实验三 平衡水等温吸附实验
实验三 等温吸附实验
一、实验目的
掌握等温吸附实验的原理与方法；掌握煤层气饱和度、临界解吸压力和最大理论采收率的计算。
二、实验内容
1、实验仪器
测量仪器是一台改进了的波义耳定律孔隙率仪（美国Raven Ridge 公司生产的高压等温吸附仪，图3-1），它安装在恒温水浴上，由容量为80cm 3的不锈钢基准缸和容量为160cm 3的不锈钢器缸组成，容器、管子和阀门的压力值必须大于实验时所预料的最高压力值，所有缸和管子的容积必须精确地测定。基准缸和实验缸设在恒温器中, 其温度误差控制在±0.2℃以内，基准缸和实验缸压力由高精密压力传感器单独监控，精度为3.51kPa 。实验缸的温度在实验期间要确保稳定。 不同时间的温度和压力数据均由计算机收集, 数据采集使用高速16位模拟数字转换器完成，在前60s 以每秒100个点的速度来采集，随后的数据以每秒10个点的速度采集，可以同时进行4个等温实验缸的数据采集。
图3-1 IS-100型气体等温吸附/解吸仪
2、实验样品
将样品破碎到小于60目（0.25mm ），再进行筛分分析，以确定样品的粒径分布。在进行等温吸附实验以前，首先进行样品的工业分析，以测定样品的水分、灰分、挥发分和固定碳含量。为了再现储层条件，采用美国材料实验协会（ASTM ）所推荐的标准，即在储层温度和平衡水含量条件下进行气体吸附实验。
平衡水分含量的确定方法：首先将样品称重（约100g ），精确到0.2mg ，把预湿煤样或自然煤样放入装有过饱和K 2SO 4溶液的恒温箱中，该溶液可以使相对湿度保持在96%~97%之间。48h 后煤样即被全部湿润，间隔一定时间称重一次，直到恒重为止。平衡水分含量等于工业分析中空气干燥基水分（M ad ）与平衡煤水分含量之和。
3、容量测定
容量测定包括如下步骤：① 校准仪器以确定实验缸的孔隙体积；②
使基准
缸充气的压力大于现时等温阶段实验缸要求的最终压力；③ 打开基准缸和实验缸之间的阀门，使其压力相等，并关闭该阀门；④ 监测实验缸的压力，以确定该压力点何时达到稳定，即达到吸附或脱附平衡；⑤ 重复步骤2到步骤5，直至达到实验最终压力为止；⑥ 进行等温解吸测量。
把煤放进仪器之前，先把体积已知的钢坯放进实验缸，根据波义耳定律，用氦气确定基准缸和实验缸的总容积。在实验室温度下重复三次作初始校准，以便把实验误差降至最低。总容积测量的误差一般是±0.03cm 3。
一旦煤样的水分含量达到平衡，就将80~150g的样品密封在实验缸内。用氦清洗缸体，用氦标定的过程要重复进行四次，以确定实验缸的容积和煤的密度，空隙容积测量误差一般在±0.03cm 3以内。在标定期间，必须估算相应温度和压力时氦的气体偏差系数，这种估算值可从氦的气体偏差系数表中获得。
实验过程中首先用高纯甲烷（甲烷纯度为99.99% ）清洗基准缸，然后充气使基准缸的压力大于这个压力点估算的稳定压力，打开两个缸之间的阀门，使其压力相等，记录整个阶段内不同时间的压力。在该压力点早期，以0.01s 的间隔收集数据，而在该压力点晚期，则以0.1min 的间隔收集，这个阶段是连续的，直到30min 内压力变化小于0.7kPa 为止。逐渐加压直至最终压力，以确定从一个大气压到大于储层压力范围内的吸附等温线。试验压力点数根据要求的最高压力确定，当最高压力小于或等于8MPa 时，压力点数一般为6个，每个压力点的吸附平衡时间一般大于12h ，实验最高压力为12MPa ，稳定压力为10 MPa ，压力点数也为6个。
三、实验报告
根据等温吸附方程和图3-2计算煤层气理论和实测饱和度、临界解吸压力和最大理论采收率。
等温吸附方程为：
V =1366.68⨯P ÷(P +249.46)
储层压力（P ）=4.76MPa， 实测含气量为28.0m 3/t，
1scf =0.0283168 m3 1Psia=6.89476×10-3MPa
ad a p d
图3-2 等温吸附曲线