一种测量煤吸附甲烷或水平均分子层数的方法

摘要

本发明公开了一种测量煤吸附甲烷或水平均分子层数的方法，所述方法用低场核磁共振测量饱和甲烷或水的煤样的核磁共振横向弛豫时间(T

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量煤吸附甲烷或水平均分子层数的方法，属于煤的吸附分子层数测量技术领域。

背景技术

煤层气主要以吸附态赋存于煤体表面，储层中的水对煤层气产出具有重要影响。甲烷分子在煤表面的吸附层数是计算煤层气吸附量的重要依据，目前常用的吸附模型是基于单分子层吸附的Langmuir模型，实际情况，甲烷在煤表面的吸附为多分子层吸附，甲烷和水在煤表面的吸附层数可间接反应煤对甲烷和水的吸附能力。煤层气开发过程中，有助于研究如何将煤层中的水排出，甲烷分子和水分子在煤表面的吸附层数一直处于假设状态，基本没有可定量测量方法，为此，需要研究一种可测量甲烷和水在煤表面吸附层数的方法。

发明内容

为解决以上现有难题，本发明公开了一种测量煤吸附甲烷或水平均分子层数的方法。

一种测量煤吸附甲烷或水平均分子层数的方法，其特征在于，利用低场核磁共振测量饱和甲烷或水的煤样的核磁共振横向弛豫时间(T₂)谱，获得吸附峰的总信号量，在同等测量条件下，测量一定质量的纯甲烷或纯水的核磁共振T₂谱，获得单位质量甲烷或水的总信号量，然后通过换算最终得出甲烷分子或水分子在煤表面的平均吸附层数。

本发明涉及的一种测量煤吸附甲烷或水平均分子层数的方法包括以下步骤：

1)饱和样品及测量：在压力P(单位：MPa)下，将煤样抽真空饱和甲烷或水12小时，测量煤样中甲烷或水的T₂谱，然后再真空饱和甲烷或水4小时，测量煤样的T₂谱，直到相邻两次测量的煤样中甲烷或水的T₂谱信号不再变化，说明煤样已完全饱和，将饱和后的T₂谱中吸附态甲烷或水的信号进行积分得出吸附态甲烷或水的总信号量W(无量纲)；

2)标样测量：取纯甲烷或纯水质量为m₀(单位：g)，利用样品测量的条件和参数，测量纯甲烷或纯水的T₂谱，将T₂谱中纯甲烷或纯水的信号进行积分得出质量为m₀的纯甲烷或纯水的总信号量W₀(无量纲)；

3)吸附甲烷或水质量计算：设吸附甲烷或水的质量为m(单位：g)，根据测量的样品中吸附甲烷或水的总信号量和单位质量纯甲烷或纯水的总信号量，通过公式(1)求得吸附甲烷或水的质量m：

4)样品吸附甲烷或水分子数计算：根据公式(2)求得样品吸附分子数N(单位：个)：

式中M为甲烷或水的摩尔质量，单位为g/mol；N_A为阿伏伽德罗常数，取6.02×10²³mol^-1；

5)比表面积测量：通过比表面积测量方法(压汞、液氮吸附、液态二氧化碳吸附)测试出样品100nm以下的连通孔隙的比表面积为S(单位：m²/g)；

6)甲烷分子或水分子吸附层数计算：根据公式(3)求得甲烷分子或水分子在煤表面的吸附层数L(单位：层)：

式中r为一个甲烷分子或水分子的半径，单位为m；π为圆周率，取3.14；

7)通过改变不同的压力和温度，重复步骤1)～6)，可以得出不同压力和温度下的平均吸附层数。

本发明提供了一种测量煤吸附甲烷或水平均分子层数的方法，所述方法利用低场核磁共振技术和比表面积测试技术(压汞、低温液氮吸附和低温二氧化碳吸附)相结合，利用煤样中甲烷或水的核磁共振T₂谱中左侧的第一个谱峰(吸附峰)信号的总量，根据同样测试条件下，单位质量的纯甲烷或纯水核磁共振T₂谱中信号总量，计算出吸附的甲烷分子或水分子的总质量，然后通过计算得出总的吸附分子数及总的吸附分子所占的表面积，最后根据测试的样品比表面积数据，可得出甲烷分子或水分子在煤表面的吸附层数。

本发明的原理为：

本发明主要通过核磁共振横向弛豫时间T₂谱来测量煤柱中吸附的甲烷或水的含量，然后与单位质量的纯甲烷或纯水的信号量进行对比，通过一定的公式换算为平均分子层层数。本发明中核磁共振技术探测的是甲烷中的氢原子核，其信号幅度与探测范围内的甲烷或水的质量成正比。煤样中吸附态的甲烷或水与其他状态的甲烷或水具有不同的核磁共振特征；在T₂谱中，T₂时间越短，对应的孔隙越小。理论上，煤柱中甲烷的核磁共振横向弛豫时间T₂谱大致出现三个谱峰，从左到右分别代表吸附态甲烷或水、受限孔裂隙中的甲烷或水和自由态甲烷或水。实际中，由于实验用煤柱体积较小，煤柱本身孔裂隙又不发育，所以自由态甲烷或水可能观测不到。

