建议每半年检测一次。

本发明针对煤层气生产井排水口甲烷排放特点，依据大量现场实测经验进行开发设计，得到了甲烷收集容器及相应的测试装置，利用该装置的方法可精确测定煤层气生产井排水口的甲烷排放量，对于提高我国油气行业温室气体核查数据精度，推动应对气候变化工作，具有重要的积极意义。

附图说明

图1为本发明实施例1甲烷收集容器的结构示意图。

图2为本发明实施例1煤层气甲烷排放的测定装置在未测定时的结构示意图。

图3为本发明实施例1煤层气甲烷排放的测定装置在测定时膨胀的结构示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合具体实施例及对本发明的技术方案进行以下详细说明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。实施例中，各原始试剂材料均可商购获得，未注明具体条件的实验方法为所属领域熟知的常规方法和常规条件，或按照仪器制造商所建议的条件。

实施例1

本实施例提供一种甲烷收集容器，含其的测试装置及利用该测试装置测试某口井甲烷排放量的方法。

请参阅图1，其为本实施例甲烷收集容器1的示意图，其包括材质为聚四氟乙烯的圆形硬质顶盖11、材质为聚四氟乙烯的圆形硬质底盖12、材质为聚氟乙烯的气体采样膜13及箍圈；所述硬质顶盖11上设有气体检测口111；该气体检测口111处设有与所述硬质顶盖11密封连接的软橡胶短管112，所述气体采样膜13收缩地位于硬质顶盖11与硬质底盖12之间，且分别与硬质顶盖11与硬质底盖12密封连接，以形成收集煤层水和甲烷的可膨胀的空间；在所述气体采样膜13上设有煤层水和甲烷气进入及排出该空间的样品入口/排水口15；所述气体采样膜13的膜外侧套有箍圈，所述箍圈为6只，该箍圈为环形金属圈14，且该箍圈在膜外侧与膜紧密贴合，以约束所述气体采样膜13在收集煤层水与甲烷的过程中过度膨胀；

所述的硬质顶盖、硬质底盖均为圆形平盖，且平盖的边沿不下垂，所述箍圈为环形金属圈；所述气体采样膜13分别与硬质顶盖11与硬质底盖12的周边密封连接，以使其膨胀后基本呈圆柱体形，所述环形金属圈的个数为6只，其能使膨胀后的甲烷收集器维持圆柱体形，以准确计算其体积。该两平盖的半径均为20cm。所述气体采样膜13垂直裁开后为长方形，该长方形一相对的两边分别与所述圆形平盖的沿边密封连接，其高度为40cm，由此所得的甲烷收集容器的体积为50L。

请参阅图2，其为本实施例提供的煤层气生产井甲烷排放测定装置的示意图，其包括上述的甲烷收集容器1、甲烷浓度分析仪2、橡胶锥形收集器3；

套接在排放煤层水及甲烷气体的管口的橡胶锥形收集器3通过软管与所述甲烷收集容器1的样品入口/排水口15相连，所述甲烷收集容器1的气体进样口111通过软管与所述甲烷浓度分析仪1的进气口相连；且在每一连接管路上不设有阀门。

本实施例利用所述测试装置测试某口井甲烷排放量的方法具体包括如下步骤：

(1)将橡胶锥形收集器3套在排放煤层水及甲烷的管口处，确保没有泄漏点；

(2)根据现场排水、排气情况，选择前述50L的甲烷收集容器进行收集测定；压紧所述甲烷气体收集器1的硬质顶盖11与硬质底盖12，确保所述甲烷收集器1内无残留气体后，采用橡胶塞堵住与所述气体检测口密封连接的软管，将所述样品入口/排水口15通过可伸缩软管与橡胶锥形收集器3底部接口连接，自收集开始计时；

(3)随着煤层水和甲烷气排入所述甲烷收集器1中，所述甲烷收集器1因内部压力增加而逐步升高，如图3所示，在升高过程中，用手扶稳硬质顶盖11，避免其重量影响压缩收集器气囊，影响正常排水、排气过程；

(4)待所述硬质顶盖11升至最大高度后，此时，所述甲烷收集容器不会过度膨胀，立刻断开所述样品入口/排水口15处连接，并用橡胶塞堵紧所述样品入口/排水口15，同时停止计时，记录下收集时间，具体时间为c秒；

