文摘

在这部作品中,甲烷解吸等温曲线在不同含水量对来自中国重庆西部的深度采样测量65 MPa的压力和容积法130°C。在第一种情况下,解吸压力增加而减少,吸附气体使解除吸附稍微减少压力从65年到30 MPa。30-20 MPa的压力下降时,解吸率增加迅速减少的压力和解吸曲线开始独立于吸附曲线,从而导致解吸滞后。最后,当压力低于20 MPa,解吸增加几乎线性的进一步减少压力,但最终会有一些吸附气体不能眠,形成残余气体吸附。在那之后,CH的等温线解吸数据4安装使用改进后的解吸模型。拟合结果表明,改进后的解吸模型可以用来描述包含水和深层页岩气的解吸过程有很强的适用性。此外,临界解吸压力随含水量增加而增大。当含水量低于1%,含水量的影响很深的页岩气的解吸迅速增加随着含水量增加,以及含水量大于1%时,变化缓慢的影响。

1。介绍

中国页岩气的地质资源123×1012米3,可以利用的资源使用目前的技术是21.84×1012米3(1),深度超过3500米深的海底页岩气资源占总资源的65%以上2]。中国页岩气资源的四川盆地及其周边地区占中国页岩气地质资源的46.56% (3),其中深层页岩气占69%以上(4]。因此,近年来,深层页岩气勘探和开发的比例在中国工作逐渐增加,取得了一定成果5]。

页岩储层,气体主要是存储在吸附气体的形式,游离气和溶解气6),吸附气体通常占20 - 85%的总气体(7,8]。在开发的早期阶段,自由气体主要用作气体源和迅速的利用。,大规模解吸吸附气体在储层油层压力下降在一定程度上(9]。因此,调查CH的解吸规律具有重要意义4在页岩评价效率的开发潜力,预测页岩气(10,11]。然而,页岩气的解吸是受许多因素如温度、压力、水(12,13]。压裂改造过程中,储层的含水量增加,因为大量的压裂液保留(14),和原始含水量状态是中断。压裂液的进入导致页岩气的解吸的变化在减压(15]。大多数研究人员研究了页岩气吸附水含量的影响。例如,张(16)测试含水的页岩气的吸附的实验条件下30°C和50°C和0-25 MPa提高体积的方法,并发现的最大吸附容量随含水量的增加而减小。杨et al。17)的等温吸附曲线测量含水的页岩气在20°C和85°C和0 30 MPa用容积法。2018年,沈et al。18)测量了页岩气的吸附曲线为95.6°C和50 MPa。发现朗缪尔模型的拟合误差大时高于25 MPa的压力。段et al。19]研究页岩样品Longmaxi形成的四川盆地,中国。他们测量了页岩气的等温吸附曲线的最大压力50 MPa使用体积的方法。在不同压力下,孔隙结构也会变化,这将影响气体的解吸和流量(20.,21]。深层页岩储层的压力通常高于60 MPa,形成和平均温度约为130°C (22]。然而,现有的实验研究的温度和压力条件不符合深层页岩气储层的条件。此外,很少有研究关注页岩气的解吸含水量条件下。

在这项研究中,等温解吸实验在页岩样品温度高达130°C和气体压力达到65 MPa。此外,结合这些实验和一种改进的基于数字-模拟模型和解吸模型气固吸附模型在管孔隙系统中,页岩气的解吸法和解吸模型样本不同含水量在高温、高压条件下进行了研究。

2。理论

2.1。数字-模拟模型

数字-模拟(Dubinin-Astakhov)模型(23,24)适用于描述页岩气的吸附和解吸在高温和高压条件下(22]。在这部作品中,数字-模拟模型(方程(1)提高描述深页岩气的解吸不同含水量条件下: 在哪里 是绝对的吸附剂的吸附容量(m3/t), 的最大吸附容量微孔隙(m3/t), 是吸附的能量特征(J /摩尔),R气体常数(8.314 J /(摩尔·K)),T温度(K), 饱和蒸汽压(MPa),P是实验的试验压力(MPa),然后呢k的系数是吸附剂表面的吸附势的分布(2 - 6)。

