基於核磁共振的煤層氣產出過程甲烷狀態監測裝置及方法與流程
2023-06-16 09:24:07 4
本發明是關於煤層氣產出過程煤樣甲烷狀態的監測裝置及方法，尤其涉及一種基於核磁共振的煤層氣產出過程甲烷狀態監測裝置及方法。
背景技術：
煤層氣主要以甲烷為主，在煤儲層存在吸附態、游離態和溶解態等，主要以吸附態存在。煤層氣產出的前提是從吸附態轉變為游離態，產出的整個過程要經歷解吸、擴散和滲流三個階段。煤層氣解吸前首先需要排水降壓，當儲層壓力降低至臨界解吸壓力時，煤層氣開始解吸。生產實踐及實驗表明，儲層中的水和井底壓差影響著煤層氣的產出，目前對甲烷狀態的研究主要是採用等溫吸附原理研究吸附態甲烷隨壓力的變化規律，且多為粉狀樣，而在煤層氣實際產出過程中，甲烷的狀態是隨時間而不斷變化的，且受儲層中水和井底壓差的的影響，因此，從微觀角度研究煤層氣產出過程中不同賦存狀態甲烷的動態變化，對揭示煤層氣產出過程水和井底壓差對煤層氣產量的影響具有重要意義。
在模擬煤層氣產出過程中，用常規的儀器，很難實時監測甲烷狀態隨時間的動態變化，通過核磁共振技術測試的核磁共振橫向弛豫時間T2，可將煤儲層中不同狀態的煤層氣區分出來，並可監測甲烷不同狀態隨時間的變化。
目前採用一種更優越的煤層氣產出過程中甲烷狀態監測方法，十分重要的顯現出來。
技術實現要素：
為了解決煤層氣產出過程中甲烷狀態的動態變化，本發明提供了一種模擬煤層氣產出過程中，基於核磁共振的煤樣甲烷狀態動態監測方法。它將核磁共振技術與巖心驅替技術相結合，實現了模擬煤層氣產出過程中，實時監測煤樣甲烷狀態的動態變化，同時，還可研究驅替壓力、驅替進出口壓力差、水、圍壓對煤樣中甲烷狀態的影響。
為解決上述技術問題，本發明提供的技術方案為：基於核磁共振的煤層氣產出過程甲烷狀態監測裝置，其特徵在於：包括用於放置煤樣的巖心夾持器、纏繞在在巖心夾持器外側的測試線圈、與測試線圈相對應的磁體，所述的巖心夾持器包括入口端和出口端，所述的巖心夾持器的入口端連接有用於向巖心夾持器內施加圍壓的圍壓壓力泵、圍壓控制平臺和監測壓力的圍壓傳感器，所述的巖心夾持器的出口端連接有真空泵、真空泵閥門、出口壓力控制泵、出口閥門和氣體流量計一，所述的測試線圈上連接有信號採集裝置，還包括與巖心夾持器入口端連接的氣驅管路和水驅管路，所述的氣驅管路包括甲烷氣源、壓力調節閥、進口閥門、氣體流量計二、氣驅壓力顯示器和驅替壓力傳感器，所述的水驅管路包括驅替壓力泵、驅替液體容器、進口閥門、水驅替壓力控制臺和驅替壓力傳感器。
所述的壓力調節閥的個數為兩個。
所述的驅替液體容器內設有推動液體的活塞，所述的驅替壓力泵和進口閥門分別設置在驅替液體容器 的入口和出口。
基於核磁共振的煤層氣產出過程甲烷狀態的監測方法，所用到的監測裝置為上面所述的監測裝置，具體操作步驟如下：
1)制樣、裝樣、抽真空及氣密性檢查
將製作好的煤樣在105℃條件下乾燥4h以上，經核磁共振T2譜測試，無核磁信號後，將煤樣裝入巖心夾持器，關閉進口閥門和出口閥門，打開真空泵閥門，用真空泵抽真空8h以上，去除裝置中的空氣，關閉真空泵，通過真空泵觀察真空度是否下降，判斷裝置是否漏氣，若不漏氣，卸載真空泵；
