本發(fā)明屬于巖石物理領(lǐng)域，具體涉及一種煤巖殘余瓦斯含氣量的估算方法及相關(guān)設(shè)備。

背景技術(shù)：

地下煤層中含有大量的瓦斯(甲烷為主)氣體，煤層中含有瓦斯多少通過含氣量來表征。含氣量的測(cè)試可以劃分為三部分：散逸氣、自然解析氣和殘余氣。殘余氣是指煤樣經(jīng)自然解析后仍殘留在微孔隙中的氣體。這部分氣體由于擴(kuò)散速率極低或者在大氣壓下煤層氣處于吸附平衡狀態(tài)而不再解析。根據(jù)國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)的測(cè)定，殘余氣體積在低煤階煤中可占總含氣量的40％～50％，高煤階煤中也可達(dá)到10％左右。因此準(zhǔn)確估算殘余氣的含量對(duì)于煤層氣的開采利用有很大的指導(dǎo)意義。常規(guī)的含氣量測(cè)量中(gb/t19559-2008)，針對(duì)殘余氣的測(cè)量，把煤塊粉碎后解析的方法來測(cè)定試樣中殘余氣的含量，需要按照24小時(shí)的間隔進(jìn)行讀數(shù)，測(cè)試時(shí)間往往長(zhǎng)達(dá)一個(gè)星期以上。

殘余瓦斯含氣量的測(cè)試需要較長(zhǎng)的時(shí)間，這對(duì)于設(shè)備的氣密性提出了較大的要求，同時(shí)，效率比較低下。這里根據(jù)密度的測(cè)試?yán)碚摷巴咚官x存特征，給出了一個(gè)估算煤樣殘余瓦斯含量的理論公式，可以較為準(zhǔn)確的估算出樣品中殘余瓦斯的含量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本技術(shù)方法主要目的是提供一種快速準(zhǔn)確的估算煤樣中殘余瓦斯的含量的方法，主要思想方法為把煤樣中流體假設(shè)為全部以游離態(tài)賦存于孔隙空間里，通過測(cè)定煤樣的體密度和真密度以及孔隙度，進(jìn)而結(jié)合等效密度理論公式給出了本發(fā)明的理論公式，利用本發(fā)明的計(jì)算公式可以較為準(zhǔn)確的估算出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煤樣中殘余瓦斯的含量，從而為計(jì)算殘余瓦斯含量提供了一種新的思路。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案：

(1)煤樣體密度的實(shí)驗(yàn)測(cè)定：通過制作一個(gè)圓柱狀的樣品，利用游標(biāo)卡尺對(duì)該煤巖樣品的直徑和高度進(jìn)行測(cè)量和控制，然后通過精度為0.001g的天平對(duì)煤巖樣品在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行稱重，求得煤巖的體密度。

(2)樣品含水量的測(cè)定：在制作圓柱狀煤巖樣品中，采用其中的碎屑，通過國(guó)標(biāo)gb/t23561.6-2009含水率的測(cè)定方法可以測(cè)得所用煤樣的含水率。

(3)樣品孔隙度的測(cè)定：對(duì)所制備樣品在一定100℃下快速烘干和抽真空處理后利用波義耳定律雙室實(shí)驗(yàn)方法可以測(cè)得樣品的孔隙度。

(4)樣品真密度的測(cè)定：利用精度為0.001g的天平對(duì)步驟(3)中所得樣品在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下稱重后利用前面實(shí)驗(yàn)步驟已測(cè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)計(jì)算出樣品真密度，即不含流體的骨架密度。

(5)殘余瓦斯含量的計(jì)算：最后利用本發(fā)明的公式就可以給出計(jì)算殘余瓦斯含量的公式，進(jìn)而估算出殘余瓦斯的含量。

優(yōu)選地，所述煤樣殘余含氣量估算方法具體包括以下步驟：

s1樣品的制備：把煤樣制備成一個(gè)直徑3.8cm，高度5cm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱狀樣品，用于樣品測(cè)試，其中直徑和高度用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量和控制。

s2煤樣體密度的實(shí)驗(yàn)測(cè)定：利用精度為0.001g的天平對(duì)步驟(1)中的煤巖樣品在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行稱重，然后計(jì)算出樣品的體密度。

