本發明屬于煤層氣勘探開發利用領域，具體涉及一種考慮多重擴散機制的煤中氣體有效擴散系數計算方法。
背景技術：
1、煤層氣作為一種典型的非常規能源，近年來因其清潔高效、儲量可觀的優勢受到國內外能源業界的廣泛關注。我國各大含煤盆地中已探明可采煤層氣資源量巨大，合理高效開發煤層氣能夠消除我國能源消費的長期對外依賴，引導我國走出能源供給困境。然而，受控于煤層中高度發育的非均質微納米有機多孔結構，煤層氣的賦存與流動機理完全不同于常規氣藏，適用于氣藏/油藏的達西粘性流假設在應用于煤層氣產量評價時會出現巨大偏差。在實際的煤層氣產出過程中，賦存于儲層宏觀裂隙中的自由相氣體在壓力梯度作用下以達西流的形式快速涌向生產井筒，隨后吸附相氣體在濃度梯度作用下從煤基質表面解吸，并在微納米孔道中以擴散的形式匯入大尺度裂隙。因此，對于煤層氣的全周期生產而言，煤層滲透性是早期高產的主要制約因素，而氣體擴散特性是長期生產的瓶頸所在。擴散系數是氣體擴散速率的量化，高效、準確的預測生產過程中的動態擴散系數對于煤層氣優質儲層評價、產氣量預測、氣井布置、流程優化具有重要理論意義與實際應用價值。
2、氣體在微納米孔中的擴散行為十分復雜，游離相氣體的體相擴散與吸附相氣體的表面擴散共存。由于天然煤中孔徑分布復雜，而不同孔徑中的游離相氣體擴散機制又有所不同，導致擴散過程難以量化。當前，常用分子平均自由程與擴散孔道特征長度的比值（克努森數（））對游離相氣體運移機制進行劃分。當 k n＜0.1時，分子與壁面之間的相互碰撞可以忽略，此時達西定律適用；當0.1＜ k n＜10時，近壁面分子對總擴散通量產生貢獻，體擴散與努森擴散共存；當 k n＞10時，分子與壁面之間碰撞主導氣體運移，主要發生努森擴散。因此，實際煤層中的氣體擴散是體擴散、努森擴散與表面擴散的耦合，其受到氣體類型、儲層溫壓、吸附/解吸分數及儲層煤化程度等諸多因素的影響。當前煤層中氣體擴散動力學建模大致可分為類化學反應動力學模型以及吸附擴散動力學模型兩類，前者包括準一級速率模型、偽二階速率模型及elovich方程等；后者認為顆粒內擴散控制擴散速率，擴散速率可以由實驗測定的吸附數據通過求解球坐標下的fick第二定律給出，根據樣品孔徑分布特征又進一步劃分為單孔擴散與雙孔擴散模型。然而，上述模型大多數經驗的或為簡化計算流程做了大量簡化，無法合理地描述多種擴散機制的相互作用。例如，吸附態氣體分子與游離態氣體分子隨吸附/解吸的相互轉化、煤基質表面覆蓋率的變化導致分子-壁面之間碰撞的弱化等。此外，煤孔結構異質性也應當被考慮，粗糙的孔隙壁面與迂曲的孔道空間均在不同程度上影響氣體擴散。
3、因此，考慮煤層氣生產過程中氣體多重擴散機制的動態耦合，同時基于吸附效應與孔裂隙結構效應對煤中氣體擴散系數理論值進行矯正，進一步建立有效擴散數學模型能夠實現煤中氣體有效擴散系數的有效估算。
技術實現思路
1、為彌補現階段煤中氣體有效擴散系數計算方法中存在的不足，本發明提供了一種考慮多重擴散機制的煤中氣體有效擴散系數計算方法，該方法充分考慮了煤中氣體多重擴散機制在動態壓力條件的不同耦合模式，同時基于氣體吸附效應與孔隙結構效應對結果進行進一步修正，實現了煤中氣體有效擴散系數的準確計算。
2、本發明所采用技術手段如下：
3、本發明公開了一種煤層有效擴散系數的估算方法，所述方法包括：
4、步驟s1、收集目標煤層煤巖樣品，進行微納米煤孔結構定量表征與目標氣體等溫吸附測試以獲得有效擴散系數計算模型所需基礎參數；
5、步驟s2、基于氣體動力學理論分別計算對應實驗條件下試樣的理論體擴散系數、努森擴散系數與表面擴散系數，并根據試樣結構特征、吸附特征對計算結果進行矯正，隨后通過引入權重系數構建動態有效擴散系數計算模型；
6、步驟s3、基于目標氣體等溫測試結果計算試樣擴散系數，并根據動態擴散機制診斷圖版判斷試樣內氣體在不同壓力階段下各擴散機制的主控區間及耦合模式；
7、步驟s4、以所劃分的控制區間為基準確定體擴散、努森擴散臨界轉換壓力，并對體擴散、努森擴散權重系數進行賦值，隨后通過數據擬合得出表面擴散系數權重系數，進而確定考慮煤中多重擴散機制動態耦合的氣體有效擴散系數計算方程的具體形式；
