CN114894671B - 基于扩散-渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法 - Google Patents

基于扩散-渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于扩散‑渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法，包括以下步骤：(1)选取块煤样品，分析获得煤样的灰分、水分，并测定煤样的吸附常数的a、b值；(2)对步骤(1)选取的块煤样品进行吸附解吸实验；(3)对步骤(2)实验后的煤样进行渗流通道改造；(4)对改造完毕后的样品进行吸附解吸实验；(5)对步骤(4)实验完成后的煤样继续进行渗流通道改造，继续进行吸附解吸实验；(6)分析实验后获得的多组吸附解吸数据，确定差异消失时间t1，由解吸速率计算t1时刻窜流量；(7)通过双重孔隙介质拟稳态窜流方程计算吸附时间；能真实反映煤体在煤层中解耦扩散行为和渗流行为。

Description

基于扩散-渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法
技术领域
本发明涉及煤体瓦斯运移特性研究技术领域，具体涉及基于扩散-渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法。
背景技术
瓦斯是一种赋存在煤层中的清洁能源。瓦斯抽采不仅可以提高煤炭开采回采率，还可以预防煤与瓦斯突出事故的发生。在煤炭瓦斯抽采过程中，瓦斯要经过脱附-扩散-渗流等环节的耦合过程才能被抽采出来。瓦斯的扩散特性是影响瓦斯解吸速率的重要因素，也直接影响瓦斯的抽采效果。
吸附时间是一个反映了瓦斯在煤岩基质中的扩散能力的重要参数，体现了扩散系数和形状因子对扩散通量的控制作用。在中国《煤层气测试方法》标准中(GB/T 19559-2008)，吸附时间是指样品所含气体被解吸出来63.2％所用的时间。然而，使用块煤测试吸附时间时，由于测得的所含气体经脱附-扩散-渗流耦合过程，获得的扩散相关参数受渗流影响。为准确测量吸附时间等扩散参数、缺少一种扩散-渗流解耦实验方法，用于单独测试扩散行为或渗流行为。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供基于扩散-渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法，本发明的测试方法操作简单，且能有效避免块煤样品的渗流特性对扩散特性测试导致的误差,能真实反映煤体在煤层中解耦扩散行为和渗流行为。
为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供基于扩散-渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法，包括以下步骤：
(1)选取块煤样品，记录煤样重量，对煤样进行工业分析获得煤样的灰分、水分，测试煤样密度，并采用高压容量法测定煤样的吸附常数的a、b值；
(2)抽真空后，对步骤(1)选取的块煤样品进行吸附解吸实验，实验过程中用压力传感器实时记录压力变化，实验时间持续至吸附解吸平衡为止；
(3)通过中心钻孔的方式对步骤(2)实验后的煤样进行渗流通道改造；
(4)对改造完毕后的样品进行吸附解吸实验，吸附解吸条件与步骤(2)相同，实验过程中用压力传感器实时记录压力变化，实验时间持续至吸附解吸平衡为止；
(5)对步骤(4)实验完成后的煤样继续进行渗流通道改造，扩大煤样的中心钻孔，对扩大了中心钻孔的煤样进行吸附解吸实验，吸附解吸条件与步骤(2)相同，实验过程中用压力传感器实时记录压力变化，实验时间持续至吸附解吸平衡为止；
(6)分析步骤(2)、步骤(4)、步骤(5)实验后获得的多组吸附解吸数据，根据吸附速率曲线的差异确定差异消失时间t1，从而确定扩散-渗流行为的主控阶段，在解耦扩散-渗流行为后，由解吸速率以及步骤(1)测得的煤样密度计算t1时刻窜流量；
(7)将步骤(1)中得到的吸附常数a、b值和通过步骤(2)、步骤(4)、步骤(5)实验后获得的块煤在步骤(6)确定的t1时刻的瓦斯吸附量带入朗格缪尔方程，通过朗格缪尔方程反演计算不同渗流通道对应的t1时刻的基质中的气相瓦斯压力；将得到的基质中的气相瓦斯压力以及步骤(6)求得的t1时刻的窜流量代入到双重孔隙介质拟稳态窜流方程计算吸附时间。
