CN113959896B - 模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的方法及其装置 - Google Patents

模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的方法及其装置，该装置包括第一管路、气源段和测量段，其中，气源段包括用于提供惰性气体的第一气源、用于提供甲烷的第二气源、用于提供二氧化碳的第三气源，第一气源、第二气源、第三气源均与第一管路相连；测量段包括参考腔、真空泵、样品腔、气相色谱仪、用于检测参考腔压力的第一压力表、用于检测样品腔压力的第二压力表，参考腔、真空泵、样品腔、气相色谱仪均与第一管路相连，能够模拟在不同温度、不同压力条件下二氧化碳置换煤层中甲烷的过程，从而实现二氧化碳置换煤层中甲烷的效果分析及影响因素分析。

Description

模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的方法及其装置
技术领域
本发明涉及煤层气吸附解吸领域，具体涉及一种模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的方法及其装置。
背景技术
我国煤层气资源丰富，具有巨大的开发潜力，煤层气资源的高效开发对于减轻全球变暖的趋势和改善我国能源结构具有重要意义。不同于常规油气藏，煤层气是指储存在煤层中以甲烷为主要成分的自生自储的吸附气，煤层气主要吸附在煤基质颗粒表面，部分游离于煤孔隙中，如何将甲烷从煤层中解吸出来是煤层气开发中的关键问题。
目前向煤层中注入二氧化碳气体(CO2)是提高煤层气采收率的一种重要手段。将CO2注入煤层中会产生气驱的驱替效果，CO2与甲烷气体在煤层表面发生竞争吸附作用，该竞争吸附作用不仅会解吸出大量甲烷气体，有利于煤层气的开采，而且能够对CO2的捕获和封存，减少逸散问题，为实现碳中和目标做贡献。已有实验表明，CO2置换煤层气的过程与温度、压力等因素密切相关，根据煤层气吸附解吸实验可测定煤层气的等温吸附曲线，但是该实验方法仅仅模拟了原始地层状态下的煤储层吸附甲烷的过程，无法模拟CO2置换煤层气的实验过程，因此无法实现对CO2置换煤层气的甲烷解吸量的测定，也无法实现对温度、压力等影响因素对CO2置换煤层气的影响研究。此外，现有技术中测定煤层气的等温吸附曲线时，使用的煤样均没有还原地层应力状态，在实际封存现场应用难度大。
发明内容
本发明提供一种模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的方法及其装置，该装置能够实现对二氧化碳置换甲烷过程中温度、压力的控制，不仅能够测定煤层气等温吸附曲线，而且能够模拟在不同温度、不同压力条件下二氧化碳置换煤层中甲烷的过程，从而实现二氧化碳置换煤层中甲烷的效果分析及影响因素分析。
本发明的一方面，提供一种模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的装置，包括第一管路、气源段和测量段，其中，气源段包括用于提供惰性气体的第一气源、用于提供甲烷的第二气源、用于提供二氧化碳的第三气源，第一气源、第二气源、第三气源均与第一管路相连；测量段包括参考腔、真空泵、样品腔、气相色谱仪、用于检测参考腔压力的第一压力表、用于检测样品腔压力的第二压力表，参考腔、真空泵、样品腔、气相色谱仪均与第一管路相连。
根据本发明的一实施方式，气源段、参考腔、真空泵、样品腔、气相色谱仪沿第一管路的一端至第一管路的另一端的方向依次设置；和/或，参考腔第一管路之间设有第二阀门，样品腔与第一管路之间设有第三阀门，气相色谱仪与第一管路之间设有第四阀门；和/或，第一压力表设置在参考腔与第二阀门之间；和/或，第二压力表设置在样品腔与第三阀门之间；和/或，还包括设置在第一管路上的第五阀门，测量段位于第一阀门和第五阀门之间。
根据本发明的一实施方式，还包括第一流量计和第二流量计，第一流量计设置在气源段与测量段之间的第一管路上，第二流量计设置在测量段。
根据本发明的一实施方式，还包括设置在气源段与测量段之间的增压泵、以及设置在增压泵与测量段之间的第一阀门。
