一种高煤阶煤层游离气含量测定装置及测定方法

技术领域

本发明涉及油气勘探技术领域，具体为一种高煤阶煤层游离气含量测定装置及测定方法。

背景技术

处于游离状态的煤层气,它服从一般气体状态方程，可自由运移。煤层中游离气量取决于储气孔隙和裂隙空间的大小以及温度、压力、气体压缩率等因素。在一定温度与压力条件下,孔(裂)隙内的游离气量与吸附气体量处于动态平衡状态。游离气在煤岩基块内可因浓度差发生扩散，到宽度超过气体分子自由程的裂隙中，气体可因压力差而发生渗透。而现有针对游离气的测量，大部分直接对孔隙度进行测量，得出游离气的含量，并对该煤层所在阶层的煤层气含量、质量进行判断，但由于煤层中的孔隙内的煤层气处于动态平衡状态，有气态和液态两种状态，受温度、压力等影响因素，引起孔隙内的游离气体含量、浓度值的变化，以及液态含量值的变化，导致对煤层气所在的阶层的含量、质量的测量数据出现较大误差。

因此，本领域技术人员提供了一种高煤阶煤层游离气含量测定装置及测定方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种高煤阶煤层游离气含量测定装置，其包括钻杆、补压净化罐、取样测定装置、导管一以及导管二，所述钻杆内部设有可进行上下伸缩的补压净化罐，且所述补压净化罐内部独立分割为上方补压罐、下方净化罐，所述补压净化罐下端同轴安装有测量罐，所述测量罐内部设有取样测定装置，所述导管一上、下端分别与补压罐、测量罐左上端相连通，所述导管二上、下端分别与净化罐、测量罐右下端相连通。

作为本发明的一种优选技术方案，所述取样测定装置包括分隔板、温控元件一以及温控元件二，所述分隔板横向将测量罐内部分割为上方测定空腔室、下方取样室，且所述测定空腔室、取样室内部均设有压力监测仪，所述测定空腔室内部设有驱散组件，所述驱散组件上方设有测量组件，所述分隔板下侧壁上固定有侧伸缩机、主伸缩机，所述侧伸缩机输出端安装有定量筒，所述主伸缩机输出端安装有取样组件，所述分隔板左右侧平板纵向贯穿有连通管一、连通管二，所述连通管一上端安装有温控元件一，所述连通管二上端安装有温控元件二，且所述温控元件一上端与导管一相连通。

作为本发明的一种优选技术方案，所述取样组件包括电机一、破碎盘刀、固定元件、通料孔一、通料孔二以及翻滚折架，所述电机一输出端与破碎盘刀轴心相固定，且所述破碎盘刀为双层破碎盘结构，上、下层所述破碎盘之间通过纵向固定元件相连接，且所述固定元件为伸缩固定结构，上、下层所述破碎盘中分别开设有通料孔一、通料孔二，均分呈圆周阵列设置四组，并错位开设；

上层所述破碎盘上端面固定有相互间隔一定距离的翻滚折架。

作为本发明的一种优选技术方案，所述驱散组件包括转轴管、扩散板、电机二以及驱散扇叶，所述转轴管左、右端分别与测量罐侧壁、温控元件二左侧导气管转动连接，所述转轴管上开设有散气孔，呈线性排列设置三组，所述散气孔外侧安装有扩散板，呈到T型结构，其上端平散气板上安装有驱散扇叶，相邻所述散气孔之间的转轴管外侧壁套有转轴环套，所述转轴环套与下方固定的电机二输出端通过皮带传动连接，驱动所述驱散扇叶摆动扩散。

作为本发明的一种优选技术方案，所述驱散扇叶与平散气板转动连接，且为自由转动结构，所述驱散扇叶为两组不同大小的散气扇叶。

作为本发明的一种优选技术方案，所述测量组件包括提拉杆、重量监测仪板、提拉脚架、气体附着网架以及折形扩缩架，所述提拉杆输出端固定有重量监测仪板，所述重量监测仪板侧端面安装有左右对称设置提拉脚架；

所述气体附着网呈纵、横方向排列设置多组，且所述气体附着网中心处为固定板箱，所述固定板箱内部设有电机三，左、右侧所述电机输出端分别与左、右半气体附着网一端固定连接；

位于同一水平面的相邻所述固定板箱的中心侧面壁通过连接短轴相衔接，位于同一纵向面且处在最外层前后侧面的气体附着网外侧面壁均设有横向滑轨，所述横向滑轨与连接短轴上安装有折形扩缩架。