因为实验的温度和压力高于临界温度和压力的CH4、页岩气的吸附是超临界吸附和饱和蒸汽压没有实际的物理意义,所以虚拟饱和蒸汽压( )(方程(2)被用来代替饱和蒸汽压( )(25]: 在哪里 虚拟饱和蒸汽压(MPa), 是甲烷的临界压力(4.59 MPa), 是甲烷的临界温度(190.56 K),然后呢 是吸附系统系数。

2.2。解吸模型考虑含水量

根据李的研究等。26),水分子吸附在多孔介质的表面会形成一层水膜。圆孔的气固吸附是用来模拟气体的吸附状态矩阵在实际的毛孔。如果只考虑气体和固体之间的吸附。具体的模型是描述如下。

假设水分子在孔隙壁覆盖 ,然后

因此,从图可以看出1(一),水分子完全覆盖表面的孔隙。当不考虑气液吸附,气体是完全处于自由状态。假设孔隙水的饱和水饱和度是至关重要的 ,因此,孔隙中的水饱和度可以表示由方程(4)。从图可以看出1 (b),如果水分子不完全覆盖的表面孔隙的矩阵,然后设置为含水饱和度 ,因此,可以表示含水饱和度方程(5)。然后,通过将方程(4)和(5)[27],含水饱和度之间的关系和水覆盖在纳米孔中获得使用方程(6)。然后,实际吸附容量之间的关系 和最大吸附容量 和表面覆盖 水可以表示的方程(7):

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
图中的气固吸附毛孔的圆管。(一)水分子完全覆盖孔壁。(b)水分子并不能完全覆盖孔壁。

结合方程(1),(2)和(7)、解吸模型(方程(8)页岩含深层水考虑水的影响得到:

在降压解吸吸附气体的吸附气体的数量逐渐减少。事实上,解吸的数量在每个阶段压力的吸附能力的差异两个压力点。在实际生产中,当达到剩余压力,储层中的吸附气体完全不能眠。因此,参数 这里介绍,剩余压力下吸附气体的数量(28]。基于转换的吸附解吸的朗缪尔吸附等温模型(11),方程(8)修改 在哪里 是矩阵(nm)和孔隙半径 气体的最大吸附容量在哪里 (m3/t)。

3所示。实验部分

3.1。页岩样品制备

页岩露头岩石样本收集的聚和Longmaxi岩层在重庆和西部准备根据煤样制备方法GB / T474 [29日]。一个ST-E200表使用颚式破碎机粉碎页岩样品,和30 - 80目粉就会被筛选出来。然后,粉干在恒温烤箱在80°C 48 h。平衡水的制备样品是根据6.3节进行标准GB / t19560 - 2008。不同含水量的含水页岩样品准备使用过饱和氯化钠溶液(RH = 0.75, RH是空气的相对湿度,指水的蒸汽压比在空气中,水的饱和蒸汽压在同一温度和压力)和过饱和K2所以4解决方案(RH = 0.98)。平衡水含量的比值后样品的质量增量平衡水平衡水后样品的质量,和基本信息表中给出的样品制备后1。

表1
页岩样品的基本信息。
3.2。实验仪器和测试原理

等温解吸实验的深层页岩气进行了使用一个iaa - 1020页岩等温吸附仪(图2)。实验中使用的压力传感器是一种耐高温传感器(美国霍尼韦尔,模型TJE,范围:0 - 100 MPa和准确性:±0.001)和装PT100温度传感器(Shiye乐器、中国模式wzp - 035,范围:−50 - 200°C和准确性:±0.1°C)。在这项研究中,等温吸附和解吸实验在130°C和65 MPa,和单组分甲烷用作吸附阶段。


图2
页岩高温和高压等温吸附仪。

测试原理:吸附平衡之前,参考缸中游离气体的量是由方程(表示10),样品中游离气缸的数量是由方程(表示11)和方程(表达的自由空间的体积是12)。吸附平衡后,游离气体的总量在自由空间表达的方程(13):

因此,后我增压,吸附气体增量方程表达的是(15):

