CN109655528B - 原煤吸附状态下弹性波速度分析方法 - Google Patents

原煤吸附状态下弹性波速度分析方法 Download PDF

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Abstract

一种原煤吸附状态下弹性波速度分析方法，包括步骤1：将煤样置于密闭容器中，向密闭容器中注入待吸附气体直到达到初始压力P1；步骤2：计算达到吸附平衡之前的多个时刻t煤样的吸附量Qt和弹性波速度Vt，并计算达到吸附平衡之后煤样的饱和吸附量QT和饱和弹性波速度VT；步骤3：绘制所述弹性波速度Vt随吸附时间变化的曲线，从而分析吸附时间对弹性波速度的影响；步骤4：改变初始压力P1，并重复执行所述步骤1和2，得到不同的饱和吸附量QT对应的饱和弹性波速度VT；步骤5：绘制饱和弹性波速度随饱和吸附量变化的曲线，从而分析饱和吸附量对饱和弹性波速度的影响。该方法可以在地层温压条件下研究煤岩吸附量与速度的关系，更接近煤层的实际情况。

Description

原煤吸附状态下弹性波速度分析方法
技术领域
本发明涉及岩石物理技术领域，特别涉及一种原煤吸附状态下弹性波速度分析方法。
背景技术
煤岩的含气量不同会引起煤岩速度的下降，虽然这种变化现象较容易观察到，但相应的研究却较少。煤的结构不同于一般的岩石，煤层气大部分以吸附形式存储于煤中，常规的岩样测试设备和分析方法不适用于煤的测试和分析。
唐巨鹏等(2007)设计了原煤(块煤)样品的吸附和解析实验设备，进行了等温吸附试验。刘雯林(2009)将煤层气看作是煤岩所含矿物的组成部分，套用常规油气的岩石物理理论，计算了甲烷吸附量引起的地震速度变化，而霍全明等(2010)指出Gassmann-Biot理论不适用于煤层气储层。
含气量是煤层气资源评价选取、勘探开发需要的首要参数。对煤的吸附特征及其地震弹性参数的变化进行深入研究就显得尤其重要。目前，缺乏地层温压条件下煤岩吸附状态下的弹性特征实验数据，且在国内外公开的文献中还未见煤岩在吸附状态下的速度测试分析技术。此外，常规油气以游离状态存在，使得油气储层表现出与围岩不同的阻抗特征，而煤层气大部分以吸附形式存储于煤中，难以形成地震反射阻抗上可检测的差异。适用于游离气与流体预测的地震技术照搬到煤层气的勘探中缺乏必要的理论研究支撑。因此，需要开展相关的实验来研究煤岩速度在不同吸附时间和吸附量下的变化规律。
发明内容
本发明提供一种原煤吸附状态下弹性波速度分析方法，该方法可以在地层温压条件下研究煤岩吸附量与弹性波速度的关系，更接近煤层的实际情况，为利用地球物理方法进行煤层的含气性预测提供了理论基础。
本发明提出了一种原煤吸附状态下弹性波速度分析方法，包括：
步骤1：将煤样置于密闭容器中，向所述密闭容器中注入待吸附气体直到密闭容器内的压力达到初始压力P1；
步骤2：计算达到吸附平衡之前的多个时刻t煤样的吸附量Qt和弹性波速度Vt，并计算达到吸附平衡之后煤样的饱和吸附量QT和饱和弹性波速度VT；
步骤3：绘制所述弹性波速度Vt随吸附时间变化的曲线，从而分析吸附时间对弹性波速度的影响；
步骤4：改变初始压力P1，并重复执行所述步骤1和2，得到不同的饱和吸附量QT对应的饱和弹性波速度VT；
步骤5：绘制饱和弹性波速度随饱和吸附量变化的曲线，从而分析饱和吸附量对饱和弹性波速度的影响。
优选地，所述计算达到吸附平衡之前的多个时刻t煤样的吸附量Qt包括：
在达到吸附平衡之前，采集多个时刻t所述密闭容器内的压力Pt；
根据所述压力Pt与所述初始压力P1计算时刻t煤样的吸附量Qt。
优选地，所述计算达到吸附平衡之后煤样的饱和吸附量QT包括：
在达到吸附平衡之后，采集所述密闭容器内的压力PT；
根据所述压力PT与所述初始压力P1计算煤样的饱和吸附量QT。
优选地，所述弹性波速度Vt包括横波速度和纵波速度两个分量，通过以下公式组(2)分别计算横波速度和纵波速度：
Figure BDA0001431107660000031
其中，VP、VS分别表示纵波速度、横波速度；L为煤样长度；tP,tS分别表示纵波、横波通过煤样经历的时间。
优选地，通过采集所述纵波和横波的实时波形确定纵波和横波通过煤样经历的时间tP,tS。
优选地，所述原煤吸附状态下弹性波速度分析方法还包括：
将煤样置于密闭容器中之后，对所述密闭容器进行气密性检查。
优选地，所述原煤吸附状态下弹性波速度分析方法还包括：
在所述密闭中，将纵波超声波发射器和接收器以及横波超声波发射器和接收器贴附在煤样上。
优选地，所述原煤吸附状态下弹性波速度分析方法还包括：
通过调温装置控制所述密闭容器内的温度。
优选地，通过调温装置控制所述密闭容器内的温度保持恒定。
本发明的有益效果在于在地层温压条件下开展原煤吸附，并研究弹性波速度与吸附量、吸附时间的关系，从而为利用地球物理方法进行煤层含气性预测提供了理论基础。
本发明的方法具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的附图标记通常代表相同部件。
图1显示根据本发明示例性实施例的原煤吸附状态下弹性波速度分析方法的流程图；
图2显示根据本发明示例性实施例的纵波速度随吸附时间的变化曲线；
