煤层气等温吸附测试技术研究

张明波

(山西省地质矿产研究院,太原 030001)

等温吸附是一种计算煤层气储量的关键性参数,也是煤层气是否具有开采价值及设计开采方案的重要指标之一。目前,等温吸附曲线测试通常采用体积法和质量法测试。体积法是最常用的方法,GB/T 19560-2008国标规定[1],体积法测试煤的等温吸附试验方法是将达到平衡水分的煤样样品(60～80目煤粒),置于密封罐中,在储层温度下,采用不同压力测定达到吸附平衡时煤粒吸附甲烷等试验气体的体积；然后根据Langmuir单分子层吸附理论,计算求出表征煤对甲烷等试验气体吸附量及吸附常数的曲线[2-3]；但在试验的过程中需要用到试验样品缸,现有的样品缸在试验过程中煤粒容易带入气路,造成系统污染,煤粒在高压充放气过程易进一步破碎,造成气路堵塞,电磁阀关闭不严,煤粒带入系统造成煤样损失,所测吸附量偏低,影响测试准度。本文就采用美国TerraTek等温吸附仪测试过程中存在的问题进行探讨和改进,对于提高测试工作效率、测试精度,提高测试成功率,准确获取储层含气量参数,从而科学指导我国煤层气勘查与开发具有重要意义。

1 高压等温吸附试验样品缸工作原理

1.1 高压等温吸附试验样品缸结构

改进的高压等温吸附缸包括通气盖、缸盖、100目滤网、80目滤网、缸体、缸底、底部固定环、顶部固定环、二级石英砂过滤层、一级石英砂过滤层、120目滤网、通气孔。新研制的高压等温吸附样品缸结构如图1所示。

1-通气盖;2-缸盖;3-滤网(100目);4-滤网(80目);5-缸体;6-缸底;7-底部固定环;8-顶部固定环;9-二级石英砂过滤层;10-一级石英砂过滤层;11-滤网(120目);12-通气孔图1 新研制的高压等温吸附样品缸Fig.1 New high-pressure isothermal adsorption sample cylinder

1.2 试验方法及原理

使用该高压等温吸附试验样品缸时,装有60～80目煤样的样品缸需用氦气清洗缸体。清洗时氦气从气路口分别通过120目滤网、二级石英砂、100目滤网、一级过滤石英砂、80目过滤网,最后进入缸体。清洗后,废气逆过程排出,用氦气重复标定缸体4次,以确定样品缸的体积和煤样的密度。每次标定气体,按上述程序气体进入和排出。试验过程中还需用高纯甲烷清洗基准缸,然后充气大于预估平衡压力后,打开基准缸和样品缸的阀门,使气体进入样品缸,使之压力相等后关闭阀门,监测压力随时间变化直至达到平衡。整个试验压力平衡点从1 MPa到大于储层压力,当储层压力小于8 MPa时最少需做6个测点；大于8 MPa时,测点更多。每个点气体从基准缸到样品缸充气,排出时都要按上述步骤进行。通过采用该方法,样品缸有效避免样品损失、系统污染,提高了测试精度。

2 等温吸附应用

QSZ井位于山西省沁水煤田中部,是一口煤层气参数井,该井15#煤层的煤层深度为1 760.88～1 761.18 m,储层温度50.5 ℃。利用等温吸附实验求取该15#煤层的Langmuir体积(VL)和Langmuir压力(pL)。

2.1 基础测试分析

称取60～80目样品78.62 g,放进装有过饱和K2SO4溶液的真空干燥器中,在温度30℃、相对湿度为96%～97%的环境下平衡[4]。测试平衡水并对样品进行工业分析测试[5],试验结果如表1所示。

表1 样品工业分析及平衡水分析数据Table 1 Industrial analysis and equilibrium water analysis data of the samples

2.2 等温吸附测试

煤样预处理好后,样品装入自主研制的等温吸附样品缸,设置温度50.5 ℃,采用美国TerraTek等温吸附仪分别在压力点0.695 5，2.189 2，3.525 5，5.028 8，6.355 4，8.558 0，10.454 9 MPa进行测试。测试步骤如下。

1)测试煤样的真实体积和密度。在油浴温度达到50.5 ℃实验要求,并确定系统密封不漏气时,关闭参考缸和新研制的样品缸阀门,向参考缸中充氦气至压力2.75 MPa。然后打开阀门让参考缸、样品缸平衡。记录平衡前后压力、温度值(此过程需重复试验4次),通过真实气体状态方程计算煤样真实体积和密度。再通过煤样的体积,计算出样品缸的自由空间体积。