然后,气体吸附量的总量我增压是表达的

在解吸,解吸气体的总量来衡量的j所表达的时间

目前,页岩气的吸附能力用容积法和重量法测量的定义是多余的吸附能力(它可以直接测量采用重量法和容量法,这是实际的吸附阶段的吸附容量密度-气相密度),和有一个大偏差绝对吸附容量的高压(30.]。研究人员通常认为的密度和体积吸附阶段(31日,32),然后,绝对吸附容量计算使用之间的关系绝对过剩吸附能力和吸附容量。然而,前者要求吸附相的密度保持不变后吸附饱和,而后者要求吸附相的体积吸附饱和后保持不变。然而,随着压力的变化,吸附能力将不可避免的改变,和吸附气体的密度和体积也将改变。因此,有很大的局限性和偏差计算绝对时吸附容量(气相吸附的实际吸附容量系统)通过假设的密度和体积吸附阶段必须相同。

在这项研究中,自由空间体积(密闭空间的吸附解吸实验,除了占用的体积样品骨架,剩余的空间是自由空间体积)每两个相邻测试压力点在实验中使用的方法修改李et al。13]。假设分子吸附气体的体积之和在每个压力阶段之前的压力点是自由空间体积被吸附气体,然后,在每一个压力点自由空间体积修正。具体修改如下。自由空间体积VZ1第一个测试点的精确值(VZ1是衡量使用惰性气体氦,不吸附在岩石样本,所以测量的自由空间体积准确值),和自由空间体积V子下一个测试点的自由空间体积VZ1第一个测试点-绝对吸附容量V我−1在以前的试验压力。它是由方程(表示18)和(19):

方程(15)可以修改 在哪里 是初始压力参考缸的我th点(MPa), 是样品的初始压力缸我th点(MPa), 是整体的平衡压力的我th点(MPa), 的初始温度吗我th (K), 最后是温度压力平衡的我th (K), 气体压缩系数温度吗 在我点, 平衡温度的气体压缩系数吗 , 是参考气缸容积(厘米3), 是样本气缸容积(厘米3), 是自由空间的体积(厘米3), 是初始参考缸中游离气体的数量吗我th点(摩尔), 是初始样品中游离气缸的数量吗我th点(摩尔), 之后的自由气体平衡的我th点(摩尔), 吸附气体的变化在一个压力摇摆(摩尔), 是总吸附气体的我th压力点(摩尔), 解吸量的总金额吗jth时间解吸(摩尔), 是总吸附容量在最高试验压力(摩尔), 是真正的吸附能力的物质的量(我−1)th点(摩尔), 阿伏伽德罗常数(6.0221×1023摩尔−1), 是甲烷的分子体积(3.75946×10−23米3)。

3.3。实验步骤
3.3.1。系统气密性测试

系统温度稳定在一个预定的测试温度。然后,参考圆柱和样品缸满了他。压力略高于最高试验压力。然后,天然气喷射阀和平衡阀被关闭。实时采集压力数据的样本缸缸收集和参考。如果压力在6小时内变化不超过1%的初始压力,封闭系统的密封性好决定。如果气密性好,气体排放;否则,泄漏点被确定和气密性测试。

3.3.2。自由空间体积测试

根据波义耳定律,惰性气体氦是用来测试空闲空间的体积将页岩样品后的封闭容器内。如果每个测试的误差在±0.1厘米3,平均值为最后的自由空间。

3.3.3。解吸实验

根据页岩甲烷等温吸附试验方法(修订gbt35210.1 - 2017年页岩甲烷等温吸附测定方法,第1部分:容积法)(33),高温和高压等温解吸甲烷与不同水实验内容进行了使用高温和高压等温吸附装置。解吸吸附在最后压力点开始。平衡吸附过程包括增压和减压34),具体的实验过程如下:①平衡阀和排气阀关闭,气体喷射阀被打开,甲烷是注入汽缸的引用。压力调整到设计的初始压力,和气缸的压力和温度数据参考,样品缸压力稳定后记录(稳定时间至少1个小时)。②平衡阀被打开,允许参考汽缸中的甲烷气体输入样品缸。后整体压力平衡(平衡时间至少4小时),参考气缸的压力和温度数据和样品缸被记录了下来。③压力改变了从低到高,步骤①和②重复直到最后一个压力点测试。