本发明的另一方面，提供一种模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的方法，该方法在上述装置进行，包括如下步骤：(1)获取参考腔的体积Vr，并获取填充煤层样品的样品腔的自由空间体积Vf；(2)分别切断第二气源、第一气源、第三气源、参考腔、样品腔、气相色谱仪的连通，连通第二气源和参考腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，向参考腔中第一次注入甲烷后，待压力达到p1时，断开第二气源和参考腔的连接，然后计算得到向参考腔第一次注入甲烷的摩尔量n1，计算公式为n1＝p1Vr/RTZ1，其中Z1表示向参考腔第一次注入甲烷的压缩因子；(3)连通参考腔和样品腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，待样品腔中的煤层样品达到吸附平衡时，记录平衡时的压力p1’，然后计算参考腔和样品腔中游离态的甲烷摩尔量nmf1、煤层样品对甲烷的吸附摩尔量nma1，计算公式为nmf1＝p1’(Vr+Vf)/RTZ1’；nma1＝n1-nmf1，其中，Z1’表示向参考腔第一次注入甲烷并达到吸附平衡时甲烷的压缩因子；(4)切断参考腔、样品腔的连通，连通第二气源和参考腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，向参考腔中第n次注入甲烷并达到吸附平衡时，记录平衡时的压力pn’，其中pn’为12MPa～23MPa；计算得到煤层样品吸附的甲烷总摩尔量nman、样品腔中游离态的甲烷总摩尔量nmfsn，计算公式为nmfsn＝pn’Vf/RTZn’，
(5)将参考腔抽至真空状态，向参考腔中放入体积为Vs的密闭柱状容器，放入柱状容器后参考腔的自由空间体积为Vr’，计算公式为Vr’＝Vr-Vs，其中柱状容器的高度小于参考腔内腔的高度；(6)连通第三气源和参考腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，向参考腔中第一次注入二氧化碳，待第一压力表的读数达到pc1，且控制pc1高于pn’1MPa～2MPa，切断第三气源和参考腔的连通，然后计算得到向参考腔第一次注入的二氧化碳的摩尔量nc1，计算公式为nc1＝pc1Vr’/RTZc1，其中Zc1表示向参考腔第一次注入二氧化碳的压缩因子；(7)连通参考腔和样品腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，使参考腔中的二氧化碳置换出煤层样品吸附的甲烷，待吸附解吸达到平衡时，记录平衡时的压力pc1’，切断参考腔和样品腔的连通，然后计算得到第一次注入二氧化碳并达到吸附解吸平衡时，参考腔和样品腔中游离态的混合气体的摩尔数ncmf1、样品腔中游离态的混合气体的摩尔量ncmfs1、煤层样品对混合气体的吸附摩尔量ncma1，计算公式为ncmf1＝pc1’(Vr’+Vf)/RTZc1’；ncmfs1＝pc1’Vf/RTZc1’；ncma1＝nman+nc1+nmfsn-ncmf1；其中Zc1’表示向参考腔第一次注入二氧化碳并达到吸附解吸平衡后混合气体的压缩因子，混合气体由二氧化碳和甲烷组成；(8)连通参考腔和气相色谱仪，使参考腔中的混合气体进入气相色谱仪，利用气相色谱仪得到混合气体中二氧化碳的百分含量为切断参考腔和气相色谱仪的连通，然后计算得到第一次注入二氧化碳并达到吸附解吸平衡时，煤层样品对二氧化碳的吸附量nca1、煤层样品对甲烷的解吸量nmd1，计算公式为(9)连通第三气源和参考腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，向参考腔中第j次注入二氧化碳达到压力为pcj，控制第j次注入二氧化碳达到压力pcj比第j-1次注入二氧化碳达到压力pc(j-1)提升1MPa～2MPa，连通参考腔和样品腔，达到吸附解吸平衡后，利用气相色谱仪得到参考腔中二氧化碳的百分含量为/>其中为99％以上，计算j次注入二氧化碳并达到吸附解吸平衡后，甲烷的总解吸量nmdtj，计算公式为