2)等温吸附实验测试。依次向参考缸充甲烷气体,压力为计算出的目标压力，启动等温吸附实验程序。打开样品缸阀门,记录不同时间的压力与温度。前300 s每秒采集1次数据,以后每1分钟采集1次数据,直到达到吸附平衡。第一个压力点完成后,程序关闭阀门,继续往参考缸中充气,达到计算出的第二个目标压力,程序自动启动,在60 s时打开阀门让两缸平衡[6]。平衡后重复以上过程,直至最后一个压力点实验结束(此过程需测试7个压力点)。

2.3 结果与讨论

利用改进后的等温吸附仪器测得的实验结果如表2所示。

表2 等温吸附实验数据Table 2 Isothermal adsorption experimental data

实验结果可用Langmuir方程进行拟合,利用Langmuir方程计算兰氏压力及兰氏体积:

V=VL×p/(pL+p).

式中:p为气体压力,MPa;V为在压力p下煤层吸附量,m3/g;VL为Langmuir体积,m3/g;pL为Langmuir压力,MPa。求出测试压力及该压力对应的吸附量间的比值(p/V),绘出压力p与p/V之间的关系图,见图2。对这些点进行线性回归,利用最小二乘法求出直线方程及相关系数。

图2 p与p/V之间的线性回归图Fig.2 Linear regression of p and p/V

根据直线斜率(A)和截距(B),求出Langmuir体积(VL)为:VL=1/A;Langmuir压力(pL)为:pL=B/A。等温吸附实验测试结果如表3所示。

表3 等温吸附实验测试结果Table 3 Isothermal adsorption experiment results

以测试压力和对应吸附体积绘制的等温吸附曲线见图3。

图3 等温吸附曲线图Fig.3 Isothermal adsorption curves

由于煤层非均质性强,现场采集的样品采用空气干燥基计算测试结果，易受矿物非均质性的影响,很难代表区域煤层含气量;干燥无灰基剔除了矿物含量对测试结果的影响(图2),国标规定等温吸附测试结果分别采用空气干燥基和干燥无灰基计算兰氏压力及兰氏体积,使测试结果更有利于煤层气开发评价。

通过统计等温吸附仪器改进前测得的实验结果,沁水煤田102层煤层约有15%的等温吸附实验结果线性相关系数小于0.9,最小的线性相关系数仅为0.68。这主要包含以下两点原因,一是改进前等温吸附仪器由于无过滤缓存系统,煤粒容易带入气路,造成煤样损失,测试结果吸附量偏低,影响测试准度;二是煤粒在高压充放气过程中进一步破碎,造成气路堵塞,电磁阀关闭不严,使所测等温吸附曲线线性系数相关性不理想。

采用改进后的等温吸附解吸仪器对同一研究区样品进行实验,研究区85层煤层的等温吸附测试结果表明，其样品线性相关系数均大于0.99,QSZ井样品线性相关系数可高达0.996 2(图2),部分样品的相关系数最高可达0.999。以图3测试压力和对应吸附体积绘制等温吸附曲线看,测点离散率低,曲线光滑。实验表明，改进后的等温吸附缸有效解决了实际测试过程效率低和准确度差等难题。

3 结论

1)采用改进后的等温吸附解吸仪器测试,在煤的高压等温吸附试验充放气过程中通过石英砂缓冲,煤粒不易破碎,保证试验测试质量,避免气路污染,且石英砂惰性不吸附,不会影响测试结果,极大地减少了样品的返工率。

2)改进后的试验装置,高压充气时在两层石英砂的缓冲下,煤粒的破碎比例极大降低;样品缸反向放气时,使用三层过滤网和两层石英砂过滤,煤粒即使破碎也会被挡在过滤系统内,不会因系统气路污染、煤粒损失造成测试结果偏低,极大提高了煤层气等温吸附测试的准确度和测试效率,消除了误差,所测等温吸附相关系数均在0.99以上。

3)此等温吸附试验缸的改进发明,不仅提高了等温吸附参数测试精度,更有效地解决煤粉因高压破碎污染气路需频繁更换电磁阀的问题,还极大降低了等温吸附仪清洗气路、系统维护的成本。