GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2020/8836349 8836349 研究文章 煤在超临界CO的渗透性特征2吸附在不同的温度下 https://orcid.org/0000 - 0002 - 4439 - 8757 刘 Xueying 1 2 https://orcid.org/0000 - 0003 - 0088 - 7652 余 金 1 https://orcid.org/0000 - 0002 - 9662 - 0022 吴 迪 2 https://orcid.org/0000 - 0002 - 4704 - 8154 肖 小春就 2 Iglauer Stefan 1 福建隧道、城市地下空间工程研究中心 华侨大学 厦门361021 中国 hqu.edu.cn 2 力学与工程学院 辽宁科技大学 阜新市 辽宁123000 中国 lntu.edu.cn 2020年 9 9 2020年 2020年 9 7 2020年 3 8 2020年 27 8 2020年 9 9 2020年 2020年 版权©2020 Xueying刘et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

有限公司2存储在煤层已成为一个有效的方法来减少有限公司2发射,并帮助开发煤层气(CBM)。渗透率是煤层气开采的关键参数。在深煤层(> 800)有限公司2存在于超临界状态。在目前的工作,渗透率测试之前和之后进行煤球超临界CO2(SC-CO2)在不同温度下的吸附研究SC-CO的影响2吸附在渗透率。实验结果表明,SC-CO2吸附导致体积膨胀和通透性增加。渗透性增强减少不断在35°C,而它最初增加和减少压力超过9或10 MPa在45岁或55°C,分别。此外,渗透性增强比率显示了线性增加与扩张。研究为进一步的研究提供了一个基础的增强煤层气(ECBM)复苏。

 科学技术计划项目在厦门 3502年z20193040 中国国家自然科学基金 51679093 51874144 1。介绍

CO的排放2多年来一直在增加,碳捕获和储存(CCS)一直被视为减轻温室效应( 1]。各种存储选项(油藏、盐碱含水层与煤层),存储在煤层是有前途的,因为优点:首先,有很多unmineable煤炭资源,因为有限的复苏,和潜在的中国煤层气的储量在世界上排名第三( 2];其次,由于公司更大的亲和力2煤比CH4,它有助于ECBM复苏。研究人员从美国、日本和中国进行试点实验ECBM可行性( 3- - - - - - 5]。具体来说,当温度和孔隙压力高于临界点(31.06°C, 7.38 MPa)有限公司2在超临界状态存在于煤层深度在800 ( 6]。SC-CO2有强烈的扩散的特点,低粘度和表面张力。

研究进行了ECBM通过实验和数值模拟 7- - - - - - 10]。当有限公司2加压到煤层、天然气运输主要包括扩散、渗透和竞争吸附 11]。吸附的有限公司2已经调查了从亚临界状态的超临界状态 12, 13),和各种吸附模型进行评估,如朗缪尔,Dubinin-Astakhov(数字-模拟),和Dubinin-Radushkevich (dr)模型( 14]。吸附能引起肿胀( 15, 16]和改变孔隙分布、面积和功能组的煤( 17, 18),导致渗流特征和力学性能的变化( 19, 20.]。毛孔被归类为微孔隙(< 2海里)吸附、中孔(2-50海里),和大孔隙渗流(> 50 nm),和孔隙结构的变化进行了调查,揭示了机制。位于等人相比,短期和长期的影响有限2相互作用对孔隙结构( 21]。考虑水在煤层的存在,倪et al。 22和刘et al。 23调查与SC-CO互动2和水,表明化学反应也会影响孔隙结构。

渗透率是天然气开采的关键参数,并受到有效应力和有限公司2吸附、偶尔提取和解散。尽管先前的研究已经集中在渗透率变异,然而,每个因素的具体影响是不确定的,尤其是在超临界状态。在目前的工作,一系列SC-CO之前和之后进行渗透测试2吸附在nonconfining条件下在不同的温度。公司的影响2孔隙率和渗透率研究,吸附样本之间的差异减少使用煤饼”。结果可以进一步提供依据ECBM的现场应用。

 2。实验标本和装置 2.1。标本

标本钻从同一块的孔隙度可能不同,这种差异可以影响渗透率特征和吸附能力。因此,选择加工成的标本,因为同质性和可控孔隙度。

我块提取Xinqiu,辽宁省阜新市。块碎,渗到下面的直径是0.25毫米。255克煤粉和5 g松香放在一起变成一个厚壁圆筒,和团块的形状在气缸加载460 kN,如图 1。直径和长度50毫米和100毫米,分别。所有的标本都是干在105°C的温度为24小时。平均孔隙度是0.31通过比较样品的表观密度和粉煤的真密度,这可以被认为是没有区别的标本。