优选地，步骤(2)、步骤(4)、步骤(5)实验后获得的多组吸附解吸数据包括瓦斯吸附量、吸附速率、瓦斯解吸量、解吸速率游离瓦斯含量。
优选地，步骤(6)中，所述窜流量采用以下公式计算：
Figure BDA0003567788820000031
式中：Qs为“窜流量”，即单位体积煤基质与裂隙系统的质量交换率，kg/(m3·s)；
Figure BDA0003567788820000032
为t时刻瓦斯解吸率，mL/(g·min)；/>
Figure BDA0003567788820000033
为标准状态下甲烷的密度，0.71428kg/m3；ρcoal为煤样密度，g/mL；当t＝t1时，式(1-1)求得t1时刻的窜流量。
优选地，步骤(7)中，所述的双重孔隙介质拟稳态窜流方程如下所示：
Figure BDA0003567788820000034
式中：Qs为“窜流量”，即单位体积煤基质与裂隙系统的质量交换率，kg/(m3·s)；D为瓦斯在基质孔隙中的扩散系数，m2/s；σc为基质形状因子，m-2；Cm、Cf分别为基质、裂隙中的气相瓦斯浓度，kg/m3；Pm为基质裂隙中的气相瓦斯压力，Pa；Pf为裂隙中的气相瓦斯压力，Pa；M为甲烷的摩尔质量；R为理想气体常数，J/(mol·K)；T为温度，K；τ为吸附时间。
优选地，所述基质中的气相瓦斯浓度Cm、裂隙中的气相瓦斯浓度Cf分别采用以下公式计算：
Figure BDA0003567788820000035
Figure BDA0003567788820000036
式中：M为甲烷的摩尔质量，kg/mol；R为理想气体常数，J/(mol·K)；T为温度，K；Pm、Pf分别为基质、裂隙中的气相瓦斯压力，Pa。
优选地，所述朗格缪尔方程如下所示：
Figure BDA0003567788820000037
式中：V为瓦斯吸附量，m3/t；P为吸附平衡时瓦斯压力，MPa；a为吸附常数，m3/t；b为吸附常数，MPa-1。
将步骤(1)中得到的吸附常数a、b值和通过步骤(2)、步骤(4)、步骤(5)得到的在步骤(6)确定的t1时刻的块煤基质瓦斯吸附量带入朗格缪尔方程，采用如下公式计算t1时刻的基质中气相瓦斯压力Pm：
Figure BDA0003567788820000041
式中：Pm为基质中气相瓦斯压力，Pa；Vm为基质中的瓦斯吸附量，mL/g。优选地，所述基质中的瓦斯吸附量Vm采用如下公式计算：
Vm＝Vtotal-Vde-Vfree (0-11)
式中：Vtotal——为解吸实验开始前煤样罐内吸附量，mL/g；
Vde——为t时刻瓦斯解吸量，mL/g；
Vfree——为常压下游离瓦斯含量，mL/g。
本发明的有益效果在于：
本发明基于扩散-渗流解耦实验，可以准确测试窜流量并计算吸附时间，有利于独立评价扩散行为和渗流行为，能够为煤层瓦斯运移研究提供参考。
本发明的测试方法操作简单，且能有效避免块煤样品的渗流特性对扩散特性测试导致的误差，准确测试吸附时间等扩散特性参数，真实反映煤体在原位地应力条件下的扩散行为和渗流行为，对进一步推动煤层瓦斯运移的相关研究有较好指导意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于扩散-渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法应用流程图；
图2为实验样品示意图，图2(a)为原始样品，图2(b)为第一次渗流通道改造后的样品，图2(c)为第二次渗流通道改造后的样品；
图3为样品解吸速率图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，本实施例提供一种基于扩散-渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法，具体步骤如下：
(1)选取块煤样品，记录煤样重量，根据《煤的工业分析测试方法》(GBT/T 212-2008)对煤样进行工业分析获得煤的灰分、水分，测试煤样密度，并根据《煤的甲烷吸附量测定方法(高压容量法)》(MT/T 752-1997)获得对煤进行吸附常数测试吸附常数a、b值；
