一种电化学改变煤岩气吸附解吸性能的试验装置

摘要

一种电化学改变煤岩气吸附解吸性能的试验装置是由吸附解吸罐连通有高压储气瓶、真空泵、注液泵和置于水槽中的集气量筒构成，并设置有相应的管路、阀门和仪表以及直流电源；所述吸附解吸罐是由两端盖和具有绝缘内衬的金属外壁密封构成；所述两端盖内设置有电极定位环和与之贴合的多孔电极板；两多孔电极板之间为进行电化学作用的吸附解吸室。该试验装置结构简单，性能可靠，测量精度高，为采用电化学方法提高非常规天然气抽采率的科学试验提供技术依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤岩气吸附解吸性能的试验装置，尤其是一种采用电化学方法改变煤岩气吸附解吸性能的试验装置。

背景技术

在非常规天然气资源开采中，低抽采率一直是个难题，它不仅威胁安全生产，浪费资源，增加环境污染，还严重制约着我国清洁能源的有效利用与发展。究其原因主要有以下两个方面，一是我国煤岩气储层的渗透性差，渗透率仅为0.1mD，低于美国2-4个数量级；二是多达90%的煤层气和60%的页岩气以吸附状态存在于煤岩气储层中，其解吸速率缓慢。

目前，国内外广泛使用的强化抽采技术主要有：密集钻孔抽放技术、开采解放层技术、水力压裂和水力割缝技术等，这些技术都是从卸压的角度来增加煤岩气储层的渗透性的。但是研究发现，煤岩的破碎程度也是影响甲烷排放的重要因素，在煤粒尺寸为1mm、1cm和1m条件下，甲烷90%解吸所需的时间为1个月、15年和150000年。由此表明，处于吸附状态的煤岩气仅通过卸压的方法很难得到快速、完全解吸。因此，不少学者开始尝试通过外加温度场、地电场、电磁场和声场等物理场来改变煤岩气的吸附解吸与渗透性。但这些方法的作用具有瞬时性，不能改变煤岩表面的分子极性、吸附势阱深度以及吸附甲烷的自由活化能，并且不能从根本上改变影响煤岩吸附解吸性能的化学结构（如活性基团等）和比表面积，因此，不能长时和高效地增大解吸率, 增加气体压力和流场梯度，提高非常规天然气的抽采率。 

公开号为CN102296982A公开了“一种电化学强化煤瓦斯解吸渗流的方法”，其基本原理是通过外加电场和电解液的共同作用，改变煤的电学、化学、矿物学与岩相学特征，使煤的裂隙与孔隙结构、活化能、吸附势发生变化，从而强化煤瓦斯的解吸渗流性能，提高煤层瓦斯抽采率。但由于对煤的吸附解吸特性和电化学改性效果认识不清，以及无法确定工程中电流、电压、加电时间、电解液种类及其浓度等参数，造成施工的盲目性，限制了该方法在工程实践中的推广应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是煤岩气解吸性能较差的问题，目的是提供一种电化学改变煤岩气吸附解吸性能的试验装置。

基于上述问题和目的，本发明提供一种电化学改变煤岩气吸附解吸性能的试验装置，包括有吸附解吸罐、恒温水浴、高压储气瓶、真空泵、注液泵、集气量筒和直流电源；其特征在于：

所述试验装置是由吸附解吸罐连通有高压储气瓶、真空泵、注液泵和置于水槽中的集气量筒构成，并设置有相应的管路、阀门和仪表以及直流电源。

所述吸附解吸罐是由两端盖和具有绝缘内衬的金属外壁密封构成；其中：所述两端盖内设置有电极定位环和与之贴合的两多孔电极板；两多孔电极板之间为吸附解吸室。

在上述技术方案中，其附加的技术特征在于所述多孔电极板的多孔面积之和是电极板面积的1/12；所述电极定位环的轴心空间是电解液腔，其电解液腔容积是吸附解吸室容积的1/10；所述电解液腔的电解液是2%~8%的Hcl与0.05mol/l的Alcl₃混合溶液。   

本发明一种电化学改变煤岩气吸附解吸性能的试验装置，与现有技术相比，其突出的实质性特点和显著的进步是：通过本发明所设计的试验装置，能够测试电化学作用前后煤岩气的吸附解吸性能，得出不同条件下煤岩气的等温吸附解吸曲线和吸附解吸速率曲线，以便进一步研究电解液浓度，电位梯度，电极种类、作用时间等对煤岩气的吸附解吸性能的影响规律，分析电化学改性的效果，从而为煤岩电化学改性的工程应用提供科学的理论依据和合理的工程参数，使电化学提高非常规天然气抽采率的方法在实际工程中得到更好的推广应用。

本发明装置操作简便、性能可靠，测量精度高，测试数据自动采集，适用于电化学改变煤岩气吸附解吸性能的试验。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图。

图2是本发明多孔电极板的结构示意图。

图3是本发明吸附等温曲线图。

图中：1：吸附解吸室；2：绝缘内衬；3：金属外壁；4：电极板；5：电极板孔；6：密封圈；7：电极定位环；8：电解液腔；9：端盖；10、11：接线柱；12：法兰；13：固定螺栓；14：吸附解吸罐；15：恒温水浴；16：注液管；17：导线；18：进出气管；19：直流电源；20：电流表；21：注液泵；22：水槽；23：集气量筒；24：高压储气瓶；25：真空泵；26、27、28、29：截止阀；30、31：压力表；32：真空表；33：减压阀；34：流量计；35：存储式数字压力表；36：热电偶；37：数据传输线；38：温度数显仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的说明：