因而本发明具有以下优点：

与现有技术相比，应用本发明可以快速测定甲烷或水在煤表面的平均吸附层数。

附图说明

图1为饱和水煤样核磁共振T₂谱图。

具体实施方式

本发明的方法主要是通过低场核磁共振技术测量煤中吸附态甲烷或水的含量，然后与单位质量的纯甲烷或纯水的信号量进行对比，通过一定的公式换算为吸附的平均分子层层数。由于测量和计算方法完全一致，所以仅以水为例。图1中，峰P₁(0.43～4.04ms)为吸附态水的信号，P₂为孔隙束缚状态水的信号。由此可见，低场核磁共振T₂谱可以很好的区分不同状态水的信号。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的方法需要先测量饱和煤样中水的T₂谱，积分得到吸附态甲烷或水的总信号量，然后与单位质量的纯甲烷或纯水的信号量进行对比，通过一定的公式换算为平均分子层层数。具体步骤如下：

1)饱和样品及测量：在压力P(单位：MPa)下，将煤样抽真空饱和甲烷或水12小时，测量煤样中甲烷或水的T₂谱，然后再真空饱和甲烷或水4小时，测量煤样的T₂谱，直到相邻两次测量的煤样中甲烷或水的T₂谱信号不再变化，说明煤样已完全饱和，将饱和后的T₂谱中吸附态甲烷或水的信号进行积分得出吸附态甲烷或水的总信号量W(无量纲)；

2)标样测量：取纯甲烷或纯水质量为m₀(单位：g)，利用样品测量的条件和参数，测量纯甲烷或纯水的T₂谱，将T₂谱中纯甲烷或纯水的信号进行积分得出质量为m₀的纯甲烷或纯水的总信号量W₀(无量纲)；

3)吸附甲烷或水质量计算：设吸附甲烷或水的质量为m(单位：g)，根据测量的样品中吸附态甲烷或水的总信号量和单位质量纯甲烷或纯水的总信号量，通过公式(1)求得吸附甲烷或水的质量m：

4)样品吸附甲烷分子或水分子数计算：根据公式(2)求得样品吸附分子数N(单位：个)：

式中M为甲烷或水的摩尔质量，单位为g/mol；N_A为阿伏伽德罗常数，取6.02×10²³mol^-1；

5)比表面积测量：通过比表面积测量方法(压汞、液氮吸附、液态二氧化碳吸附)测试出样品100nm以下的连通孔隙的比表面积为S(单位：m²/g)；

6)甲烷分子或水分子吸附层数计算：根据公式(3)求得甲烷分子或水分子在煤表面的吸附层数L(单位：层)：

式中r为一个甲烷分子或水分子的半径，单位为m；π为圆周率，取3.14；

7)通过改变不同的压力和温度，重复步骤1)～6)，可以得出不同压力和温度下的平均吸附层数。

实施例：

常温25℃和常压0.1MPa状态下，以水为例，测量煤吸附水平均分子层数的方法，利用低场核磁共振测量饱和水的煤样的核磁共振横向弛豫时间(T₂)谱，获得吸附峰的总信号量，在同等测量条件下，测量一定质量的纯水的核磁共振T₂谱，获得单位质量水的总信号量，然后通过换算最终得出水分子在煤表面的平均吸附层数。

本发明涉及的一种测量煤吸附水平均分子层数的方法包括以下步骤：

1)饱和样品及测量：在压力P(单位：MPa)下，将样品抽真空饱和水12小时，测量煤样中水的T₂谱，然后再真空饱和4小时，测量煤样中水的T₂谱，直到相邻两次测量的煤样中水的T₂谱信号不再变化，说明煤样已完全饱和，将饱和后的T₂谱中吸附态水的信号进行积分得出吸附态水的总信号量W＝11059.9155；

2)标样测量：取纯水质量为m₀＝10g，利用样品测量的条件和参数，测量纯水的T₂谱，将T₂谱中纯水的信号进行积分得出质量为m₀的纯水的总信号量W₀＝159146.12；

3)吸附水质量计算：设吸附水的质量为m(单位：g)，根据测量的样品中吸附态水的总信号量和单位质量纯水的总信号量，通过公式(1)求得吸附水的质量m＝0.695g：

4)样品吸附水分子数计算：根据公式(2)求得样品吸附分子数N＝2.32439×10²²个

式中M为水的摩尔质量，单位为g/mol，M＝18g/mol；N_A为阿伏伽德罗常数，取6.02×10²³mol^-1；

5)比表面积测量：通过比表面积测量方法(压汞、液氮吸附、液态二氧化碳吸附)测试出样品100nm以下的连通孔隙的比表面积为S＝350.97m²/g；

6)水分子吸附层数计算：根据公式(3)求得水分子在煤表面的吸附层数L＝8.32层：

式中r为一个水分子的半径，单位为m，r＝2×10^-10m；π为圆周率，取3.14；

7)通过改变不同的压力和温度，重复步骤1)～6)，可以得出不同压力和温度下的平均吸附层数。

在进行测量和计算煤吸附甲烷平均分子层数时，测量和计算方法完全一致，所以只需以甲烷为测量对象，将水的各个参数换为甲烷的参数，即可得出甲烷的分子层数。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，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本发明范围内，发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。