一种确定含重烃煤不同组分配比的气体吸附量的实验方法

摘要

本发明涉及一种确定含重烃煤不同组分配比的气体吸附量的实验方法，包括自动配气装置、储存罐、气相色谱仪、自动气体采集装置、真空泵、煤样罐、恒温箱、三通阀门、四通阀门，连接组成一个完整的实验装置，将制备好的煤粉实验样品放置于煤样罐中，利用该实验装置分别测出CH4与C2H6在不同组分分配比和不同吸附平衡压力情况下，快速得出CH4与C2H6各自的吸附量。该方法能够完善和丰富多元气体吸附解吸理论，深入了解煤层气储集机理，评价煤层气开发潜力，促进储层模拟研究。

说明书

技术领域

本发明涉及煤矿安全开采领域，特别是涉及一种确定含重烃煤不同组分配比的气体吸附量的实验方法。

背景技术

煤层气属于非常规天然气，主要以吸附状态赋存与煤层中。煤层气是一种新型洁净能源，开采这种能源对保护人类的生存环境、解决煤炭开采安全问题、实施可持续发展等都具有十分重要的意义。中国煤层气资源储量丰富，据2006年煤层气资源评价结果，我国埋深2000m以浅煤层气资源量为36.8×10¹²m³，位居世界第二位。

煤层气的主要组分是CH₄，次要组分含有CO₂、N₂和重烃(C₂₊)等，煤除了可以吸附CH₄外，还能吸附CO₂、N₂、C₂H₆、C₃H₈等气体。中国煤层气组分多以干气为主，但盘江、鄂东、攀枝花等中阶煤地区出现湿气，煤层气成分异常，重烃浓度达到5％-43％。煤层中重烃类气体组分的含量由高到低依次为：C₂H₆、C₃H₈、C₄H₁₀，其中C₂H₆组分占到重烃气体的90％以上。因此采用纯甲烷气体进行煤的等温吸附解吸实验，所获得的煤储层的吸附解吸特性不能真正代表煤储层的真实情况。如果据此来判断煤层气资源量、煤储层特性参数和评价煤层气产能时，势必会影响煤层气开发。

目前，实验室主要用单一组分的吸附装置进行甲烷吸附量的测试，对于含重烃煤层气等温吸附特性未见报道，因此，提出一种针对含重烃煤层的实验室测试气体吸附量的方法十分有必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实验室确定含重烃煤不同组分配比的气体吸附量的实验方法，能够在实验室中快速的测定出含重烃煤样不同组分配比的气体吸附量，完善和丰富多元气体吸附解吸理论，深入了解煤层气储集机理，评价煤层气开发潜力，促进储层模拟研究。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种确定含重烃煤不同组分配比的气体吸附量的实验方法，包括以下步骤：

第一步：用第一连接管将自动配气装置与储存罐连接起来，用第二连接管将储存罐与三通阀门连接起来，用第三连接管将三通阀门与真空泵连接起来，用第四连接管将三通阀门与四通阀门连接起来，用第五连接管将四通阀门与气相色谱仪连接起来，用第六连接管将四通阀门与自动气体采集装置连接起来，用第七连接管将四通阀门与煤样罐连接起来，煤样罐上安装有压力表，其中第一连接管上安装有第一高压阀门，第四连接管上安装有第二高压阀门，第五连接管上安装有第三高压阀门，第六连接管上安装有第四高压阀门，第七连接管上安装有第五高压阀门，第三连接管上安装有真空计。

第二步：首先将从现场采集的煤样进行粉碎和筛分，制成煤粉粒度为0.17mm～0.25mm的实验样品，然后将煤粉实验样品进行平衡水分处理，称取100g实验样品装入煤样罐中，并进行密封处理，最后将密封好的煤样罐放置于恒温箱中。

第三步：检查实验装置的气密性，确认实验装置没有漏气情况后，打开第一高压阀门、第二高压阀门、第三高压阀门、第四高压阀门、第五高压阀门，打开真空泵对整个装置进行抽真空处理，当真空计显示的真空度低于10Pa时，停止抽真空。