根据本发明的一实施方式，获取填充煤层样品的样品腔的自由空间体积Vf的具体测定过程包括：(1)分别切断第二气源、第一气源、第三气源、参考腔、样品腔、气相色谱仪的连通；在保持参考腔和样品腔为真空状态下，连通第一气源和参考腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，向参考腔中注入氦气后，待第一压力表的读数达到ph1时，断开第一气源和参考腔的连接；(2)连通参考腔和样品腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，待参考腔和样品腔压力达到平衡时，记录平衡时的压力ph1’，切断参考腔和样品腔的连通；计算第一次注入氦气后样品腔的自由空间体积Vf1，即为Vf，计算公式为Vf1＝Vr(ph1/Zh1-ph1’/Zh1’)/(ph1’/Zh1’-ph0’/Zh0’)，其中ph0’为0，Zh0’为1，Zh1表示向参考腔第一次注入氦气的压缩因子，Zh1’表示向参考腔第一次注入氦气并参考腔和样品腔压力达到平衡后氦气的压缩因子。
根据本发明的一实施方式，第一次注入甲烷时使参考腔压力达到p1，p1为1MPa～2MPa；和/或，注入甲烷使参考腔压力pn比上一次注入甲烷后的压力pn-1提升1MPa～2MPa；和/或，注入二氧化碳使参考腔的压力pcj比上一次注入二氧化碳后的压力pc(j-1)提升1MPa～2MPa。
根据本发明的一实施方式，参考腔的内腔、样品腔的内腔、柱状容器为圆柱状，参考腔的内腔和样品腔的内腔的内径相同，柱状容器的外径小于参考腔的内径。
根据本发明的一实施方式，温度T为293K～333K；和/或，装置置于保温箱中，通过保温箱调节装置的温度。
根据本发明的一实施方式，向参考腔中注入氦气后的压力ph1为2MPa～7MPa。
本发明的实施，至少具有以下有益效果：
本发明提供的模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的方法及其装置，该装置能够模拟煤储层中二氧化碳置换甲烷的过程，采用该种装置的模拟方法能够模拟实际地层状态下煤层样品对甲烷的吸附过程和二氧化碳驱替置换甲烷的解吸过程，进而丰富吸附解吸理论。
该方法为在样品腔中填充实际采集的煤储层中的煤层样品，先将甲烷注入参考腔中，而后控制阀门使得甲烷进入样品腔中，即甲烷充满煤层样品的孔隙中，通过控制温度与压力，使得煤层样品具有实际的地层压力，从而模拟煤层样品在煤储层中的实际状态，而后基于竞争吸附理论，向参考腔中注入二氧化碳，控制阀门实现二氧化碳置换煤层样品中甲烷，进而模拟实际地层条件下煤层样品对二氧化碳的封存、煤层样品对甲烷的解吸。
附图说明
图1是本发明一实施方式的模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的装置结构示意图；
附图标记说明：
1、第一气源；2、第二气源；3、第三气源；4、第一气源阀门；5、第二气源阀门；6、第三气源阀门；7、增压泵；8、第一阀门；9、第二阀门；10、第一压力表；11、第三阀门；12、第二压力表；13、参考腔；14、样品腔；15、出口流量计；16、第四阀门；17、气相色谱仪；18、第五阀门；19、真空泵；20、供给端流量计。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的方案，下面结合附图对本发明作进一步地详细说明。
如图1所示，本发明提供的模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的装置，包括第一管路、气源段和测量段；气源段包括用于提供惰性气体的第一气源1、用于提供甲烷的第二气源2、用于提供二氧化碳的第三气源3，第一气源1、第二气源2、第三气源3均与第一管路相连；测量段包括参考腔13、真空泵7、样品腔14、气相色谱仪17、用于检测参考腔压力的第一压力表10、用于检测样品腔压力的第二压力表12，参考腔13、真空泵7、样品腔14、气相色谱仪17均与第一管路相连。
在一些实施例中，气源段、参考腔13、真空泵7、样品腔14、气相色谱仪17沿第一管路的一端至第一管路的另一端的方向依次设置。举例来说，增压泵7通过第二管路与第一管路连通，参考腔13通过第三管路与第一管路连通，真空泵19通过第四管路与第一管路连通，样品腔14通过第五管路与第一管路连通，气相色谱仪17通过第六管路与第一管路连通。
在一些实施例中，参考腔13与第一管路之间设有第二阀门9，样品腔14与第一管路之间设有第三阀门11，气相色谱仪17与第一管路之间设有第四阀门16。
在一些实施例中，第一压力表10与第二阀门9均设置在第三管路上，且第一压力表10位于参考腔13和第二阀门9之间。
