本發(fā)明涉及石油天然氣開采的實(shí)驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種煤層氣液相吸附的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

由于地質(zhì)儲(chǔ)量巨大，煤層氣的有效開發(fā)可以改善我國(guó)能源結(jié)構(gòu)并補(bǔ)充常規(guī)天然氣在我國(guó)地域分布和供給量上的不足。煤層氣是典型的吸附成藏的非常規(guī)天然氣，超過90％的煤層氣主要以吸附態(tài)賦存于煤層中。因此，煤層氣的吸附-解吸機(jī)理是進(jìn)行煤層氣開發(fā)設(shè)計(jì)的核心。目前關(guān)于煤層氣的賦存狀態(tài)與吸附機(jī)理、氣相吸附實(shí)驗(yàn)、平衡水吸附實(shí)驗(yàn)等的控制因素國(guó)內(nèi)外學(xué)者都做了大量工作，普遍認(rèn)為煤層氣的吸附服從氣相吸附模型。然而，氣相吸附理論并不能完全解釋煤層氣成藏、流體分布狀態(tài)及生產(chǎn)過程中的一些問題。

因此，有學(xué)者提出了煤層氣的液相吸附理論。然而，煤層氣的液相吸附研究尚停留在理論研究方面，沒有學(xué)者進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)研究，亦沒有實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝌?yàn)證煤層氣的液相吸附理論或測(cè)試煤層氣的液相吸附量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在提供煤層氣液相吸附的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法，適用于驗(yàn)證煤層氣的液相吸附理論。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種煤層氣液相吸附的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括加熱箱、吸附艙和用于檢測(cè)吸附艙壓力的壓力檢測(cè)裝置，所述吸附艙放置在加熱箱中，所述吸附艙中設(shè)置有溫度傳感器，所述吸附艙上設(shè)置有進(jìn)氣管和通水管，所述通水管上設(shè)置有第一閥門，所述通水管的內(nèi)端口位于吸附艙上部，所述進(jìn)氣管上設(shè)置有流量檢測(cè)裝置和第二閥門。

進(jìn)一步的，所述通水管和進(jìn)氣管均設(shè)于吸附艙頂部，所述通水管的內(nèi)端從吸附艙的頂部向吸附艙的底部延伸，所述進(jìn)氣管的出氣口位于吸附艙頂部。

進(jìn)一步的，所述加熱箱為恒溫水浴箱。

進(jìn)一步的，所述壓力檢測(cè)裝置包括壓力傳感器，所述壓力傳感器設(shè)置在進(jìn)氣管上，所述壓力傳感器和流量檢測(cè)裝置位于第二閥門與吸附艙之間。

進(jìn)一步的，所述進(jìn)氣管上設(shè)置有第三閥門，所述壓力傳感器和流量檢測(cè)裝置位于第二閥門與第三閥門之間。

進(jìn)一步的，所述進(jìn)氣管與甲烷供氣系統(tǒng)連通。

進(jìn)一步的，所述溫度傳感器外接溫度顯示器。

進(jìn)一步的，所述流量檢測(cè)裝置包括流量傳感器與積分器。

進(jìn)一步的，所述加熱箱包括箱體、溫度調(diào)節(jié)器和加熱裝置，所述加熱裝置設(shè)于箱體內(nèi)部，所述溫度調(diào)節(jié)器設(shè)于箱體外部，所述溫度調(diào)節(jié)器與加熱裝置相連，所述吸附艙放置在箱體中。

進(jìn)一步的，所述流量檢測(cè)裝置包括流量傳感器與積分器。

一種煤層氣液相吸附的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

步驟1：獲取水飽和煤樣；

步驟2：將水飽和煤樣放入吸附艙中，并向吸附艙中加滿蒸餾水，然后密封吸附艙，記錄加入蒸餾水的體積；

步驟3：打開第一閥門和第二閥門，向吸附艙中通入甲烷氣體或煤層氣樣品，使液體從通水管排出，當(dāng)沒有液體從通水管排出時(shí)，關(guān)閉第一閥門和第二閥門。因?yàn)槊簩託獾某煞?5％以上的都是甲烷，所以可用甲烷代替。