图3显示根据本发明示例性实施例的饱和纵波速度随饱和吸附量的变化曲线。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明。虽然附图中显示了本发明的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图1显示根据本发明示例性实施例的原煤吸附状态下弹性波速度分析方法的流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1：将煤样置于密闭容器中，向密闭容器中注入待吸附气体直到密闭容器内的压力达到初始压力P1。
具体地，可以将煤样置于煤层气三轴模拟测试装置中，向测试装置中注入待吸附气体直到达到初始压力P1，煤样准备开始吸附待吸附气体。其中，煤层气三轴模拟测试装置利用现有装置，该装置可以形成密闭容器，并能够通过压力控制装置和温度控制装置分别控制密闭容器内的压力和温度。该装置设有气体入口，待吸附气体可通过气体入口注入。
步骤2：计算达到吸附平衡之前的多个时刻t煤样的吸附量Qt和弹性波速度Vt，并计算达到吸附平衡之后煤样的饱和吸附量QT(即达到吸附平衡之后的吸附量)和饱和弹性波速度VT。
在达到吸附平衡之前，采集多个时刻t煤层气三轴模拟测试装置内的压力Pt，根据压力Pt与初始压力P1可以计算时刻t煤样的吸附量Qt，如以下公式(1)所示：
Figure BDA0001431107660000051
式中：
tem-温度；
Figure BDA0001431107660000052
—P1压力下及温度tem时待吸附气体的压缩系数，可查表求得；
Z1—Pt压力下及温度tem时待吸附气体的压缩系数，可查表求得；
R—常数，取8.735；
Vr—参照缸体积，cm3；
V0—样品缸自由空间体积，cm3。
其中，参照缸在吸附试验中用来标定密闭容器内的剩余空气，使测得的数据更准确；样品缸即本发明中的密闭容器，用于容纳煤样，样品缸自由空间体积是指样品缸装入煤样后煤样颗粒之间的空隙、煤样颗粒内部微细空隙、样品缸剩余的自由空间、连接管和阀门内部空间的体积之总和。
确定样品缸自由空间体积的方法可采用直接法。在一定的温度和压力下，选用一种吸附量可以忽略的气体(通常用氦气)，通过气体膨胀来探测样品缸自由空间体积，该方法实际上是用参比流体(氦气)的体积来表征样品缸自由空间体积。
公式(1)以及参照缸、样品缸的使用均为现有技术，本领域技术人员能够理解基于公式(1)如何根据压力Pt与初始压力P1计算时刻t煤样的吸附量Qt。
弹性波速度Vt包括横波速度和纵波速度两个分量。在煤层气三轴模拟测试装置中，将纵波超声波发射器和接收器以及横波超声波发射器和接收器紧贴煤样，通过超声波发射器发射超声波，超声波穿过煤样后由接收器接收,测量超声波穿过煤样所用的时间,用煤样长度除以时间得到超声波通过煤样的弹性波速度，即：
Figure BDA0001431107660000061
其中，VP、VS分别表示超声波通过煤样的纵波速度、横波速度(m/s)；L为煤样长度(m)；tP,tS分别表示纵波、横波通过煤样经历的时间(s)。
特别地，可以通过采集纵波和横波的实时波形确定tP,tS。
类似地，在达到吸附平衡之后，采集煤层气三轴模拟测试装置内的压力PT；根据压力PT与初始压力P1计算煤样的饱和吸附量QT。并根据公式组(2)计算煤样达到吸附平衡之后的饱和弹性波速度VT，以进行后续分析。
步骤3：绘制弹性波速度Vt随吸附时间变化的曲线，从而分析吸附时间对弹性波速度的影响。
根据计算的多个时刻的煤样的吸附量Qt和弹性波速度Vt绘制弹性波速度随吸附时间变化的曲线，从而可以分析吸附时间对弹性波速度的影响。
步骤4：改变初始压力P1，并重复执行步骤1和2，得到不同的饱和吸附量QT对应的饱和弹性波速度VT。
在不同的压力下，煤样的饱和吸附量将发生变化，从而影响通过煤样的弹性波速度。多次改变初始压力P1并重复执行步骤1和2，可以获得不同的饱和吸附量对应的饱和弹性波速度。
步骤5：绘制饱和弹性波速度VT随饱和吸附量QT变化的曲线，分析饱和吸附量对饱和弹性波速度的影响。
作为优选方案，将煤样置于煤层气三轴模拟测试装置中之后，对煤层气三轴模拟测试装置进行气密性检查，以防止漏气。
作为优选方案，可以通过调温装置控制密闭容器内的温度，从而可以模拟地层温度条件。特别地，可以通过调温装置控制密闭容器内的温度保持恒定。
实施例
将根据本发明实施例的原煤吸附状态下弹性波速度分析方法应用于实际的煤层气工区。在工区内采集样品10#0507，然后执行上述步骤1-5。对于样品10#0507，绘制煤样的纵波速度随吸附时间的变化曲线，如图2所示。从图2中可以看到，纵波速度随着吸附时间的增大而减小，而且在吸附时间较短(前10个小时)时纵波速度变化量较大，随着吸附时间的增加，纵波速度变化相对平缓。
对于样品10#0507，图3绘制了煤样的饱和纵波速度随饱和吸附量的变化曲线。从图3中可以看到，饱和纵波速度随着饱和吸附量的增大而减小，而且初始吸附时纵波速度的变化量相对较大，随着饱和吸附量的增加，纵波速度变化相对平缓。
从纵波速度与吸附时间的关系看，开始吸附的前10个小时，纵波速度变化较快，降低了110m/s，而继续加压吸附70小时，纵波速度变化非常小，只有35m/s，可以推测样品内有较多的微裂隙或割理存在，而且连通性比较好。随着气体吸附，孔隙内的压力变化，有效压力变小，煤的自调节作用使得吸附速率变慢，同时对纵波速度变化也产生影响。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (9)

