磁悬浮测定煤页岩中吸附性气体扩散系数的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种磁悬浮测定煤页岩中吸附性气体扩散系数的装置及方法，包括一个舱体，和安装于舱体外的计算机控制系统，所述舱体由一个隔板分隔为相互独立的微天平测量系统和实验舱，微天平测量系统设置于实验舱上方；由于将实验舱与微天平测量系统相互独立，且样品可以悬于实验舱内部，使得实验舱内的气体与煤页岩基质能够进行充分接触，进而进行有效的扩散，因此，本发明提供的技术方案能够利用与地下岩层完全相同的煤页岩块作为检测用样品，保持样品原有特性并且可以避免实验仪器引起的实验结果不准确，本发明中扩散系数检测结果与气体在地下岩层状态下的扩散系数更加接近。利用本发明的装置可以精确获得气体在煤页岩基质中的扩散系数。
【专利说明】磁悬浮测定煤页岩中吸附性气体扩散系数的装置及方法
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种测定煤页岩中吸附气体扩散系数的装置及方法。属于煤页岩中气体开发【技术领域】。
【背景技术】
[0003]煤层气(或页岩气)，是指赋存在煤(页)岩中以甲烷为主要成分、以吸附在基质颗粒表面为主、部分游离于孔隙中或溶解于岩层水中的烃类气体。
[0004]煤层气(或页岩气)具有以下几个特点:①基本不含C2以上的重烃，产出时没有无机杂质在地下主要是以大分子团的吸附状态存在于煤页岩中，具备较好的产能基础；③煤层气开采是通过排水降低地层压カ，使煤层气在煤层中解吸-扩散-流动采出，而常规天然气则是靠自身的压カ产出；④煤层气初始生产产量低，但周期长，可达数十年，天然气初期产量高，生产周期常小于10年煤层气又称煤矿瓦斯，是煤矿生产安全的主要威胁，同时其产生的温室效应较·CO2强。
[0005]因此，开采煤层气有利于:首先，降低煤矿安全事故；其次，可以起到环保效应；再次，可以产生良好的经济效益。
[0006]对煤层气(或页岩气)进行开采之前，需要先认清其在煤页岩中的运移规律，扩散是煤层气产出过程中必然经历的环节。煤层气的产出势必要经过解吸-扩散-滲流的过程，煤层气产量的高低受这三个环节的共同控制。当储层压力降到临界解吸压カ之后，煤层气便从煤孔隙内表面解吸出来。由于煤基质中孔隙以直径小于IOnm的微孔隙为主，滲透率极低，煤层气首先扩散到滲透性裂隙或割理中才能渗流产出。气体进入滲透性裂隙后遵从达西定律渗流，气体产量是压カ和滲透率的函数。由此可见，扩散作用在煤层气的解吸产出过程中起着重要的衔接作用。扩散的实质是气体从高分子密度区(煤基质)向低分子密度区(滲透性裂隙)的运动，扩散速度与气体分子扩散距离即裂隙间距的平方呈反比。扩散作用主要影响煤层气井的早期产量及其后期的稳产时间。
[0007]实际的煤层气(或页岩气)扩散过程可以由菲克第二定律来描述，如方程(I):
【权利要求】
1.一种磁悬浮测定煤页岩中吸附性气体扩散系数的装置，其特征在于:所述装置包括一个舱体，和安装于舱体外的计算机控制系统，所述舱体由一个隔板分隔为相互独立的微天平测量系统和实验舱，微天平测量系统设置于实验舱上方； 所述微天平测量系统包括安装在微天平测量系统舱体内的电磁铁，及和电磁铁连接、安装于舱体上方的微天平；电磁铁和微天平均分别和计算机控制系统连接； 所述实验舱包括安装于实验舱中部的测量加载装置和吊挂于测量加载装置下方的样品仓，所述样品仓内安装有样品，测量加载装置上方设置有永磁铁，永磁铁通过一个位置感应芯和测量加载装置连接，对应于位置感应芯的实验舱舱壁设置有位置感应线圈，实验舱上部和下部分别设置有和外界相通的管道，管道上分别设置有气体控制阀，下方的管道连接压力控制系统；实验舱内设置有压力感应器，压力感应器及位置感应线圈分别和计算机控制系统连接。
2.如权利要求1所述的磁悬浮测定煤页岩中吸附性气体扩散系数的装置，其特征在于:所述装置的整个舱体安装于一个恒温槽内，所述恒温槽设置有温度感应器，所述温度感应器和计算机控制系统连接。
3.如权利要求2所述的磁悬浮测定煤页岩中吸附性气体扩散系数的装置，其特征在于:所述测量加载装置包括安装于实验舱舱壁上的支架，支架上安装有一个卡槽，卡槽内安装有一个卡环，通过卡环连接位置感应芯，卡槽下方安装有一个卡坠，通过卡坠吊挂样品仓。
4.一种磁悬浮测定煤页岩中吸附性气体扩散系数的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤: 步骤1:将实验舱抽真空，同时使密封实验舱内的温度保持为额定温度；通过测量加载装置将样品悬于样品仓内，使得样品仓内的样品与充注气体充分接触； 步骤2:打开计算机控制 系统，进行温度和压力数值校正；记录位置感应器数值；获得位置及气体压力初始值； 步骤3:通过气体压力控制系统向实验舱注入实验压力气体，记录各时刻微天平重量、气体压力和额定温度，计算煤层气或页岩气在煤页岩基质中的扩散系数。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于:利用记录的各时刻注入到密封实验舱内的气体压力和微天平的重量变化，制作出微天平测出的重量随时间变化的曲线，样品中吸附的气体量随时间变化的曲线，然后将各边界条件代入菲克第二定律的公式(I )，从而计算得到气体在煤页岩基质中的扩散系数。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于:利用菲克第二定律计算气体在煤页岩基质中的扩散系数的方法如下:
7.如权利要求5-6之任一所述的方法，其特征在干，利用恒温水浴使实验舱温度保持为恒定温度；所述额定温度为20°C -80°C之间的温度； 在将煤页岩样品悬于密封实验舱内部之前，块状样品不超过40 mmX40 mmX40 mm,粉碎样品不超过300g ； 所述的实验舱的实时气体压 カ值为0-15MPa。
【文档编号】G01N13/00GK103439226SQ201310394167
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月3日 优先权日:2013年9月3日
【发明者】蔡益栋, 刘大锰, 姚艳斌, 陈杨 申请人:中国地质大学（北京）