8、步驟s5、解算上述煤中氣體有效擴散系數的計算方程即可實現變壓條件下煤中氣體有效擴散系數的準確計算。
9、本發明還具有如下技術特征：
10、在步驟s1中，優選的，所述微納米煤孔結構定量表征通過低溫n2吸附測試進行，根據實驗中所獲取的n2吸附量與相對壓力關系借助barrett-joyner-halenda?(bet)模型獲取孔隙結構參數。
11、優選的，所述目標氣體等溫吸附測試包括樣品采集、制備與實驗階段；
12、所述樣品采集階段具體為，樣品需采集自礦井下新鮮工作面，樣品自原煤巖剝離后需及時使用保鮮膜包裹以避免風化、氧化，樣品升井后需及時送檢。
13、所述制備階段需要將煤巖塊體破碎為40-60目粉末，隨后將粉末置入干燥箱中并進行不少于24小時的干燥以完全脫水。
14、所述實驗階段具體為，等溫吸附實驗基于容量法進行，在實驗前需檢查等溫吸附裝置氣密性，包括樣品室、參考室、控制閥門與管道連接處等。正式實驗開始前，需向樣品罐中注入氦氣后抽真空，多次重復這個過程以使樣品完全脫氣；隨后進行等溫吸附實驗，分階段向樣品室與參考室中注入目標氣體，記錄氣體壓力及試樣吸附用時。
15、優選的，為保證后續方程擬合精度，單一樣品等溫吸附實驗至少需要在6個不同的平衡壓力條件下進行。
16、在步驟s2中，由于煤中各尺度孔裂隙系統中具有不同的氣體輸運機制，所述實驗條件下煤樣中氣體的理論體擴散系數、努森擴散系數與表面擴散系數可通過氣體動力學方法得到。
17、優選的，所述煤中理論體擴散系數計算方程為：
18、（1）
19、式中： k b為玻爾茲曼常數； r為通用氣體常數； t為氣體溫度； δ為氣體動力學直徑； p為氣體壓力； m為氣體摩爾質量。
20、優選的，所述煤中理論努森擴散系數計算方程為：
21、（2）
22、式中： d為煤中擴散通道特征孔徑； r為通用氣體常數； t為所述氣體溫度； m為氣體摩爾質量。
23、優選的，不同于自由態分子擴散，表面擴散本質上是吸附分子在煤表面的隨機游走，所述煤中表面覆蓋率為0時的理論表面擴散系數計算方程為：
24、（3）
25、式中： δh為氣體等位吸附熱， r為通用氣體常數； t為所述氣體溫度。
26、上述理論擴散系數計算方程均假定氣體擴散空間為光滑平行毛細管束。實際上，天然煤中多尺度孔隙高度發育，孔隙結構異質性顯著，氣體分子實際運動的長度顯然遠遠超過光滑平行毛細管長度，并改變了分子-分子、分子-孔壁面之間的碰撞幾率，使得理論計算于實際測量值產生較大偏差。因此，本發明通過考慮孔隙系統孔隙度與迂曲度對各擴散系數計算公式進行基于孔結構效應的矯正。
27、優選的，考慮孔結構效應的粗糙多孔介質中各擴散系數為：
28、（4）
29、式中： ?為孔隙度； τ為迂曲度。由于煤中孔隙發育符合分形標度特征，分形維數具有明確的物理意義，可以基于孔結構實驗數據實現孔裂隙非均質性的有效量化。所述孔隙迂曲度與分形維數的關系為：
30、（5）
31、式中： l( λ)為氣體分子運動的真實路徑長度； l0為氣體分子運動的理想路徑長度； d f為孔隙系統分形維數。優選的，所述分形維數可由低溫n2吸附實驗數據根據下式計算：
32、（6）
33、式中： v為平衡壓力 p下的氣體吸附體積； v0為單層吸附飽和吸附體積； p0是飽和蒸汽壓； a是與分形維數 d f有關的常數， a與 d f之間的關系為：
34、（7）
35、此外，游離態氣體分子與吸附態氣體分子通過吸附/解吸動態轉化，隨氣體壓力的上升，氣體吸附逐漸趨近于飽和狀態，孔壁表面上的吸附點位逐漸被吸附態氣體分子所填充，此時分子-孔壁面之間的碰撞受阻，制約努森擴散。然而，隨著吸附點位的減少，發生表面擴散的氣體分子需要與已經完成吸附的分子發生多次碰撞，直到在空吸附點位上被重新吸附，這增加了表面擴散速率。因此，本發明中還通過表面覆蓋率對努森擴散、表面擴散進行基于吸附效應的進一步矯正。
36、優選的，假定游離態氣體分子與孔隙壁面碰撞的頻率反比于表面覆蓋度，則所述考慮吸附效應的有效努森擴散系數通過下式計算：
37、（8）
38、式中： θ為表面覆蓋度。
39、優選的，假設氣體僅發生單層吸附，即氣體等溫吸附曲線符合langmiur特征時，所述表面覆蓋度可通過下式計算：