2)乾燥煤樣吸附解吸過程甲烷狀態監測
將甲烷氣源通過進口閥門連接至巖心夾持器，連接前，用甲烷排空進口閥門與甲烷氣源之間管路中的空氣，通過加載圍壓壓力泵給煤樣加載一定的圍壓，圍壓要高於驅替壓力，打開進口閥門，關閉出口閥門，以設定的驅替壓力將甲烷驅替到煤樣中，使煤樣吸附一定量甲烷或吸附至該驅替壓力點的甲烷飽和吸附量，對該吸附過程通過核磁信號採集裝置每隔15min採集一次橫向弛豫時間T2譜信號，是否吸附飽和可根據核磁共振T2譜吸附峰面積是否變化判斷，關閉進口閥門和甲烷氣源，打開出口閥門，通過出口壓力控制泵將出口壓力直接降至大氣壓或從驅替壓力逐漸降低，使煤樣解吸一段時間，對該解吸過程通過核磁信號採集裝置每隔15min採集一次橫向弛豫時間T2譜信號，關閉出口閥門，打開甲烷氣源和進口閥門，以相同的驅替壓力將甲烷驅替到煤樣中，至煤樣吸附甲烷量與第一次吸附時相同，對該吸附過程通過核磁信號採集裝置每隔15min採集一次橫向弛豫時間T2譜信號；
3)含水煤樣驅替解吸過程甲烷狀態監測
關閉進口閥門和甲烷氣源，將水驅管路連接至巖心夾持器，先以低驅替壓力將重水驅進煤樣一部分，該驅替壓力大小為剛能把重水驅替進煤樣的壓力，可首先通過水驅替實驗確定；然後打開出口閥門，設定重水驅替壓力，將出口壓力直接降至大氣壓或從該重水驅替壓力點開始逐漸降低。出口壓力至大氣壓後，將驅替壓力逐漸降低，至無甲烷出來，然後再緩慢提高驅替壓力，至有甲烷出來，由此可確定合適的驅替進口和出口壓力差。對整個過程通過核磁信號採集裝置每隔15min採集一次橫向弛豫時間T2譜信號；
4)含水煤樣甲烷吸附解吸過程甲烷狀態監測
清除驅替裝置中的殘留重水，將水驅管路換為氣驅管路，連接前，用甲烷排空進口閥門與甲烷氣源之間管路中的空氣，關閉出口閥門，打開甲烷氣源和驅替進口閥門，以與第一次吸附時相同的驅替壓力將甲烷驅替到煤樣中，至煤樣吸附甲烷量與第一次吸附時相同，對該吸附過程通過核磁信號採集裝置每隔15min採集一次橫向弛豫時間T2譜信號；
5)不同圍壓條件煤層氣產出過程甲烷狀態監測
選取物性參數基本一致的煤樣，通過加載圍壓壓力泵設置不同的圍壓，重複步驟1、步驟2、步驟3和步驟4，可監測煤樣吸附解吸過程中圍壓對甲烷狀態的影響。
6)不同條件煤層氣產出過程甲烷狀態變化對比
利用核磁共振T2譜，通過步驟2可獲得乾燥煤樣在吸附解吸過程中甲烷狀態的變化規律；通過步驟4和步驟2的對比可獲得煤樣吸附解吸過程中重水對甲烷狀態的影響及變化規律；通過步驟2、步驟3和步驟4對比分析可獲得驅替壓力及驅替壓力差對煤樣吸附解吸過程中甲烷狀態的影響及其變化規律。