s3樣品含水量的測(cè)定：通過國(guó)標(biāo)gb/t23561.6-2009含水率的測(cè)定方法利用制備樣品用到的煤體碎屑測(cè)出樣品的含水率，進(jìn)而計(jì)算出圓柱狀樣品中水的含量。

s4對(duì)樣品加熱到100℃進(jìn)行快速烘干處理后再進(jìn)行抽真空處理，以便快速、完全的去除樣品孔隙中的流體。

s5孔隙度的測(cè)定：對(duì)步驟s4中所得樣品通過本發(fā)明中配套實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用波義耳定律雙室實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得樣品的孔隙度。

s6煤樣真密度的測(cè)定：利用精度為0.001g的天平對(duì)步驟s5中所得樣品其進(jìn)行稱重，通過步驟s5中所測(cè)得的孔隙度可以計(jì)算出固相骨架的體積，進(jìn)而可以計(jì)算出煤樣的真密度，即不含流體的骨架密度。

s7等效瓦斯密度的計(jì)算：利用本發(fā)明的思想和以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過等效密度理論公式計(jì)算出殘余瓦斯的等效密度。

s8殘余瓦斯含量的計(jì)算：利用步驟s7中所得瓦斯等效密度和標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯密度的關(guān)系，利用本發(fā)明中的公式可以最終計(jì)算得出煤樣殘余瓦斯的含量。

附圖說明

附圖是用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實(shí)施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是本發(fā)明中估算煤樣殘余瓦斯含量的流程圖

圖2是本發(fā)明中用于孔隙度測(cè)定的配套實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖3是本發(fā)明主要思想方法中所假設(shè)的理論模型示意圖

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合流程圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不限于此。

首先按流程圖中的步驟通過一定的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得本發(fā)明中需要的煤樣參數(shù)，具體實(shí)施如下：

1、把煤樣制備成一個(gè)直徑3.8cm，高度5cm的樣品，尺寸用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量和控制。然后用精度為0.001g的天平對(duì)樣品進(jìn)行稱重后計(jì)算出樣品的體密度，記為ρb；

2、通過國(guó)標(biāo)gb/t23561.6-2009含水率的測(cè)定方法利用制備樣品用到的煤體碎屑測(cè)出樣品的含水率，從而計(jì)算出所制備樣品的含水量，密度和體積分別記為ρw、υw,具體實(shí)施過程在這里不做敘述。

3、對(duì)樣品加熱到100℃進(jìn)行快速烘干處理后再進(jìn)行抽真空處理，完全快速的去除樣品孔隙中的流體，這樣做的第一個(gè)目的是使下一步孔隙度的測(cè)定結(jié)果更準(zhǔn)確，因?yàn)榭紫吨辛黧w的存在會(huì)占據(jù)孔隙空間一部分的體積，如果不去除將會(huì)使孔隙度的測(cè)量結(jié)果偏小。第二個(gè)目的是為樣品真密度的測(cè)定做準(zhǔn)備。

4、利用完全去除流體的樣品通過本發(fā)明中配套的實(shí)驗(yàn)裝置(圖2)測(cè)出樣品的孔隙度，實(shí)驗(yàn)用到的方法為波義耳雙室實(shí)驗(yàn)法，測(cè)出的孔隙度記為φ，圖2是測(cè)量孔隙度的配套實(shí)驗(yàn)裝置，圖中1為減壓閥，和2氣壓罐相連，可以控制氣壓罐中氣體的最大壓強(qiáng)，本試驗(yàn)中2氣壓罐中氦氣壓強(qiáng)最大控制在150psi，氣壓罐的作用為試驗(yàn)中向右邊系統(tǒng)中輸送氣體(氦氣)；3為泄壓閥，控制進(jìn)入系統(tǒng)的壓強(qiáng)不超過110psi；4為單向閥門，控制氣體只能從左邊系統(tǒng)進(jìn)入右邊系統(tǒng)；5為壓力表和10參考室相連，試驗(yàn)中可以測(cè)量10參考室中氣體壓強(qiáng)，6為雙向閥門，可以控制氣體進(jìn)入和流出參考室；7為壓力表和11樣品室相連，試驗(yàn)中可以測(cè)量樣品室中的氣體壓強(qiáng)，8為三向閥門，可以控制氣體從參考室10中流入樣品室11中，也可以控制參考室和樣品室中的氣體排出系統(tǒng)外；9為單向閥門，試驗(yàn)中控制氣體排出系統(tǒng)外；12為恒溫水箱，試驗(yàn)中作用為控制參考室和樣品室中溫度不變。其中樣品室的尺寸大小和所制備煤樣尺寸相對(duì)應(yīng)，使測(cè)量更方便，結(jié)果更準(zhǔn)確。具體實(shí)驗(yàn)方法這里不做詳述。

