一种煤页岩等温吸附/解吸曲线的测定方法

1.一种煤页岩等温吸附/解吸曲线的测定方法，包括设定初始测量状态、标定自由空间体积、等温吸附实验过程、等温解吸实验过程和等温吸附/解吸曲线绘制，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将煤岩或页岩试件置入真三轴岩心夹持系统中，根据实际地层条件设定试件的初始测量状态；
S2：向系统充入纯度＞99.999%的氦气，待系统压力稳定后，通过入口端高精度气体质量流量计和系统压力传感器记录的充入气体质量以及系统压力，由下式计算系统的自由空间体积： 取三次重复测定的平均值作为标定值 ,式中，Vfree为自由空间体积，m3；p为平衡后的系统压力，Pa；m为系统充入氦气的质量，g；M为气体相对分子质量，g/mol；
Z为气体压缩因子，无量纲；R为通用气体常数，8.314J/(mol·K)；T为系统温度，K； S3：打开真空泵阀门，对系统进行抽真空，持续时间为3-6h；
S4：试件等温吸附实验过程：根据实验设计的系统压力，向系统中充入待测气体，依次提高实验压力，直至达到最高实验压力；通过系统入口端高精度气体质量流量计以及系统压力传感器分别记录入口端气体累积流入量以及平衡后的系统压力，按下式计算吸附气体积： 式中，mi为入口端气体累积流量，g；Vad为待测气体的吸附
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量，m ；下标0代表标准状态；
S5：试件等温解吸实验过程：从等温吸附实验后的最大平衡压力开始，逐次降低系统实验压力，直至最低实验压力；通过系统出口端高精度气体质量流量计以及系统压力传感器分别记录出口端气体累积流出量以及平衡后的系统压力，按下式计算吸附气体积：
式中，mt为累计充入系统中的待测气体质量，g；mo为
出口端待测气体累积流出量，g ,
S6：根据等温吸附/解吸实验记录的系统平衡压力以及其对应的吸附气体积数据，绘制试件的等温吸附/解吸曲线。
2.如权利要求1所述的煤页岩等温吸附/解吸曲线的测定方法，其特征在于，所述步骤S1中的设定试件的初始测量状态，进一步包括以下步骤：
S11：接通恒温箱或恒温油浴箱电源，根据实际地层温度设定好实验温度，并将系统的三轴压力室排空加油，检查各系统是否正常工作；
S12：检查系统气密性，打开真空泵阀门，对样品试件脱气3-6h；
S13：将真三轴岩心夹持系统整体放入恒温箱或恒温油浴箱内，并根据实际地层条件设置轴压和围压。
3.如权利要求1所述的煤页岩等温吸附/解吸曲线的测定方法，其特征在于，所述步骤S4的试件等温吸附实验过程，进一步包括以下步骤：
S41：调节高压待测气瓶出气阀门，向系统中充入待测气体至实验设计压力，关闭气瓶出气阀门，通过入口端高精度气体质量流量计记录充入气体的质量；
S42：保持24-48h，使样品试件充分吸附待测气体，待系统压力传感器所测压力值趋于稳定，通过系统压力传感器确定平衡后的系统压力，根据式 计
算并记录该平衡压力对应的吸附气体积；
S43：根据实验需要，依次提高系统实验压力，重复步骤S41-S42，直至达到最高系统实验压力。
4.如权利要求1所述的煤页岩等温吸附/解吸曲线的测定方法，其特征在于，所述步骤S5的试件等温解吸实验过程，进一步包括以下步骤：
S51：开启出口端放气阀门，放出部分待测气体至实验设计压力，关闭放气阀门，通过出口端高精度气体质量流量计记录放出气体的质量；
S52：保持24-48h，使样品试件充分吸附待测气体，待系统压力传感器
所测压力值趋于稳定，通过系统压力传感器确定平衡后的系统压力，根据式 计算并记录该平衡压力对应的吸附气体积；
S53：根据实验需要，逐次降低系统实验压力，重复步骤S51-S52，直至达到最低实验压力。