本發明的原理為：本發明主要通過核磁共振橫向弛豫時間T2譜來測量煤柱吸附解吸過程中甲烷狀態的動態變化及水、驅替壓力、驅替壓力差和圍壓對甲烷狀態的影響，本發明中核磁共振技術探測的是甲烷中的氫原子核，其信號幅度與探測範圍內的甲烷質量成正比；實驗中所用水為無核磁信號的重水，可避免甲烷和水的信號相互重疊，煤樣中的甲烷與自由狀態甲烷具有不同的核磁共振特徵；煤樣的存在加快了甲烷的弛豫速率，理論上，煤柱中甲烷的核磁共振橫向弛豫時間T2譜大致出現三個譜峰，從左到右分別為吸附態甲烷峰、受限孔裂隙中的甲烷峰和自由態甲烷峰，實際中，由於實驗用煤柱體積較小，煤柱本身孔裂隙又不發育，所以自由態甲烷峰可能觀測不到。
因而本發明具有以下優點：與現有技術相比，應用本發明可以實時觀測煤柱中甲烷狀態的動態變化，進而研究甲烷狀態變化的影響因素。
附圖說明
圖1是本發明基於核磁共振的煤層氣產出過程甲烷狀態監測裝置氣驅的結構示意圖。
圖2是本發明基於核磁共振的煤層氣產出過程甲烷狀態監測裝置水驅的結構示意圖。
如圖所示：1、巖心夾持器，2、測試線圈，3、磁體，4、圍壓壓力泵，5、圍壓控制平臺，6、圍壓傳感器，7、真空泵，8、真空泵閥門，9、出口壓力控制泵，10、出口閥門，11、氣體流量計一，12、信號採集裝置，13、甲烷氣源，14、壓力調節閥，15、進口閥門，16、氣體流量計二，17、氣驅壓力顯示器，18、驅替壓力傳感器，19、驅替壓力泵，20、驅替液體容器，21、水驅替壓力控制臺，22、活塞，23、煤樣。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。
本發明提供了一種利用核磁共振技術監測煤層氣產出過程中甲烷狀態動態變化的方法，所述方法利用巖心驅替技術對驅替過程中甲烷狀態進行核磁共振測量，獲得驅替過程中隨時間不斷變化的甲烷狀態，從而分析煤層氣產出過程中甲烷狀態隨時間的動態變化和不同因素對其狀態的影響。
所用的到基於核磁共振的煤層氣產出過程甲烷狀態監測裝置，包括用於放置煤樣的巖心夾持器1、纏繞在在巖心夾持器1外側的測試線圈2、與測試線圈2相對應的磁體3，所述的巖心夾持器1包括入口端和出口端，所述的巖心夾持器1的入口端連接有用於向巖心夾持器1內施加圍壓的圍壓壓力泵4、圍壓控制平臺5和監測壓力的圍壓傳感器6，所述的巖心夾持器1的出口端連接有真空泵7、真空泵閥門8、出口壓力控制泵9、出口閥門10和氣體流量計一11，所述的測試線圈2上連接有信號採集裝置12，還包括 與巖心夾持器1入口端連接的氣驅動管路和水驅管路，所述的氣驅管路包括甲烷氣源13、壓力調節閥14、進口閥門15、氣體流量計二16、氣驅壓力顯示器17和驅替壓力傳感器18，所述的水驅管路包括驅替壓力泵19、驅替液體容器20、進口閥門15、水驅替壓力控制臺21和驅替壓力傳感器18。
所述的壓力調節閥14的個數為兩個。
所述的驅替液體容器20內設有推動液體的活塞22，所述的驅替壓力泵19和進口閥門15分別設置在驅替液體容器20的入口和出口。
本發明測量方法為：
第一，將煤樣在105℃條件下乾燥4h以上，經測試，基本無核磁信號後，將煤樣裝入巖心夾持器，關閉巖心夾持器與外界空氣連通的閥門，用真空泵抽真空8h以上，去除煤樣及巖心夾持器中的空氣；
