煤層氣等溫吸附測試技術研究

張明波

(山西省地質礦產研究院,太原 030001)

等溫吸附是一種計算煤層氣儲量的關鍵性參數,也是煤層氣是否具有開采價值及設計開采方案的重要指標之一。目前,等溫吸附曲線測試通常采用體積法和質量法測試。體積法是最常用的方法,GB/T 19560-2008國標規定[1],體積法測試煤的等溫吸附試驗方法是將達到平衡水分的煤樣樣品(60～80目煤粒),置于密封罐中,在儲層溫度下,采用不同壓力測定達到吸附平衡時煤粒吸附甲烷等試驗氣體的體積；然后根據Langmuir單分子層吸附理論,計算求出表征煤對甲烷等試驗氣體吸附量及吸附常數的曲線[2-3]；但在試驗的過程中需要用到試驗樣品缸,現有的樣品缸在試驗過程中煤粒容易帶入氣路,造成系統污染,煤粒在高壓充放氣過程易進一步破碎,造成氣路堵塞,電磁閥關閉不嚴,煤粒帶入系統造成煤樣損失,所測吸附量偏低,影響測試準度。本文就采用美國TerraTek等溫吸附儀測試過程中存在的問題進行探討和改進,對于提高測試工作效率、測試精度,提高測試成功率,準確獲取儲層含氣量參數,從而科學指導我國煤層氣勘查與開發具有重要意義。

1 高壓等溫吸附試驗樣品缸工作原理

1.1 高壓等溫吸附試驗樣品缸結構

改進的高壓等溫吸附缸包括通氣蓋、缸蓋、100目濾網、80目濾網、缸體、缸底、底部固定環、頂部固定環、二級石英砂過濾層、一級石英砂過濾層、120目濾網、通氣孔。新研制的高壓等溫吸附樣品缸結構如圖1所示。

1-通氣蓋;2-缸蓋;3-濾網(100目);4-濾網(80目);5-缸體;6-缸底;7-底部固定環;8-頂部固定環;9-二級石英砂過濾層;10-一級石英砂過濾層;11-濾網(120目);12-通氣孔圖1 新研制的高壓等溫吸附樣品缸Fig.1 New high-pressure isothermal adsorption sample cylinder

1.2 試驗方法及原理

使用該高壓等溫吸附試驗樣品缸時,裝有60～80目煤樣的樣品缸需用氦氣清洗缸體。清洗時氦氣從氣路口分別通過120目濾網、二級石英砂、100目濾網、一級過濾石英砂、80目過濾網,最后進入缸體。清洗后,廢氣逆過程排出,用氦氣重復標定缸體4次,以確定樣品缸的體積和煤樣的密度。每次標定氣體,按上述程序氣體進入和排出。試驗過程中還需用高純甲烷清洗基準缸,然后充氣大于預估平衡壓力后,打開基準缸和樣品缸的閥門,使氣體進入樣品缸,使之壓力相等后關閉閥門,監測壓力隨時間變化直至達到平衡。整個試驗壓力平衡點從1 MPa到大于儲層壓力,當儲層壓力小于8 MPa時最少需做6個測點；大于8 MPa時,測點更多。每個點氣體從基準缸到樣品缸充氣,排出時都要按上述步驟進行。通過采用該方法,樣品缸有效避免樣品損失、系統污染,提高了測試精度。

2 等溫吸附應用

QSZ井位于山西省沁水煤田中部,是一口煤層氣參數井,該井15#煤層的煤層深度為1 760.88～1 761.18 m,儲層溫度50.5 ℃。利用等溫吸附實驗求取該15#煤層的Langmuir體積(VL)和Langmuir壓力(pL)。

2.1 基礎測試分析

稱取60～80目樣品78.62 g,放進裝有過飽和K2SO4溶液的真空干燥器中,在溫度30℃、相對濕度為96%～97%的環境下平衡[4]。測試平衡水并對樣品進行工業分析測試[5],試驗結果如表1所示。

表1 樣品工業分析及平衡水分析數據Table 1 Industrial analysis and equilibrium water analysis data of the samples

2.2 等溫吸附測試

煤樣預處理好后,樣品裝入自主研制的等溫吸附樣品缸,設置溫度50.5 ℃,采用美國TerraTek等溫吸附儀分別在壓力點0.695 5，2.189 2，3.525 5，5.028 8，6.355 4，8.558 0，10.454 9 MPa進行測試。測試步驟如下。

1)測試煤樣的真實體積和密度。在油浴溫度達到50.5 ℃實驗要求,并確定系統密封不漏氣時,關閉參考缸和新研制的樣品缸閥門,向參考缸中充氦氣至壓力2.75 MPa。然后打開閥門讓參考缸、樣品缸平衡。記錄平衡前后壓力、溫度值(此過程需重復試驗4次),通過真實氣體狀態方程計算煤樣真實體積和密度。再通過煤樣的體積,計算出樣品缸的自由空間體積。

