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煤层气气驱吸附及解吸规律实验研究_张杰

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煤层气 吸附 解吸 规律 实验 研究
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收稿日期 : 20120217; 改回日期 : 20120430基金项目 : 国家重大专项技术 “大型油气田及煤层气开发 ”之 “胜利油田薄互层低渗透油田开发示范工程 ”部分内容 ( 2011者简介 : 张杰 ( 1987 - ) , 男 , 2008 年毕业于中国石油大学 ( 华东 ) 电气工程及其自动化专业 , 现为该校油气田开发工程专业在读硕士研究生 , 主要从事采油工程及油田化学方面的研究工作 。10. 3969/j. 1006 -6535. 2012. 06. 031煤层气气驱吸附及解吸规律实验研究张 杰1, 林珊珊1, 曲永林2, 王 荣3, 李登峰1( 1. 中国石油大学 ( 华东 ) , 山东 青岛 266580; 2. 中油大港油田公司 , 天津 300280;3. 中海油田服务股份有限公司 , 河北 廊坊 065201)摘要 : 为研究煤层气的赋存形式和气驱原理 , 通过实验测量了煤层气注气开采中主要涉及的 3种气体 2的吸附及解吸量 , 并利用 型和 型进行实验处理拟合等温曲线 , 比较 3 种气体吸附性的强弱和模型的适用性 , 得出气驱煤层气的机理 。此外 , 还通过实验研究了注入不同气体后煤岩渗透率的变化情况 , 定性分析了不同气体驱替煤层气时流量的大小以及不同气体驱替的效果 。研究结果表明 , 开采煤层气时可利用 2的竞争吸附将煤层气采出 , 关键词 : 煤层气 ; 气驱 ; 吸附 ; 解吸 ; 渗透率中图分类号 : 献标识码 : A 文章编号 : 1006 -6535( 2012) 06 -0122 -04引 言煤层气气驱技术是指将驱替气体注入到深部不可开采的煤层中 , 同时将储藏在煤层中的煤层气 ( 主要成分为 置换出来[ 1]。该过程不仅减少了温室气体 同时还大幅度提高了煤层气采收率 , 因此气驱替煤层气技术越来越受到很多国家的重视[ 2]。美国 、加拿大 、日本 、欧盟等纷纷开展研究 , 并先后进行了不同规模的现场试验[ 3 -5]。近年来 , 国内一些学者和单位也纷纷关注该技术 , 但相关研究还处于起步阶段 , 对气驱机理的研究还需进一步加深 。为此 , 通过自制的气驱设备进行室内实验来分析煤层气的吸附和解吸规律 , 总结注入不同气体驱替开采煤层气的规律 , 研究气驱煤层气的机理 ,对煤层气的开发具有一定的指导意义 。1 煤层气的赋存形式目前对于煤层气的赋存状态比较一致的认识是 : 煤层气以吸附态 、游离态和溶解态 3 种形式储集在煤的孔隙中 , 其中以吸附态为主 , 占 80% 以上 。吸附是指气体以凝聚态或者类液态被多孔介质所容纳的过程 。煤对煤层气的吸附以物理吸附为主 。煤层未开采时 , 吸附态煤层气和游离态煤层气处于吸附与解吸的动态平衡[ 6]。目前描述煤层气吸附的物理模型最常用的有 型和 型 。1. 1 型1916 年法国化学家 动力学观点出发 , 在研究固体表面吸附特性时 , 提出了单分子层吸附的状态方程 , 即 程[ 7]。其基本假设条件是 : ①吸附平衡时 , 体系中气体的吸附速度与脱附速度相等 , 吸附是可逆的 , 吸附和脱附之间没有滞后发生 , 吸附平衡是动态平衡 ; ②吸附剂表面均匀光洁 , 固体表面的吸附势能呈均质状态 , 活化能为零 ; ③被吸附的气体分子之间没有相互作用力 ; ④固体表面吸附平衡仅形成单分子层 。单一气体吸附的 程[ 8]:q = 1)式中 : q 为单位体积吸附剂平衡吸附量 , g; g; p 为气体的压力 , b 为 数 , 。1. 2 型分子层理论模型是 1938 年由 期 张 杰等 : 煤层气气驱吸附及解吸规律实验研究 123 温吸附方程的基础上提出来的[ 9 -10], 它除了保留 温方程中吸附是动态平衡 、固体表面是均匀的 、被吸附分子间无作用力外 , 还补充了以下假设 : ①被吸附分子和碰撞到其上面的气体分子之间存在范德华力 ,会发生多层吸附 ; ②第 1 层的吸附热和以后各层的吸附热不同 , 第 2 层以上各层吸附热为相同值 ( 吸附质液化热 ) ; ③不一定要上一层吸附满了才能开始下一层的吸附 , 因此表面不同位置吸附的分子不一定相同 ; ④吸附质的吸附和解吸只发生在直接暴露于气相的表面上 。