CN108007812A - 一种基于煤元素分析的甲烷吸附能力影响机理研究方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于煤元素分析的甲烷吸附能力影响机理研究方法，包括以下步骤：(1)采集研究区的煤样品，进行煤元素分析和甲烷等温吸附实验；(2)利用空气干燥基煤样的元素分析实验得到煤岩的碳、氢、氮、氧、硫元素含量；(3)利用空气干燥基煤样甲烷等温吸附实验数据计算兰氏体积数值；(4)建立兰氏体积与C含量、H/C原子比、O/C原子比、N/C原子比之间的相关性。本发明的有益之处在于：(1)设计思路清晰，操作步骤简洁，容易实现；(2)可以明确C、H、N、O四种常见煤元素对甲烷吸附性能的影响情况。

Description

一种基于煤元素分析的甲烷吸附能力影响机理研究方法
技术领域
本发明涉及煤层气微观储层评价技术领域，尤其涉及一种基于煤元素分析的甲烷吸附能力影响机理研究方法。
背景技术
国内外学者很早就开始了煤岩甲烷吸附性能的研究。一般认为，固体物质 (吸附质)对气体(吸附剂)的吸附作用可分为物理吸附和化学吸附两种方式。物理吸附是指吸附质分子与吸附剂之间以范德华力为作用力的吸附作用；化学吸附是指吸附质分子与吸附剂之间以表面化学键方式作用在一起。影响煤层气吸附能力的因素非常多且特别复杂，其中煤岩自身特征对煤层气的吸附能力是影响煤层气含量最主要的因素之一。煤体对甲烷的吸附特性主要受煤岩孔隙结构、煤岩显微组成、煤级、水分、灰分等内部因素的影响。另外，环境温度及压力等外部因素对煤层气的吸附情况也有较大影响。
众所周知，煤岩是由C、H、O、N等元素组成的极其复杂类聚合物分子构成的物质。这些元素含量决定了煤岩的孔内表面结构特征。对于煤岩主要元素与甲烷吸附能力的关系，国内外学者均有研究。姚艳斌和刘大猛(2007)对华北地区9个重点矿区42件煤样进行C、H元素与吸附能力相关性研究，发现煤中 C、H组分含量与吸附能力具有很好的相关性，煤岩对气体吸附能力随C元素含量的增加而相应的增强，随H含量的增加而减弱。Joubert等(1974)、蒋倩等 (2012)和Hao等(2013)对煤岩中含氧官能团分子对甲烷吸附能力的影响机理做了分析，发现O元素含量越高，甲烷吸附能力越低。Feng等(2014)对碳材料中含N官能团分子对甲烷吸附能力的影响做了研究。蒋倩等(2012)和 Liu等(2013)利用密度泛函理论对含N分子杂环化合物的甲烷吸附行为做了研究，他们认为N元素含量与甲烷吸附能力具有明显的正相关性。
虽然我国的煤层气勘探开发已经历了几十年的发展，但很多地质理论问题尚处于探索阶段，对煤层气在储层中吸附能力的控制因素等还不明确。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明为了克服煤层气在储层中吸附机理不明确的现状，本发明的目的在于提供一种基于煤元素分析的甲烷吸附能力影响机理研究方法，基于煤的元素分析及甲烷等温吸附实验等测试方法，充分利用相关测试数据，对煤层甲烷吸附性能影响机理进行研究，从而为煤层气储量预测及开发提供技术支持。
本发明涉及一种基于煤元素分析的甲烷吸附能力影响机理研究方法，包括以下步骤：
步骤一，煤的元素分析
(1)空气干燥基碳、氢元素的确定：取0.2g空气干燥煤样放入燃烧管内，连续不断地燃烧；所生成的水分和二氧化碳利用水分和二氧化碳吸收剂；其中碳、氢元素含量可利用水分和二氧化碳吸收剂的增量计算出来，见下列公式(1)、(2)：
式中：Cad空气干燥基煤碳元素含量，Had空气干燥基煤氢元素含量，m为煤样品重量，m1为二氧化碳吸收剂增加的重量，m2位水分吸收剂增加的重量，m3为空白实验中水分吸收剂增加的重量，Mad空气干燥基煤水分含量；