制作样品的过程。

 2.2。实验系统

实验包括两个部分,渗透率测试和吸附实验。基于达西定律,瞬态和稳态方法经常用于确定渗透率( 24- - - - - - 26]。在目前的工作,后一种方法使用的渗透率相对较高的煤饼”。渗透测试的实验系统由注入部分(N2缸)、渗流和参考单元泵与监管机构和流量计,如图 2。后用吸尘器吸尘、围压泵首先被应用。N2是迫于压力参考细胞,一旦压力稳定,N2注入渗透细胞开始测试。流量计用于测量流量的N2,渗透率是由( 27] (1) k = 2 μ P 2 l 问 P 1 2 − P 2 2 一个 , 在哪里 μ N的粘性吗2, 问 是流量。 P 1 和 P 2 分别的上游和下游压力, l 和 一个 分别是长度和横截面积。

实验系统。

吸附的实验系统的主要部分是参考细胞和细胞吸附。吸附量是由体积测量的方法,和孔隙体积估计通过注入他根据国家标准。直径和长度的标本在几个位置用游标卡尺测量计算实验前后的体积,可以由和体积膨胀 (2) 年代 = V − V 0 V 0 × One hundred. % , 在哪里 年代 体积膨胀, V 0 和 V 的初始和最终体积标本,分别。

根据测量在吴et al。 13),可以由吸附量 (3) n = 1 米 R T V R P R 1 Z R 1 − P R 2 Z R 2 − V 一个 1 P 一个 1 Z 一个 1 − V 一个 2 P 一个 2 Z 一个 2 , 在哪里 n 过度的单位吸附量是一个标本。 米 是一个样品的重量。理想气体常数R, 8.314 J / (g·摩尔·K)。 T 是平衡温度。 V R 和 V 一个 的空白卷参考和吸附细胞,然后呢 P R 和 P 一个 是两个细胞的各自的压力。下标1和2是指初始和最终状态,分别。 Z R 1 , Z R 2 , Z 一个 1 , Z 一个 2 压缩因子对应吗 P R 1 , P R 2 , P 一个 1 , P 一个 2 分别在温度 T 。

 2.3。实验程序

实验过程包括三个阶段,确定渗透率,有限公司2后吸附、渗透和测量有限公司2解吸。

阶段一:一系列的渗透测试是进行压块放置在渗流单元使用N22 MPa的注射压力和围压的12 MPa 35°C

阶段二:标本被从渗透细胞,放置在吸附细胞。实验有限公司2吸附进行没有限制在8 MPa的压力和温度35°C。实验持续24小时根据国家标准,减少压力和变形记录

阶段三:解吸12小时后,渗透率测试是重复三次调查变异和确定吸附对渗透率的影响。

新样品吸附细胞取代,和第二和第三阶段是重复的公司2压力9、10、11、12、13 MPa。随后,温度增加到45岁或55°C;这一系列的实验是重复的。

 3所示。实验结果和讨论 3.1。前后的渗透率特征SC-CO 2 <子> < /订阅>吸附

图 3表明SC-CO后的渗透率提高显著2在不同温度下的吸附。吸附后,渗透率下降了0.4 mD MPa压力从8至9 MPa,和它减少了大约0.7 mD从9 MPa压力增加到13 MPa在35°C。然而,公司后的渗透率2最初吸附略有增加,随后减少适度增长的公司2压力在45 - 55°C,山峰在9 MPa的压力明显观察到45°C。与初始渗透率相比,渗透性增强比例, η ,可以确定 (4) η = k − k 0 k 0 × One hundred. % , 在哪里 k 0 和 k 前后的渗透率值有限公司吗2分别吸附。

渗透性增强在不同的温度下。

35°C

45°C

55°C

披露的变化 η温度,比改建如图 4。比例减少大约13%在8 MPa的压力,虽然减少MPa 9点前增加了10%。10 MPa的压力时,比例略有增加,温度从35到45°C,它继续适度的增加温度上升到55°C。