程如下 :V =p) [ 1 + ( C -1) p/ 2)式中 : V 是气体在一定温度下压力为 p 时的吸附量 , m3/ 层时的饱和吸附量 , m3/C 是与吸附热和汽化热有关的常数 。2 实验准备2. 1 煤层气的吸附 /解吸实验通过煤层气的主要成分 2在室温下的吸附与解吸实验 , 得到等温条件下 2的吸附量及解吸量随压力的变化曲线 。2. 1. 1 实验材料和设备( 1) 实验材料主要包括煤岩样品 、纯度为 99. 99%) 、纯度为 99. 99%) 、纯度为99. 99%) 、饱和 液以及 体 。( 2) 本实验采用自主设计组装的煤层气吸附/解吸特性研究装置 ( 图 1) 。图 1 煤层气吸附 /解吸特性实验装置流程2. 1. 2 实验步骤实验步骤主要包括 : ①经过破碎 、粉碎 、筛选 ,完成煤岩样品的制备 ; ②样品缸自由空间体积的测定 ; ③等温吸附和降压解吸实验 。2. 2 气体吸附对煤岩渗透率影响实验当气体在煤岩中吸附时 , 煤岩基质的体积会发生膨胀 , 基质的膨胀会使微裂缝 、割理等煤岩的渗流通道减小 , 从而降低渗透率 ; 相反 , 当气体在煤岩中解吸时 , 煤岩基质的体积会发生收缩 , 微裂缝 、割理等煤岩的渗流通道增大 , 从而增大煤岩渗透率 。不同的气体吸附或解吸的情况不同 , 对渗透率的影响也不同 。实验通过用 2对煤岩进行气测渗透率 , 并同水测渗透率进行对比 , 从而得出不同气体吸附对煤岩渗透率影响的程度 。2. 2. 1 实验材料与仪器实验材料与 2. 1 实验相同 , 实验仪器包括 : 气测渗流率仪 、高压容器 、氮气高压气瓶 、量筒 、平流泵以及连接管线 。2. 2. 2 实验步骤实验步骤主要包括 : ①将煤样粉碎成直径为0. 15 ~0. 25 小颗粒 , 烘干后称量煤样质量 , 填充进高压容器内压实 ; ②将高压容器和 Ⅲ气体渗透率测定仪连接起来 , 抽真空后 , 分别用 2通过煤岩测其渗透率 ; ③用蒸馏水对经过了气测渗透率的煤岩进行水测渗透率 , 以作参考 。3 实验结果分析3. 1 3 种气体的吸附与解吸曲线3. 1. 1 0℃, 仪器密封性良好 , 通过实验得到 图 2) 。图 2 合曲线124 特 种 油 气 藏 第 19 卷吸附曲线 合方程为 :V =6. 9535( 1 + 3)合方程为 :V =6. 9535( 1 + 4)式中 : p1、 般情况下煤层温度为 20 ~ 30℃, 煤层压力为 2 ~3 而 0 ~30℃时的饱和蒸气压可达 20 ~30 满足单分子层饱和吸附的条件( 煤层压力与饱和蒸气压的比值约为 0. 1) 。因此 ,在实验温度和压力条件下 , 分子层吸附模型 , 图 2 拟合的曲线形态也证明了这一点 。3. 1. 2 0℃下 . 727 4 化热为 155. 23 kJ/, 分别采用 法和 法拟合 。图 3 合方程为 :V =64. 5509( 1 + 5)吸附曲线 合方程为 :V =64. 55 ×0. 2135. 7274 - 1 + ( 0. 213 -1)]5. 7274( 6)解吸曲线的 合方程为 :V =63. 674( 1 + 7)解吸曲线的 合方程为 :V =63. 6 ×0. 2135. 7274 - 1 + ( 0. 213 -1)]5. 7274( 8)故在相同煤层条件下 外 , 由于 因此还可能发生 ~ 7煤层压力与饱和蒸气压的比值 p/1, 因此 多层吸附已经发生 , 此时可用 分子层吸附理论来解释 , 但 论对实验结果的成功解释只局限在 p/. 05 ~0. 35, 在煤层压力范围内多分子层吸附只占很少一部分 , 而单分子层占绝大部分 , 故采用 程解释 ( 存在误差 , 但不会很大 ) 。在实验中一般采取以下方式 : 实验曲线饱和之后 , 呈现明显上升的趋势 , 采用 式来解释吸附过程 ; 上升趋势不太明显 , 使用 式 。该实验中对于煤样 式拟合曲线 , 说明单分子层吸附占有明显优势 。3. 1. 