(5)先捏住气体检测口设有橡胶软管，缓慢拔开软管口橡胶塞，打开所述气体检测口，采用甲烷浓度分析仪2测定甲烷收集容器中甲烷浓度，测定过程确保密封；

(6)完成甲烷浓度测定后，拔出样品入口/排水口15的橡胶塞，将甲烷收集容器中的煤层水倒入量筒中测量体积，其体积为a L

(7)该生产井甲烷排放量计算公式为：

Q＝(V₁-V₂)×ρ×(86400/t)

其中：Q：该生产井每天甲烷排放量(mg/天)；V₁：甲烷收集容器体积(L)；V₂：排入煤层水体积(L)；ρ：甲烷气体浓度(mg/L)；t：测定阶段时间(以秒计算)。

V₁＝50L，V₂＝a L，ρ＝b mg/L，t＝c s

根据公式可得：Q＝(50-a)×b×(86400/c)；其中，按照本发明所述方法，实测得到数据a、b、c后，利用公式即可得出。

对比例1

本对比例采用常规方法对实施例1同一口井排水口甲烷排放进行采样。常规检测方法为直接在排水口处用甲烷大流量分析仪吸气检测，排放口附近用塑料袋和塑料薄膜进行简易封闭，在确保分析仪不会吸入煤层水的前提下，尽量收集排出的甲烷气。

常规检测方法利用甲烷大流量分析仪进行检测，所得到的数据是瞬时数据，大流量分析仪每2秒钟读数一次，单位是L/min，读数为仅甲烷气体流速。

由于常规方法数据结果都是瞬时值，所以目标井的最终排放数据一般为多次测定读数的平均值。但是该方法存在读数平均值的离散度较大、返排至地表的煤层水释放的甲烷未被统计等问题，因此本发明开发设计了新方法和新装置，可获得更为稳定准确的甲烷排放平均浓度和气体体积，以此得到准确的甲烷排放质量。

最后说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的实施过程和特点，而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (15)

1.一种甲烷收集容器，其包括硬质顶盖、硬质底盖、气体采样膜及箍圈；所述硬质顶盖上设有气体检测口；所述气体采样膜收缩地位于硬质顶盖与硬质底盖之间，且分别与硬质顶盖与硬质底盖密封连接，以形成收集煤层水和甲烷的可膨胀的空间；在所述气体采样膜上设有煤层水和甲烷进入及排出该空间的样品入口/排水口；所述气体采样膜的膜外侧套有箍圈，所述箍圈至少为一只，且该箍圈在膜外侧与膜紧密贴合，以约束所述气体采样膜在收集煤层水与甲烷的过程中过度膨胀。

2.根据权利要求1所述的甲烷收集容器，其中，所述硬质顶盖的材质为聚四氟乙烯。

3.根据权利要求1所述的甲烷收集容器，其中，所述硬质底盖的材质为聚四氟乙烯。

4.根据权利要求1所述的甲烷收集容器，其中，所述气体采样膜的材质为聚氟乙烯。

5.根据权利要求1所述的甲烷收集容器，其中，所述的箍圈为金属圈。

6.根据权利要求1所述的甲烷收集容器，其中，所述气体检测口处设有与所述硬质顶盖密封连接的软橡胶短管。

7.根据权利要求1所述的甲烷收集容器，其中，所述的硬质顶盖、硬质底盖各自独立地包括圆形平盖、椭圆性平盖、正方性平盖、长方形平盖、三角形平盖或梯形平盖，各平盖的边沿下垂或不下垂。

8.根据权利要求7所述的甲烷收集容器，其中，所述的硬质顶盖、硬质底盖为半径相同的圆形平盖，且该平盖的边沿不下垂；所述箍圈为环形金属圈；所述气体采样膜分别与硬质顶盖与硬质底盖的周边密封连接，以使其膨胀后基本呈圆柱体形，所述环形金属圈的个数为能使膨胀后的甲烷收集器维持圆柱体形，以准确计算其体积。

