[发明专利]一种煤层气及页岩气吸附/解吸自动测定方法和装置

说明书

技术领域

本方法和装置涉及测定煤层及页岩气吸附/解吸特征。具体而言，页岩、煤岩等矿物岩石样品存在吸附气的情况下，能够自动准确测定煤页岩、煤岩表面吸附/解吸气体含量及速度的一种方法和装置。

背景技术

煤层气和页岩气的开采过程，其实质是煤岩和页岩对吸附在其表面的烃类气体的解吸过程，煤层气或页岩气的吸附/解吸特征决定了开采方法和开采工艺。因此，能够准确的测定煤岩或页岩对于烃类气体的吸附/解吸特征，对煤层气或页岩气的合理开发具有重要的指导作用。另外，煤层吸附的烃类气体也是危害煤炭安全开采的重要因素之一，准确测定煤岩样品的解吸瓦斯含量是预测和治理煤与瓦斯突出的重要依据和基础参数。

目前测定气体在煤页岩中吸附/解吸特征曲线的实验方法主要有压力法、 容积法、重力法和排水法。压力法实验装置主要包括气瓶、真空泵、参照缸、样品缸、 压力计以及恒温油浴（或恒温箱）组成，但其操作过程复杂，且对压力计的精度要求较高，如专利“一种新型页岩含气量测试仪和页岩含气量测定方法”（专利号CN103063545A）。容积法原理与压力法相似，装置主要包括真空泵、活塞泵、参照缸、样品缸、压力计、恒温油浴（或恒温箱），容积法与压力法不同之处是充入气体的体积是通过活塞泵的体积变化测得，但操作过程复杂，活塞泵的压力精度要求极高。重力法采用的实验装置及原理与上述二者存在较大差异，其主要装置由电磁悬挂天平、高压密闭缸以及恒温箱组成，其中密闭缸被分隔为两个密闭室，待测煤（岩）样和高压气体分别置于两个密闭室内，但所用实验装置造价相对昂贵，目前应用极少。排水法是将煤样罐采集煤层或页岩样品解吸出来的甲烷气体引到装有液体的量管，直接根据量管里气体体积变化的读数取得甲烷气体的解吸量，由于煤和页岩解吸时间往往需要48小时甚至几周，并每间隔一定时间连续24h或更长时间记录量管读数，测定过程需要有专门人员读取相应时间对应量管上的刻度，并作记录；如专利“高精度含气量测试仪”（专利号CN201120464973），专利“吸附气含量测量仪及其实验方法” （专利号为 2010101372751），专利“一种新型页岩含气量测试仪和页岩含气量测定方法”（专利号为201210592194X）等主要通过采用集气量筒测量解吸气量；由于一次吸附/解吸过程往往需要24个小时以上，数据的读取和记录过程都要求实验人员来完成，不仅需要人员多、繁琐，而且可能造成时间和读数误差，往往多次测量的结果差别较大，浪费大量时间和精力等不足之处。

为此，一些学者研发能自动获得煤（页岩）的解吸过程和含气量数据的含气量测试装置。如专利“煤层含气量数据采集系统”（专利号CN200820122855）公布了一种煤层含气量数据采集系统，是由上位机、 数据采集控制系统、 温度传感器、 压力传感器、 高精度气体流量计、 高速超声波仪、 打印机组成， 核心是通过流量计自动获取解吸数据；如专利“一种煤页岩等温吸附/解吸曲线的测定方法”（专利号CN103115844B），由气路入口端高精度气体质量流量计测量气体解吸速度等。但煤（页岩）气体解吸初速度或超过高精度气体流量计的量程范围，而后期微弱的气体解吸速度无法被传感器响应等问题。专利“含气量测试装置号”（专利号CN202362222U）公开了一种由样品存放装置、气体体积测量装置及上位机组成，通过自动化控制两个量筒液面（下部有直径较细的导管连接）实现体积测量，但这种方法仅能测量少量煤（页岩）样品或解吸气体量较小的情况，且实施困难。

因此，需要一种煤层气及页岩气吸附/解吸自动测定方法和装置解决上述的问题。

发明内容

本发明提供一套模拟煤层或页岩在不同地应力、不同温度等地质条件下气体吸附/解吸过程，由上位机实时控制、自动记录、分析煤层气及页岩气吸附/解吸特征规律。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：由吸附/解吸模拟子系统、气路子系统、气体解吸动态监测子系统、控制及数据采集板、数据采集及分析子系统等5个子系统组成。

吸附/解吸模拟子系统通过控制煤层气或页岩气赋存状态下的地应力和温度模拟自然赋存条件下烃类气体的吸附和解吸过程，包括恒温装置、三轴岩心夹持装置、温度传感器、压力传感器、氦气瓶、待测气瓶、岩样罐和真空泵等。

气路子系统用于连接吸附/解吸模拟子系统、气体解吸动态监测子系统的气体流通路经等，采用两位两通电磁阀门、两位三通电磁阀门等部件切换气体导通路径。