5、利用精度為0.001g的天平對(duì)(3)中所得樣品在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下進(jìn)行稱重，利用前面所述實(shí)驗(yàn)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)-孔隙度和樣品體積可以計(jì)算出固相骨架的體積，進(jìn)而可以計(jì)算出煤樣的真密度；

6、煤樣孔隙中流體主要為殘余瓦斯和水份，殘余瓦斯主要以吸附態(tài)賦存于孔隙空間中，而水份主要以游離態(tài)存在，在本發(fā)明中，作者假設(shè)殘余瓦斯和水份全部以游離態(tài)賦存于孔隙空間中而完全和固體骨架分離，如圖3模型中所示，圖中1為煤樣骨架部分，不含流體，2為流體中殘余瓦斯部分，3為流體中水份部分，4表示沒有孔隙的固相骨架部分，5表示煤樣孔隙空間部分。根據(jù)本發(fā)明思想結(jié)合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用等效密度理論公式可以計(jì)算出煤樣殘余瓦斯的等效密度和體積。最后結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯的密度，利用本發(fā)明中公式計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下殘余瓦斯的體積，進(jìn)而得出煤樣中殘余瓦斯的含量。

以上為本發(fā)明所用到的全部實(shí)驗(yàn)方法、數(shù)據(jù)以及本發(fā)明的思想方法，下面給出詳細(xì)計(jì)算過程：

本發(fā)明中，把殘余瓦斯和水份假設(shè)為全部賦存于孔隙空間中，如圖3模型中所示，則根據(jù)等效密度理論公式，有以下關(guān)系：

ρb＝(1-φ)ρo+φρf＝(1-φ)ρo+φ(swρw+sgρgd)(1)

式中

ρb-煤樣真密度，g/cm³；

φ-孔隙度，％；

ρf-孔隙流體的等效密度，主要是瓦斯和水份，g/cm³；

ρo-煤樣真密度即不含流體的骨架密度，g/cm³；

ρw-水的密度，g/cm³；

ρgd-瓦斯全部賦存于孔隙空間中時(shí)的等效密度，g/cm³；

sw-通過測(cè)定的含水率，我們可以換算得到含水飽和度sw，同時(shí)sg＝1-sw

(1)式中只有ρgd為未知參數(shù)，其他參數(shù)都是通過一定的試驗(yàn)方法測(cè)出的已知參數(shù)，所以通過(1)式可以求出殘余瓦斯的等效密度ρgd。

由于假設(shè)為瓦斯全部以游離態(tài)賦存于孔隙空間中，此時(shí)瓦斯的體積比實(shí)際煤樣中標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯的體積小，密度比標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度大，利用已知的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯的密度就可以把殘余瓦斯體積換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積，換算公式如下：

式中

υgs-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯的體積，cm³；

υgd-本發(fā)明假設(shè)狀態(tài)下瓦斯的體積，cm³；

ρgs-標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯的密度，g/cm³；

其他參數(shù)同(1)

最后根據(jù)噸煤含氣量的定義，即每噸煤中含有的瓦斯體積，結(jié)合(1)(2)式我們得出下面關(guān)系式：

式中

g-殘余瓦斯含量，cm³/g,也就是m³/t；

其他參數(shù)同上

從而計(jì)算得到殘余瓦斯含量

以上根據(jù)本發(fā)明的目的，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施過程、技術(shù)方案和所用裝置進(jìn)行了詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的思想原則范圍之內(nèi)所做的任何修改、改進(jìn)等均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。