步驟4：開啟加熱箱，加熱箱預(yù)熱，使吸附艙內(nèi)的溫度保持恒定；溫度可保持在25℃-30℃，或其他溫度。

步驟5：打開第二閥門，繼續(xù)向吸附艙中通入甲烷氣體或煤層氣樣品；

步驟6：關(guān)閉第二閥門，獲得通入吸附艙的氣體總流量；

步驟7：靜置，獲得此時(shí)吸附艙內(nèi)的壓力值P，關(guān)閉加熱箱。

進(jìn)一步的，所述步驟7中，至少靜置72小時(shí)。

進(jìn)一步的，所述步驟4中，使加熱箱預(yù)熱8-12小時(shí)，使吸附艙內(nèi)的溫度保持在30攝氏度；所述步驟7中，靜置96小時(shí)。

進(jìn)一步的，所述步驟1中包括以下兩個(gè)步驟：

步驟1.1：將取得的煤樣粉碎，測(cè)得煤樣的質(zhì)量；

步驟1.2：通過真空泵將煤樣飽和蒸餾水，測(cè)得煤樣與水的共同質(zhì)量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本次發(fā)明針對(duì)煤層氣在儲(chǔ)層條件下的吸附特點(diǎn)，可以驗(yàn)證煤層氣的液相吸附理論，并可測(cè)試煤層氣的液相吸附量。適用于驗(yàn)證煤層氣的液相吸附理論。本發(fā)明實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程科學(xué)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，為煤層氣的有效開發(fā)創(chuàng)造了良好的條件。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是甲烷在蒸餾水中的溶解度曲線；

圖中：1-加熱箱、2-吸附艙、3-壓力檢測(cè)裝置、4-流量檢測(cè)裝置、5-進(jìn)氣管、6-通水管、7-溫度傳感器、8-溫度顯示器、9-溫度調(diào)節(jié)器、10-加熱裝置、11-第一閥門、12-第二閥門、13-通風(fēng)廚、14-第三閥門、15-甲烷氣瓶。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明公開的煤層氣液相吸附的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括加熱箱1、吸附艙2和用于檢測(cè)吸附艙2壓力的壓力檢測(cè)裝置3，吸附艙2放置在加熱箱1中，吸附艙2中設(shè)置有溫度傳感器7，吸附艙2上設(shè)置有進(jìn)氣管5和通水管6，通水管6上設(shè)置有第一閥門11，通水管6的內(nèi)端口位于吸附艙2上部，進(jìn)氣管5上設(shè)置有流量檢測(cè)裝置4和第二閥門12。通水管6和進(jìn)氣管5均設(shè)于吸附艙2頂部，通水管6的內(nèi)端從吸附艙2的頂部向吸附艙2的底部延伸，通常情況下，通水管6向吸附艙2底部的延伸距離等于吸附艙2高度的三分之一。進(jìn)氣管5的出氣口位于吸附艙2頂部。

因壓力表的精度不高，為使測(cè)量數(shù)據(jù)更精確，壓力檢測(cè)裝置3選擇壓力傳感器，壓力傳感器設(shè)置在進(jìn)氣管5上，壓力傳感器和流量檢測(cè)裝置4位于第二閥門12與吸附艙2之間，流量檢測(cè)裝置4包括流量傳感器與積分器，壓力傳感器位于流量檢測(cè)裝置4的上游，流量檢測(cè)裝置4與吸附艙2之間還設(shè)置有第三閥門14，。壓力傳感器可以測(cè)量吸附艙2內(nèi)的壓力動(dòng)態(tài)，壓力傳感器通過耐壓管線連接流量檢測(cè)裝置4，流量檢測(cè)裝置4可以測(cè)量并顯示從甲烷氣瓶15流入吸附艙2內(nèi)的甲烷氣體的瞬時(shí)流速以及累計(jì)流量，流量檢測(cè)裝置4通過耐壓管線與第三閥門14相連。第一閥門11、第二閥門12和第三閥門14均選擇針型閥，加熱箱1選擇恒溫水浴箱。