2)等溫吸附實驗測試。依次向參考缸充甲烷氣體,壓力為計算出的目標壓力，啟動等溫吸附實驗程序。打開樣品缸閥門,記錄不同時間的壓力與溫度。前300 s每秒采集1次數據,以后每1分鐘采集1次數據,直到達到吸附平衡。第一個壓力點完成后,程序關閉閥門,繼續往參考缸中充氣,達到計算出的第二個目標壓力,程序自動啟動,在60 s時打開閥門讓兩缸平衡[6]。平衡后重復以上過程,直至最后一個壓力點實驗結束(此過程需測試7個壓力點)。

2.3 結果與討論

利用改進后的等溫吸附儀器測得的實驗結果如表2所示。

表2 等溫吸附實驗數據Table 2 Isothermal adsorption experimental data

實驗結果可用Langmuir方程進行擬合,利用Langmuir方程計算蘭氏壓力及蘭氏體積:

V=VL×p/(pL+p).

式中:p為氣體壓力,MPa;V為在壓力p下煤層吸附量,m3/g;VL為Langmuir體積,m3/g;pL為Langmuir壓力,MPa。求出測試壓力及該壓力對應的吸附量間的比值(p/V),繪出壓力p與p/V之間的關系圖,見圖2。對這些點進行線性回歸,利用最小二乘法求出直線方程及相關系數。

圖2 p與p/V之間的線性回歸圖Fig.2 Linear regression of p and p/V

根據直線斜率(A)和截距(B),求出Langmuir體積(VL)為:VL=1/A;Langmuir壓力(pL)為:pL=B/A。等溫吸附實驗測試結果如表3所示。

表3 等溫吸附實驗測試結果Table 3 Isothermal adsorption experiment results

以測試壓力和對應吸附體積繪制的等溫吸附曲線見圖3。

圖3 等溫吸附曲線圖Fig.3 Isothermal adsorption curves

由于煤層非均質性強,現場采集的樣品采用空氣干燥基計算測試結果，易受礦物非均質性的影響,很難代表區域煤層含氣量;干燥無灰基剔除了礦物含量對測試結果的影響(圖2),國標規定等溫吸附測試結果分別采用空氣干燥基和干燥無灰基計算蘭氏壓力及蘭氏體積,使測試結果更有利于煤層氣開發評價。

通過統計等溫吸附儀器改進前測得的實驗結果,沁水煤田102層煤層約有15%的等溫吸附實驗結果線性相關系數小于0.9,最小的線性相關系數僅為0.68。這主要包含以下兩點原因,一是改進前等溫吸附儀器由于無過濾緩存系統,煤粒容易帶入氣路,造成煤樣損失,測試結果吸附量偏低,影響測試準度;二是煤粒在高壓充放氣過程中進一步破碎,造成氣路堵塞,電磁閥關閉不嚴,使所測等溫吸附曲線線性系數相關性不理想。

采用改進后的等溫吸附解吸儀器對同一研究區樣品進行實驗,研究區85層煤層的等溫吸附測試結果表明，其樣品線性相關系數均大于0.99,QSZ井樣品線性相關系數可高達0.996 2(圖2),部分樣品的相關系數最高可達0.999。以圖3測試壓力和對應吸附體積繪制等溫吸附曲線看,測點離散率低,曲線光滑。實驗表明，改進后的等溫吸附缸有效解決了實際測試過程效率低和準確度差等難題。

3 結論

1)采用改進后的等溫吸附解吸儀器測試,在煤的高壓等溫吸附試驗充放氣過程中通過石英砂緩沖,煤粒不易破碎,保證試驗測試質量,避免氣路污染,且石英砂惰性不吸附,不會影響測試結果,極大地減少了樣品的返工率。

2)改進后的試驗裝置,高壓充氣時在兩層石英砂的緩沖下,煤粒的破碎比例極大降低;樣品缸反向放氣時,使用三層過濾網和兩層石英砂過濾,煤粒即使破碎也會被擋在過濾系統內,不會因系統氣路污染、煤粒損失造成測試結果偏低,極大提高了煤層氣等溫吸附測試的準確度和測試效率,消除了誤差,所測等溫吸附相關系數均在0.99以上。

3)此等溫吸附試驗缸的改進發明,不僅提高了等溫吸附參數測試精度,更有效地解決煤粉因高壓破碎污染氣路需頻繁更換電磁閥的問題,還極大降低了等溫吸附儀清洗氣路、系統維護的成本。