[发明专利]一种气水同注的煤层气吸附解吸实验方法及其设备

摘要

本发明提供了一种气水同注的煤层气吸附解吸实验方法及其设备。所述设备包括甲烷储罐(1)、水蒸汽发生器(2)、第一容器R1(3)、第二容器R2(4)、第三容器R3(5)和填充实验煤样的第四容器R4(6)；其中第一容器R1通过管路、以及管路另一端的第一气体入口(7)可控的与外界连通，第二容器R2通过管路、以及管路另一端的第二气体入口(8)可控的与外界连通，第一容器R1、第二容器R2分别可控地通过管路与第三容器R3连通，第三容器R3可控地通过管路与第四容器R4连通；其中水蒸汽发生器可与所述第二气体入口连通以与第二容器R2连通，甲烷储罐可通过第一气体入口连通以与第一容器R1连通。

主权项

一种气水同注的煤层气吸附解吸实验方法，其特征在于，所述方法为应用一种气水同注的煤层气吸附解吸实验用设备，包括如下步骤：(1)在保持第一容器R1、第二容器R2、第三容器R3和第四容器R4真空状态下，分别切断第一容器R1、第二容器R2和第三容器R3的连通；连通甲烷储罐和第一容器R1，给第一容器R1充入甲烷；连通水蒸汽发生器和第二容器R2，给第二容器R2充入水蒸汽；并保持甲烷储罐、水蒸汽发生器不与第三容器R3连通；(2)切断甲烷储罐和第一容器R1的连通，以及切断水蒸气发生器和第二容器R2的连通，保持第一容器R1和第二容器R2在密闭下分别记录第一容器R1和第二容器R2的压力Pc1和Ph1，单位为MPa，然后计算得到第一容器中甲烷的摩尔量nc1，计算公式为nc1＝Pc1*VR1/Zc1/R/(273.15+Tc1)，其中，VR1表示第一容器R1内甲烷的体积，单位为cm3，Zc1表示第一容器R1内甲烷的气体偏差因子，通过D‑A‑K天然气偏差系数计算关系式得到，R为摩尔气体常数，恒等于8.314MPa·cm3/(mol·K)，Tc1表示第一容器R1内甲烷的温度，单位为℃；(3)切断第三容器R3和第四容器R4的连通，分别连通第一容器R1和第三容器R3、以及第二容器R2和第三容器R3，待第一容器R1、第二容器R2和第三容器R3压力平衡后，记录三个容器的压力Pch1，单位为MPa、温度Tch1，单位为℃，和相对湿度计算出三个容器中自由的甲烷和水蒸汽的总摩尔量nch1，nch1＝Pch1*(VR1+VR2+VR3)/Zch1/R/(273.15+Tch1)，式中VR1、VR2和VR3分别表示第一容器、第二容器和第三容器的体积，单位为cm3，Zch1可根据湿度仪显示的相对湿度数据折算为气体中水蒸汽的摩尔含量h1，折算公式为式中P0为实验温度下水的饱和蒸汽压，再应用D‑A‑K天然气偏差系数计算关系式得到；继而计算三个容器中水蒸汽的摩尔量nh1＝nch1‑nc1；(4)连通第三容器R3和第四容器R4，待第一容器R1、第二容器R2、第三容器R3和第四容器R4压力平衡后，记录四个容器的压力Pch1’，单位为MPa、温度Tch1’，单位为℃，和相对湿度计算出四个容器中自由的甲烷和水蒸汽的总摩尔量nch1’，计算公式为nch1’＝Pch1’*(VR1+VR2+VR3+VR4)/Zch1’/R/Tch1’，式中R＝8.314MPa·cm3/(mol·K)，Zch1’可根据湿度仪显示的相对湿度数据折算为气体中水蒸汽的摩尔含量h1’，折算公式为再应用D‑A‑K天然气偏差系数计算关系式得到；继而计算出甲烷和水蒸汽总的吸附量ncha1，计算公式为：ncha1＝nch1‑nch1’，自由的水蒸汽的摩尔量nh1’＝nch1’*h1’，吸附的水蒸汽量nha1＝nh1‑nh1’；吸附的甲烷摩尔量nca1＝ncha1‑nha1；(5)切断第二容器R2和第三容器R3的连通，将第二容器R2抽真空，连通水蒸汽发生器与第二容器R2，给第二容器R2中再次充入水蒸汽，控制R2中压力小于当前实验温度下水的饱和蒸汽压；切断第一容器R1和第三容器R3的连通，连通甲烷储罐与第一容器R1，给第一容器R1中再次充入甲烷，使R1中的压力大于本次充气前的2倍以上；(6)切断甲烷储罐和第一容器R1的连通，记录第一容器R1的压力Pci；切断水蒸气发生器和第二容器R2的连通，记录第二容器R2的压力Phi，式中下标i表示吸附次数，i＝2,3,4,…,n；(7)切断第三容器R3和第四容器R4的连通，同时分别连通第一容器R1和第三容器R3、以及第二容器R2和第三容器R3，待第一容器R1、第二容器R2和第三容器R3压力平衡后，记录三个容器的压力Pchi，计算出三个容器中自由的甲烷和水蒸气的总摩尔量nchi，nchi＝Pchi*(VR1+VR2+VR3)/Zchi/R/(273.15+Tchi)，Zchi可根据湿度仪显示的相对湿