СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ СОРБЦИОННЫХ СВОЙСТВ УГЛЕЙ

Изобретение относится к способам определения сорбционной газоемкости углей при прогнозах газоносности угольных пластов, расчетов ожидаемого газовыделения в горные выработки шахт, объемов добычи метана при промысловой добыче метана из скважин, пробуриваемых с поверхности, и оценки запасов метана в угольных месторождениях.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ определения метаноемкости углей (авторское свидетельство СССР №454445, МПК G01N 1/00, опубл. 25.12.74, бюл. №47), включающий донасыщение угля метаном до давления порядка 60-70 атм. После установления сорбционного равновесия производят выпуски отдельно замеренных порций газа с фиксацией равновесного давления. Последующая дегазация проводится таким образом, что влага, содержащаяся в угле и переходящая в пар при наличии вакуума и повышенной температуры, задерживают поглотителем, не сорбирующим метан, перед замером газа извлекаемого угля.

Недостатком способа является невозможность одновременного проведения исследований при разных температурах.

Техническим результатом изобретения является повышение точности, качества и сокращение времени проведения исследований, возможность одновременного произведения исследований сорбционных свойств углей, отобранных из скважин с различной пластовой температурой.

Технический результат достигается тем, что в способе исследования сорбционных свойств углей, включающем закачивание измеренного объема метана, насыщение угля метаном и последующую десорбцию, согласно изобретению устанавливают необходимую для исследования температуру, измеренный объем метана закачивают под давлением 1 МПа с последующим увеличением давления с интервалом 1 МПа включительно до пластового, после чего определяют объем абсорбированного метана по количеству десорбированного с учетом поправки на неэффективный объем, по измеренным объемам адсорбированного метана при каждом значении давления рассчитывают газоемкость на тонну и на сухую беззольную массу с учетом влажности и зольности, затем по полученным данным строят линейную функцию с указанием формулы для обеих кривых

P/V=m×р+b,

где V - объем метана, м³/т;

Р - абсолютное давление, МПа;

m - рассчитывается из линейного уравнения как коэффициент (Р);

b - рассчитывается из линейного уравнения как свободный коэффициент;

после чего рассчитывают объем Ленгмюра и давление Ленгмюра по формулам

V_L=1/m,

где V_L - объем Ленгмюра, м³/т,

P_L=V_L×b,

где P_L - давление Ленгмюра, МПа,

полученные значения объема Ленгмюра и давления Ленгмюра используют в уравнении адсорбции для определения сорбционной газоемкости

строят график зависимости измеренных и рассчитанных значений объема адсорбции от значений давления.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена установка для исследования сорбционных свойств углей (вид спереди), а на фиг. 2 - замерный узел установки для исследования сорбционных свойств углей, фиг. 3 - изотерма сорбции, фиг. 4 - график зависимости измеренных и рассчитанных значений объема адсорбции от значений давления.

Для реализации способа может быть использована установка для исследования сорбционных свойств углей (например, Дмитриев, А.М. Проблемы газоносности угольных месторождений / А.М. Дмитриев, Н.Н. Куликова, Г.В. Бодня. - М.: Недра, 1982. - С. 55-59), включающая металлическую часть, рассчитанную на давление 15 МПа, и стеклянную, служащую для замеров объемов метана при давлениях не более 0,1 МПа.

К части высокого давления относятся следующие элементы: линия 1 с краном 2 для подачи метана из транспортного баллона в линию предварительного набора метана 3. Линия предварительного набора метана 3 кранами 4-8 соединена с емкостями предварительного набора метана 9-13, которые соединены с образцовыми манометрами 14-18 на давление до 16 МПа. С помощью металлических кранов 19-23 емкости предварительного набора метана 9-13 соединяют с образцовыми манометрами 24-28 на давление 10 МПа, а с помощью кранов 35-39 - с сорбционными ампулами 41-45. Сорбционные ампулы 41-45 и емкости предварительного набора метана 9-13 представляют собой цельнотянутые стальные баллоны на рабочее давление до 20 МПа и имеющие емкость в первом случае 400 мл, во втором 2000 мл каждый.

На линиях, соединяющих металлические краны 19-23 и краны 35-39, находятся краны 29-33, которые соединяют сорбционные ампулы 41-45 с линией низкого давления 46. На другом конце линии низкого давления помещены образцовый вакуумметр 40 и кран 34, и через газовый редуктор линия низкого давления подсоединена к стеклянной части установки.

Стеклянная часть установки состоит из осушительной емкости с хлоридом кальция CaCl₂ 47, калиброванных емкостей 50 и 51 с кранами 52, 53 и трехходового крана 54, соединяющего всю систему с вакуумным насосом или атмосферой. Осушительная емкость с хлоридом кальция CaCl₂ 47 присоединяется двумя трехходовыми кранами 48 и 49.

Дополнительно каждая сорбционная ампула 41-45 помещена в термостат с температурным датчиком, а образцовые манометры 14-18, 24-28 на емкостях предварительного набора метана 9-13 и сорбционных ампулах 41-45 подсоединены к программному модулю.