作为本发明的一种优选技术方案，所述气体附着网内部还设有片段式的引流板叶。

一种高煤阶煤层游离气含量测定方法，其包括以下步骤：

S1：将补压罐内部的惰性气体经导管一充入测量罐内部驱赶残留的游离气体经导管二进入净化罐内部过滤吸收，直至净化罐内部用于监测气体净化的净化传感器数据无边变化；

S2：侧伸缩机、主伸缩机分别驱动定连筒、取样组件对煤层进行定量取样，由取样组件对煤样进行破碎，促使煤样中的游离气散入空气中；

S3：由补压罐、净化罐根据取样室和测定空腔室内部的压力监测仪，对其进行补压和降压，阻止液态游离气转化至气态游离气；

S4：通过温控元件二引流取样室内散发的游离气进入驱散组件中，通过电机二驱动转轴管带动扩散板进行往复摆动扩散，同时，由电机三驱动气体附着网架配合摆动，对游离气进行吸附，由重量监测仪板进行对测量组件整体重量的变化值进行记录；

S5：待初始气态游离气测定完成后，通过温控元件一、温控元件二对测量罐内部温度进行调控，使其达到液态游离气气化所需温度，再次对此部分游离气进行测定。

作为本发明的一种优选技术方案，所述扩散板、气体附着网架的摆动角度均以其中心左、右摆动30°，且纵、横向相邻所述气体附着网架摆动方向相逆，所述扩散板与最底层相隔一组气体附着网架摆动方向相同。

作为本发明的一种优选技术方案，所述提拉脚架可对气体附着网架整体进行扩张、收缩，且扩张速率大于收缩速率。

与现有技术相比，本发明提供了一种高煤阶煤层游离气含量测定装置及测定方法，具备以下有益效果：

1、本发明中通过对煤层中煤样进行定量取样，且对液态、气态的游离气分别进行检测，避免将煤样中孔隙代替为游离气含量，由于游离气受到压力能够转化为液态，不能将空隙内的空气完全代替为游离气的含量，因此，此结构方式方法能够提高游离气含量测定的精确度，且能够将液态游离气的含量测出，从而得到单位体积内部的气态、液态游离气的占比测出，从而推断出所在煤层的游离气的含量。

2、本发明中通过在对游离气进行测量时，取样组件、驱散组件、测量组件同步进行的同时，通过压力监测仪对测量罐内部的压力值进行实时监测，并调控补压罐、净化罐对测量罐内部进行补压和降压，且通过驱散组件将游离气进行均匀扩散，并使气体扩散时带有一定不同速率的流速，使其冲向气体附着网架的冲击力的大、下不断交替切换，配合气体附着网架的运行方式及摆动角度，使得气体流畅且有力的贯穿气体附着网架，并附着在吸附网架上，提高了游离气吸附效率和吸附质量，从而使得得到的游离气含量数据更加精确。

附图说明

图1为本发明的高煤阶煤层游离气含量测定置结构示意图；

图2为本发明的取样测定装置局部结构放大示意图；

图3为本发明的取样组件局部结构放大示意图；

图4为本发明的破碎盘刀封闭状态俯视局部结构放大示意图；

图5为本发明的测量组件局部结构放大示意图；

图6为本发明的游离气引流吸附原理左视局部结构示意图；

图中：1、钻杆；2、补压净化罐；3、取样测定装置；4、导管一；5、导管二；31、测量罐；32、分隔板；33、侧伸缩机；34、主伸缩机；35、温控元件一；36、温控元件二；6、取样组件；7、驱散组件；8、测量组件；61、电机一；62、破碎盘刀；63、固定元件；64、通料孔一；65、通料孔二；66、翻滚折架；71、转轴管；72、扩散板；73、转轴环套；74、电机二；75、皮带；76、驱散扇叶；81、提拉杆；82、重量监测仪板；83、提拉脚架；84、气体附着网架；85、折形扩缩架；86、连接短轴；87、电机三；88、引流板叶。

具体实施方式

参照图1、2，本发明提供一种技术方案：一种高煤阶煤层游离气含量测定装置，其包括钻杆1、补压净化罐2、取样测定装置3、导管一4以及导管二5，所述钻杆1内部设有可进行上下伸缩的补压净化罐2，且所述补压净化罐2内部独立分割为上方补压罐、下方净化罐，所述补压净化罐2下端同轴安装有测量罐31，所述测量罐31内部设有取样测定装置3，所述导管一4上、下端分别与补压罐、测量罐31左上端相连通，所述导管二5上、下端分别与净化罐、测量罐31右下端相连通；