(2)空气干燥基氮元素的确定：取0.2g空气干燥煤样放入50ml开氏瓶内，并加入2g催化剂混合物(该催化剂由32g硫酸钠、5g硫酸汞和0.5g硒粉末配制而成)和5ml硫酸溶液(0.025mol/l)，连续加热，使氮元素全部转化为硫酸氢铵；然后将混合物放入250ml开氏瓶中，加入过量的氢氧化钠溶液，加热使氨气全部被硼酸溶液吸收；最后，氮元素含量可利用硫酸溶液的使用量计算出来，见下列公式(3)：
式中：Nad为空气干燥基氮元素含量，c为硫酸溶液量，m为煤样品重量，V1为已使用硫酸溶液量，V2为空白实验中使用的硫酸溶液量。
(3)空气干燥基全硫元素的确定：取1g空气干燥煤样放入瓷坩埚内，并加入2g混合剂，硫元素全部以硫酸盐的形式存在，最后再使硫酸根离子全部转化为硫酸钡沉淀，硫元素含量便可利用硫酸钡沉淀计算出来，见下列公式(4)：
式中：St,ad为干燥无灰基煤样全硫含量，m4为硫酸钡重量，m5为空白实验硫酸钡重量，m为煤样品重量。
(4)干燥无灰基氧含量确定：由于煤中元素主要为碳、氢、氧、氮和硫元素组成，其它元素可以忽略不计，因此，空气干燥基氧元素含量可以用下列公式计算：
Oad＝100％-Cad-Had-Nad-St,ad (5)
式中：Oad，Cad，Had，Nad，St,ad为空气干燥基氧、碳、氢、氮及全硫元素含量。
步骤二、利用步骤一中对应样品在空气干燥基(ad)进行甲烷等温吸附实验，甲烷等温吸附实验得到的数据计算兰氏体积VL，见下式：
V＝VL*P/(P+PL) (5)
式中，V为吸附体积，P为平衡气体压力，PL为兰氏压力，V和VL的单位均为cm3/g，P和PL的单位均为MPa；
步骤三、碳元素含量与甲烷吸附能力相关性确定：建立空气干燥基煤样的兰氏体积(VLad)与碳元素含量(Cad)的相关性；
步骤四、氢元素含量与甲烷吸附能力相关性确定：建立空气干燥基煤样的兰氏体积(VLad)与H/C原子比的相关性；
步骤五、氧元素与甲烷吸附能力相关性确定：建立空气干燥基煤样的兰氏体积(VLad)与O/C原子比的相关性；
步骤六、氮元素含量与甲烷吸附能力相关性确定：建立空气干燥基煤样的兰氏体积(VLad)与N/C原子比的相关性，即可。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明设计思路清晰，操作步骤简洁，容易实现；
(2)本发明可以定量确定煤主要元素对甲烷吸附能力影响机理。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中的研究方法流程图；
图2为本发明中的甲烷等温吸附曲线图；
图3为本发明中的煤元素含量与兰氏体积相关性图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例涉及一种基于煤元素的甲烷吸附能力影响机理研究方法，其流程见图1所示，基于煤元素分析和甲烷等温吸附实验，利用煤碳、氢、氧、氮及兰氏体积之间的内在关系，构建了四个元素与甲烷吸附性能的相关性，进而确定了煤主要元素对甲烷吸附性能的影响情况，从而为煤层气储层特征及储量计算提供了技术支持。
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
参照图1，本发明确定一种基于煤元素的甲烷吸附能力影响机理研究方法包括以下步骤：
下面结合附图对本发明的技术方案做详细叙述。
步骤一、煤得元素分析
煤的的元素分析包括碳、氢、氮、氧及硫含量。
如表1所示煤岩元素分析参数统计表。
表1
步骤二、进行甲烷等温吸附实验
以表1中的样品L1为例，将不少于200g的煤样品进行甲烷等温吸附实验。
如表2所示L1样品甲烷等温吸附实验统计表。
表2
与表2对应的甲烷等温吸附曲线如图2所示
步骤三、碳元素含量与甲烷吸附能力相关性确定
建立空气干燥基煤样的兰氏体积(VLad)与碳元素含量(Cad)的相关性，如图3a所示。
步骤四、氢元素含量与甲烷吸附能力相关性确定
建立空气干燥基煤样的兰氏体积(VLad)与H/C原子比的相关性，如图3b 所示。
步骤五、氧元素与甲烷吸附能力相关性确定
建立空气干燥基煤样的兰氏体积(VLad)与O/C原子比的相关性，如图3c 所示。