因?yàn)槊簩託獾某煞?5％以上的都是甲烷，所以將進(jìn)氣管5與甲烷供氣系統(tǒng)連通，甲烷供氣系統(tǒng)包括甲烷氣瓶15，甲烷氣瓶15采用標(biāo)準(zhǔn)的甲烷氣瓶，可提供13.7MPa的高壓甲烷40L，甲烷氣瓶15通過耐壓管線連接第二閥門12，第二閥門12可以調(diào)節(jié)甲烷氣瓶15的流速，關(guān)閉第二閥門12可以封閉吸附系統(tǒng)，第二閥門12通過耐壓管線連續(xù)壓力傳感器3。

加熱箱1包括箱體、溫度調(diào)節(jié)器9和加熱裝置10，加熱裝置10設(shè)于箱體內(nèi)部，溫度調(diào)節(jié)器9設(shè)于箱體外部，溫度調(diào)節(jié)器9與加熱裝置10相連，吸附艙2放置在箱體中，溫度傳感器7外接溫度顯示器8，加熱裝置10選擇加熱環(huán)，加熱環(huán)安裝在箱體底部。溫度調(diào)節(jié)器9可以調(diào)節(jié)加熱環(huán)的電功率，通過調(diào)節(jié)加熱環(huán)的電功率從而控制吸附系統(tǒng)的溫度，溫度傳感器7位于吸附艙2中央，溫度傳感器7可以監(jiān)測(cè)吸附艙2內(nèi)部的溫度，溫度顯示器8通過耐壓管線中的電路與溫度傳感器7相連，可以顯示吸附艙2內(nèi)的溫度。

具體的，吸附艙2的頂部有三個(gè)接口，一個(gè)接口通過耐壓管線與流量檢測(cè)裝置4相連，該接口在吸附艙2內(nèi)的耐壓管線較短；一個(gè)接口通過耐壓管線與溫度顯示器8相連；一個(gè)接口通過耐壓管線與第一閥門11相連，該接口處耐壓管線在吸附艙2內(nèi)的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，吸附艙2可以用來裝載煤樣、甲烷與水，第一閥門11可以封閉吸附艙2，第一閥門11通過耐壓管線與通風(fēng)廚13相連，通風(fēng)廚13可以用來排放吸附艙2內(nèi)的高壓流體。

本發(fā)明公開的煤層氣液相吸附的實(shí)驗(yàn)方法，包括以下步驟：

步驟1：獲取水飽和煤樣；

步驟2：將水飽和煤樣放入吸附艙2中，并向吸附艙2中加滿蒸餾水，然后密封吸附艙2，記錄加入蒸餾水的體積；

步驟3：打開第一閥門11和第二閥門12，向吸附艙2中通入甲烷氣體或煤層氣樣品，使液體從通水管6排出，當(dāng)沒有液體從通水管6排出時(shí)，關(guān)閉第一閥門11和第二閥門12。

步驟4：開啟加熱箱1，加熱箱1預(yù)熱，使吸附艙內(nèi)2的溫度保持恒定；溫度可保持在25℃-30℃，或其他溫度。

步驟5：打開第二閥門12，繼續(xù)向吸附艙2中通入甲烷氣體或煤層氣樣品；

步驟6：關(guān)閉第二閥門12，獲得通入吸附艙2的氣體總流量；

步驟7：靜置，獲得此時(shí)吸附艙2內(nèi)的壓力值P，關(guān)閉加熱箱1。

下面結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明煤層氣液相吸附的實(shí)驗(yàn)方法，采用上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為包括以下四個(gè)部分：煤樣前處理過程、吸附艙流體裝載過程、煤層氣的溶解-吸附過程、液相吸附量的計(jì)算過程，具體步驟如下：