9.根据权利要求8所述的甲烷收集容器，其中，所述气体采样膜垂直裁开后为长方形，该长方形一相对的两边分别与所述圆形平盖的沿边密封连接。

10.根据权利要求8所述的甲烷收集容器，其中，该甲烷收集容器体积为20L、50L、100L或200L。

11.一种煤层气生产井甲烷排放测定装置，其中，该测定装置包括甲烷收集容器、甲烷浓度分析仪、橡胶锥形收集器，其中甲烷收集容器为权利要求1～9中任一项所述的甲烷收集容器；

所述橡胶锥形收集器套接在排放煤层水及甲烷气体的管口，该橡胶锥形收集器与所述甲烷收集容器的样品入口/排水口之间以管路相连，所述甲烷收集容器的气体检测口与所述甲烷浓度分析仪的进气口之间以管路相连；且在每一连接管路上各自独立地设有或不设有阀门。

12.一种煤层气生产井甲烷排放测定方法，所述方法包括采用权利要求1～10中任一项所述的甲烷收集容器或权利要求11所述的煤层气生产井甲烷排放测定装置；所述测定方法包括如下步骤：

(1)堵住所述气体检测口，然后通过所述样品入口/排水口向所述甲烷收集器内排入来自某井的煤层水及甲烷气体；

(2)排放完毕后，记录排入时间，堵住所述样品入口/排水口；

(3)打开所述气体检测口，采用甲烷浓度分析仪测试收集到的甲烷的浓度；然后打开所述样品入口/排水口，测量收集到的煤层水的体积；

(4)按公式：Q＝(V₁-V₂)×ρ×(86400/t)计算生产井的甲烷排放量，其中，Q为该生产井每天甲烷排放量，其单位为mg/天；V₁为甲烷收集容器体积，其单位为L；V₂为排入的煤层水的体积，其单位为L；ρ为甲烷气体浓度，其单位为mg/L；t为步骤(2)中的排入时间，其单位为秒。

13.根据权利要求12所述的煤层气生产井甲烷排放测定方法，其中，随着煤层水和甲烷气排入所述甲烷收集器中，其因内部压力增加而逐步升高，在升高过程中，扶稳硬质顶盖，避免顶盖重量压缩收集器气囊，影响正常排水、排气过程。

14.根据权利要求12所述的煤层气生产井甲烷排放测定方法，其中，收集煤层水及甲烷气体的时间不短于5min。

15.根据权利要求12所述的煤层气生产井甲烷排放测定方法，其包括如下步骤：

(a)将橡胶锥形收集器套在排放煤层水及甲烷气体的管口，确保没有泄漏点；

(b)根据现场排水、排气情况，选择合适的所述甲烷收集器进行收集测定；压紧所述甲烷气体收集器的硬质顶盖及硬质底盖，确保该甲烷收集器内无残留气体后，采用塞子堵住所述气体检测口；将所述甲烷气体收集器的样品入口/排水口通过管路与橡胶锥形收集器底部接口连接，自开始收集计时；

(c)随着煤层水和甲烷气排入收集器中，收集器因内部压力增加而逐步升高，在升高过程中，扶稳硬质顶盖，避免顶盖重量压缩收集器气囊，影响正常排水、排气过程；

(d)待所述硬质顶盖升至最大高度后，此时，所述甲烷收集容器不会过度膨胀，立刻断开样品入口/排水口处连接，并用塞子堵紧样品入口/排水口，同时停止计时，记录下收集时间；单井收集时间不应短于5分钟；

(e)打开所述气体检测口，采用甲烷浓度分析仪测定甲烷收集容器中甲烷浓度，测定过程确保密封；当气体检测口设有橡胶软管时，可先捏住该橡胶软管，缓慢拔开软管口橡胶塞，待与甲烷浓度分析仪器的进气口密闭连接后，松开橡胶软管；

(f)完成甲烷浓度测定后，拔出样品入口/排水口橡胶塞，将甲烷收集容器中的煤层水倒入量筒中测量体积；

(g)该生产井甲烷排放量计算公式为：

Q＝(V₁-V₂)×ρ×(86400/t)计算生产井的甲烷排放量，其中，Q为该生产井每天甲烷排放量，其单位为mg/天；V₁为甲烷收集容器体积，其单位为L；V₂为排入的煤层水的体积，其单位为L；ρ为甲烷气体浓度，其单位为mg/L；t为测定阶段的时间，其单位为秒。