在一些实施例中，第二压力表12与第三阀门11设置在第五管路上，且第二压力表12位于样品腔14和第三阀门11之间；样品腔14中填充有煤层样品。
在一些实施例中，气相色谱仪17与第四阀门16设置在第六管路上，还包括设置在第一管路上的第五阀门18，测量段位于第一阀门8和第五阀门18之间。
在一些实施例中，还包括第一流量计20和第二流量计15，第一流量计20设置在气源段与测量段之间的第一管路上，第二流量计15设置在测量段，具体可以设置在样品腔14和气相色谱仪17之间的第一管路上。
在一些实施例中，还包括设置在气源段与测量段之间的增压泵7、以及设置在增压泵7与测量段之间的第一阀门。增压泵7的作用是促进第一气源1、第二气源2、第三气源3中气体进入参考腔13中。供给端阀门8控制气体进入参考腔13中。
进一步地，惰性气体例如氦气，在本发明的具体实施过程中，气源段还包括控制第一气源开关的第一气源阀门4、控制第二气源开关的第二气源阀门5、控制第三气源开关的第三气源阀门6，该装置还包括设置在第一管路上的供给端流量计20，用于测量进入测量段的气体流量，气源段与测量段之间设置有供给端阀门8，进一步地，该装置还包括出口流量计15，用于测量进入气相色谱仪的气体流量。
本发明提供的模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的方法，该方法在上述装置进行，包括如下步骤：(1)获取参考腔的体积Vr，并获取填充煤层样品的样品腔的自由空间体积Vf；(2)分别切断第二气源、第一气源、第三气源、参考腔、样品腔、气相色谱仪的连通，连通第二气源和参考腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，向参考腔中第一次注入甲烷后，待压力达到p1时，断开第二气源和参考腔的连接，然后计算得到向参考腔第一次注入甲烷的摩尔量n1，计算公式为n1＝p1Vr/RTZ1，其中Z1表示向参考腔第一次注入甲烷的压缩因子；(3)连通参考腔和样品腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，待样品腔中的煤层样品达到吸附平衡时，记录平衡时的压力p1’，然后计算参考腔和样品腔中游离态的甲烷摩尔量nmf1、煤层样品对甲烷的吸附摩尔量nma1，计算公式为nmf1＝p1’(Vr+Vf)/RTZ1’；nma1＝n1-nmf1，其中，Z1’表示向参考腔第一次注入甲烷并达到吸附平衡时甲烷的压缩因子；(4)切断参考腔、样品腔的连通，连通第二气源和参考腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，向参考腔中第n次注入甲烷并达到吸附平衡时，记录平衡时的压力pn’，其中pn’为12MPa～23MPa；计算得到煤层样品吸附的甲烷总摩尔量nman、样品腔中游离态的甲烷总摩尔量nmfsn，计算公式为nmfsn＝pn’Vf/RTZn’，
(5)将参考腔抽至真空状态，向参考腔中放入体积为Vs的密闭柱状容器，放入柱状容器后参考腔的自由空间体积为Vr’，计算公式为Vr’＝Vr-Vs，其中柱状容器的高度小于参考腔内腔的高度；(6)连通第三气源和参考腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，向参考腔中第一次注入二氧化碳，待第一压力表的读数达到pc1，且控制pc1高于pn’1MPa～2MPa，切断第三气源和参考腔的连通，然后计算得到向参考腔第一次注入的二氧化碳的摩尔量nc1，计算公式为nc1＝pc1Vr’/RTZc1，其中Zc1表示向参考腔第一次注入二氧化碳的压缩因子；(7)连通参考腔和样品腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，使参考腔中的二氧化碳置换出煤层样品吸附的甲烷，待吸附解吸达到平衡时，记录平衡时的压力pc1’，切断参考腔和样品腔的连通，然后计算得到第一次注入二氧化碳并达到吸附解吸平衡时，参考腔和样品腔中游离态的混合气体的摩尔数ncmf1、样品腔中游离态的混合气体的摩尔量ncmfs1、煤层样品对混合气体的吸附摩尔量ncma1，计算公式为ncmf1＝pc1’(Vr’+Vf)/RTZc1’；ncmfs1＝pc1’Vf/RTZc1’；ncma1＝nman+nc1+nmfsn-ncmf1；其中Zc1’表示向参考腔第一次注入二氧化碳并