Перед изучением сорбционных свойств углей пробы угля делят на две части (вдоль сечения): одну используют для качественного и углепетрографического анализа, вторая - для исследования сорбционных свойств.

Производят определение влажности исследуемых углей по ГОСТ 52917-2008 Методы определения влаги в аналитической пробе.

Проводят определения зольности углей (ГОСТ 55661-2013 Методы определения зольности) и выхода летучих веществ (ГОСТ 55660-2013 Методы определения выхода летучих веществ). Это необходимо для обработки результатов анализа. Также проводится определение отражательной способности витринита (ГОСТ 55659-2013 Метод определения показателей отражения) для каждого образца и петрографический анализ (ГОСТ 55662-2013 Метод определения петрографического состава).

Проводят определения действительной и кажущейся плотности по ГОСТ 2160-92 Топливо твердое минеральное. Методы определения плотности.

Вторую часть угля измельчают и помещают в адсорбционную ампулу. Ампулы взвешивают до и после наполнения углем, таким образом, определяют массу навески угля. Сорбционную ампулу устанавливают в термостат с температурным датчиком, измерительную систему ваккуумируют, затем устанавливают необходимую температуру. Испытания проводят при двух-трех различных температурах для каждого образца.

Наполняют метаном из транспортного баллона емкости предварительного набора метана 9-13. Давление в баллонах должно соответствовать давлению, которое будет закачиваться в сорбционную ампулу. После наполнения емкостей предварительного набора метана 9-13 метаном краны 4-8 перекрывают. На стадии сорбирования метана углем краны 29-33 перекрывают. Для того чтобы метан поступил в сорбционные ампулы 41-45 открывают краны 19-23. Затем в сорбционные ампулы 41-45 закачивают измеренный объем метана под давлением 1 МПа. Регистрацию изменений параметров осуществляет программный модуль. Необходимо наблюдать за изменением давления пока не будет достигнуто состояние равновесия. Регистрацию данных необходимо осуществлять, пока изменение давления не станет незначительным, то есть менее 0,1 МПа в час для данного типа исследования. Если затем на протяжении 20 часов давление не изменяется, считается, что достигнуто состояние равновесия. Образец угля полностью насыщен метаном при равновесном давлении.

Для измерения объема адсорбированного метана краны 19-23 перекрывают. Открывают какой-либо из кранов 29-33, кран 34 и газовый редуктор таким образом, чтобы в замерном узле не образовалось избыточное давление, что чревато разрушением стеклянных частей и травмированием. Метан пропускается через осушительную емкость 47 и вытесняет воду из калиброванных емкостей 50, 51. Необходимо тщательно измерить объем метана. Процедура повторяется для каждого значения давления с интервалом 1 МПа включительно до пластового давления.

Объем адсорбированного метана определяется по количеству десорбированного метана с учетом поправки на неэффективный объем. Свободный объем метана в трубках и сорбционной ампуле называется неэффективным объемом. При изменении количества образца или замене самой сорбционной ампулы неэффективный объем изменяется, поэтому его необходимо измерять при каждом исследовании адсорбционных свойств. Неэффективный объем определяется с помощью гелия, так как адсорбция гелия адсорбентом ничтожна мала. Необходимо закачать гелий в пространство при разных давлениях, при которых будут проводиться испытания, и замерить объем гелия.

По измеренным объемам адсорбированного метана при каждом значении давления (рекомендуемые значения: 1-2-3-4-5-6-7-8 МПа) строят таблицу. Рассчитывают газоемкость на тонну и на сухую беззольную массу (с.б.м.) с учетом влажности и зольности. Полученные данные проведенных исследований занесли в таблицу 1.

Затем строят график значения давление/объем относительно значений давления для соотношения давление/объем на тонну и на сухую беззольную массу. Строят для обеих кривых линейную функцию с указанием формулы (фиг. 3).

P/V=m×р+b,

где V - объем метана, м³/т;

Р - абсолютное давление, МПа;

m - рассчитывается из линейного уравнения как коэффициент (Р);

b - рассчитывается из линейного уравнения как свободный коэффициент.

В примере выше m=0,0302; b=0,0762.

Рассчитывают объем Ленгмюра и давление Ленгмюра по формулам:

V_L=1/m,

где V_L - Объем Ленгмюра, м³/т.

P_L=V_L×b,

где P_L - Давление Ленгмюра, МПа.

Полученные значения объема Ленгмюра и давления Ленгмюра используют в уравнении адсорбции для определения сорбционной газоемкости.

Уравнение адсорбции:

где V - объем метана, м³/т;

Р - абсолютное давление, МПа;

V_L - объем Ленгмюра, м³/т;

P_L - давление Ленгмюра, МПа.

Строят график зависимости измеренных и рассчитанных значений объема адсорбции от значений давления (фиг. 4).

После обработки результатов графическим методом можно получить значение сорбционной газоемкости угля для любых природных значений температуры и давления (для данного пласта).