度数据折算为气体中水蒸汽的摩尔含量hi，折算公式为再应用D‑A‑K天然气偏差系数计算关系式得到；继而计算三个容器中水蒸汽的摩尔量nhi＝nchi*hi，三个容器中甲烷的摩尔量nci＝nchi*(1‑hi)；则第i次吸附前四个容器中自由的甲烷和水蒸汽的总摩尔量为nchi+nchi‑1’*VR4/(VR1+VR2+VR3+VR4)，自由的甲烷和水蒸汽的摩尔量分别为nhi+nhi‑1’*VR4/(VR1+VR2+VR3+VR4)和nci+nci‑1’*VR4/(VR1+VR2+VR3+VR4)；(8)连通第三容器R3和第四容器R4，待第一容器R1、第二容器R2、第三容器R3和第四容器R4压力平衡后，记录四个容器的压力Pchi’，计算出四个容器中自由的甲烷和水蒸汽的总摩尔量nchi’，计算公式为nchi’＝Pchi’*(VR1+VR2+VR3+VR4)/Zchi’/R/Tchi’，式中R＝8.314MPa·cm3/(mol·K)，Zchi’可根据湿度仪显示的相对湿度数据折算为气体中水蒸汽的摩尔含量hi’，折算公式为再应用D‑A‑K天然气偏差系数计算关系式得到；继而计算出甲烷和水蒸汽总的吸附量nchai，计算公式为：nchai＝nchi+nchi‑1’*VR4/(VR1+VR2+VR3+VR4)‑nchi’+nchai‑1，i为吸附次数，i＝2,3,4,…n；四个容器平衡之后自由的水蒸汽的摩尔量nhi’＝nchi’*hi’，吸附的水蒸汽量nhai＝nhi+nhi‑1’*VR4/(VR1+VR2+VR3+VR4)‑nhi’+nhai‑1；吸附的甲烷摩尔量ncai＝nchai‑nhai+ncai‑1；重复步骤(5)‑(8)，直到吸附次数为n，吸附实验结束；(9)切断第二容器R2和第三容器R3的连通，将第二容器R2抽真空；(10)连通第二容器R2和第三容器R3，待第一容器R1、第二容器R2、第三容器R3和第四容器R4压力平衡后，记录四个容器的压力Pchf1，计算出四个容器中自由的甲烷和水蒸汽的总摩尔量nchf1；计算公式为：nchf1＝Pchf1*(VR1+VR2+VR3+VR4)/Zchf1/R/Tchf1；计算出甲烷和水蒸汽总的解吸量nchd1；计算公式为：nchd1＝nchf1‑nchn’*(VR1+VR3+VR4)/(VR1+VR2+VR3+VR4)；检测第一容器R1、第二容器R2、第三容器R3中气体的相对湿度计算出水蒸汽的摩尔含量hf1,计算公式为：计算出自由的水蒸汽的摩尔量nhf1＝nchf1*hf1，自由的甲烷ncf1＝nchf1*(1‑hf1)，进而计算出解吸的水蒸汽量nhd1＝nhf1‑nchn’*(VR1+VR3+VR4)/(VR1+VR2+VR3+VR4)*hn’；解吸的甲烷量ncd1＝ncf1‑nchn’*(VR1+VR3+VR4)/(VR1+VR2+VR3+VR4)*(1‑hn’)；(11)切断第二容器R2和第三容器R3的连通，将第二容器R2抽真空；(12)连通第二容器R2和第三容器R3，待第一容器R1、第二容器R2、第三容器R3和第四容器R4压力平衡后，记录四个容器的压力Pchfj，计算出四个容器中自由的甲烷和水蒸汽的总摩尔量nchfj；计算公式为：nchfj＝Pchfj*(VR1+VR2+VR3+VR4)/Zchfj/R/Tchfj；继而计算出甲烷和水蒸汽总的解吸量nchdj；计算公式为：nchdj＝nchfj‑nchfj‑1*(VR1+VR3+VR4)/(VR1+VR2+VR3+VR4)；检测第一容器R1、第二容器R2、第三容器R3中气体的相对湿度继而计算出水蒸汽的摩尔含量hfj，计算公式为：计算出自由的水蒸汽的摩尔量nhfj＝nchfj*hfj，自由的甲烷ncfj＝nchfj*(1‑hfj)，计算出解吸的水蒸汽量nhdj＝nhfj‑nchfj‑1*(VR1+VR3+VR4)/(VR1+VR2+VR3+VR4)*hfj‑1；解吸的甲烷量ncdj＝ncfj‑nchfj‑1*(VR1+VR3+VR4)/(VR1+VR2+VR3+VR4)*(1‑hfj‑1)；所述设备包括：甲烷储罐(1)、水蒸汽发生器(2)、第一容器R1(3)、第二容器R2(4)、第三容器R3(5)和填充实验煤样的第四容器R4(6)；其中第一容器R1通过管路、以及管路另一端的第一气体入口(7)可控的与外界连通，第二容器R2通过管路、以及管路另一端的第二气体入口(8)可控的与外界连通，第一容器R1、第二容器R2分别可控地通过管路与第三容器R3连通，第三容器R3可控地通过管路与第四容器R4连通；其中水蒸汽发生器与所述第二气体入口连通以与第二容器R2连通，甲烷储罐与第一气体入口连通以与第一容器R1连通。