煤层气吸附解吸测试仪的研制

万军凤,王艳丽

(中国石油大学胜利学院 油气工程学院,山东 东营 257000)



煤层气吸附解吸测试仪的研制

万军凤,王艳丽

(中国石油大学胜利学院 油气工程学院,山东 东营 257000)

针对煤层气吸附解吸实验需求,设计开发了煤层气吸附解吸测试仪,详细阐述测试仪的测试原理、硬件设计、软件设计等,应用该测试仪不仅可对实验进程和实验效果实现动态检测,且可根据实验数据绘制吸附曲线和解吸曲线,并求出相应的Langmuir体积、Langmuir压力,该测试仪经室内测试,效果良好,具有性能稳定可靠、智能化程度高、投资成本低等诸多优点。

煤层气;吸附;解吸;测试仪

煤层气吸附解吸实验是煤层气实验测试的核心与关键,准确测定煤层气的吸附解吸数据对正确认识煤储层特性、指导煤层气井排采生产都具有非常重要的意义[1-2],这就决定了开展煤层气吸附与解吸实验的必要性和重要性,但现有的煤层气吸附与解吸实验设备价格十分昂贵,令许多院校望而却步,从而也导致了对煤层气吸附解吸特性的研究进程缓慢,所以开展煤层气吸附解吸测试仪设计研究符合院校的需求,也可为煤层气相关的实验研究提供技术支持[3-4]。

1 测试原理

煤岩样置于密封容器中,测定在不同压力条件下达到吸附平衡时所吸附的甲烷等实验气体的体积。根据Langmuir单分子层吸附理论,计算求得表征煤的吸附特性的Langmuir体积(VL)、Langmuir压力(PL)以及绘制等温吸附曲线。向参考缸充入甲烷,压力由低向高变化时得到吸附等温线;反之,参考缸放出甲烷气体压力由高向低变化时,得到解吸等温线[5-7]。

2 硬件设计

该测试仪主要由吸附缸、参考缸、恒温系统、数据采集及处理单元、高压供气单元、抽真空单元等核心单元组成,测试仪结构示意图见图1。

(1)吸附缸。容积设计为160 mL,材质316 L,工作压力50 MPa。

(2)参考缸。容积根据吸附缸和实验要求设计为100 mL,材质及工作压力同吸附缸。

(3)恒温系统。恒温系统选用恒温精度±0.5 ℃恒温水浴槽，型号为CS502B，温度<100 ℃。

(4)数据采集及处理单元。主要由压力传感器、数据采集板、继电器板、数字量I/O模块、计算机等组成。

(5)高压供气单元。由甲烷气瓶(纯度:99.99%)、氦气瓶(纯度:99.99%)和减压设备等组成,可满足煤层气实验压力0～10 MPa的需要。

(6)抽真空单元。抽真空单元用于实验前对吸附缸和参考缸以及连接管线在内的吸附解吸系统进行脱气处理。

3 软件设计

煤层气吸附解吸测试仪应用软件利用Visual Basic 6.0编写,该软件可实现实时操作、控制、采集自动化,主要包括以下模块。

(1)实验参数初始化模块。主要完成实验有关参数如实验编号、样品质量、实验温度、水分、灰分等数据的输入。

(2)实验测试模块。本模块不仅能够对实验过程中的压力数据进行数据采集并实时显示,可使操作人员随时掌握实验进程和实验效果;且可实现自由空间体积校正,需要进行吸附解吸实验时,选中对应的按钮即可进行相应的实验,实验测试界面如图2所示。

图1 煤层气吸附解吸测试仪结构示意图

图2 实验测试界面

(3)数据处理模块。此模块可对吸附解吸实验进行数据处理, Langmuir体积(VL)、Langmuir压力(PL)及吸附、解吸曲线会以实验报告的形式给出。

4 测试仪实验测试

为了检验测试仪的稳定性,进行了煤样吸附、解吸甲烷的重复性试验。

4.1 实验过程

4.1.1 测试仪密封性检测

打开He气瓶阀门,把He气充入吸附缸(装有煤样)和参考缸,在一定的压力下保持5 h以上,观察吸附缸和参考缸压力有无明显变化,若无明显变化,继续增加压力,直到充气压力达到实验需要的最高压力。

4.1.2 吸附缸自由空间体积测定

测定方法同《煤的高压容量法等温吸附实验方法》标准。

4.1.3 吸附实验

首先向吸附缸中装入60～80目干燥煤样,打开水浴加热,设定温度在30 ℃,打开抽真空开关,对吸附解吸系统进行脱气处理,然后参考缸注入甲烷,记录参考缸的压力,打开吸附缸和参考缸的连接阀门,甲烷气会由参考缸向吸附缸膨胀,记录平衡后的参考缸和吸附缸的压力,以此为基础,向参考缸第二次充气,重复上述实验步骤,逐次提高实验压力,直至满足实验最高压力。

4.1.4 解吸实验

解吸实验是吸附实验过程的逆过程。首先,关闭吸附缸和参考缸的连接阀门,打开参考缸放气阀门,放出一部分甲烷气,关闭放气阀门,记录参考缸压力;打开吸附缸和参考缸的连接阀门,让参考缸和吸附缸连通,记录系统平衡后的压力;重复上述实验步骤,逐次降低实验压力至吸附实验的初始压力。

而后进行第二次煤样吸附、解吸甲烷实验,初始注入压力在两次试验中保持相近。

4.2 实验结果

两次煤样吸附、解吸甲烷实验曲线如图3所示。

图3 煤样吸附解吸实验曲线

利用Langmuir方程对两次吸附、解吸实验进行拟合,结果见表1。

从表1可以看出,Langmuir方程对吸附、解吸实验曲线拟合都很好,在相同的实验条件下,两次煤样吸附、解吸甲烷实验结果具有较好的重复性,重复性偏差小于5%,说明测试仪的稳定性是可靠的,也验证了此测试仪软、硬件设计方案的合理性。

表1 煤样吸附解吸实验拟合结果

5 结束语

实验测试结果表明,该测试仪性能稳定可靠,智能化程度高、投资成本低,能够很好地满足资金不足院校的煤层气吸附、解吸实验方面的建设,进而推进煤层气吸附解吸特性实验的进展。自主研制的测试仪尚存在一些不足,有待在以后的实践中进一步完善。

[1] 钱凯,赵庆波,孙粉锦,等.煤层甲烷气勘探开发理论与实验测试技术[M].3版.北京:石油工业出版社,2013:215-216

[2] 陈振宏,邓泽,李贯中,等.煤层气等温吸附/解吸模拟实验技术新进展与应用 [J].中国石油勘探,2014,19(3):95-100.

[3] 李彬彬,程永强.一种简易煤样瓦斯吸附与解吸实验平台的设计[J].实验技术与管理,2014,31(8):164-167.

[4] 唐巨鹏,潘一山,李成全,等.三维应力作用下煤层气吸附解吸特性实验[J].天然气工业,2007,27(7):35-38.

[5] 马东民.煤层气吸附解吸机理研究[D].西安:西安科技大学,2008.

[6] 肖知国,王兆丰.阳泉3号煤干燥煤样等温吸附一解吸特性实验研究[J].河南理工大学学报(自然科学版),2010,29(5):559-563.

[7] 谢勇强.低阶煤煤层气吸附与解吸机理实验研究[D].西安:西安科技大学,2006.

[责任编辑] 印树明

2016-07-26

万军凤(1979—),女,山东青州人,中国石油大学胜利学院油气工程学院讲师,主要从事油气田开发工程研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2016.03.012

TE324

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1673-5935(2016)03- 0035- 03