一种煤页岩等温吸附/解吸曲线的测定方法\n技术领域：\n[0001] 本发明涉及一种测定煤页岩表面气体吸附/解吸量及等温吸附/解吸曲线的方法，尤指测定不同地应力、不同温度等真实地层状态下煤岩或页岩表面气体吸附/解吸量及等温吸附/解吸曲线的方法。\n背景技术：\n[0002] 目前测定气体在煤页岩中等温吸附/解吸曲线的实验方法主要有压力法、容积法以及重力法。压力法是目前最为常用的方法，其实验装置主要由气瓶、真空泵、参照缸、样品缸、压力计以及恒温油浴（或恒温箱）组成。实验过程中，首先向参照缸内充入气体，待压力稳定后，测量并记录参照缸压力；然后将样品缸与参照缸连通，待压力平衡后，测定样品缸压力；通过气体状态方程计算吸附气体的体积。重复上述步骤，可得到不同压力下的吸附气体量。压力法是目前测定气固吸附曲线应用最为广泛的方法，但其操作过程复杂；此外，后期的数据处理及吸附量的计算过程较为繁琐。容积法装置主要由真空泵、活塞泵、参照缸、样品缸、压力计、恒温油浴（或恒温箱），其原理与压力法相似，所不同的是，充入气体的体积是通过活塞泵的体积变化测得。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，待测煤样和高压气体分别置于两个密闭室内。实验过程中，首先记录样品的质量读数；\n逐步向样品室内充入待测气体，带电磁悬挂天平读数稳定后记录吸附平衡后的样品质量，两次质量之差即为吸附气体的质量。而在真实地层条件下，煤岩或页岩中的流体受到地应力场、温度场等多场的耦合作用，实际煤层气或页岩气的吸附/解吸是一个具有漫长地质年代的受多场耦合作用的连续物理力学过程。地应力场和温度场的作用必然导致实际煤层气或页岩气体的吸附/解吸及扩散规律有异于非应力状态下的特性。而国内已有的测试方法测定地应力场、温度场等多场耦合作用下的真实煤页岩储层条件下的等温吸附/解吸曲线，进而影响实验结果的可信性。\n发明内容：\n[0003] 本发明的目的在于提供一种煤页岩等温吸附/解吸曲线的测定方法，用于测定不同地应力、不同温度等真实地层状态下煤页岩中气体吸附/解吸量及等温吸附/解吸曲线。\n[0004] 本发明的目的按以下步骤实现：首先将待测煤页岩样品试件置于真三轴岩心夹持系统中，根据实际地层条件设定样品试件的初始测量状态；向系统中注入氦气，待系统压力稳定后，分别通过入口端质量流量计以及压力传感器记录充入的气体量以及系统压力，进而标定自由孔隙体积；再次对装置抽真空，根据实验设计的系统压力，向系统中充入待测气体，根据入口端高精度气体质量流量计以及系统压力传感器分别测量入口端气体累计流量以及平衡后的系统压力，计算吸附气体体积，依次提高实验压力，重复上述步骤，直至达到最高实验压力；对于解吸过程，从等温吸附实验后的最大平衡压力开始，逐次降低系统实验压力，直至最低实验压力；根据出口端高精度气体质量流量计以及系统压力传感器分别测量出口端气体累计流量以及平衡后的系统压力，即可计算得到吸附气体体积，根据等温吸附/解吸实验过程记录的系统平衡压力以及其对应的吸附气体体积，即可得到等温吸附/解吸曲线，具体通过以下技术方案实现：\n[0005] S1：将煤岩或页岩样品试件装入真三轴岩心夹持系统中；\n[0006] S2：接通恒温箱电源，根据实际地层条件设定样品试件的初始测量状态；\n[0007] S3：向系统充入氦气（纯度＞99.999%），待系统压力稳定后，分别通过入口端高精度气体质量流量计以及系统压力传感器记录充入的气体量以及系统压力，可由下式计算系统的自由空间体积，重复实验三次，取平均值作为自由空间体积：\n[0008] \n[0009] 式中：Vfree为自由空间体积，m3；p为平衡后的系统压力，Pa；m为充入夹持器内氦气的质量，g；M为气体相对分子质量，g/mol；Z为气体压缩因子，无量纲；R为通用气体常数，\n8.314J/(mol·K)；T为系统温度，K。