第四步：将恒温箱的温度设定为20℃，打开第一高压阀门、第二高压阀门、第四高压阀门、第五高压阀门，关闭第三高压阀门，利用自动配气装置分别将纯气体CH₄和纯气体C₂H₆充入煤样罐中，并且通过煤样罐上的压力表观察煤样罐内气体的吸附压力，并达到所要求的不同吸附平衡压力，通过储存罐和自动气体采集装置分别测出纯气体CH₄和纯气体C₂H₆各自的吸附量，利用Langmuir模型得到CH₄的Langmuir体积和Langmuir压力及C₂H₆的Langmuir体积和Langmuir压力。

第五步：利用自动配气装置将CH₄的体积摩尔分数与C₂H₆的体积摩尔分数分成四种不同的组分配比，将恒温箱的温度设定为20℃，然后打开第一高压阀门、第二高压阀门、第四高压阀门、第五高压阀门，关闭第三高压阀门，进行等温吸附量实验。

当煤样罐内的实验样品吸附平衡以后，达到不同的吸附平衡压力情况下，关闭第一高压阀门、第二高压阀门、第四高压阀门，打开第三高压阀门、第五高压阀门，利用气相色谱仪测定二元混合气体的游离相摩尔分数，然后关闭第一高压阀门、第二高压阀门、第三高压阀门，打开第四高压阀门、第五高压阀门，通过储存罐和自动气体采集装置测出不同CH₄的体积摩尔分数和C₂H₆的体积摩尔分数分配比总的吸附量。

第六步：利用分离关系式和x₁+x₂＝100％，可以得到四种不同组分配比时的各组分吸附相摩尔分数，根据质量守恒定律和二元混合气体等温吸附实验测定的总吸附量，即可分别计算出CH₄和C₂H₆各自的吸附量；

式中：x_i、x_j表示在吸附相中组分i、j的摩尔分数，y_i、y_j表示在游离相中组分i、j的摩尔分数，V_Li、V_Lj表示气体i、j的Langmuir体积，P_Li、P_Lj表示气体i、j的Langmuir压力。

第七步：分别计算出四种不同组分配比的CH₄吸附相摩尔分数与C₂H₆吸附相摩尔分数的比值γ并将γ与对应的吸附平衡压力P的数据进行回归，得出拟合参数与不同组分配比的关系。

第八步：按照Langmuir吸附方程计算四种不同组分配比下各自的Langmuir吸附常数，拟合Langmuir吸附常数与不同组分配比的关系，得出二元混合气体在给定平衡压力P时总的吸附量；与前面的吸附摩尔比值关系式联立，就可以得到含重烃煤层任意给定的组分配比下的混合气体各自的吸附量。

所述第四步中吸附平衡压力分别为1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa。

所述第五步中CH₄与C₂H₆的组分分配比分别为95％∶5％、80％∶20％、60％∶40％、50％∶50％。

所述第五步中当CH₄的体积摩尔分数与C₂H₆的体积摩尔分数的分配比为95％∶5％时，设定的吸附平衡压力分别为0.54MPa、1.76MPa、2.95MPa、4.59MPa、6.72MPa、8.15MPa；当CH₄的体积摩尔分数与C₂H₆的体积摩尔分数的分配比为80％∶20％时，设定的吸附平衡压力分别为0.61MPa、1.64MPa、2.85MPa、4.64MPa、6.83MPa、8.03MPa；当CH₄的体积摩尔分数与C₂H₆的体积摩尔分数的分配比为60％∶40％时，设定的吸附平衡压力分别为0.59MPa、1.72MPa、2.77MPa、4.50MPa、6.61MPa、8.08MPa；当CH₄的体积摩尔分数与C₂H₆的体积摩尔分数的分配比为50％∶50％时，设定的吸附平衡压力分别为0.71MPa、1.70MPa、2.91MPa、4.55MPa、6.79MPa、8.10MPa。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明的实验方法能够在实验室中快速的测定出含重烃煤样不同组分配比的气体吸附量，能够完善和丰富多元气体吸附解吸理论，深入了解煤层气储集机理，评价煤层气开发潜力，促进储层模拟研究。

