溫度對頁巖吸附特征的影響研究

溫度對頁巖吸附特征的影響研究

0頁巖氣特征的研究中國的采礦和開采技術越來越成熟，黃巖氣的開采也在進行中。與煤層氣一樣,頁巖氣也是以吸附態(tài)和游離態(tài)賦存于泥頁巖中,不同的是頁巖氣中游離部分所占比例較大。目前國內(nèi)有關煤層吸附特征的研究很多,關于頁巖氣吸附特征的研究則比較少見。國內(nèi)關于頁巖氣的研究主要集中在頁巖的地質特征和儲量計算等方面。在美國頁巖氣的開發(fā)已進入商業(yè)階段,頁巖氣的研究相對比較成熟[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18]。本文根據(jù)煤層氣和頁巖氣的等溫吸附實驗資料,研究了影響煤層和頁巖吸附的主要因素,并對比分析了兩者的吸附特征。1吸附速率及壓力煤層氣和頁巖氣均是以吸附態(tài)賦存于儲層之中的,因此常用朗格繆爾方程來描述煤層氣和頁巖氣的吸附和解吸特征。朗格繆爾方程如下:式(1)—(3)中:k1為吸附速度常數(shù);k2為解吸速度常數(shù);p為吸附平衡時的壓力;PL為朗格繆爾壓力,MPa;VL為吸附達到飽和時的吸附體積(朗格繆爾體積),m3/t;V為平衡時被吸附氣體的吸附量(朗格繆爾體積),m3/t;式(1)表示吸附體積與壓力的關系;式(2)可以計算PL、VL;式(3)表示等溫吸附曲線上單位壓力變化下吸附能力的變化,其值越大,表示等溫吸附曲線的斜率越大,單位壓力變化對吸附能力的影響就越大。2實驗溫度和煤樣的選取為了充分揭示出頁巖對甲烷吸附特征的影響因素,本文實驗巖樣采用了2組不同有機質含量的頁巖、2組不同有機質成熟度的頁巖以及同一類型的頁巖樣本?？紤]到頁巖的埋深比煤層埋深要深一些,為了使實驗的溫度更加接近儲層的溫度,所以頁巖等溫吸附實驗的溫度在35℃左右。研究溫度對頁巖吸附的影響時,實驗的溫度分別為35.4℃、50.4℃、65.4℃。作為比對,采用的煤樣是取自山西沁水盆地的氣煤、焦煤、貧煤和無煙煤。前三者的煤樣主要用來研究不同煤階甲烷的吸附特征,實驗的溫度為30℃。無煙煤用來研究不同溫度煤層吸附特征的影響,實驗的溫度分別為30℃、40℃、50℃。煤層氣解吸吸附機理實驗采用GB/T19560-2004煤的高壓容量法等溫吸附實驗方法規(guī)定的實驗方法,利用AST-2000型大樣量吸附/解吸仿真實驗儀,煤樣巖樣制成60~80目的顆粒,實驗所用的頁巖巖樣分別取自美國密西西比系和福特沃斯盆地石炭系,實驗的儀器采用美國德克薩斯大學的吸附/解吸實驗儀,實驗的最高壓力達到50MPa,精度為0.05%。3巖屑和煤氣的吸附特性的比較3.1實驗溫度和朗格原理本文實驗采用的頁巖巖樣取自美國德福德縣密西西比系。TOC值為17.2%,RO值為0.58%,實驗的溫度分別是35.4℃、50.4℃、65.4℃。煤樣采用的是無煙煤,無煙煤的RO值為3.21%,AaD為14.49%,Vda為7%。實驗的溫度分別是30℃、40℃、50℃。實驗的數(shù)據(jù)如表1、表2所示。根據(jù)式(2)計算的朗格繆爾常數(shù)如表3所示。從圖1中可以看出,隨著實驗溫度的升高,頁巖對甲烷的吸附量呈下降的趨勢;從圖2中也能看出,溫度升高,無煙煤對甲烷的吸附量有所下降。這是因為溫度升高,甲烷分子擴散的速度加快,頁巖和煤層表面甲烷的解吸速度加快,等溫解吸過程增強。