\n[0010] S4：开启真空泵，打开真空泵阀门，对系统进行抽真空，持续时间为6h左右；\n[0011] S5：等温吸附实验过程：根据实验设计的系统压力，向系统中充入待测气体，依次提高实验压力，直至达到设计的最高实验压力；通过入口端高精度气体质量流量计以及系统压力传感器分别测量入口端气体累计流量以及平衡后的系统压力，按以下公式计算吸附气体体积：\n[0012] \n3\n[0013] 式中：mi为入口端气体累计流量，g；Vad为待测气体的吸附量，m ；下标0代表标准状态。\n[0014] S6：等温解吸实验过程：从等温吸附实验后的最大平衡压力开始，逐次降低系统实验压力，直至设计的最低实验压力；通过出口端高精度气体质量流量计以及系统压力传感器分别测量出口端气体累计流量以及平衡后的系统压力，按以下公式计算吸附气体体积：\n[0015] \n[0016] 式中：mt为累计充入系统中的待测气体质量，g；mo为出口端待测气体累计流量，g。\n[0017] S7：根据等温吸附/解吸实验记录的系统平衡压力以及其对应的吸附气体体积，绘制等温吸附/解吸曲线。\n[0018] 进一步，所述设定样品试件的初始测量状态，具体包括以下步骤：\n[0019] S21：接通恒温箱电源，根据实际地层温度设定好实验温度，并向真三轴岩心夹持系统的三轴压力室排空加油，检查各系统是否正常工作；\n[0020] S22：检查实验装置气密性，开启真空泵，打开真空泵阀门，对样品试件进行脱气，脱气时间为3-6h；\n[0021] S23：将真三轴岩心夹持系统整体放入恒温箱或恒温油浴箱内，并根据实际地层条件设置轴压和围压。\n[0022] 进一步，所述等温吸附实验过程，具体包括以下步骤：\n[0023] S51：打开入口端高精度气体质量流量计电源开关和高压待测气瓶减压阀，调节高压待测气瓶出气阀门，向系统中充入待测气体至实验设计压力，关闭高压待测气瓶出气阀门，通过入口端高精度气体质量流量计记录充入气体的质量；\n[0024] S52：保持24-48h，使样品试件充分吸附待测气体，待系统压力传感器所测压力值趋于稳定，通过系统压力传感器确定平衡后的系统压力，根据式（2）计算并记录该平衡压力对应的吸附气体体积；\n[0025] S53：根据实验需要，依次提高系统实验压力，重复步骤S51-S52，直至达到最高系统实验压力。\n[0026] 进一步，所述等温解吸实验过程，具体包括以下步骤：\n[0027] S61：关闭入口端高精度气体质量流量计电源开关，打开出口端高精度气体质量流量计电源开关，开启出口端放气阀门，放出部分待测气体至实验设计压力，关闭放气阀门，通过出口端高精度气体质量流量计记录放出气体的质量；\n[0028] S62：保持24-48h，使样品试件充分吸附待测气体，待系统压力传感器所测压力值趋于稳定，通过系统压力传感器确定平衡后的系统压力，根据式（3）计算并记录该平衡压力对应的吸附气体体积；\n[0029] S63：根据实验需要，逐次降低系统实验压力，重复步骤S61-S62，直至达到最低实验压力。\n[0030] 本发明的有益效果：\n[0031] 1、本发明综合反映了应力、孔隙压力、温度等对煤页岩气体吸附/解吸的影响，既可进行单因素影响下的试验，也可进行多因素耦合作用下的试验，所进行的试验能更真实地再现实际煤页岩气体吸附/解吸所处的环境；\n[0032] 2、本发明的数据采集系统采用灵敏度及精确度更高的传感器以及气体质量流量计，包括系统压力传感器、系统温度传感器、气体质量流量计等，保证了数据采集的可靠性；\n[0033] 3、本发明的应力加载采用液压伺服系统，加载过程稳定，且能保证加载精度，可实现循环加卸载荷等试验方案；\n[0034] 4、本发明采用高精度气体质量流量计测量煤页岩吸附待测气体量，不但精简了实验装置，而且试验流程也大大简化，后期数据处理及计算工作量相对较少。