(2)抽真空后，对步骤(1)选取的块煤样品进行吸附解吸实验，实验过程中用压力传感器实时记录压力变化，实验时间持续至吸附解吸平衡为止；
(3)步骤(2)实验结束后取出经过吸附解吸实验的块煤样品，对块煤样品中心钻孔以改变样品渗流通道，所得实验样品如图2(b)所示；
(4)改造完毕后，对改造好的样品进行吸附解吸实验，实验中吸附解吸条件与未改造前即步骤(2)的实验条件相同，实验过程中用压力传感器实时记录压力变化，实验时间持续至吸附解吸平衡为止；；
(5)继续对步骤(4)实验后的煤块样品进行渗流通道改造，所得实验样品如图2(c)所示，改造完毕后，对改造好的样品进行吸附解吸实验，实验中保证吸附解吸条件与步骤(2)的实验条件相同，实验过程中用压力传感器实时记录压力变化，实验时间持续至吸附解吸平衡为止；
(6)分析步骤(2)、(4)、(5)中获得的样品解吸数据如图3所示，可以确定扩散-渗流行为的主控阶段：在0-t1阶段为渗流控制阶段，在t1-t阶段为扩散控制阶段；在扩散控制阶段，由t1时刻解吸速率
Figure BDA0003567788820000051
可以计算此时的窜流量Qs；
所述的窜流量Qs计算公式如下所示：
Figure BDA0003567788820000061
式中Qs——为“窜流量”，即单位体积煤基质与裂隙系统的质量交换率，kg/(m3·s)；
Figure BDA0003567788820000062
——为t时刻瓦斯解吸率，mL/(g·min)；/>
Figure BDA0003567788820000063
——为标准状态下甲烷的密度，0.71428kg/m3；ρcoal——为煤样密度，g/mL；
(7)根据朗格缪尔方程：
Figure BDA0003567788820000064
式中：V为瓦斯吸附量，m3/t；P为吸附平衡时瓦斯压力，MPa；a为吸附常数，m3/t；b为吸附常数，MPa-1；
以及通过步骤(2)、(4)、(5)的实验获得的t1时刻的煤柱瓦斯吸附量Vm反演计算t1时刻的基质的气相瓦斯压力Pm；根据双重孔隙介质拟稳态窜流方程，求得吸附时间τ；
所述的双重孔隙介质拟稳态窜流方程如下所示：
Figure BDA0003567788820000065
式中：D——为瓦斯在基质孔隙中的扩散系数，m2/s；σc——为基质形状因子，m-2；Cm、Cf——分别为基质、裂隙中的气相瓦斯浓度，kg/m3，一般定义为：
Figure BDA0003567788820000066
Figure BDA0003567788820000067
式(0-14)和式(0-15)中M——为甲烷的摩尔质量，kg/mol；R——为理想气体常数，J/(mol·K)；T——为温度，K；Pm、Pf——分别为基质、裂隙中的气相瓦斯压力，Pa；
所述的基质孔隙压力Pm计算公式如下所示：
Figure BDA0003567788820000068
/>
式中：Vm为基质中的瓦斯吸附量，mL/g。
Vm＝Vtotal-Vde-Vfree (0-17)
式中：Vtotal为解吸实验开始前煤样罐内吸附量，mL/g；
Vde为t时刻瓦斯解吸量，mL/g；
Vfree为常压下游离瓦斯含量，mL/g；
在扩散控制阶段，裂隙中的瓦斯几近释放完毕，该阶段的解吸量主要来自于从基质扩散出来的瓦斯，裂隙中气相瓦斯压力Pf等于大气压力P0。将式(1-5)带入式(1-2)可知，所述的计算吸附时间计算公式如下所述：
Figure BDA0003567788820000071
本方法提出的吸附时间计算实例结果如表1所示，
Figure BDA0003567788820000073
为计算的平均吸附时间。
表1块煤甲烷吸附时间计算结果
Figure BDA0003567788820000072
本实施例的方法操作简单，且能够通过吸附解吸数据分析有效避免块煤样品的渗流特性对扩散特性测试导致的误差,准确测试吸附时间等扩散特性参数，能够真实反映煤体在原位地应力条件下的扩散行为和渗流行为，对进一步推动煤层瓦斯运移的相关研究有较好指导意义。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.基于扩散-渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选取块煤样品，记录煤样重量，对煤样进行工业分析获得煤样的灰分、水分，测试煤样密度，并采用高压容量法测定煤样的吸附常数a、b值；
