一种煤层气吸附态和游离态含量的动态评估方法及系统

本技术涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料，特别涉及一种煤层气吸附态和游离态含量的动态评估方法及系统。

背景技术：

1、在煤矿开采过程中，瓦斯（煤层气）是煤矿安全生产的重大危险源。同时，煤层气是一种极其重要的非常规清洁天然气能源，抽采煤层气资源能够很大程度保障煤矿的安全、高效、绿色生产。煤层气的赋存特征和吸附特性可以保证深部煤层气开发效果，提高煤层气抽采率，因此，对煤层气的吸附特性进行定量和动态评估具有重要意义。

2、煤层是具有双重孔隙结构的典型吸附性介质。虽然在煤化过程中可能会有气体逸出，但仍有大量的气体被束缚在煤的多孔介质中。游离态煤层气在煤层气采收过程中起着决定性作用，裂隙为游离态煤层气的主要流通通道；而煤基质中存在大量的吸附态煤层气，此部分煤层气相对较难抽采。传统吸附实验获得的煤层气含量根据压力变化计算，只能分析不同吸附时间下的累计煤层气含量，而吸附过程中压力变化使得会有一部分煤层气以游离状态分布，该方法无法区分煤层气的吸附态和游离态，并且不同压力对煤层气吸附态和游离态分布的影响也无法观测。

3、而基于核磁共振的吸附实验通过氢原子核与外加磁场之间产生的共振弛豫现象，来研究煤岩体空隙中煤层气（甲烷）的弛豫特征，进而探究不同孔径范围的煤层气赋存状态。然而，目前的核磁共振测试中，很难做到连续每60秒进行一次测试实验，仅通过测试几组不同时间下的信号幅值，无法准确确定吸附平衡时间，不利于观测煤层气含量达到吸附平衡的动态过程。

4、因而，亟需提供一种针对上述现有技术不足的技术方案。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种煤层气吸附态和游离态含量的动态评估方法及系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。

2、为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

3、本技术提供一种煤层气吸附态和游离态含量的动态评估方法，包括：步骤s101、基于核磁共振吸附实验对煤样进行多组不同压力、不同吸附时间下的煤层气吸附过程模拟，获得所述煤样的核磁共振图谱；步骤s102、根据弛豫时间的长短，将所述核磁共振图谱划分为吸附态波峰和游离态波峰，并根据所述核磁共振图谱中不同压力下的弛豫时间对应的信号幅值，计算所述吸附态波峰、游离态波峰的面积以及所述核磁共振图谱中的波峰总面积；步骤s103、根据所述核磁共振吸附实验中每克所述煤样的累计煤层气含量、所述吸附态波峰的面积、所述游离态波峰的面积以及所述核磁共振图谱中的波峰总面积，分别计算吸附态煤层气含量以及游离态煤层气含量。

4、优选的，在步骤s102中，按照公式：

5、；

6、计算吸附态波峰的面积和游离态波峰的面积；其中，为核磁共振图谱的弛豫时间，值为非负数；为所述核磁共振图谱中弛豫时间对应的信号幅值;为所述吸附态波峰的面积；为所述游离态波峰的面积；

7、按照公式：

8、；

9、计算所述核磁共振吸附实验图谱波峰总面积；其中，为所述核磁共振图谱中的波峰总面积。

10、优选的，在步骤s103中，按照公式：

11、；

12、计算在所述核磁共振吸附实验中，每克所述煤样的累计煤层气含量；其中，为所述核磁共振吸附实验中所述煤样的恒定压力值；为所述核磁共振吸附实验中样品罐的体积；为煤层气的摩尔质量；为通用气体常数；为实验温度；为恒定压力值时的压缩因子；为煤层气密度；为所述核磁共振吸附实验中所述煤样的质量；

13、按照公式：

14、；

15、计算所述核磁共振吸附实验中的所述吸附态煤层气含量，以及所述游离态煤层气含量；其中，为所述核磁共振吸附实验中，每克所述煤样的累计煤层气含量；为所述吸附态波峰的面积；为所述游离态波峰的面积；为所述核磁共振图谱中的波峰总面积。

16、优选的，还包括：步骤s104、分别对所述煤样进行多组与所述核磁共振吸附实验相同压力下的容量法吸附实验，计算所述煤样在多组不同压力下吸附平衡时的累计煤层气含量；步骤s105、将所述容量法吸附实验所得到的累计煤层气含量与所述核磁共振吸附实验得到的所述吸附态煤层气含量、所述游离态煤层气含量之和进行相对误差分析，以对所述吸附态煤层气含量、所述游离态煤层气含量随时间的变化进行动态评估。