渗透性增强率随着温度的增加。

 3.2。吸附和变形

图 5表明,有限公司2吸附在不同压力和温度诱发各种肿胀。体积膨胀降低4% 35°C,而扩张增加略前9 MPa,随后减少3.5%和1.2%在45 - 55°C,分别。当压力超过10 MPa, 55°C的扩张是比在其他温度。

在不同压力和温度体积膨胀。

虽然朗缪尔模型通常用于估计吸附量和变形,但是,它不应用于吸附压力超过6 MPa主要是由于单层吸附的假设。替代品,如修改dr模型被发现更适合适合吸附量和肿胀( 28, 29日]。在这个模型中,气体密度取代压力和吸附密度取代的饱和蒸汽压力,避免了饱和蒸汽压的限制在超临界状态,如图所示 (5) 年代 = 年代 马克斯 经验值 − D ln 2 ρ 一个 ρ + 一个 ρ , 在哪里 年代 马克斯 是最大的肿胀。的吸附量, D 有关气体的吸附热及亲和吸附剂,而肿胀,可能是被视为一个经验参数。 ρ 、有限公司2密度随温度和压力,从网站获得美国国家标准与技术研究院(NIST),如图 6。 ρ 一个 吸附相的密度,被认为是1000公斤/米3( 28, 29日]。

有限公司2密度在不同的温度和压力。

标本在三个温度下的变形是配备了修改后的dr模型与一个伟大的决心,如图 7和表 1。 年代 马克斯 减少13%,温度从35到55°C,而它不发生显著的变化与温度在前面研究[ 29日]。这种差异主要是因为团块结构松散,而原煤标本结构致密。的吸附密度有限公司2大约是接近液体有限公司2密度,揭示吸附CO2需要更少的体积比气体有限公司2。的 一个 公司有关2溶解度,这个词可以用来描述压缩以巨大的压力。

符合公司扩张2密度。

dr模型拟合的参数修改。

温度(°C) 年代 马克斯 D 一个
35 0.32 0.28 − 2。7 × 10 − 4
45 0.23 0.11 − 1.6 × 10 − 4
55 0.19 0.07 − 1.1 × 10 − 4
3.3。吸附和肿胀

图 8表明,肿胀的标本减少线性1.5%随着吸附量的增加1更易/ g,前面所示的研究( 13]。研究报告的增加变形的增加绝对吸附,在一个稳定的趋势有限公司2压力接近10 MPa ( 15, 29日]。公司的过程2吸附和试样变形的不均衡状态的动态平衡状态。与公司2注入,公司2扩散由于压力差和它是吸收的矩阵。有限公司2作为塑化剂,使煤结构重排,降低软化温度( 30.]。有限公司2的表面能吸附可以减少煤和弱的机械性能。这些主要原因矩阵吸附后大幅膨胀。高压有限公司2可以约束矩阵肿胀和扩大公司时显示一个下降的趋势2压力超过10 MPa。

体积膨胀和过度的吸附。

 3.4。分析渗透率的变化引起的CO 2 <子> < /订阅>

渗透比率显示了线性增加的体积膨胀,如图 9。有人指出55°C的比例略低于其他温度下。adsorption-induced肿胀表明更大的孔隙度和更广泛的渗流通道,因此,提高渗透率。这表明,渗透性增强nonconfinement下主要由吸附的影响。

渗透性增强率与体积膨胀。

为有限公司2在深煤层地质存储,地层压力限制肿胀、公司后的渗透率变异2互动是一个耦合有限的结果2吸附和有效应力,以及提取或解散。为有限公司2吸附在密闭压力,由于注气,减少有效应力和有限公司2吸附诱导矩阵扩张(方程( 6)和( 7))。伟大的约束下,煤炭矩阵扩大进口和楔子狭窄,导致渗透率降低。Ranathunga等人观察到在大孔隙收缩借助扫描电子显微镜(SEM) ( 31日]。所有microcleats,气体渗流的主要通道,可以密切观察SC-CO后ct机扫描2注射,渗透率急剧降低2数量级( 32]。在公司2吸附在约束的压力下,渗透率降低比率增加线性增加的肿胀( 33]。 (6) ε = ε e + 年代 , (7) ε e = 量 σ − P 3 K , 在哪里 ε 是总变形引起有效应力和吸附。 ε e 有效应力造成的体积变形,即, σ − P , K 体积弹性模量。在方程( 7),-表示压缩。