达到吸附解吸平衡后混合气体的压缩因子，混合气体由二氧化碳和甲烷组成；(8)连通参考腔和气相色谱仪，使参考腔中的混合气体进入气相色谱仪，利用气相色谱仪得到混合气体中二氧化碳的百分含量为切断参考腔和气相色谱仪的连通，然后计算得到第一次注入二氧化碳并达到吸附解吸平衡时，煤层样品对二氧化碳的吸附量nca1、煤层样品对甲烷的解吸量nmd1，计算公式为(9)连通第三气源和参考腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，向参考腔中第j次注入二氧化碳达到压力为pcj，控制第j次注入二氧化碳达到压力pcj比第j-1次注入二氧化碳达到压力pc(j-1)提升1MPa～2MPa，连通参考腔和样品腔，达到吸附解吸平衡后，利用气相色谱仪得到参考腔中二氧化碳的百分含量为/>其中为99％以上，计算j次注入二氧化碳并达到吸附解吸平衡后，甲烷的总解吸量nmdtj，计算公式为
具体地，在上述计算公式中，R为气体摩尔常数，为8.314J/(mol·K)，压力单位为MPa，体积单位为mL；T为绝对温度(T的单位为开尔文(字母为K)。
步骤(1)中，样品腔中填充有煤层样品，该煤层样品从煤储层中采集获得，将具有孔隙煤层样品放入样品腔中，样品腔中的自由空间体积发生了变化，因此需要获取填充有煤层样品后的样品腔的自由空间体积。
步骤(2)是在所有阀门处于关闭状态下，打开第二阀门9、第三阀门11、真空泵19，将参考腔13与样品腔14抽至真空；关闭第三阀门11，打开甲烷供气阀5和供给端阀门8，向参考腔13充入甲烷气体后，关闭甲烷供气阀5和供给端阀门8，记录第一压力表10的读数。
步骤(3)是打开第三阀门11，样品腔中的煤层样品对甲烷产生了吸附，待第一压力表10和第一压力表12读数接近，说明样品腔中的煤层样品对甲烷的吸附达到平衡，记录平衡后的第一压力表10和第一压力表12的读数，计算两个读数的算术平均值为平衡时的压力值。
步骤(4)是关闭第三阀门11，打开甲烷供气阀5和供给端阀门8，向参考腔13再次充入甲烷气体，记录第一压力表10的读数pj，关闭甲烷供气阀5和供给端阀门8，停止供气；而后打开第三阀门11，待第一压力表10和第二压力表12读数接近，说明样品腔中的煤层样品对甲烷的吸附达到平衡，记录平衡时的第一压力表10和第二压力表12的读数，并计算两个读数的算术平均值作为平衡后的压力值pj’。重复步骤(4)，直到第n次向参考腔中充入甲烷并使得样品腔中的煤层样品对甲烷的吸附达到平衡后，平衡压力pn’为目标压力，甲烷吸附结束，该目标压力约等于原始地层压力，根据采集得到的煤层样品所在的煤储层的原始地层压力，并通过上述步骤，使得煤层样品的孔隙中充满甲烷气体，并具有与原始地层压力相近的压力，该填充了甲烷气体且具有一定压力的煤层样品，能够模拟煤层样品在煤储层的真实状态。
具体地，与原始地层压力相近的压力具体为12-23MPa，例如12MPa、14MPa、16MPa、18MPa、20MPa、23MPa或其中的任意两者组成的范围。
步骤(5)是关闭第三阀门11，打开第二阀门9、真空泵19，将参考腔13抽至真空，关闭真空泵19和第二阀门9；打开参考腔的腔盖，向参考腔中放入已知体积Vs的密闭柱状容器，其中密闭柱状容器是密闭的不锈钢圆柱体，盖好参考腔的腔盖。
步骤(6)是打开第二阀门9和真空泵19，将参考腔13抽至真空，关闭真空泵19；打开二氧化碳供气阀6和第一阀门8，向参考腔13充入二氧化碳气体，待第一压力表10的读数高于第n次向参考腔13充入甲烷并吸附平衡后的压力pn’(即目标压力)1MPa～2MPa，关闭二氧化碳供气阀6和供给端阀门8，停止供气，记录第一压力表10的读数为pc1。
步骤(7)是打开第三阀门11，部分二氧化碳进入样品腔中取代甲烷被吸附到煤层样品中，而部分甲烷被解吸出来进入参考腔中，待第一压力表10和第二压力表12读数接近且均不再变化，说明吸附解吸达到了平衡，记录平衡后的第一压力表10和第二压力表12的读数，并计算两个读数的算术平均值作为平衡后的压力值pc1’，此时，参考腔和样品腔中的气体均为混合气体，由二氧化碳和甲烷组成，且参考腔和样品腔中各气体含量相同。
步骤(8)是关闭第三阀门11，打开第二阀门9、第四阀门16，利用气相色谱仪17采集并分析吸附解吸平衡后混合气体中二氧化碳气体与甲烷气体占比，记录混合气中二氧化碳百分含量为关闭第四阀门16，打开真空泵19，将参考腔13抽至真空，关闭真空泵19。