從表1中可以看到,無煙煤和頁巖的PL值隨溫度的升高而逐漸增加,且頁巖PL值增加更加明顯;VL值隨溫度的升高而逐漸降低,頁巖的VL值變化更加明顯;不同溫度下,無煙煤的VL值比頁巖的VL值大,PL值比頁巖小,這說明煤層對甲烷的吸附能力比頁巖強,溫度對頁巖的吸附影響比煤層對甲烷吸附的影響更加明顯。3.2巖樣的選擇和煤級的設置研究有機質含量對頁巖吸附的影響,本組實驗采用了2種頁巖巖樣,巖樣分別取自美國的福特沃斯盆地石炭系和德福德縣密西西比系,頁巖巖樣的RO值均為0.58%,TOC值分別為17.2%和7.9%。實驗的溫度為35.4℃。實驗的數(shù)據(jù)如表4所示。從圖3中可以看出,RO值一定時,TOC值越大,頁巖的吸附能力越強,甲烷的飽和吸附量越大。頁巖中的有機質含有大量的微孔隙,隨著有機質含量的增高,頁巖中的微孔隙體積變大,為氣體在頁巖上的吸附提供更多的空間,所以吸附甲烷的量更多。研究不同有機質含量對頁巖吸附的影響,本組實驗也采用了2種頁巖巖樣。由于所有實驗巖樣的有機質成熟度差異均比較大,最終選擇了有機質成熟度較為接近、有機質成熟度差異較大的2種頁巖巖樣,巖樣分別取自美國的福特沃斯盆地石炭系,深度分別為1879m和2192m。第一組頁巖巖樣的RO值為2.01%,TOC值為6.6%;第二組頁巖巖樣的RO值為0.81%,TOC值為7.05%。實驗的溫度為35.4℃。實驗的數(shù)據(jù)如表5所示。從圖4可以看出,RO值越大,頁巖對甲烷的吸附能力越強,但是對甲烷的飽和吸附量影響不大。特別是當壓力在1~9MPa時,有機質的成熟度對甲烷吸附影響比較明顯。作為對比,研究煤層的吸附特征,實驗采用了氣煤、焦煤、貧煤等3種不同煤級的巖樣,巖樣的具體參數(shù)如表6所示,實驗的溫度為30℃,實驗的數(shù)據(jù)如表7所示。從圖5中可以看到,隨著煤級的增高,煤層對甲烷的吸附能力逐漸增強,甲烷的飽和吸附量逐漸增大。從表6中可以看出,隨著煤級的增高,煤層的PL值逐漸降低,VL值逐漸升高;比較2塊貧煤巖樣可知,隨著RO值的逐漸增大,煤層的PL值逐漸減小,VL值逐漸增加;比較2塊焦煤巖樣可知,隨著煤有機質含量的增加,PL值逐漸增加,VL值逐漸減小。隨著頁巖有機質含量的增高,PL值和VL值都逐漸增大;隨著頁巖有機質成熟度的增大,PL值和VL值都逐漸減小。3.3壓力對甲烷吸附量的影響由于煤層氣主要是以吸附態(tài)賦存在煤層中,煤層氣的開采是采用排水—降壓—解吸的方式開采的,而頁巖氣主要以游離態(tài)和吸附態(tài)賦存于泥質頁巖中,為了研究降壓開采對兩者開發(fā)效果的影響,根據(jù)貧煤、氣煤、頁巖1樣品和頁巖2樣品的等溫吸附參數(shù),利用公式(3),分別研究了4種巖樣單位壓力變化對甲烷吸附量的影響程度,結果如圖6所示。從圖6中可以看到,壓力越低,壓力變化對甲烷吸附量的影響就越明顯。當壓力高于5MPa時,單位壓力變化下甲烷吸附量變化不大(低于1m3/t);當壓力低于5MPa時,貧煤和氣煤的單位壓力變化下甲烷吸附量變化較為明顯;頁巖的吸附特征也有類似的規(guī)律,但與煤樣相比,頁巖1樣品和頁巖2樣品單位壓力變化下甲烷吸附量變化不明顯。這說明當采用降壓開采時,壓力變化對貧煤和氣煤吸附特征影響較大,對頁巖1樣品和頁巖2樣品吸附特征較小。4ro值、煤有機質含量對頁巖pl值、vl值的影響(1)隨著溫度的升高,頁巖和煤層對甲烷的吸附量呈下降趨勢,但是溫度對頁巖的吸附影響比煤層對甲烷吸附的影響更加明顯。(2)隨著RO值的逐漸增大,煤層的PL值