1.一种原煤吸附状态下弹性波速度分析方法，包括：
步骤1：将煤样置于密闭容器中，向所述密闭容器中注入待吸附气体直到密闭容器内的压力达到初始压力P1；
步骤2：计算达到吸附平衡之前的多个时刻t煤样的吸附量Qt和弹性波速度Vt，并计算达到吸附平衡之后煤样的饱和吸附量QT和饱和弹性波速度VT；
步骤3：绘制所述弹性波速度Vt随吸附时间变化的曲线，从而分析吸附时间对弹性波速度的影响；
步骤4：改变初始压力P1，并重复执行所述步骤1和2，得到不同的饱和吸附量QT对应的饱和弹性波速度VT；
步骤5：绘制饱和弹性波速度随饱和吸附量变化的曲线，从而分析饱和吸附量对饱和弹性波速度的影响。
2.根据权利要求1所述的原煤吸附状态下弹性波速度分析方法，其中，所述计算达到吸附平衡之前的多个时刻t煤样的吸附量Qt包括：
在达到吸附平衡之前，采集多个时刻t所述密闭容器内的压力Pt；
根据所述压力Pt与所述初始压力P1计算时刻t煤样的吸附量Qt。
3.根据权利要求1所述的原煤吸附状态下弹性波速度分析方法，其中，所述计算达到吸附平衡之后煤样的饱和吸附量QT包括：
在达到吸附平衡之后，采集所述密闭容器内的压力PT；
根据所述压力PT与所述初始压力P1计算煤样的饱和吸附量QT。
4.根据权利要求1所述的原煤吸附状态下弹性波速度分析方法，其中，所述弹性波速度Vt包括横波速度和纵波速度两个分量，通过以下公式组(2)分别计算横波速度和纵波速度：
Figure FDA0003041917740000021
其中，VP、VS分别表示纵波速度、横波速度；L为煤样长度；tP,tS分别表示纵波、横波通过煤样经历的时间。
5.根据权利要求4所述的原煤吸附状态下弹性波速度分析方法，其中，通过采集所述纵波和横波的实时波形确定纵波和横波通过煤样经历的时间tP,tS。
6.根据权利要求1所述的原煤吸附状态下弹性波速度分析方法，还包括：
将煤样置于密闭容器中之后，对所述密闭容器进行气密性检查。
7.根据权利要求1所述的原煤吸附状态下弹性波速度分析方法，还包括：
在所述密闭容器中，将纵波超声波发射器和接收器以及横波超声波发射器和接收器贴附在煤样上。
8.根据权利要求1所述的原煤吸附状态下弹性波速度分析方法，还包括：
通过调温装置控制所述密闭容器内的温度。
9.根据权利要求8所述的原煤吸附状态下弹性波速度分析方法，其中，通过调温装置控制所述密闭容器内的温度保持恒定。
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