作为最佳实施例，本测定装置安装在处于钻头的钻杆内部中，从而达到随钻测定，提高测定效率，通过补压罐能够对游离气，且补压罐中的气体为惰性气体氮气。

本实施例中，所述取样测定装置3包括分隔板32、温控元件一35以及温控元件二36，所述分隔板32横向将测量罐31内部分割为上方测定空腔室、下方取样室，且所述测定空腔室、取样室内部均设有压力监测仪(图中未示出)，所述测定空腔室内部设有驱散组件7，所述驱散组件7上方设有测量组件8，所述分隔板32下侧壁上固定有侧伸缩机33、主伸缩机34，所述侧伸缩机33输出端安装有定量筒，所述主伸缩机34输出端安装有取样组件6，所述分隔板32左右侧平板纵向贯穿有连通管一、连通管二，所述连通管一上端安装有温控元件一35，所述连通管二上端安装有温控元件二36，且所述温控元件一35上端与导管一4相连通；

作为最佳实施例，温控元件一与导管一通过三向连通管相连接，并对导管一内部的气体是否进入取样室、测定空腔室进行调控，还对取样室内部的气体是否进入测定空腔室进行调控。

参照图3、4，本实施例中，所述取样组件6包括电机一61、破碎盘刀62、固定元件63、通料孔一64、通料孔二65以及翻滚折架66，所述电机一61输出端与破碎盘刀62轴心相固定，且所述破碎盘刀62为双层破碎盘结构，上、下层所述破碎盘之间通过纵向固定元件63相连接，且所述固定元件63为伸缩固定结构，上、下层所述破碎盘中分别开设有通料孔一64、通料孔二65，均分呈圆周阵列设置四组，并错位开设，其中，电机一上端与主伸缩机输出端相固定；

上层所述破碎盘上端面固定有相互间隔一定距离的翻滚折架66；

作为最佳实施例，在进行定量时，电机一驱动破碎盘刀破碎煤样期间，通料孔一、通料孔二对应相通，以便破碎的煤样经通料孔流入定量筒内部，且翻滚折架具有一定的纵向弹性伸缩趋向，以便对定量筒内部的煤样进行翻滚，加快游离气的逃逸，在定量取样完成后和进行液态游离气的测定时，通过固定元件与电机一配合调节上层破碎盘中的通料孔一与通料孔二相互错位，使得定量筒处于密封状态。

参照图5，本实施例中，所述驱散组件7包括转轴管71、扩散板72、电机二74以及驱散扇叶76，所述转轴管71左、右端分别与测量罐31侧壁、温控元件二36左侧导气管转动连接，所述转轴管71上开设有散气孔，呈线性排列设置三组，所述散气孔外侧安装有扩散板72，呈到T型结构，其上端平散气板上安装有驱散扇叶76，相邻所述散气孔之间的转轴管71外侧壁套有转轴环套73，所述转轴环套73与下方固定的电机二74输出端通过皮带75传动连接，驱动所述驱散扇叶76摆动扩散；

作为最佳实施例，温控元件二左侧导气口管呈水平线性排列设置多组，以便安装多组转轴管，通过电机二驱动转轴管带动扩散板左往复摆动扩散，从而使得游离气能够均匀的流向气体附着网架中，促使气体附着网架更全面的吸附游离气，提高气体附着网架的吸附率和吸附质量。

本实施例中，所述驱散扇叶76与平散气板转动连接，且为自由转动结构，所述驱散扇叶76为两组不同大小的散气扇叶；

作为最佳实施例，驱散扇叶呈线性排列安装在平散气板上端，大小不同的散气扇叶上开设相同密度的散气孔，在流入相同速率的游离气，通过气体的反作用力，促使驱散扇叶自行旋转增大扩散面域，且相邻所述驱散扇叶中的大散气扇叶与小散气扇叶相邻设置，利用不同大小的反作用力，在大散气扇叶旋转扩散的同时，附近区域的扩散气体可促进小散气扇叶，同时，其扩散的气体能够推动大散气扇叶的旋转，通过相邻大散气扇叶与小散气扇叶的不断交替，从而使得散气扇叶不断左间歇式在快、慢转速中进行切换，使得气流能够以不同的冲击力，扑向气体附着网架中。

本实施例中，所述测量组件8包括提拉杆81、重量监测仪板82、提拉脚架83、气体附着网架84以及折形扩缩架85，所述提拉杆81输出端固定有重量监测仪板82，所述重量监测仪板82侧端面安装有左右对称设置提拉脚架83；

所述气体附着网84呈纵、横方向排列设置多组，且所述气体附着网84中心处为固定板箱，所述固定板箱内部设有电机三87，左、右侧所述电机87输出端分别与左、右半气体附着网一端固定连接；