步骤(9)是打开二氧化碳供气阀6和供给端阀门8，继续向参考腔13充入二氧化碳气体，待第一压力表10的读数pcj比第j-1次注入二氧化碳达到压力pc(j-1)提升1MPa～2MPa，关闭二氧化碳供气阀6和供给端阀门8，停止供气，记录参考腔压力传感器10的读数pcj；打开第三阀门11，连通参考腔和样品腔；待第一压力表10和第二压力表12读数接近且均不再变化，说明压力平衡，记录平衡后的第一压力表10和第二压力表12的读数，并计算两个读数的算术平均值作为平衡后的压力值，并标记为pcj’；而后关闭第三阀门11，打开第二阀门9、第四阀门16，利用气相色谱仪17采集并分析混合气体中二氧化碳气体与甲烷气体占比，记录混合气体中二氧化碳百分含量为关闭第四阀门16，打开真空泵19，将参考腔13抽至真空，关闭真空泵19。
根据本发明的一实施方式，获取填充煤层样品的样品腔的自由空间体积Vf的具体测定过程包括：(1)分别切断第二气源、第一气源、第三气源、参考腔、样品腔、气相色谱仪的连通；在保持参考腔和样品腔为真空状态下，连通第一气源和参考腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，向参考腔中注入氦气后，待第一压力表的读数达到ph1时，断开第一气源和参考腔的连接；(2)连通参考腔和样品腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，待参考腔和样品腔压力达到平衡时，记录平衡时的压力ph1’，切断参考腔和样品腔的连通；计算第一次注入氦气后样品腔的自由空间体积Vf1，即为Vf，计算公式为Vf1＝Vr(ph1/Zh1-ph1’/Zh1’)/(ph1’/Zh1’-ph0’/Zh0’)，其中ph0’为0，Zh0’为1，Zh1表示向参考腔第一次注入氦气的压缩因子，Zh1’表示向参考腔第一次注入氦气并参考腔和样品腔压力达到平衡后氦气的压缩因子。
在一些实施例中，向参考腔中注入氦气后的压力ph1为2MPa～7MPa，例如2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa或其中的任意两者组成的范围。
在本发明的具体实施中，ph1为2MPa～3MPa，获取填充煤层样品的样品腔14的自由空间体积Vf的具体测定过程中，还包括向参考腔13中第二次注入氦气后，待第一压力表的读数达到ph2，断开第一气源1和参考腔13的连接；连通参考腔13和样品腔14，待第一压力表10和第二压力表12的压力读数达到平衡时，记录平衡时的压力ph2’，切断参考腔13和样品腔14的连通；计算第二次注入氦气后样品腔14的自由空间体积Vf2＝Vr(ph2/Zh2-ph2’/Zh2’)/(ph2’/Zh2’-ph1’/Zh1’)，其中，Zh2表示向参考腔13第二次注入氦气的压缩因子，Zh2’表示向参考腔13第二次注入氦气并参考腔和样品腔压力达到平衡后氦气的压缩因子；重复通入氦气并达到吸附平衡的步骤，得到Vf3，舍弃Vf1、Vf2、Vf3中与三者算术平均值绝对误差最大的一个数据，计算另外两个数据的算术平均值为填充煤层样品的样品腔的自由空间体积Vf，其中ph2为4MPa～5MPa，ph3为6MPa～7MPa。
在一些实施例中，第一次注入甲烷时使参考腔压力达到p1，p1为1MPa～2MPa。
在一些实施例中，注入甲烷使参考腔压力pn比上一次注入甲烷后的压力pn-1提升1MPa～2MPa。采用该种分阶段的注入二氧化碳并达到吸附平衡的方法，能够计算不同阶段的二氧化碳的封存量、甲烷的解吸量。
在一些实施例中，参考腔的内腔、样品腔的内腔、柱状容器为圆柱状，参考腔的内腔和样品腔的内腔的内径相同，柱状容器的外径小于参考腔的内径。
在一些实施例中，温度T为293K～333K，具体可以通过恒温系统调节样品腔和参考腔的温度，控制温度为293K～333K，例如293K、303K、313K、323K、333K或其中的任意两者组成的范围，恒温系统包括保温箱，从而实现对上述装置和方法进行温度调控。通过调节参考腔和样品腔的温度能够模拟实际煤储层中二氧化碳置换甲烷的过程。
在一些实施例中，将本发明提供的装置置于保温箱中，通过保温箱调节装置的温度。
