[发明专利]注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置及方法。

背景技术

目前，关于注气驱替煤层瓦斯试点应用已经取得了一定的成果，但目前关于注气驱替煤层瓦斯的认识仅停留在驱替过程的渗透率变化、竞争吸附和驱替比例等问题上，而对驱替过程中注入气体与瓦斯的双向扩散机制的认识还是一片空白，由于双向扩散过程决定了注入气体和瓦斯在煤层裂隙与基质煤体之间的交换速率，因此掌握其规律具有非常重要的意义。

但目前，现有技术中还没有用于测定注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的装置及方法。

发明内容

本发明提供了注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置及方法。

本发明采用的技术方案如下：

注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置，包括煤样罐、注气罐、气源、数据采集装置、第一真空泵、第二真空泵和组分分析装置；所述起源与所述注气罐相连，所述注气罐与所述煤样罐相连；所述数据采集装置包括数据采集仪、第一压力传感元件和第二压力传感元件，用于获得所述煤样罐和所述注气罐内气体压力变化；所述第一真空泵与所述煤样罐相连，所述第二真空泵与所述注气罐相连；所述组分分析装置用于分析从所述煤样罐内采集的气样的气体组分。

上述注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置还包括恒温控制装置，用于控制所述煤样罐和所述注气罐内温度。

在上述注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置中，所述起源包括氦气瓶、二氧化碳瓶、氮气瓶和瓦斯瓶。

注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定方法，采用上述注气驱替煤层瓦斯过程中双向扩散系数的测定装置进行测定，步骤包括：

（a）在煤样罐内装入煤样，将煤样罐与注气罐连接，将所述注气罐与气源中的氦气瓶连接，打开所述氦气瓶，向所述煤样罐内通入氦气，通过与所述煤样罐相连的数据采集装置的第一压力传感元件和数据采集仪获得所述煤样罐内气体压力变化，测定所述煤样罐内自由空间体积；

（b）利用第一真空泵将所述煤样罐抽成真空，打开所述气源中的瓦斯瓶，通过所述注气罐向所述煤样罐注入瓦斯，通过连续采集所述煤样罐内气体压力下降过程和最终的平衡压力，获得瓦斯气体扩散规律和吸附平衡后的煤体瓦斯含量；

（c）待所述煤样罐内瓦斯吸附平衡后，停止向所述煤样罐注入瓦斯，将所述注气罐抽成真空，打开二氧化碳瓶或氮气瓶，向所述注气罐内注入二氧化碳或氮气，并使达到预定压力；

（d）将所述注气罐与所述煤样罐连通，模拟注气驱替的气体双向扩散过程，通过所述第一压力传感元件记录所述煤样罐内气体压力变化，通过第二压力传感元件记录所述注气罐内气体压力变化，通过采样装置按一定规律采集所述煤样罐内的气样并记录采集时间，采气频率为先高后低，利用组分分析装置分析采集气样的气体组分，分析游离气体的压力与组分变化规律，及其扩散平衡后的最终状态；

（e）待所述煤样罐和所述注气罐内气体压力与气体组分稳定后，确认双向扩散过程达到平衡；

（f）通过第一真空泵和第二真空泵将所述煤样罐和所述注气罐抽成真空，变换注气种类、注气压力或实验煤样，重复步骤（a）-（e）；

（g）经过步骤（a）-（f），测定不同注气种类、注气压力或实验煤样条件下所述煤样罐（1）自由空间内注入气体与瓦斯的压力与组分变化，采用下式计算获得所述煤样罐（1）自由空间内各组分的含量变化规律：

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其中，为游离体积中瓦斯气体质量，为游离体积中注入气体质量；为瓦斯气体分子量；为注入气体分子量；为所述煤样罐与注气罐中的自由空间的总体积；为t时刻游离气体的压力；为气体常数；为所述煤样罐内绝对温度；为混合气体的压缩因子；为测定的自由空间中瓦斯气体组分；

（h）进一步根据下式获得t时刻，煤样中的瓦斯气体和注入气体的吸附总量：

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其中，为所述煤样罐和所述注气罐内瓦斯气体的总质量为所述煤样罐和所述注气罐内注入气体的总质量；

再根据下式得到在t时刻与(t-1)时刻间，瓦斯气体与注入气体从自由空间向煤体中的扩散量和：

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，

进而根据下式得到在吸附段i达到彻底吸附平衡后，瓦斯和注入气体的吸附总量和：

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（i）最后得到在每个压力的注气驱替吸附段，瓦斯的解吸-扩散量与注入气体的扩散-吸附量分别为：

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