40、（9）
41、式中： v為平衡壓力 p下氣體吸附體積； v l為langmuir體積； p l為langmuir壓力。
42、優選的，所述考慮吸附效應的表面擴散系數通過下式計算：
43、（10）
44、式中： κ為表面擴散阻塞系數； h(1- κ)為heaviside階躍函數；所述heaviside階躍函數可以表示為：
45、（11）
46、進一步的，由于煤中物質組成復雜，氣體吸附/解吸僅發生在部分吸附性組分表面，所述考慮孔隙結構效應與吸附效應的有效表面擴散系數為：
47、（12）
48、式中： ψ為有效吸附分數。
49、優選的，由于各擴散機制在不同壓力對于總擴散通量的相對貢獻并不相同，因此應當引入無量綱加權因子來考量各擴散機制的相對重要性：
50、（13）
51、式中： ω k是努森擴散權重系數； ω b是體擴散權重系數；ζ是表面擴散權重系數。對于游離態氣體擴散而言，所述努森擴散權重系數與體擴散權重系數存在如下關系：
52、（14）
53、所述表面擴散權重系數ζ代表吸附氣體分子表面擴散相對于自由態氣體分子擴散的相對強度，其在定義上與努森擴散權重系數 ω k、體擴散權重系數 ω b有所不同，需注意區分。
54、在步驟s3中，優選的，所述試樣有效擴散系數基于目標氣體等溫吸附實驗數據，每個平衡壓力下的試樣有效擴散系數通過unipore模型計算：
55、（15）
56、式中： m t/ m∞為吸附質量分數； r為氣體分子擴散的特征長度； t為擴散時間；考慮到吸附過程中氣體密度幾乎不變，所述吸附質量分數可通過吸附體積分數表示，并通過樣品室中氣體壓力計算：
57、（16）
58、式中： p0為初始氣體壓力； p t為 t時刻氣體壓力； p∞為平衡狀態下氣體壓力； v t為 t時刻吸附氣體體積； v∞為平衡狀態下吸附氣體體積。
59、優選的，所述有效擴散系數倒數-氣體壓力診斷圖版（圖1）在傳統判斷圖版基礎上納入了對于表面擴散的考量，并基于權重系數來考慮不同壓力下各擴散機制的相對貢獻。需要注意到，有效擴散系數倒數曲線演化趨勢取決于低壓區表面擴散的相對貢獻強度，表面擴散貢獻強時有效擴散系數倒與壓力呈負相關，表面擴散貢獻弱時有效擴散系數倒與壓力呈正相關。
60、優選的，根據曲線斜率的大小還可以劃分氣體在不同壓力階段下各擴散機制的主控區間及耦合模式，在曲線斜率劇烈變化段體擴散、努森擴散與表面擴散共同作用，而當壓力進一步增加時，氣體分子平均自由程迅速減小，氣體分子與孔隙壁面碰撞頻率降低，努森擴散對總擴散的貢獻可以忽略不記。
61、在步驟s4中，優選的，所述體擴散、努森擴散臨界轉換壓力是擴散機制由體擴散、努森擴散、便面擴散轉變為體擴散、表面擴散時的氣體壓力。在達到臨界壓力前，過渡擴散中的努森擴散權重系數 ω k與體擴散權重系數 ω b與氣體壓力分別呈現負線性相關與正線性相關，對二者在區間（0，1）內根據壓力線性賦值。隨后，應用三次函數基于公式13對實驗測得有效擴散系數與氣體壓力進行擬合以得到表面擴散權重系數 ζ與氣體壓力之間的關系。
62、與現有技術方法相比，本發明的技術方案具有如下有益效果：
63、1、本發明提供的方法，在傳統模型只考慮游離態分子擴散的基礎上有機地融入了吸附態氣體分子對于總體傳質的貢獻，并通過引入無量綱權重因子對不同壓力條件下各擴散機制強度進行適當約束，大大提高了變壓條件下煤中氣體有效擴散系數理論計算值與實驗測量值的匹配度。
64、2、本發明以分子動力學理論為基礎計算得到理論體擴散、努森擴散、表面擴散系數，通過引入孔隙迂曲度、孔隙度、分形維數對理論擴散系數進行孔隙結構效應修正，通過引入表面覆蓋率對理論擴散系數進行吸附效應修正；相較于傳統計算方式，該模型更貼近于真實煤巖中實際氣體擴散過程，具有明確物理含義。
65、3、本方法相較于現有技術方法，其實現路徑更為快速簡潔，動態氣體有效擴散系數計算精度更高，且只需要進行常規實驗即可獲得所需參數。
66、本發明提出的方法簡單、易于操作、經濟可靠，為煤層中氣體有效擴散計算提供了一種新方法，對礦井瓦斯突出防治、煤層氣勘探選區、co2地質封存有效性評價具有重要指導意義。