本發(fā)明屬于巖石物理領域，具體涉及一種煤巖殘余瓦斯含氣量的估算方法及相關設備。

背景技術：

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)國內(nèi)外實驗的測定，殘余氣體積在低煤階煤中可占總含氣量的40％～50％，高煤階煤中也可達到10％左右。因此準確估算殘余氣的含量對于煤層氣的開采利用有很大的指導意義。常規(guī)的含氣量測量中(gb/t19559-2008)，針對殘余氣的測量，把煤塊粉碎后解析的方法來測定試樣中殘余氣的含量，需要按照24小時的間隔進行讀數(shù)，測試時間往往長達一個星期以上。

殘余瓦斯含氣量的測試需要較長的時間，這對于設備的氣密性提出了較大的要求，同時，效率比較低下。這里根據(jù)密度的測試理論及瓦斯賦存特征，給出了一個估算煤樣殘余瓦斯含量的理論公式，可以較為準確的估算出樣品中殘余瓦斯的含量。

技術實現(xiàn)要素：

本技術方法主要目的是提供一種快速準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為全部以游離態(tài)賦存于孔隙空間里，通過測定煤樣的體密度和真密度以及孔隙度，進而結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)明的計算公式可以較為準確的估算出標準狀態(tài)下煤樣中殘余瓦斯的含量，從而為計算殘余瓦斯含量提供了一種新的思路。

本發(fā)明解決其技術問題所采取的技術方案：

(1)煤樣體密度的實驗測定：通過制作一個圓柱狀的樣品，利用游標卡尺對該煤巖樣品的直徑和高度進行測量和控制，然后通過精度為0.001g的天平對煤巖樣品在標準狀態(tài)下進行稱重，求得煤巖的體密度。

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

(3)樣品孔隙度的測定：對所制備樣品在一定100℃下快速烘干和抽真空處理后利用波義耳定律雙室實驗方法可以測得樣品的孔隙度。

(4)樣品真密度的測定：利用精度為0.001g的天平對步驟(3)中所得樣品在標準狀態(tài)下稱重后利用前面實驗步驟已測實驗參數(shù)計算出樣品真密度，即不含流體的骨架密度。

(5)殘余瓦斯含量的計算：最后利用本發(fā)明的公式就可以給出計算殘余瓦斯含量的公式，進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：把煤樣制備成一個直徑3.8cm，高度5cm的標準圓柱狀樣品，用于樣品測試，其中直徑和高度用游標卡尺進行測量和控制。

s2煤樣體密度的實驗測定：利用精度為0.001g的天平對步驟(1)中的煤巖樣品在標準狀態(tài)下進行稱重，然后計算出樣品的體密度。

s3樣品含水量的測定：通過國標gb/t23561.6-2009含水率的測定方法利用制備樣品用到的煤體碎屑測出樣品的含水率，進而計算出圓柱狀樣品中水的含量。

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

s5孔隙度的測定：對步驟s4中所得樣品通過本發(fā)明中配套實驗設備利用波義耳定律雙室實驗方法測得樣品的孔隙度。

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

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

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

附圖說明

附圖是用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構成對本發(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)明中用于孔隙度測定的配套實驗裝置示意圖

圖3是本發(fā)明主要思想方法中所假設的理論模型示意圖

具體實施方式

以下將結合流程圖對本發(fā)明進行詳細說明，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驗方法測得本發(fā)明中需要的煤樣參數(shù)，具體實施如下：

1、把煤樣制備成一個直徑3.8cm，高度5cm的樣品，尺寸用游標卡尺進行測量和控制。然后用精度為0.001g的天平對樣品進行稱重后計算出樣品的體密度，記為ρb；

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

3、對樣品加熱到100℃進行快速烘干處理后再進行抽真空處理，完全快速的去除樣品孔隙中的流體，這樣做的第一個目的是使下一步孔隙度的測定結果更準確，因為孔隙中流體的存在會占據(jù)孔隙空間一部分的體積，如果不去除將會使孔隙度的測量結果偏小。第二個目的是為樣品真密度的測定做準備。

4、利用完全去除流體的樣品通過本發(fā)明中配套的實驗裝置(圖2)測出樣品的孔隙度，實驗用到的方法為波義耳雙室實驗法，測出的孔隙度記為φ，圖2是測量孔隙度的配套實驗裝置，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，本試驗中2氣壓罐中氦氣壓強最大控制在150psi，氣壓罐的作用為試驗中向右邊系統(tǒng)中輸送氣體(氦氣)；3為泄壓閥，控制進入系統(tǒng)的壓強不超過110psi；4為單向閥門，控制氣體只能從左邊系統(tǒng)進入右邊系統(tǒng)；5為壓力表和10參考室相連，試驗中可以測量10參考室中氣體壓強，6為雙向閥門，可以控制氣體進入和流出參考室；7為壓力表和11樣品室相連，試驗中可以測量樣品室中的氣體壓強，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，試驗中控制氣體排出系統(tǒng)外；12為恒溫水箱，試驗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應，使測量更方便，結果更準確。具體實驗方法這里不做詳述。

5、利用精度為0.001g的天平對(3)中所得樣品在標準狀態(tài)下進行稱重，利用前面所述實驗測得的實驗數(shù)據(jù)-孔隙度和樣品體積可以計算出固相骨架的體積，進而可以計算出煤樣的真密度；

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)明思想結合以上實驗數(shù)據(jù)利用等效密度理論公式可以計算出煤樣殘余瓦斯的等效密度和體積。最后結合標準狀態(tài)下瓦斯的密度，利用本發(fā)明中公式計算出標準狀態(tài)下殘余瓦斯的體積，進而得出煤樣中殘余瓦斯的含量。

以上為本發(fā)明所用到的全部實驗方法、數(shù)據(jù)以及本發(fā)明的思想方法，下面給出詳細計算過程：

本發(fā)明中，把殘余瓦斯和水份假設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的等效密度，g/cm³；

sw-通過測定的含水率，我們可以換算得到含水飽和度sw，同時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方法測出的已知參數(shù)，所以通過(1)式可以求出殘余瓦斯的等效密度ρgd。

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

式中

υgs-標準狀態(tài)下瓦斯的體積，cm³；

υgd-本發(fā)明假設狀態(tài)下瓦斯的體積，cm³；

ρgs-標準狀態(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，結合(1)(2)式我們得出下面關系式：

式中

g-殘余瓦斯含量，cm³/g,也就是m³/t；

其他參數(shù)同上

從而計算得到殘余瓦斯含量

以上根據(jù)本發(fā)明的目的，對本發(fā)明的具體實施過程、技術方案和所用裝置進行了詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，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、改進等均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。