17、优选的，在步骤s104中，按照公式：

18、；

19、计算所述煤样在容量法吸附实验中，所述吸附平衡时对应的累计煤层气含量；其中，为所述煤样的累计吸附时间，，均为正数；、分别为所述容量法吸附实验装载所述煤样的样品罐在第时刻、第时刻的压力值；为所述容量法吸附实验中样品罐内气体可流动的体积；为通用气体常数；为实验温度；为实验温度下的气体摩尔质量；为煤层气密度；为所述容量法吸附实验中所述煤样的质量；、分别为、时的压缩因子。

20、优选的，在步骤s105中，响应于所述容量法吸附实验得到的累计煤层气含量与所述核磁共振吸附实验得到的所述吸附态煤层气含量、所述游离态煤层气含量之和的误差小于等于预设误差阈值，则基于所述容量法吸附实验第时刻获得的累计煤层气含量与时间的关系，对第时刻所述吸附态煤层气含量、所述游离态煤层气含量与时间的关系进行评估；其中，为吸附时间，取值为正数。

21、优选的，基于所述容量法吸附实验获得的累计煤层气含量与时间的关系为：

22、；

23、其中，为基于所述容量法吸附实验获得的第时刻的累计煤层气含量；均为基于所述容量法吸附实验得到的累计煤层气含量与时间进行非线性拟合时的拟合系数；为吸附时间，取值为正数；

24、按照公式：

25、；

26、确定所述吸附态煤层气含量、所述游离态煤层气含量随时间的动态变化；其中，为第时刻的吸附态煤层气含量，为第时刻的游离态煤层气含量；为第时刻的吸附态煤层气含量的占比；为第时刻的游离态煤层气含量的占比；、和均为基于所述核磁共振吸附实验获得的吸附态煤层气含量与时间进行非线性拟合时的拟合系数；、和均为基于所述核磁共振吸附实验获得的游离态煤层气含量与时间进行非线性拟合时的拟合系数。

27、本技术实施例还提供一种煤层气吸附态和游离态含量的动态评估系统，包括：吸附实验单元，配置为基于核磁共振吸附实验对煤样进行多组不同压力下、不同吸附时间的煤层气吸附过程模拟，获得所述煤样的核磁共振图谱；面积计算单元，配置为根据弛豫时间的长短，将所述核磁共振图谱划分为吸附态波峰和游离态波峰，并根据所述核磁共振图谱中不同压力下的弛豫时间对应的信号幅值计算所述吸附态波峰、游离态波峰的面积以及所述核磁共振t2图谱中的波峰总面积；煤层气含量计算单元，配置为基于所述吸附态波峰的面积计算吸附态煤层气含量；以及，基于所述游离态波峰的面积计算游离态煤层气含量。

28、有益效果

29、本技术实施例提供的煤层气吸附态和游离态含量的动态评估方法，首先，基于核磁共振吸附实验对煤样进行多组不同压力、不同吸附时间下的煤层气吸附过程模拟，获取煤样的核磁共振图谱；然后，根据弛豫时间的长短，将核磁共振图谱划分为吸附态波峰和游离态波峰，并根据核磁共振图谱中不同压力下的弛豫时间对应的信号幅值计算吸附态波峰、游离态波峰的面积以及核磁共振图谱中的波峰总面积；进而，根据核磁共振吸附实验中每克煤样的累计煤层气含量、吸附态波峰的面积、游离态波峰的面积以及核磁共振图谱中的波峰总面积，分别计算吸附态煤层气含量以及游离态煤层气含量。籍以，通过对煤样进行多组不同压力、不同吸附时间下的核磁共振吸附实验，对煤层气吸附过程进行模拟，基于弛豫时间将获得的核磁共振图谱划分为吸附态波峰和游离态波峰，并通过对应的波峰面积、核磁共振图谱中的波峰总面积以及核磁共振吸附实验中每克煤样的累计煤层气含量，计算吸附态煤层气含量和游离态煤层气含量，实现对吸附态煤层气以及游离态煤层气的含量的定量确定，以便对煤层气含量与吸附时间之间的关系以及吸附平衡的动态过程进行评价。