位于同一水平面的相邻所述固定板箱的中心侧面壁通过连接短轴86相衔接，位于同一纵向面且处在最外层前后侧面的气体附着网84外侧面壁均设有横向滑轨，所述横向滑轨与连接短轴86上安装有折形扩缩架85，且提拉脚架下端固定在最外侧纵向平面最上端的气体附着网架上端面上；

作为最佳实施例，气体附着网架为活性碳吸附网架，通过提拉脚架和折形扩缩架配合调节相邻水平层面的气体附着网架组纵向间距，游离气浓度或含量过高时，增大纵向间距，一方面，避免气体附着网架孔堵塞，另一方面，促使游离气扩散面域更广，相对增加游离气与气体附着网架的附着时间。

本实施例中，所述气体附着网84内部还设有片段式的引流板叶88，在游离气贯穿气体附着网架时，通过引流板叶对气体流向趋势进行的引流导向，从而使得游离气能有较为规则的贯穿气体附着网架，并冲向上层气体附着网架内。

一种高煤阶煤层游离气含量测定方法，其包括以下步骤：

S1：将补压罐内部的惰性气体经导管一4充入测量罐31内部驱赶残留的游离气体经导管二5进入净化罐内部过滤吸收，直至净化罐内部用于监测气体净化的净化传感器数据无边变化，作为最佳实施例，在对煤样游离气定量测定前，进行此步骤，对测量罐内部是否含有游离气进行检测和净化，此中，温控元件一调控连通管一、温控元件二调控连通管二共同将测量空腔室内部的气体排入取样室中并被吸入导管二中，进入净化罐内部，完成检测和净化后，关闭导管一、导管二；

S2：侧伸缩机33、主伸缩机34分别驱动定连筒、取样组件6对煤层进行定量取样，由取样组件6对煤样进行破碎，促使煤样中的游离气散入空气中，作为最佳实施例，在对液态游离气进行测定时，闭合破碎刀盘，通过电机一驱动翻滚折架持续转动翻滚，并由主伸缩机单独进行适量的提拉，使得加热后的气体能够与煤样充分接触，促使液态游离气得到充分加热升华；

S3：由补压罐、净化罐根据取样室和测定空腔室内部的压力监测仪，对其进行补压和降压，作为最佳实施例，在进行气态游离气测定时，由于煤样内部间隙所含有的游离气受到处于固状煤壁施加的压力，在破碎后游离气得以释放，所受压力变小，而同处在此间隙的液态与气态游离气的平衡转化压力强度发生改变，因此，通过压力监测仪对取样室内部压力、测定空腔室内部的压力值进行实时监测，并实时调节补压罐中的气体进入测量罐中进行压力平衡，且此压力值为游离气气态与液态转化所需的临界压力值，阻止液态游离气转化至气态游离气，若内部压力过大，可通过将取样室一部分气体引入净化罐内部，但测定完成后的测定数据，需加上引入净化罐内部被吸收的游离气的含量值；

S4：通过温控元件二36引流取样室内散发的游离气进入驱散组件7中，通过电机二74驱动转轴管71带动扩散板72进行往复摆动扩散，同时，由电机三87驱动气体附着网架84配合摆动，对游离气进行吸附，由重量监测仪板82进行对测量组件8整体重量的变化值进行记录，作为最佳实施例，重量监测仪板对提拉脚架、气体附着网架及内部结构进行总体测定，所得重量差值，则为游离气含量值，且需要注意的是，若初始重量测定的数据前提，为驱散组件、测量组件运行状态下测定的数据，则完成后所测的数据也需其在运行状态下测定，反之，均在静止时进行测定；

S5：待初始气态游离气测定完成后，通过温控元件一35、温控元件二36对测量罐31内部温度进行调控，使其达到液态游离气气化所需温度，再次对此部分游离气进行测定；

作为最佳实施例，此步骤可重复上述S2、S3、S4步骤完成液态游离气含量的测量。

本实施例中，所述扩散板72、气体附着网架84的摆动角度均以其中心左、右摆动30°，且纵、横向相邻所述气体附着网架84摆动方向相逆，所述扩散板72与最底层相隔一组气体附着网架84摆动方向相同，以便游离气的贯穿气体附着网架和向上层传入。

本实施例中，所述提拉脚架83可对气体附着网架84整体进行扩张、收缩，且扩张速率大于收缩速率，作为最佳实施例，在扩张、收缩交替切换时，从而使得气体附着网架出现快速提拉上吸、慢速下降缓冲，使得游离气能够在提拉过程中，快速贯穿气体吸附网架，慢速下降过程中，游离气与气体吸附网架瞬间铺散附着。

以上所述，仅为发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。