第二，將甲烷連接至驅替裝置，連接前，先用甲烷排空管路中的空氣，然後給煤樣加載一定的圍壓，要求圍壓大於軸壓，打開進口閥門，關閉出口閥門，以設定的驅替壓力將甲烷驅替到煤樣中，使煤樣吸附一定量甲烷或吸附至該驅替壓力點的飽和甲烷量；關閉進氣口和氣瓶，打開出氣口，出氣口壓力直接降至大氣壓或從驅替壓力逐漸降低，使煤樣解吸一段時間。關閉出氣口閥門，打開氣瓶和驅替進口閥門，以相同的驅替壓力將甲烷驅替到煤樣中，至煤樣吸附甲烷量與第一次吸附時相同；
第三，關閉進口閥門和氣瓶，將水驅管路連接至巖心夾持器，先以低驅替壓力將重水驅進煤樣一部分，該驅替壓力根據水驅替煤樣難易程度確定，可先通過水驅替實驗確定；然後打開出口閥門，設定重水驅替壓力，將出口壓力直接降至大氣壓或從該重水驅替壓力點開始逐漸降低。出口壓力至大氣壓後，驅替壓力逐漸降低，至無甲烷出來，然後再緩慢提高驅替壓力，至有甲烷出來，由此可確定合適的驅替進口和出口壓力差；
第四，清除驅替裝置中的殘留重水，將水驅管路換為氣驅管路，以與第一次相同的驅替壓力將甲烷驅替到煤樣中，至煤樣吸附甲烷量與第一次吸附時相同；然後將出口壓力直接降至大氣壓或從該驅替壓力點開始逐漸降低；
第五，選取物性參數基本一致的煤樣，通過設置不同的圍壓，重複上述步驟，研究圍壓對煤樣中甲烷狀態的影響；
通過核磁共振T2譜實時監測以上過程中煤樣中甲烷狀態的變化，可綜合研究驅替壓力、水和圍壓對煤樣中甲烷狀態的影響；
本發明利用核磁共振技術監測煤層氣產出過程中甲烷狀態動態變化方法的裝置主要包括兩套管路：氣驅管路和水驅管路，氣驅管路中包括甲烷氣源、施加圍壓的圍壓壓力泵、巖心夾持器、真空泵、出口壓力控制泵和信號採集裝置，其中巖心夾持器放置在測試線圈中，測試線圈放置在外加磁體中心位置，甲烷氣源通過閥門與巖心夾持器相連，圍壓壓力泵通過圍壓控制臺對巖心夾持器施加圍壓，真空泵通過閥門與巖心夾持器出口端相連，出口壓力控制泵通過閥門與巖心夾持器出口相連接，信號 採集裝置與測試線圈相連接，在驅替入口處安裝有氣體流量計和氣驅壓力顯示器，在巖心夾持器出口端安裝有氣體流量計。水驅管路包括驅替液罐、施加圍壓的圍壓壓力泵、驅替壓力泵、巖心夾持器、出口壓力控制泵和信號採集裝置，其中巖心夾持器放置在測試線圈中，測試線圈放置在外加磁體中心位置，驅替壓力泵與驅替液罐相連，驅替液罐通過閥門與巖心夾持器相連，圍壓壓力泵通過圍壓控制臺對巖心夾持器施加圍壓，出口壓力控制泵通過閥門與巖心夾持器出口相連接，信號採集裝置與測試線圈相連接，在驅替入口處安裝有氣體流量計和水驅替壓力控制臺，在巖心夾持器出口端安裝有氣體流量計。
基於核磁共振的煤層氣產出過程甲烷狀態的監測方法，其特徵在於：所用到的監測裝置為權利要求1中所述的監測裝置，具體操作步驟如下：
1)制樣、裝樣、抽真空及氣密性檢查
將製作好的煤樣23在105℃條件下乾燥4h以上，經核磁共振T2譜測試，無核磁信號後，將煤樣23裝入巖心夾持器1，關閉進口閥門15和出口閥門10，打開真空泵閥門8，用真空泵7抽真空8h以上，去除裝置中的空氣，關閉真空泵7，通過真空泵7觀察真空度是否下降，判斷裝置是否漏氣，若不漏氣，卸載真空泵7；