(2)抽真空后，对步骤(1)选取的块煤样品进行吸附解吸实验，实验过程中用压力传感器实时记录压力变化，实验时间持续至吸附解吸平衡为止；
(3)通过中心钻孔的方式对步骤(2)实验后的煤样进行渗流通道改造；
(4)对改造完毕后的样品进行吸附解吸实验，吸附解吸条件与步骤(2)相同，实验过程中用压力传感器实时记录压力变化，实验时间持续至吸附解吸平衡为止；
(5)对步骤(4)实验完成后的煤样继续进行渗流通道改造，扩大煤样的中心钻孔，对扩大了中心钻孔的煤样进行吸附解吸实验，吸附解吸条件与步骤(2)相同，实验过程中用压力传感器实时记录压力变化，实验时间持续至吸附解吸平衡为止；
(6)分析步骤(2)、步骤(4)、步骤(5)实验后获得的多组吸附解吸数据，根据吸附速率曲线的差异确定差异消失时间t1，从而确定扩散-渗流行为的主控阶段，在解耦扩散-渗流行为后，由解吸速率以及步骤(1)测得的煤样密度计算t1时刻窜流量；
所述窜流量采用以下公式计算：
Figure FDA0004058545290000011
式中：Qs为“窜流量”，即单位体积煤基质与裂隙系统的质量交换率，kg/(m3·s)；
Figure FDA0004058545290000012
为t时刻瓦斯解吸率，mL/(g·min)；/>
Figure FDA0004058545290000013
为标准状态下甲烷的密度，0.71428kg/m3；ρcoal为煤样密度，g/mL；
(7)将步骤(1)中得到的吸附常数a、b值和通过步骤(2)、步骤(4)、步骤(5)实验后获得的块煤在步骤(6)确定的t1时刻的瓦斯吸附量带入朗格缪尔方程，通过朗格缪尔方程反演计算不同渗流通道对应的t1时刻的基质中的气相瓦斯压力；将得到的基质中的气相瓦斯压力以及步骤(6)求得的t1时刻的窜流量代入到双重孔隙介质拟稳态窜流方程计算吸附时间。
2.如权利要求1所述的基于扩散-渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法，其特征在于，步骤(2)、步骤(4)、步骤(5)实验后获得的多组吸附解吸数据包括瓦斯吸附量、吸附速率、瓦斯解吸量、解吸速率游离瓦斯含量。
3.如权利要求1所述的基于扩散-渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法，其特征在于，步骤(7)中，所述的双重孔隙介质拟稳态窜流方程如下所示：
Figure FDA0004058545290000021
式中：D为瓦斯在基质孔隙中的扩散系数，m2/s；σc为基质形状因子，m-2；Cm、Cf分别为基质、裂隙中的气相瓦斯浓度，kg/m3；Pm为基质中的气相瓦斯压力，Pa；Pf为裂隙中的气相瓦斯压力，Pa；M为甲烷的摩尔质量；R为理想气体常数，J/(mol·K)；T为温度，K；τ为吸附时间，s。
4.如权利要求3所述的基于扩散-渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法，其特征在于，所述基质中的气相瓦斯浓度Cm、裂隙中的气相瓦斯浓度Cf分别采用以下公式计算：
Figure FDA0004058545290000022
Figure FDA0004058545290000023
式中：M为甲烷的摩尔质量，kg/mol；R为理想气体常数，J/(mol·K)；T为温度，K；Pm、Pf分别为基质、裂隙中的气相瓦斯压力，Pa。
5.如权利要求3或4所述的基于扩散-渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法，其特征在于，所述基质中气相瓦斯压力Pm计算公式如下所示：
Figure FDA0004058545290000031
式中：Vm——为基质中的瓦斯吸附量，mL/g；a为吸附常数，m3/t；b为吸附常数，MPa-1。
6.如权利要求5所述的基于扩散-渗流解耦实验的煤体甲烷吸附时间测定方法，其特征在于，所述基质中的瓦斯吸附量Vm采用如下公式计算：
Vm＝Vtotal-Vde-Vfree (0-6)
式中：Vtotal——为解吸实验开始前煤样罐内吸附量，mL/g；
Vde——为t1时刻瓦斯解吸量，mL/g；
Vfree——为常压下游离瓦斯含量，mL/g。
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