[發明專利]注氣驅替煤層瓦斯過程中雙向擴散系數的測定裝置及方法

在審

• 申請號: 201710019102.1
• 申請日: 2017-01-11
• 公開（公告）號: CN106644840A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 王公達;張浪;汪東;侯金玲;趙燦
• 申請（專利權）人: 煤炭科學技術研究院有限公司
• 主分類號: G01N13/04
• 分類號: G01N13/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及注氣驅替煤層瓦斯過程中雙向擴散系數的測定裝置及方法。

背景技術

目前，關于注氣驅替煤層瓦斯試點應用已經取得了一定的成果，但目前關于注氣驅替煤層瓦斯的認識僅停留在驅替過程的滲透率變化、競爭吸附和驅替比例等問題上，而對驅替過程中注入氣體與瓦斯的雙向擴散機制的認識還是一片空白，由于雙向擴散過程決定了注入氣體和瓦斯在煤層裂隙與基質煤體之間的交換速率，因此掌握其規律具有非常重要的意義。

但目前，現有技術中還沒有用于測定注氣驅替煤層瓦斯過程中雙向擴散系數的裝置及方法。

發明內容

本發明提供了注氣驅替煤層瓦斯過程中雙向擴散系數的測定裝置及方法。

本發明采用的技術方案如下：

注氣驅替煤層瓦斯過程中雙向擴散系數的測定裝置，包括煤樣罐、注氣罐、氣源、數據采集裝置、第一真空泵、第二真空泵和組分分析裝置；所述起源與所述注氣罐相連，所述注氣罐與所述煤樣罐相連；所述數據采集裝置包括數據采集儀、第一壓力傳感元件和第二壓力傳感元件，用于獲得所述煤樣罐和所述注氣罐內氣體壓力變化；所述第一真空泵與所述煤樣罐相連，所述第二真空泵與所述注氣罐相連；所述組分分析裝置用于分析從所述煤樣罐內采集的氣樣的氣體組分。

上述注氣驅替煤層瓦斯過程中雙向擴散系數的測定裝置還包括恒溫控制裝置，用于控制所述煤樣罐和所述注氣罐內溫度。

在上述注氣驅替煤層瓦斯過程中雙向擴散系數的測定裝置中，所述起源包括氦氣瓶、二氧化碳瓶、氮氣瓶和瓦斯瓶。

注氣驅替煤層瓦斯過程中雙向擴散系數的測定方法，采用上述注氣驅替煤層瓦斯過程中雙向擴散系數的測定裝置進行測定，步驟包括：

（a）在煤樣罐內裝入煤樣，將煤樣罐與注氣罐連接，將所述注氣罐與氣源中的氦氣瓶連接，打開所述氦氣瓶，向所述煤樣罐內通入氦氣，通過與所述煤樣罐相連的數據采集裝置的第一壓力傳感元件和數據采集儀獲得所述煤樣罐內氣體壓力變化，測定所述煤樣罐內自由空間體積；

（b）利用第一真空泵將所述煤樣罐抽成真空，打開所述氣源中的瓦斯瓶，通過所述注氣罐向所述煤樣罐注入瓦斯，通過連續采集所述煤樣罐內氣體壓力下降過程和最終的平衡壓力，獲得瓦斯氣體擴散規律和吸附平衡后的煤體瓦斯含量；

（c）待所述煤樣罐內瓦斯吸附平衡后，停止向所述煤樣罐注入瓦斯，將所述注氣罐抽成真空，打開二氧化碳瓶或氮氣瓶，向所述注氣罐內注入二氧化碳或氮氣，并使達到預定壓力；

（d）將所述注氣罐與所述煤樣罐連通，模擬注氣驅替的氣體雙向擴散過程，通過所述第一壓力傳感元件記錄所述煤樣罐內氣體壓力變化，通過第二壓力傳感元件記錄所述注氣罐內氣體壓力變化，通過采樣裝置按一定規律采集所述煤樣罐內的氣樣并記錄采集時間，采氣頻率為先高后低，利用組分分析裝置分析采集氣樣的氣體組分，分析游離氣體的壓力與組分變化規律，及其擴散平衡后的最終狀態；

（e）待所述煤樣罐和所述注氣罐內氣體壓力與氣體組分穩定后，確認雙向擴散過程達到平衡；

（f）通過第一真空泵和第二真空泵將所述煤樣罐和所述注氣罐抽成真空，變換注氣種類、注氣壓力或實驗煤樣，重復步驟（a）-（e）；

（g）經過步驟（a）-（f），測定不同注氣種類、注氣壓力或實驗煤樣條件下所述煤樣罐（1）自由空間內注入氣體與瓦斯的壓力與組分變化，采用下式計算獲得所述煤樣罐（1）自由空間內各組分的含量變化規律：

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其中，為游離體積中瓦斯氣體質量，為游離體積中注入氣體質量；為瓦斯氣體分子量；為注入氣體分子量；為所述煤樣罐與注氣罐中的自由空間的總體積；為t時刻游離氣體的壓力；為氣體常數；為所述煤樣罐內絕對溫度；為混合氣體的壓縮因子；為測定的自由空間中瓦斯氣體組分；

（h）進一步根據下式獲得t時刻，煤樣中的瓦斯氣體和注入氣體的吸附總量：

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，

其中，為所述煤樣罐和所述注氣罐內瓦斯氣體的總質量為所述煤樣罐和所述注氣罐內注入氣體的總質量；

再根據下式得到在t時刻與(t-1)時刻間，瓦斯氣體與注入氣體從自由空間向煤體中的擴散量和：

，

，

進而根據下式得到在吸附段i達到徹底吸附平衡后，瓦斯和注入氣體的吸附總量和：

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；

（i）最后得到在每個壓力的注氣驅替吸附段，瓦斯的解吸-擴散量與注入氣體的擴散-吸附量分別為：

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