2)乾燥煤樣吸附解吸過程甲烷狀態監測
將甲烷氣源13通過進口閥門15連接至巖心夾持器1，連接前，用甲烷排空進口閥門15與甲烷氣源1之間管路中的空氣，通過圍壓壓力泵4給煤樣加載一定的圍壓，圍壓要高於驅替壓力，打開進口閥門15，關閉出口閥門10，以設定的驅替壓力將甲烷驅替到煤樣中，使煤樣吸附一定量甲烷或吸附至該驅替壓力點的甲烷飽和吸附量，對該吸附過程通過核磁信號採集裝置12每隔15min採集一次橫向弛豫時間T2譜信號，是否吸附飽和可根據核磁共振T2譜吸附峰面積是否變化判斷，關閉進口閥門15和甲烷氣源13，打開出口閥門10，通過出口壓力控制泵9將出口壓力直接降至大氣壓或從驅替壓力逐漸降低，使煤樣解吸一段時間，對該解吸過程通過核磁信號採集裝置12每隔15min採集一次橫向弛豫時間T2譜信號，關閉出口閥門10，打開甲烷氣源13和進口閥門15，以相同的驅替壓力將甲烷驅替到煤樣中，至煤樣吸附甲烷量與第一次吸附時相同，對該吸附過程通過核磁信號採集裝置12每隔15min採集一次橫向弛豫時間T2譜信號；
3)含水煤樣驅替解吸過程甲烷狀態監測
關閉進口閥門15和甲烷氣源13，將水驅管路連接至巖心夾持器1，先以低驅替壓力將重水驅進煤樣一部分，該驅替壓力大小為剛能把重水驅替進煤樣的壓力，可首先通過水驅替實驗確定；然後打開出口閥門10，設定重水驅替壓力，將出口壓力直接降至大氣壓或從該重水驅替壓力點開始逐漸降低，出口壓力至大氣壓後，將驅替壓力逐漸降低，至無甲烷出來，然後再緩慢提高驅替壓力，至有甲烷出來，由此可確定合適的驅替進口和出口壓力差。對整個過程通過核磁信號採集裝置12每隔15min採集一次橫向弛豫時間T2譜信號；
4)含水煤樣甲烷吸附解吸過程甲烷狀態監測
清除驅替裝置中的殘留重水，將水驅管路換為氣驅管路，連接前，用甲烷排空進口閥門15與甲烷氣源13之間管路中的空氣，關閉出口閥門10，打開甲烷氣源13和驅替進口閥門15，以與第一次吸附時相同的驅替壓力將甲烷驅替到煤樣中，至煤樣吸附甲烷量與第一次吸附時相同，對該吸附過程通過核磁信號採集裝置12每隔15min採集一次橫向弛豫時間T2譜信號；
5)不同圍壓條件煤層氣產出過程甲烷狀態監測
選取物性參數基本一致的煤樣，通過圍壓壓力泵4設置不同的圍壓，重複步驟1、步驟2、步驟3和步驟4，可監測煤樣吸附解吸過程中圍壓對甲烷狀態的影響；
6)不同條件煤層氣產出過程甲烷狀態變化對比
利用核磁共振T2譜，通過步驟2可獲得乾燥煤樣在吸附解吸過程中甲烷狀態的變化規律；通過步驟4和步驟2的對比可獲得煤樣吸附解吸過程中重水對甲烷狀態的影響及變化規律；通過步驟2、步驟3和步驟4對比分析可獲得驅替壓力及驅替壓力差對煤樣吸附解吸過程中甲烷狀態的影響及其變化規律。
以上對本發明及其實施方式進行了描述，這種描述沒有限制性，附圖中所示的也只是本發明的實施方式之一，實際的結構並不局限於此。總而言之如果本領域的普通技術人員受其啟示，在不脫離本發明創造宗旨的情況下，不經創造性的設計出與該技術方案相似的結構方式及實施例，均應屬於本發明的保護範圍。