本发明提供的模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的方法及其装置，该方法基于煤层气竞争吸附理论，通过控制目标压力，能够模拟原始地层状态下的煤储层吸附甲烷的过程，通过注入二氧化碳，实现二氧化碳置换煤层气的解吸量测定以及影响因素分析。该装置可以调节压力和温度，实现不同温度、压力条件下二氧化碳对甲烷置换过程，结合本发明的方法，该装置不仅可以测定煤层气的等温吸附曲线，而且能够模拟不同温度、不同压力下煤层中封存二氧化碳、解吸甲烷的过程，进而探究不同温度、不同压力对置换效果的影响。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的方法，其特征在于，所述方法采用模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的装置进行，
所述模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的装置包括第一管路、气源段和测量段，其中，
所述气源段包括用于提供惰性气体的第一气源、用于提供甲烷的第二气源、用于提供二氧化碳的第三气源，所述第一气源、所述第二气源、所述第三气源均与所述第一管路相连；
所述测量段包括参考腔、真空泵、样品腔、气相色谱仪、用于检测所述参考腔压力的第一压力表、用于检测所述样品腔压力的第二压力表，所述参考腔、真空泵、样品腔、气相色谱仪均与所述第一管路相连；
所述气源段、参考腔、真空泵、样品腔、气相色谱仪沿所述第一管路的一端至所述第一管路的另一端的方向依次设置；
所述模拟二氧化碳置换煤层中甲烷的方法包括如下步骤：
(1)获取参考腔的体积Vr，并获取填充煤层样品的样品腔的自由空间体积Vf；
(2)分别切断第二气源、第一气源、第三气源、参考腔、样品腔、气相色谱仪的连通，连通第二气源和参考腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，向参考腔中第一次注入甲烷后，待压力达到p1时，断开第二气源和参考腔的连接，然后计算得到向参考腔第一次注入甲烷的摩尔量n1，计算公式为n1＝p1Vr/RTZ1，其中Z1表示向参考腔第一次注入甲烷的压缩因子；
(3)连通参考腔和样品腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，待样品腔中的煤层样品达到吸附平衡时，记录平衡时的压力p1’，然后计算参考腔和样品腔中游离态的甲烷摩尔量nmf1、煤层样品对甲烷的吸附摩尔量nma1，计算公式为nmf1＝p1’(Vr+Vf)/RTZ1’；nma1＝n1-nmf1，其中，Z1’表示向参考腔第一次注入甲烷并达到吸附平衡时甲烷的压缩因子；
(4)切断参考腔、样品腔的连通，连通第二气源和参考腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，向参考腔中第n次注入甲烷并达到吸附平衡时，记录平衡时的压力pn’，其中pn’为12MPa～23MPa；计算得到煤层样品吸附的甲烷总摩尔量nman、样品腔中游离态的甲烷总摩尔量nmfsn，计算公式为nmfsn＝pn’Vf/RTZn’，
(5)将参考腔抽至真空状态，向参考腔中放入体积为Vs的密闭柱状容器，放入柱状容器后参考腔的自由空间体积为Vr’，计算公式为Vr’＝Vr-Vs，其中柱状容器的高度小于参考腔内腔的高度；
(6)连通第三气源和参考腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，向参考腔中第一次注入二氧化碳，待第一压力表的读数达到pc1，且控制pc1高于pn’1MPa～2MPa，切断第三气源和参考腔的连通，然后计算得到向参考腔第一次注入的二氧化碳的摩尔量nc1，计算公式为nc1＝pc1Vr’/RTZc1，其中Zc1表示向参考腔第一次注入二氧化碳的压缩因子；
(7)连通参考腔和样品腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，使参考腔中的二氧化碳置换出煤层样品吸附的甲烷，待吸附解吸达到平衡时，记录平衡时的压力pc1’，切断参考腔和样品腔的连通，然后计算得到第一次注入二氧化碳并达到吸附解吸平衡时，参考腔和样品腔中游离态的混合气体的摩尔数ncmf1、样品腔中游离态的混合气体的摩尔量ncmfs1、煤层样品对混合气体的吸附摩尔量ncma1，计算公式为ncmf1＝pc1’(Vr’+Vf)/RTZc1’；ncmfs1＝pc1’Vf/RTZc1’；ncma1＝nman+nc1+nmfsn-ncmf1；其中Zc1’表示向参考腔第一次注入二氧化碳并达到吸附解吸平衡后混合气体的压缩因子，混合气体由二氧化碳和甲烷组成；