作为溶剂,SC-CO2可以提取有机矿物质和改变孔隙表面,表面沾污。李等人观察后渗透率增加有限公司2循环吸附和解吸压力约束,以及在宏观的扩张和中孔但很少微孔隙的变化( 34]。由于表面明显的骨折,提取是由于卓越的渗透率的改善。溶解度随有限公司2密度,因此很难量化提取的影响。

另一个影响因素是化学反应。水存在于煤层和公司之间的交互2和水可以溶解碳酸盐矿物。有限公司2可以溶于水形成一个酸溶液,方解石的溶解。水和SC-CO之间的交互2原因毛孔的增量,提高渗透率( 23]。然而,一些硅酸盐矿物形成沉淀和块孔连接,降低渗透率( 22]。

 3.5。讨论公司<子> 2 < /订阅> -ECBM

有限公司2-ECBM注入股份有限公司2通过井深煤层在一定的注射压力。在天然气生产的磁导率是关键因素。虽然渗透率高压力变得更大而不考虑克林肯伯格效应( 7),然而,增加有限2压力不能有效的提高开发效率根据前面的分析。在四个因素中,提取和解决方案对渗透率的影响是有限的,估计困难。肿胀的增加逐渐减少有限公司2压力。此外,注入高压有限公司2容易诱发灾害和削弱机械性能。因此,渗透率显著增强,不仅可以增加有限2压力。

根据国家标准,大量吸附实验持续24小时,之后,表面积减少,而表面积增加后7天、14天( 21]。Kutchko等人总结无显著变化大孔隙104天后考虑偏移量( 35]。由于有限的观察,SEM照片不能反映总表面变化,而这些变化可以估计在其他方法如CT和核磁共振(NMR) ( 36, 37]。互动时间应该考虑,还需要进一步的研究来探讨煤炭的长期变化和力学行为不同的排名。

 4所示。结论

渗透率特征加工前后SC-CO受到调查2吸附nonconfinement之下。主要结果如下:

公司后渗透率显著增强2吸附在煤饼”。渗透性增强减少不断增加的公司2压力在35°C,它巩固了之前略有减少适度45 - 55°C

有限公司2吸附可能导致体积膨胀,扩张是安装和修改后的dr模型考虑的温度

渗透性增强比率是一个线性函数与肿胀。下的渗透性增强nonconfinement主要由SC-CO影响2吸附

为有限公司2存储在煤层渗透率受到四个因素的影响,有效应力,dsorption,提取、和解决方案,提取的有限影响和解决方案是很难量化的。进一步的研究需要研究长期渗透和力学性能的变化

符号 k :

渗透率、医学博士

 μ :

粘度, μPa∙年代

 问 :

流量,厘米3/秒

 P 1 :

上游压力,MPa

 P 2 :

下游压力,MPa

 l :

长度,厘米

 一个 :

横截面积,厘米2

 年代 :

体积膨胀

 V :

试样的初始体积,厘米3

 V 0 :

最终样品的体积,厘米3

 n :

单位吸附量的标本,摩尔/ g

 米 :

体重、克

 T :

平衡温度、K

 V R :

参比电池的体积,厘米3

 P R 1 :

参比电池的初始压力,MPa

 P R 2 :

参考的细胞,MPa

 Z R 1 :

压缩系数对应于 P R 1

Z R 2 :

压缩系数对应于 P R 2

V 一个 1 :

的初始空隙体积吸附细胞,厘米3

 V 一个 2 :

最后的空隙体积吸附细胞,厘米3

 P 一个 1 :

初始压力的吸附细胞,MPa

 P 一个 2 :

最终压力吸附细胞,MPa

 Z 一个 1 :

压缩系数对应于 P 一个 1

Z 一个 2 :

压缩系数对应于 P 一个 2

η :

渗透性增强比例

 k 0 :

渗透率之前公司2吸附、医学博士

 年代 马克斯 :

最大的肿胀

 D :

经验参数

 ρ 一个 :

吸附CO的密度2公斤/米3

 ρ :

有限公司2密度,公斤/米3

 一个 :

经验参数

 ε :

总变形的标本

 ε e :

体积变形引起的有效压力

 σ :

体积应力、MPa

 P :

孔隙压力,MPa

 K :

体积弹性模量,MPa。

 数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 确认

这项研究得到了国家自然科学基金(51874144号和51679093号)和科学技术计划项目在厦门(3502号z20193040)。

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