3 0℃下进行 得到吸附与解吸曲线 ( 图 4) 。图 4 合曲线合方程为 :第 6 期 张 杰等 : 煤层气气驱吸附及解吸规律实验研究 125V =2. 781( 1 + 9)合方程为 :V =2. 7509( 1 + 10)在煤层温度下 , 远小于 2在煤岩上的吸附作用 , 即使与 也达不到多层吸附发生的程度 , 故可用 分子层理论来解释 。3. 2 3 种气体的吸附能力比较3 种气体的吸附曲线对比见图 5。可以看出 ,在相同条件下 , 其次是 2的吸附能力最弱 。因此 , 注气开发煤层气过程中 , 即煤岩基质优先吸附能力较强的 促使 图 5 2的吸附曲线对比 注入 2浓度 , 使得吸附速率大于解吸速率 , 造成 减少 从而促使 同时 , 注入 使 在宏观上表现为 3. 3 不同气体对煤岩渗透率的影响以水测渗透率作为参考 ( 设水测渗透率为 1) ,用 气体测量煤岩的气测渗透率 ,测得结果与水测渗透率的比值分别为 1. 83、1. 75、1. 65。由于气体滑脱效应的影响 , 气测渗透率比水测渗透率要高 。由上述结果可知 , 用 3 种气体测得的煤岩气测渗透率大小为 : 对于被 注入 导致渗透率降低 ; 而注入 孔隙增大 , 从而导致渗透率增加 , 这就是 4 结 论( 1) 利用自制设备进行气驱实验 , 运用吸附曲线对结果进行拟合 , 结果表明 2的吸附更符合 型 。2的吸附能力强弱为 因此开采煤层气时可利用 2的竞争吸附将煤层气采出 。( 2) 2测得的煤岩渗透率大小为 因此注气开采煤层气的过程中 , 注入 相反相对于饱和了 即 参考文献 :[ 1] 张亚蒲 , 杨正明 , 鲜保安 . 煤层气增产技术 [ J] . 特种油气藏 , 2006, 13( 1) : 95 -96.[ 2] 傅雪海 , 秦勇 , 韦重韬 . 煤层气地质学 [ M] . 北京 : 中国矿业出版社 , 2007: 1 -28.[ 3] 陈进 , 刘蜀知 , 钟双飞 . 阜新组煤层气井用压裂液优选研究 [ J] . 特种油气藏 , 2008, 15( 2) : 81 -83.[ 4] 辜敏 , 陈昌国 . 程在变压吸附过程中的应用 [ J] . 天然气化工 , 2002, 27( 1) : 29 -30.[ 5] 刘洪林 , 王红岩 , 李景明 . 利用碳封存技术开发我国深层煤层气资源的思考 [ J] . 特种油气藏 , 2006, 13( 4) : 6 -10.[ 6] A, K, L. of on of in An J] . 1994, 24( 5) : 521 -528.[ 7] 张庆玲 , 张群 . 煤对多组分气体吸附特征研究 [ J] . 天然气工业 , 2005, 25( 1) : 57 -60.[ 8] 蔺金太 , 郭勇义 , 吴世跃 . 煤层气注气开采中煤对不同气体的吸附作用 [ J] . 太原理工大学学报 , 2001, 32( 1) : 18 -20.[ 9] 傅雪海 , 秦勇 . 多相介质煤层气储层渗透率预测理论与方法 [ M] . 徐州 : 中国矿业大学出版社 , 2003: 16 -85.[ 10] 高慧梅 , 何应付 , 曹丽丽 , 等 . 变形介质煤层气压力动态特征分析 [ M] . 特种油气藏 , 2007, 14( 1) : 66 -68.编辑 王 昱on 1. 66580, . 00280, . 65201, In to of in of is by ET of of of to is in is by of of by 2be to in 2of of 24010, as an 8 of of by of of of of of it of of on in ey 1. ab 02249, . 57015, . 00083, is a in on is by by on of is by is in is in to in is 8%, in is 5%, is in to of ey 66580, is a is of of is of is by of is a of by ey 41000, on 5 on of in on of OP 0% ~260% 8% ~58%. 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