本发明属于煤层气开采技术领域，涉及通过注入氮气吞吐提高低渗透煤层压力和甲烷解吸效率评价装置与方法。
背景技术：
近年来，随着全球能源结构的调整，非常规资源开采的力度逐渐加大。煤层气作为重要的非常规能源，对其进行经济高效的开采具有战略性意义。煤层气90％以吸附气的形式存在，因此，成功开发煤层气的基础是开采煤层中的吸附气。
目前煤层气的开采方式主要分为两种：①排水降压，通过排水使得煤层压力降低，促进煤层中甲烷的解吸，这种方法简单实用；但生产周期长，并且在排水降压后期，煤层压力降低，容易诱发应力敏感损害，导致最终的采收率降低，一般排水降压最终的采收率不超过原地煤层气资源的50％。②注入非烃类气体，与煤层中的甲烷气体形成竞争吸附或降低游离气中甲烷的分压，从而促进甲烷从煤层中解吸，最终提高煤层气采收率。文献中关于注入非甲烷气体提高煤层气采收率的方式以持续注入为主，注入气体一般为n2、co2、n2和co2混合气以及烟道气等。这种注入方式不仅需要大量的非烃类气体，而且煤层渗透率低，气体注入困难，难以保证足够体积气量注入煤层。
技术实现要素：
针对以上问题，本发明提出了注氮气吞吐提高低渗透煤层压力和甲烷解吸效率评价方法，该方法不仅能够高效快速的定量评价注氮气吞吐过程中煤层中压力分布特征和甲烷解吸效率而且操作简单，成本低。
本发明是通过以下技术方案来实现：
注氮气吞吐煤层压力监测及甲烷解吸效率评价装置，其特征在于，包括并列设置在恒温系统内可密封的样品缸和参考缸，其分别通过进气管线连接氮气瓶、甲烷气瓶和氦气瓶，还通过出气管线连接真空泵；样品缸和参考缸还分别设有监测其内气体压力的压力传感器，样品缸还通过监测管线与气相色谱仪1相连通。
所述的压力传感器、气相色谱仪、真空泵还通过传输线与控制中心相连，通过控制中心设定参数值对其进行自动化控制。
所述的样品缸中还放置有监测煤岩在氮气吞吐过程中煤岩的应变特征的应变感应系统，应变感应系统由应变感应片和应变接收系统组成。
所述的进气管线、出气管线、监测管线上分别设有控制阀门。
注氮气吞吐煤层压力监测及甲烷解吸效率评价方法，包括以下操作：
1)在样品缸内放入煤岩样品，参考缸内空置；并使样品缸和参考缸的温度稳定在煤岩储层温度；
2)将样品缸和参考缸抽真空12h后，将氦气由氦气瓶充进参考缸，气体压力值在2mpa～3mpa之间，并通过压力传感器记录参考缸氦气压力p2；
3)控制阀门使得样品缸和参考缸连通，氦气从参考缸进入到样品缸，待压力平衡后，记录压力p1；计算出煤样体积vs及样品缸自由空间体积；
4)放空样品缸和参考缸内的氦气，并对样品缸和参考缸进行抽真空操作；
5)将甲烷气体由甲烷瓶充入到样品缸，压力传感器连续记录压力，根据参考缸和样品缸的平衡压力和温度，利用式(4)计算不同压力点有气体摩尔数表示的吸附量：
pv＝nzrt(4)
式中，p为气体压力，mpa；v为气体体积，cm3；n为气体摩尔数，mol；z为气体压缩因子；r为摩尔气体常数，j·mol-1·k-1；t为平衡温度，k；
根据不同时间点的压力和温度得到煤岩的吸附曲线，并且根据(4)得到的煤岩平衡前后样品缸内气体的摩尔数n1和平衡后样品缸气体摩尔数n2，由式(5)则得到煤岩的甲烷吸附摩尔数n3为：
n3＝n1-n2(5)
煤岩的吸附总体积v3由式(6)得到：
v3＝n3×22.4×1000(6)
6)甲烷吸附平衡后，放空样品缸中自由甲烷气，并充入高于甲烷平衡压力1.8-2.2mpa的氮气，传感器连续监测样品缸内气体压力；连通气体检测管路，采用气相色谱仪分析混合气中甲烷和氮气的体积比，充入氮气后的测量时间点间隔逐次延长，直到氮气/甲烷体积比不变为止；
7)根据式(4)计算得出混合气体的气体摩尔数，再根据气相色谱仪分析的氮气/甲烷体积百分比得到混合气体中甲烷的摩尔数，进而根据式(4)得到甲烷的解吸量v甲烷；根据式(7)可得到注入氮气吞吐过程中甲烷解吸效率η(解吸)；
η(解吸)＝v(甲烷)/v3(7)
步骤1)～6)完成注入氮气的一次吞吐过程，间歇重复步骤1)～6)完成煤层注氮气间歇吞吐的循环过程。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明基于气体竞争吸附原理和稠油注蒸汽吞吐提高采收率的考虑，提出了采用氮气吞吐提高煤层气采收率的方法。该方法是采用间歇向煤层中注入氮气的方式进行，该方法不需要持续的向煤岩气层中注气，节省了非烃类气体的注入量同时降低了施工难度。进一步提出了注氮气吞吐提高煤层气压力和甲烷解吸效率的评价装置并给出了相应的方法。
相比现有技术本发明具有以下三种优势：
①氮气注入降低煤层甲烷分压，提高甲烷解吸效率；
②保持煤层压力，避免煤层应力敏感性，诱发煤结构变化，维持或提高煤层渗透率；
③氮气气源稳定，易于获取，注入成本较低，能够提高煤层气井开采的经济效益。
附图说明
图1为注氮气吞吐提高煤层压力和甲烷解吸效率评价装置示意图；
