[发明专利]一种煤页岩中气体扩散系数测定装置

说明书

本发明公开了一种煤页岩中气体扩散系数测定装置，包括实验舱，实验舱的内部通过双层密封隔板分为左实验腔室和右实验腔室，双层密封隔板之间集成安装有用于存储气体的存储泵、用于测定左实验腔室和右实验腔室内气体浓度的气相色谱仪气路系统、用于测定左实验腔室和右实验腔室内压力值的气体压力变化检测装置，左实验腔室和右实验腔室的壁面上内壁上设有样品夹持密封安装孔，本发明通过将各个检测设备集成到同一个实验舱上，简化了实验操作步骤，减小了实验外在影响因素；通过将气体扩散系数的两种方式结合在一起，同时进行测定，并且不影响操作，不仅能减少繁琐的数据计算，而且减小了外在客观因素的影响。

技术领域

本发明涉及煤页岩中气体开发技术领域，具体为一种煤页岩中气体扩散系数测定装置。

背景技术

煤层气(或页岩气)，是指赋存在煤(页)岩中以甲烷为主要成分、以吸附在基质颗粒表面为主、部分游离于孔隙中或溶解于岩层水中的烃类气体。

煤层气(或页岩气)具有以下几个特点：

(1)基本不含C2以上的重烃，产出时没有无机杂质；

(2)在地下主要是以大分子团的吸附状态存在于煤页岩中，具备较好的产能基础；

(3)煤层气开采是通过排水降低地层压力，使煤层气在煤层中解吸-扩散-流动采出，而常规天然气则是靠自身的压力产出；

(4)煤层气初始生产产量低，但周期长，可达数十年，天然气初期产量高，生产周期常小于10年；

(5)煤层气又称煤矿瓦斯，是煤矿生产安全的主要威胁，同时其产生的温室效应较CO2强。

因此，开采煤层气有利于：首先，降低煤矿安全事故；其次，可以起到环保效应；再次，可以产生良好的经济效益。

对煤层气(或页岩气)进行开采之前，需要先认清其在煤页岩中的运移规律，扩散是煤层气产出过程中必然经历的环节。煤层气的产出势必要经过解吸-扩散-渗流的过程，煤层气产量的高低受这三个环节的共同控制。当储层压力降到临界解吸压力之后,煤层气便从煤孔隙内表面解吸出来。由于煤基质中孔隙以直径小于10nm的微孔隙为主，渗透率极低，煤层气首先扩散到渗透性裂隙或割理中才能渗流产出。气体进入渗透性裂隙后遵从达西定律渗流，气体产量是压力和渗透率的函数。由此可见,扩散作用在煤层气的解吸产出过程中起着重要的衔接作用。扩散的实质是气体从高分子密度区(煤基质)向低分子密度区(渗透性裂隙)的运动，扩散速度与气体分子扩散距离即裂隙间距的平方呈反比。扩散作用主要影响煤层气井的早期产量及其后期的稳产时间。

实际的煤层气(或页岩气)扩散过程可以由菲克第二定律来描述，如方程(1)：

式(1)中，C为煤层气(或页岩气)的浓度；t为时间；x,y,z为空间坐标，D为煤层气(或页岩气)扩散系数，其显示气体扩散能力。扩散系数的精确度反映人类对煤层气(或页岩气)运移过程的认识程度，也反映了煤层气(或页岩气)的开发能力。因此，需要有效精确地确定煤层气(或页岩气)扩散系数D。

现有技术确定煤层气(或页岩气)在基质中扩散系数，是将粉碎颗粒样品置于密封扩散器皿中，再向其中注入煤层气(或页岩气)，当气体开始扩散至样品中时，扩散器皿中的气压值下降。利用监测仪器记录其气压动态变化值，当扩散处于平衡状态时(即吸附饱和时)可以由菲克第二定律计算得到气体的扩散系数。

现有技术还有根据菲克第二定律，通过测定气体浓度变化或压力变化的方式进行扩散系数的测定，

但是，这种技术破坏了煤页岩本身特有的空间结构，造成检测的结果与实际的煤页岩基质的扩散系数相差较大；另有一种技术，其保存了煤页岩原始样品空间结构，但是其仪器的空间密闭性不稳定，很难达到精确测定的扩散的要；现有的气体压力变化和浓度方式仍然不能解决很多实验客观的影响因素，无法保证测量精度。

发明内容