如图1，实施本发明所提供的一种电化学改变煤岩气吸附解吸性能的试验装置，包括有吸附解吸罐14、恒温水浴15、高压储气瓶24、真空泵25、注液泵21、集气量筒23和直流电源19；其中：

所述试验装置是由吸附解吸罐14连通有高压储气瓶24、真空泵25、注液泵21和置于水槽22中的集气量筒23构成，并设置有相应的管路、阀门和仪表以及直流电源19。

所述吸附解吸罐14是由两端盖9和中间绝缘内衬2与金属外壁3组成的空心筒体构成，两端盖9与绝缘内衬2之间设有密封槽，放置密封圈6，以保证罐内的气密性。由法兰12和固定螺栓13将两端盖9与筒体的金属外壁3固定。绝缘内衬2的材质为尼龙，金属外壁3的材质为高碳钢，既可防止腐蚀，又可承受罐内压力；所述两端盖9内设置有电极定位环7和与之贴合的多孔电极板4，两多孔电极板之间为进行电化学作用的吸附解吸室1。

所述两端盖9中心设置有接线柱10、11，经导线17与电极板4、直流电源19和电流表20连接；所述接线柱10、11外围设置有进出气孔、注液孔和温度传感器孔；所述进出气孔接有进出气管18，由进出气管18将吸附解吸罐14与高压储气瓶24、真空泵25和集气量筒23相连通；所述注液孔设置有注液管16，由注液管16将吸附解吸罐14与注液泵21相连通；所述温度传感器孔安装热电偶36，由数据传输线37将其与温度数显仪38相连接，用于测量两电解液腔8内的温度；此外，电解液腔8的容积为吸附解吸室1容积的1/10，以满足电化学反应具有足够的电解液，减少游离空间体积，确保测量精度；所述的电解液腔8与吸附解吸室1之间由电极板4上的多孔5连通，多孔5面积之和是电极板4面积的1/12，以确保足够的电极材料与电解液接触，避免气液流动的速率受到影响，保证其吸附速率测量的精度。其中：

试验时用密封胶将所述接线柱10和11密封，仅露出绝缘导线，避免腐蚀。

所述直流电源19的电压为0~250V，所述电极板4材料为铜或铝，所述电解液为2%~8%的Hcl与0.05mol/l的Alcl₃混合溶液，作用时间为至系统电流明显下降为止。

下面通过本发明电化学改变煤岩气吸附解吸性能的试验装置的使用方法，进一步说明该试验装置的具体实施方式。

（1）制备试样。将现场取回的无烟煤制成高径比为1:2的标准试件，将其置于真空干燥箱内干燥。

（2）放置试样。试样干燥完毕后，放置于吸附解吸室1中，置入多孔电极板4，用防水密封胶密封接线柱10。由法兰12和固定螺栓13将两端盖9和筒体的金属外壁3固定。

（3）线路连接。将吸附解吸罐14与高压储气瓶24、真空泵25、集气量筒23、注液泵21、直流电源19和电流表20相连。安装热电偶36，由数据传输线37将其与温度数显仪38相连。

（4）检查装置气密性。

（5）真空脱气。将装有试样的吸附解吸罐14置于60℃的恒温水浴15中，打开截止阀28，启动真空泵25，进行脱气，记录真空表压力，直至压力值不发生变化时，停止脱气。

（6）吸附。脱气后，将水浴温度调至30℃，打开截止阀27，开启高压储气瓶24，开始充入甲烷，由气体流量计34记录进气量，待罐内压力达到设定压力时（按试验顺序，依次为0.5MPa、2MPa、2.5MPa、3MPa、3.5MPa、4MPa），停止充气，由于试样吸附，罐内压力降低，继续充气至原设定压力，直至单位时间内压力的降幅低于0.0005MPa时，达到吸附平衡，该过程中利用存储式数字压力表35记录压力变化。根据试验数据，可得吸附等温线，如图3，是在电位梯度为6V·cm^-1，电解液为5%的Hcl和0.05mol/l的Alcl₃混合溶液，电极板材料为紫铜的条件下，无烟煤电化学改性前后的等温吸附曲线。图中：△为电化学改性前无烟煤的吸附等温线；○为电化学改性后无烟煤的吸附等温线。

（7）解吸。达到吸附平衡后，打开截止阀26，开始放气，待罐内压力达到设定值时（按试验顺序，依次为4MPa、3.5 MPa、3 MPa、2.5 MPa、2 MPa、1.5 MPa、1MPa、0.5MPa），停止放气，记录至解吸平衡过程中的压力变化，解吸平衡的判定依据为解吸速率小于5ml/h。根据解吸试验数据，可得解吸等温线。

（8）注液。打开截止阀26与29，利用注液泵21向吸附解吸罐14中注入配置好的电解液，电解液为5%的Hcl与0.05mol/l的Alcl₃混合溶液，待出气孔有液体流出时，停止注液，关闭截止阀。

（9）电化学改性。接通直流电源19，设置电位梯度为6V·cm^-1，对试件进行电化学改性，作用过程中注意收集反应气体，并记录反应过程中两侧电解液腔8内温度的变化。

（10）对改性后的试样重复进行上述（2）~（7）过程。   

（11）整理试验数据。图3为电化学改性前后无烟煤的吸附等温线，改性后试样的吸附量较改性前降低了38.9%。