[發(fā)明專利]磁懸浮測定煤頁巖中吸附性氣體擴(kuò)散系數(shù)的裝置及方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310394167.6
• 申請(qǐng)日: 2013-09-03
• 公開（公告）號(hào): CN103439226A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡益棟;劉大錳;姚艷斌;陳楊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國地質(zhì)大學(xué)（北京）
• 主分類號(hào): G01N13/00
• 分類號(hào): G01N13/00
• 代理公司: 北京中譽(yù)威圣知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11279
• 代理人: 蔣常雪

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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種測定煤頁巖中吸附氣體擴(kuò)散系數(shù)的裝置及方法。屬于煤頁巖中氣體開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

煤層氣（或頁巖氣），是指賦存在煤（頁）巖中以甲烷為主要成分、以吸附在基質(zhì)顆粒表面為主、部分游離于孔隙中或溶解于巖層水中的烴類氣體。

煤層氣（或頁巖氣）具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①基本不含C2以上的重?zé)N，產(chǎn)出時(shí)沒有無機(jī)雜質(zhì)；②在地下主要是以大分子團(tuán)的吸附狀態(tài)存在于煤頁巖中，具備較好的產(chǎn)能基礎(chǔ)；③煤層氣開采是通過排水降低地層壓力，使煤層氣在煤層中解吸-擴(kuò)散-流動(dòng)采出，而常規(guī)天然氣則是靠自身的壓力產(chǎn)出；④煤層氣初始生產(chǎn)產(chǎn)量低，但周期長，可達(dá)數(shù)十年，天然氣初期產(chǎn)量高，生產(chǎn)周期常小于10年；④煤層氣又稱煤礦瓦斯，是煤礦生產(chǎn)安全的主要威脅，同時(shí)其產(chǎn)生的溫室效應(yīng)較CO₂強(qiáng)。

因此，開采煤層氣有利于：首先，降低煤礦安全事故；其次，可以起到環(huán)保效應(yīng)；再次，可以產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)煤層氣（或頁巖氣）進(jìn)行開采之前，需要先認(rèn)清其在煤頁巖中的運(yùn)移規(guī)律，擴(kuò)散是煤層氣產(chǎn)出過程中必然經(jīng)歷的環(huán)節(jié)。煤層氣的產(chǎn)出勢必要經(jīng)過解吸-擴(kuò)散-滲流的過程，煤層氣產(chǎn)量的高低受這三個(gè)環(huán)節(jié)的共同控制。當(dāng)儲(chǔ)層壓力降到臨界解吸壓力之后,?煤層氣便從煤孔隙內(nèi)表面解吸出來。由于煤基質(zhì)中孔隙以直徑小于10nm的微孔隙為主，滲透率極低，煤層氣首先擴(kuò)散到滲透性裂隙或割理中才能滲流產(chǎn)出。氣體進(jìn)入滲透性裂隙后遵從達(dá)西定律滲流，氣體產(chǎn)量是壓力和滲透率的函數(shù)。由此可見,?擴(kuò)散作用在煤層氣的解吸產(chǎn)出過程中起著重要的銜接作用。擴(kuò)散的實(shí)質(zhì)是氣體從高分子密度區(qū)（煤基質(zhì)）向低分子密度區(qū)（滲透性裂隙）的運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)散速度與氣體分子擴(kuò)散距離即裂隙間距的平方呈反比。擴(kuò)散作用主要影響煤層氣井的早期產(chǎn)量及其后期的穩(wěn)產(chǎn)時(shí)間。

實(shí)際的煤層氣（或頁巖氣）擴(kuò)散過程可以由菲克第二定律來描述，如方程（1）：

（1）???????????????????????????????????????????????

式（1）中，C為煤層氣（或頁巖氣）的濃度；t為時(shí)間；x,?y,?z為空間坐標(biāo)，D為煤層氣（或頁巖氣）擴(kuò)散系數(shù)，其顯示氣體擴(kuò)散能力。擴(kuò)散系數(shù)的精確度反映人類對(duì)煤層氣（或頁巖氣）運(yùn)移過程的認(rèn)識(shí)程度，也反映了煤層氣（或頁巖氣）的開發(fā)能力。因此，需要有效精確地確定煤層氣（或頁巖氣）擴(kuò)散系數(shù)D。

現(xiàn)有技術(shù)確定煤層氣（或頁巖氣）在基質(zhì)中擴(kuò)散系數(shù)，是將粉碎顆粒樣品置于密封擴(kuò)散器皿中，再向其中注入煤層氣（或頁巖氣），當(dāng)氣體開始擴(kuò)散至樣品中時(shí)，擴(kuò)散器皿中的氣壓值下降。利用監(jiān)測儀器記錄其氣壓動(dòng)態(tài)變化值，當(dāng)擴(kuò)散處于平衡狀態(tài)時(shí)（即吸附飽和時(shí)）可以由菲克第二定律計(jì)算得到氣體的擴(kuò)散系數(shù)。

但是，這種技術(shù)破壞了煤頁巖本身特有的空間結(jié)構(gòu)，造成檢測的結(jié)果與實(shí)際的煤頁巖基質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)相差較大；另有一種技術(shù)，其保存了煤頁巖原始樣品空間結(jié)構(gòu)，但是其儀器的空間密閉性不穩(wěn)定，很難達(dá)到精確測定的擴(kuò)散的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題就在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種磁懸浮測定煤頁巖中吸附性氣體擴(kuò)散系數(shù)的裝置及方法，利用本發(fā)明的裝置可以精確獲得氣體在煤頁巖基質(zhì)中的擴(kuò)散系數(shù)，其比現(xiàn)有裝置更為有效；通過本發(fā)明的方法可以獲得煤層氣/頁巖氣在煤頁巖中的擴(kuò)散系數(shù)，比現(xiàn)有技術(shù)方法更加接近真實(shí)值。

為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提供了一種磁懸浮測定煤頁巖中吸附性氣體擴(kuò)散系數(shù)的裝置，所述裝置包括一個(gè)艙體，和安裝于艙體外的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，所述艙體由一個(gè)隔板分隔為相互獨(dú)立的微天平測量系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)艙，微天平測量系統(tǒng)設(shè)置于實(shí)驗(yàn)艙上方；

所述微天平測量系統(tǒng)包括安裝在微天平測量系統(tǒng)艙體內(nèi)的電磁鐵，及和電磁鐵連接、安裝于艙體上方的微天平；電磁鐵和微天平均分別和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接；

所述實(shí)驗(yàn)艙包括安裝于實(shí)驗(yàn)艙中部的測量加載裝置和吊掛于測量加載裝置下方的樣品倉，所述樣品倉內(nèi)安裝有樣品，測量加載裝置上方設(shè)置有永磁鐵，永磁鐵通過一個(gè)位置感應(yīng)芯和測量加載裝置連接，對(duì)應(yīng)于位置感應(yīng)芯的實(shí)驗(yàn)艙艙壁設(shè)置有位置感應(yīng)線圈，實(shí)驗(yàn)艙上部和下部分別設(shè)置有和外界相通的管道，管道上分別設(shè)置有氣體控制閥，下方的管道連接壓力控制系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)設(shè)置有壓力感應(yīng)器，壓力感應(yīng)器及位置感應(yīng)線圈分別和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接。

所述裝置的整個(gè)艙體安裝于一個(gè)恒溫槽內(nèi)，所述恒溫槽設(shè)置有溫度感應(yīng)器，所述溫度感應(yīng)器和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)連接。