(8)连通参考腔和气相色谱仪，使参考腔中的混合气体进入气相色谱仪，利用气相色谱仪得到混合气体中二氧化碳的百分含量为切断参考腔和气相色谱仪的连通，然后计算得到第一次注入二氧化碳并达到吸附解吸平衡时，煤层样品对二氧化碳的吸附量nca1、煤层样品对甲烷的解吸量nmd1，计算公式为/>
(9)连通第三气源和参考腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，向参考腔中第j次注入二氧化碳达到压力为pcj，控制第j次注入二氧化碳达到压力pcj比第j-1次注入二氧化碳达到压力pc(j-1)提升1MPa～2MPa，连通参考腔和样品腔，达到吸附解吸平衡后，利用气相色谱仪得到参考腔中二氧化碳的百分含量为其中/>为99％以上，计算j次注入二氧化碳并达到吸附解吸平衡后，甲烷的总解吸量nmdtj，计算公式为
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述参考腔与所述第一管路之间设有第二阀门，所述样品腔与所述第一管路之间设有第三阀门，所述气相色谱仪与所述第一管路之间设有第四阀门；和/或，
所述第一压力表设置在所述参考腔与所述第二阀门之间；和/或，
所述第二压力表设置在所述样品腔与所述第三阀门之间；和/或，
还包括设置在第一管路上的第五阀门，所述测量段位于第一阀门和第五阀门之间。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，还包括第一流量计和第二流量计，所述第一流量计设置在所述气源段与所述测量段之间的第一管路上，所述第二流量计设置在所述测量段。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括设置在所述气源段与所述测量段之间的增压泵、以及设置在所述增压泵与所述测量段之间的第一阀门。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取填充煤层样品的样品腔的自由空间体积Vf的具体测定过程包括：
(1)分别切断第二气源、第一气源、第三气源、参考腔、样品腔、气相色谱仪的连通；在保持参考腔和样品腔为真空状态下，连通第一气源和参考腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，向参考腔中注入氦气后，待第一压力表的读数达到ph1时，断开第一气源和参考腔的连接；
(2)连通参考腔和样品腔，控制参考腔和样品腔的温度为T，待参考腔和样品腔压力达到平衡时，记录平衡时的压力ph1’，切断参考腔和样品腔的连通；计算第一次注入氦气后样品腔的自由空间体积Vf1，即为Vf，计算公式为Vf1＝Vr(ph1/Zh1-ph1’/Zh1’)/(ph1’/Zh1’-ph0’/Zh0’)，其中ph0’为0，Zh0’为1，Zh1表示向参考腔第一次注入氦气的压缩因子，Zh1’表示向参考腔第一次注入氦气并参考腔和样品腔压力达到平衡后氦气的压缩因子。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第一次注入甲烷时使参考腔压力达到p1，p1为1MPa～2MPa；和/或，
注入甲烷使参考腔压力pn比上一次注入甲烷后的压力pn-1提升1MPa～2MPa。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述参考腔的内腔、样品腔的内腔、柱状容器为圆柱状，参考腔的内腔和样品腔的内腔的内径相同，所述柱状容器的外径小于参考腔的内径。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述温度T为293K～333K；和/或，
所述装置置于保温箱中，通过保温箱调节装置的温度。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，向参考腔中注入氦气后的压力ph1为2MPa～7MPa。
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