一、煤樣前處理，獲取水飽和煤樣：

步驟1：將取得的煤樣粉碎，通過電子天平測(cè)量粉碎煤樣的質(zhì)量；

步驟2：然后通過真空泵將煤樣飽和蒸餾水，測(cè)量煤樣與水的共同質(zhì)量，即水飽和煤樣的質(zhì)量。

二、吸附艙流體裝載過程：

步驟1：將水飽和煤樣放入吸附艙2中，并向吸附艙2中加滿蒸餾水，然后密封吸附艙2，記錄加入蒸餾水的體積，通過體積計(jì)算得到加入蒸餾水的質(zhì)量；

步驟2：將進(jìn)氣管5與甲烷氣瓶連通，通水管6與通風(fēng)廚13連通；

步驟3：打開第一閥門11、第二閥門12和第三閥門14，向吸附艙2中通入甲烷氣體，使液體從通水管6排出，當(dāng)沒有液體從通水管6排出時(shí)，關(guān)閉第一閥門11和第二閥門12，記錄排出的液體的質(zhì)量。該狀況下，吸附艙2內(nèi)分為三層，底層為煤樣，中層為液體，頂層為甲烷氣體。

三、煤層氣的溶解-吸附過程：

步驟1：開啟加熱箱1，加熱箱1預(yù)熱12小時(shí)，使吸附艙2內(nèi)的溫度恒定在25℃，加熱箱1選擇恒溫水浴箱；

步驟2：打開第二閥門12，繼續(xù)向吸附艙2中通入甲烷氣體或煤層氣樣品；

步驟6：關(guān)閉第二閥門12，測(cè)得通入吸附艙2的氣體總流量；

步驟7：使系統(tǒng)在這個(gè)狀態(tài)下靜置96個(gè)小時(shí)，測(cè)得此時(shí)吸附艙2內(nèi)的壓力值P，關(guān)閉加熱箱1。

實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)得的原始數(shù)據(jù)如表1所示：

表1：實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)表

四、計(jì)算液相吸附量

1、根據(jù)公式(1)可以計(jì)算吸附艙內(nèi)的游離氣含量V_free；

式(1)中，Z₀是標(biāo)況下的氣體偏差因子；Z是吸附艙壓力下的氣體偏差因子；T₀標(biāo)況下的溫度，T是吸附艙壓力下的氣體溫度；單位為K；P₀是標(biāo)況條件下的壓力，P是吸附艙壓力下的氣體壓力；V_mw是吸附艙排出水的體積,單位為m³；其中：T₀＝273K，P₀＝0.101Mpa，P＝1.021Mpa，T＝25℃，V_mw可根據(jù)排出水質(zhì)量m_w2計(jì)算得到。

2、通過吸附艙內(nèi)的壓力P、吸附艙內(nèi)含水量m及甲烷在水中的溶解度曲線(如圖2所示)，得到溶解氣的含量V_solution；

其中吸附艙內(nèi)水的含量可以采用公式(2)計(jì)算得到；

m＝m_cw-m_c+m_w1-m_w2 (2)

式(2)中，m是吸附艙內(nèi)含水量；m_cw是水飽和煤樣的質(zhì)量；m_w是煤樣的質(zhì)量；m_w1是加入水的質(zhì)量；m_w2是排出水的質(zhì)量。

3、根據(jù)公式(3)計(jì)算出吸附艙內(nèi)壓力下的液相吸附量V_sorption；

V_sorption＝V_in-V_free-V_solution (3)

式(3)中，V_in是流入吸附艙的氣體總流量；V_free是吸附艙內(nèi)的游離氣含量；V_solution是吸附艙內(nèi)的溶解氣含量。

結(jié)合表1，計(jì)算出煤層氣液相吸附量，結(jié)果如表2所示：

表2：液相吸附計(jì)算量

本發(fā)明針對(duì)煤層氣的吸附特征，首次驗(yàn)證煤層氣的液相吸附模型，并測(cè)試煤層氣的液相吸附量，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程科學(xué)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，為煤層氣的有效開發(fā)創(chuàng)造了良好的條件。本發(fā)明適用于驗(yàn)證煤層氣的液相吸附理論，并測(cè)量煤樣的液相吸附量，研究吸附對(duì)煤層氣生產(chǎn)動(dòng)態(tài)的影響。

當(dāng)然，本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施方式，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。