附图说明

图1是本发明实验装置的结构示意图；

图2是本发明实施方式实验样品的实验结果曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。

一种确定含重烃煤不同组分配比的气体吸附量的实验方法，包括以下步骤：

第一步：如图1所示，用第一连接管10将自动配气装置1与储存罐2连接起来，用第二连接管11将储存罐2与三通阀门8连接起来，用第三连接管12将三通阀门8与真空泵5连接起来，用第四连接管13将三通阀门8与四通阀门9连接起来，用第五连接管14将四通阀门9与气相色谱仪3连接起来，用第六连接管15将四通阀门9与自动气体采集装置4连接起来，用第七连接管16将四通阀门9与煤样罐6连接起来，煤样罐6上安装有压力表23，压力表23，便于显示煤样罐内的气体气压压强。其中第一连接管10上安装有第一高压阀门17，第四连接管13上设有第二高压阀门18，第五连接管14上设有第三高压阀门19，第六连接管15上设有第四高压阀门20，第七连接管16上设有第五高压阀门21，第三连接管12上安装有真空计22，真空计22便于显示整个实验装置内的真空气压压强。

第二步：首先将从现场采集的煤样进行粉碎和筛分，制成煤粉粒度为0.17mm～0.25mm的实验样品，然后将煤粉实验样品进行平衡水分处理，称取100g实验样品装入煤样罐6中，并进行密封处理，最后将密封好的煤样罐6放置于恒温箱7中。

第三步：检查实验装置的气密性，确认实验装置没有漏气情况后，打开第一高压阀门17、第二高压阀门18、第三高压阀门19、第四高压阀门20、第五高压阀门21，打开真空泵5对整个装置进行抽真空处理，当真空计22显示的真空度低于10Pa时，停止抽真空。

第四步：将恒温箱7的温度设定为20℃，打开第一高压阀门17、第二高压阀门18、第四高压阀门20、第五高压阀门21，关闭第三高压阀门19，利用自动配气装置1分别将纯气体CH₄和纯气体C₂H₆充入煤样罐6中，并且通过煤样罐6上的压力表23观察煤样罐6内气体的吸附压力，并达到所要求的不同吸附平衡压力，本实施例中其吸附平衡压力分别设定为1MPa、2MPa、3MPa、4MPa、5MPa、6MPa、7MPa、8MPa、9MPa，通过储存罐2和自动气体采集装置4分别测出纯气体CH₄和纯气体C₂H₆各自的吸附量，利用Langmuir模型得到CH₄的Langmuir体积和Langmuir压力及C₂H₆的Langmuir体积和Langmuir压力。

第五步：利用自动配气装置1将CH₄的体积摩尔分数与C₂H₆的体积摩尔分数分成四种不同的组分配比，将恒温箱7的温度设定为20℃，然后打开第一高压阀门17、第二高压阀门18、第四高压阀门20、第五高压阀门21，关闭第三高压阀门19，进行等温吸附实验，本实施例中将CH₄的体积摩尔分数与C₂H₆的体积摩尔分数分配比分成95％∶5％、80％∶20％、60％∶40％、50％∶50％。

当CH₄的体积摩尔分数和C₂H₆的体积摩尔分数分配比是95％∶5％时，当煤样罐6内的实验样品吸附平衡以后，达到不同的吸附平衡压力情况下，本实施例中吸附平衡压力分别设定为0.54MPa、1.76MPa、2.95MPa、4.59MPa、6.72MPa、8.15MPa。关闭第一高压阀门17、第二高压阀门18、第四高压阀门20，打开第三高压阀门19、第五高压阀门21，利用气相色谱仪3测定二元混合气体的游离相摩尔分数，然后关闭第一高压阀门17、第二高压阀门18、第三高压阀门19，打开第四高压阀门20、第五高压阀门21，通过储存罐2和自动气体采集装置4测出不同CH₄的体积摩尔分数和C₂H₆的体积摩尔分数分配比总的吸附量。