步骤六、氮元素含量与甲烷吸附能力相关性确定
建立空气干燥基煤样的兰氏体积(VLad)与N/C原子比的相关性，如图3d 所示。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (1)

1.一种基于煤元素分析的甲烷吸附能力影响机理研究方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，煤的元素分析
(1)空气干燥基碳、氢元素的确定：取0.2g空气干燥煤样放入燃烧管内，连续不断地燃烧；所生成的水分和二氧化碳利用水分和二氧化碳吸收剂；其中碳、氢元素含量可利用水分和二氧化碳吸收剂的增量计算出来，见下列公式(1)、(2)：
<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>0.2729</mn> <msub> <mi>m</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <mi>m</mi> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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式中：Cad空气干燥基煤碳元素含量，Had空气干燥基煤氢元素含量，m为煤样品重量，m1为二氧化碳吸收剂增加的重量，m2位水分吸收剂增加的重量，m3为空白实验中水分吸收剂增加的重量，Mad空气干燥基煤水分含量；
(2)空气干燥基氮元素的确定：取0.2g空气干燥煤样放入50ml开氏瓶内，并加入2g催化剂混合物和5ml硫酸溶液0.025mol/l，连续加热，使氮元素全部转化为硫酸氢铵；然后将混合物放入250ml开氏瓶中，加入过量的氢氧化钠溶液，加热使氨气全部被硼酸溶液吸收；最后，氮元素含量可利用硫酸溶液的使用量计算出来，见下列公式(3)：
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式中：Nad为空气干燥基氮元素含量，c为硫酸溶液量，m为煤样品重量，V1为已使用硫酸溶液量，V2为空白实验中使用的硫酸溶液量；
(3)空气干燥基全硫元素的确定：取1g空气干燥煤样放入瓷坩埚内，并加入2g混合剂，硫元素全部以硫酸盐的形式存在，最后再使硫酸根离子全部转化为硫酸钡沉淀，硫元素含量便可利用硫酸钡沉淀计算出来，见下列公式(4)：
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式中：St,ad为干燥无灰基煤样全硫含量，m4为硫酸钡重量，m5为空白实验硫酸钡重量，m为煤样品重量；
(4)干燥无灰基氧含量确定：由于煤中元素主要为碳、氢、氧、氮和硫元素组成，其它元素可以忽略不计，因此，空气干燥基氧元素含量可以用下列公式(5)计算：
Oad＝100％-Cad-Had-Nad-St,ad (5)
式中：Oad，Cad，Had，Nad，St,ad为空气干燥基氧、碳、氢、氮及全硫元素含量；
步骤二、利用步骤一中对应样品在空气干燥基进行甲烷等温吸附实验，甲烷等温吸附实验得到的数据计算兰氏体积VL，见下式(6)：
V＝VL*P/(P+PL) (6)
式中，V为吸附体积，P为平衡气体压力，PL为兰氏压力，V和VL的单位均为cm3/g，P和PL的单位均为MPa；
步骤三、碳元素含量与甲烷吸附能力相关性确定：建立空气干燥基煤样的兰氏体积与碳元素含量的相关性；
步骤四、氢元素含量与甲烷吸附能力相关性确定：建立空气干燥基煤样的兰氏体积与H/C原子比的相关性；
步骤五、氧元素与甲烷吸附能力相关性确定：建立空气干燥基煤样的兰氏体积与O/C原子比的相关性；
步骤六、氮元素含量与甲烷吸附能力相关性确定：建立空气干燥基煤样的兰氏体积与N/C原子比的相关性，即可。
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