其中，1为气相色谱仪；2、3、6、7、9、11、16、18为阀门；4为管线；5为六通阀；8为氮气瓶；10为甲烷气瓶；12为氦气瓶；13为控制中心；14为应变接收系统；15为样品缸；17、19为压力传感器；20为应变感应系统；21为煤岩样品；22为参考缸；23为传输线；24为恒温系统；25为真空泵。
图2为煤岩对甲烷的等温吸附曲线；
图3为氮气吞吐过程压力变化示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明内容，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明作详细的描述。
参见图1，注氮气吞吐煤层压力监测及甲烷解吸效率评价装置，包括并列设置在恒温系统24内可密封的样品缸15和参考缸22，其分别通过进气管线4连接氮气瓶8、甲烷气瓶10和氦气瓶12，还通过出气管线连接真空泵25；样品缸15和参考缸22还分别设有监测其内气体压力的压力传感器，样品缸15还通过监测管线与气相色谱仪1相连通。
所述的压力传感器、气相色谱仪1、真空泵25还通过传输线与控制中心相连，通过控制中心设定参数值对其进行自动化控制。
所述的样品缸15中还放置有监测煤岩在氮气吞吐过程中煤岩的应变特征的应变感应系统，应变感应系统由应变感应片20和应变接收系统14组成。
所述的进气管线、出气管线、监测管线上分别设有控制阀门。
下面给出注氮气吞吐煤层压力监测及甲烷解吸效率评价方法，具体步骤分为以下几个部分：
①打开样品缸将煤岩样品放入样品缸中至样品缸总体积2/3处，连接应变感应系统以监测煤基质收缩过程的变形程度，打开恒温系统，使样品缸和参考缸的温度稳定在煤岩储层温度。
②关闭阀门2、5、7、8、11、16，打开阀门3、6、18,将样品缸和参考缸抽真空12h。
③关闭阀门3、6、18，打开阀门5和阀门11将氦气充进参考缸(气体压力值在2mpa～3mpa之间)，通过压力传感器19记录参考缸氦气压力p2。
④打开阀门3、18，氦气从参考缸进入到样品缸，待压力平衡后，记录压力p1。根据式1计算得出煤样体积vs。
vs煤样体积，cm3；
p1-平衡后压力，mpa；
p2-参考缸初始压力，mpa；
p3-样品缸初始压力，mpa；
t1-平衡后温度，k；
t2-参考缸初始温度，k；
t3-样品缸初始温度，k；
v1-系统总体积，cm3；
v2-参考缸总体积，cm3；
v3-样品缸体积，cm3；
z1-平衡条件下气体压缩因子；
z2-参考缸初始气体的压缩因子；
z3-样品缸初始气体的压缩因子。
根据公式(2)可计算得出样品缸自由空间体积。
vf＝v0-vs(2)
式中,vf-自由空间体积，cm3；
v0-样品缸总体积，cm3；
vs-煤样体积，cm3；
⑤打开阀门5、16放空样品缸和参考缸氦气。
⑥重复步骤③将样品缸和参考缸抽真空。
⑦关闭阀门3、18、19，打开阀门5、9、16，将甲烷气体充入到样品缸，关闭阀门5、9、16，压力传感器17连续记录压力，根据参考缸和样品缸的平衡压力和温度，利用式(4)计算不同压力点的吸附量。
pv＝nzrt(4)
式中，p-气体压力，mpa；
v-气体体积，cm3；
n-气体摩尔数，mol；
z-气体压缩因子；
r-摩尔气体常数，j·mol-1·k-1；
t-平衡温度，k；
根据不同状态点的压力得到煤岩的吸附曲线(如图2所示，压力变化如图3所示)，并且根据式(4)得到的煤岩平衡前后样品缸内气体的摩尔数n1和平衡后样品缸气体摩尔数n2，由式(5)则得到煤岩的甲烷吸附摩尔数n3为：
n3＝n1-n2(5)
煤岩的吸附总体积(v3)可以由式(6)得到：
v3＝n3×22.4×1000(6)
式中，v3，煤岩的总吸附体积，cm3；n3,煤岩吸附的摩尔数，mol。
⑧甲烷吸附平衡后，打开阀5、7、16放空样品缸中自由甲烷气，并充入高于甲烷平衡压力1.8-2.2mpa的氮气，关闭阀门5、7、16，传感器17连续监测样品缸内气体压力；打开阀门2，采用气相色谱仪分析混合气中甲烷和氮气的体积比，测量时间点为充入氮气后的1h、1.5h、2h、3h、4h、6h、9h、13h···，直到氮气/甲烷体积比不变为止。⑨根据式(4)计算得出混合气体的气体摩尔数(式4中，p、v、n、r、t均是已知的，可以得到混合气体的摩尔数n)，然后根据气相色谱仪1分析的氮气/甲烷体积百分比得到混合气体中甲烷的摩尔数(例如：气相色谱仪测出混合气体中甲烷占比为80％，则可以得到混合气体中甲烷的摩尔数为n×80％)，进而根据式(4)得到甲烷的解吸量v甲烷；根据式(7)可得到注入氮气吞吐过程中甲烷解吸效率η(解吸)。
η(解吸)＝v(甲烷)/v3(7)
⑩整个实验过程中，应变片20全程监控煤样在吸附解吸过程中应变变化过程，并将信息实时传递给应变接收系统14。
述步骤①～⑩完成注入氮气的一次吞吐过程，间歇重复步骤1)～6)完成煤层注氮气间歇吞吐的循环过程。
通过以上步骤不仅完成了注氮气过程中煤层压力监测，同时定量评价了氮气吞吐过程中的甲烷解吸效率定量评价。
上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于发明所做的任何改动或变形均属于本发明要求保护的范围。