同样的操作过程，当CH₄的体积摩尔分数和C₂H₆的体积摩尔分数分配比是80％∶20％，吸附平衡压力分别设定为0.61MPa、1.64MPa、2.85MPa、4.64MPa、6.83MPa、8.03MPa时，测出不同CH₄的体积摩尔分数和C₂H₆的体积摩尔分数分配比总的吸附量。

当CH₄的体积摩尔分数和C₂H₆的体积摩尔分数分配比是60％∶40％，吸附平衡压力分别设定为0.59MPa、1.72MPa、2.77MPa、4.50MPa、6.61MPa、8.08MPa>4的体积摩尔分数和C₂H₆的体积摩尔分数分配比总的吸附量。

当CH₄的体积摩尔分数和C₂H₆的体积摩尔分数分配比是50％∶50％，吸附平衡压力分别设定为0.71MPa、1.70MPa、2.91MPa、4.55MPa、6.79MPa、8.10MPa时测出不同CH₄的体积摩尔分数和C₂H₆的体积摩尔分数分配比总的吸附量。

将不同CH₄的体积摩尔分数和C₂H₆的体积摩尔分数分配比，在设定的不同吸附平衡压力下总的吸附量的统计数据如表1所示。

其中当自动配气装置1向储气罐2内添加气体的时候，控制第一高压阀门17及自动配气装置1上压力表的读数可以准确的计算出进入储气罐2内的气体量，以此来实现CH₄和C₂H₆的准确分配比，在这里储气罐2只作为一个临时存储气体的装置，储气罐2对进入煤样罐6内的气体起到一个参考对照的作用。

第六步：利用分离关系式和x₁+x₂＝100％，可以得到四种不同组分配比时的各组分吸附相摩尔分数，根据质量守恒定律和二元混合气体等温吸附实验测定的总吸附量，即可分别计算出CH₄和C₂H₆各自的吸附量，其实验数据如表1所示。

式中：x_i、x_j表示在吸附相中组分i、j的摩尔分数，y_i、y_j表示在游离相中组分i、j的摩尔分数，V_Li、V_Lj表示气体i、j的Langmuir体积，P_Li、P_Lj表示气体i、j的Langmuir压力。

表1 CH₄和C₂H₆混合气体不同分配比在等温吸附实验中的吸附相浓度和吸附量

第七步：分别计算出四种不同组分配比的CH₄吸附相摩尔分数与C₂H₆吸附相摩尔分数的比值γ并将γ与对应的吸附平衡压力P的数据进行回归，得到指数函数关系同时将指数关系中的参数A、B、C与不同组分配比x进行回归，得到A＝0.29x+0.38，B＝0.58x+0.55，C＝0.25x+2.35，将参数A、B、C重新带入γ，得到

第八步：如图2所示，对四种不同组分配比下CH₄与C₂H₆吸附总量，按照Langmuir模型进行拟合，可以得到四种不同组分配比下各自的Langmuir体积和Langmuir压力，然后与不同组分配比x进行拟合，得到二元混合气体在吸附平衡压力P时总的吸附量为：联立方程y+z＝100％。

将方程y+z＝100％联立起来，式中：表示CH₄、C₂H₆各自的吸附量；y表示二元混合气体中CH₄的吸附摩尔分数；z表示二元混合气体中C₂H₆的吸附摩尔分数。因此，在已知CH₄和C₂H₆混合气体分配比时，可快速得到不同吸附平衡压力P下CH₄与C₂H₆各自的吸附量。

本发明的实验装置和实验方法能够在实验室中快速的测定出含重烃煤样不同组分配比的气体吸附量，能够完善和丰富多元气体吸附解吸理论，深入了解煤层气储集机理，评价煤层气开发潜力，促进储层模拟研究。

本专利中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，上述词语并没有特殊的含义。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及等同物界定。