\n附图说明：\n[0035] 图1为本发明一个实施方案的示意图。\n[0036] 其中：1-真空泵；2-真空泵阀门；3-高压氦气瓶；4-高压待测气瓶；5-高压氦气瓶出气阀门；6-高压氦气瓶减压阀；7-高压待测气瓶出气阀门；8-高压待测气瓶减压阀；\n9-入口端高精度压力计；10-入口端高精度气体质量流量计；11-系统压力传感器；12-真三轴岩心夹持和加压系统；13-恒温箱；14-系统温度传感器；15-出口端放气阀门；16-出口端高精度气体质量流量计。\n具体实施方式：\n[0037] 以下结合附图和实施例对本发明作进一步的描述，但不限定本发明的实施范围。\n[0038] 以下以甲烷（纯度>99.99%）在沁水盆地南部某煤样中的等温吸附/解吸实验为例阐释本发明。\n[0039] 参见图1，首先将钻取的Φ50×100mm的原煤煤样置于恒温恒湿箱内饱和水以备试验用。将煤岩或页岩样品试件装入真三轴岩心夹持和加压系统12中；接通恒温箱13电源，根据实际地层温度设定实验温度23℃，由系统温度传感器14监测岩心夹持器中温度；\n并向真三轴岩心夹持和加压系统12的三轴压力室排空加油，检查各系统是否正常工作；安置完毕后，关闭真空泵阀门2、高压待测气瓶出气阀门7以及出口端放气阀门15，打开高压氦气瓶出气阀门5，向系统中充入一定量的氦气后关闭出气阀门5，待压力稳定后每隔1h记录系统压力变化，若6h内系统压力无明显变化，则说明气密性良好；若系统压力变化明显，说明气密性较差，需重新检查并组装实验装置。若气密性良好，则开启真空泵1，打开真空泵阀门2，对样品试件进行脱气，用以消除煤样吸附空气对试验结果的影响，脱气时间为\n3-6h，直至系统压力无明显变化，关闭真空泵1及真空泵阀门2；将真三轴岩心夹持系统12整体放入恒温箱13内，并根据实际地层条件设置围压8.21MPa；打开高压氦气瓶出气阀门\n5，向真三轴岩心夹持系统12充入一定量的氦气（纯度＞99.999%）后，关闭出气阀门5，待系统压力稳定后，分别通过入口端高精度气体质量流量计10以及系统压力传感器11测量并记录充入的甲烷气体质量以及系统压力，根据式（1）计算系统的自由空间体积；重复实验三次，取平均值作为自由空间体积；开启真空泵1，打开真空泵阀门2，对系统进行抽真空，持续时间为6h左右，直至压力无明显变化，关闭真空泵1及真空泵阀门2；打开入口端高精度气体质量流量计10电源开关和高压甲烷气瓶减压阀8，调节高压甲烷气瓶出气阀门7，向系统中充入甲烷气体（纯度>99.99%）至实验设计压力，关闭出气阀门7，根据入口端高精度气体质量流量计10记录充入气体的质量；待系统压力平衡后（时间一般为24-48h），通过系统压力传感器11记录平衡后的系统压力，根据式（2）计算并记录该平衡压力对应的吸附气体体积；依次提高系统实验压力，向真三轴岩心夹持和加压系统12充入甲烷气体，使吸附平衡压力逐渐增大，可测得甲烷在煤岩中的等温吸附曲线。通过反复等温吸附实验直至达到最高设计实验压力值后，进行解吸实验过程。关闭入口端高精度气体质量流量计10电源开关，打开出口端高精度气体质量流量计16电源开关，缓慢开启出口端放气阀门15，放出部分甲烷气体至实验设计压力，关闭放气阀门15，根据出口端高精度气体质量流量计16记录放出气体的质量，待系统压力平衡后（时间一般为24-48h），通过系统压力传感器11记录平衡后的系统压力，根据式（3）计算解吸过程中的吸附气体量。重复释放甲烷气体的操作，并根据式（3）计算并记录该平衡压力下对应的甲烷吸附量，逐次降低系统实验压力进行试验，直至达到最低实验压力，可得出解吸过程甲烷等温吸附曲线。\n[0040] 综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或变换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。