解吸过程包括减压平衡和减压34]:①平衡阀被关闭,参考缸的排气阀打开,一些参考气缸中气体的释放,参考缸的排气阀关闭,和气缸的压力和温度数据参考,样品缸压力平衡后记录(稳定时间至少1个小时)。②平衡阀打开,允许系统压力平衡(平衡时间至少4 h)。参考气缸的压力和温度数据和样品缸被记录了下来。③从高到低变化的压力,和步骤①和②重复直到最后一个压力点测试。④甲烷缸的阀被关闭,实验结束后,系统中的气体被排放。

4所示。实验结果和讨论

4.1。等温吸附解吸曲线

修改后的等温吸附解吸曲线如图3和4。我们可以看到从修改后的等温吸附解吸曲线,随着压力的增加,吸附容量逐渐增加,这符合我等温吸附曲线类型。当压力超过30 MPa,吸附容量增加缓慢而稳定。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
等温吸附解吸曲线页岩样品GBW-1不同含水量下后体积修正。(一)吸附曲线。(b)解吸曲线。
(一)
(一)
(b)
(b)
图4
等温吸附解吸曲线页岩样品LZX-1不同含水量下后体积修正。(一)吸附曲线。(b)解吸曲线。

根据等温吸附解吸曲线数据3和4页岩气的吸附和解吸是不可逆的过程,这与先前的研究的结论是一致的(35,36]。在解吸,当压力下降到临界解吸压力,大量的吸附气体开始使解除吸附。在相同压差,在减压过程中解吸量低于增压过程中。例如,当从20 MPa提高到30 MPa的压力,吸附气体的增加约1.0厘米3/ g,但当30 MPa 20 MPa的压力下降,气体眠的增量约0.4厘米3/ g。眠气体的增加显然低于吸附气体,和气体不眠的曲线与吸附气体,还有一个在气体解吸滞后,所以吸附和解吸不能是相同的。

在页岩气生产的早期阶段,主要气源是自由气体。自由气体的迅速复苏,油层压力迅速降低,吸附气体逐渐开始使解除吸附,吸附气开始成为天然气供应的主要来源。目前,数学模型用于描述深层页岩气的解吸规律的变化主要是采用等温吸附/解吸模型拟合温度较低,不考虑含水率的影响,然后,它评估深层页岩气的产量和生产力,这将产生一个大的偏离实际情况(37]。因此,它是非常重要的建立一个解吸模型适用于描述深层页岩气的解吸包含水准确预测深层页岩气的生产和生产力包含水。

4.2。模型拟合

在这项研究中,含水饱和度之间的关系和含水量确定孔隙度、含水饱和度,岩石体积,岩石密度和水的密度页岩样品进行了分析。解吸的绝对数量从页岩样品GBW-1和LZX-1高温和高压条件下不同含水量测量和纠正使用自由空间体积,结果是安装使用解吸模型(方程(9))和MATLAB。为了方便起见, = 2只适合数据用于解吸。拟合结果如下。

从拟合如图5和6可以看出,当压力达到20 - 30 MPa,吸附气开始使解除吸附在130°C;含水量越高,临界解吸压力越大的压力(在吸附过程中吸附容量达到最大)的吸附气体。根据拟合的数据表2解吸模型的拟合程度和实验数据平均是98%,和整体拟合效果很好。根据吸附数据研究中几个深层页岩气井块(表3),获得的吸附气体含量的平均分配使用测井解释方法在研究中的气体生产目标层块是0.6 - -3.1厘米3/ g。吸附气含量计算模型主要是1.1 - -3.3厘米3/ g,接近吸附气含量的范围使用现场测井解释方法获得。根据剩余吸附容量1 MPa,当含水量是0,平均剩余吸附瓦斯含量是0.4496厘米3/ g。当含水量在0.50%和0.71%之间,平均剩余吸附气含量0.1140厘米3/ g。当含水量在2.5%和2.9%之间,平均剩余吸附气含量0.043厘米3/ g。这表明剩余吸附气体的内容随含水量增大而减小,因此,水的存在有利于解吸吸附气体的某种程度上。


图5
拟合曲线的解吸数据模型对页岩样品GBW-1不同含水量下。

图6
拟合曲线的解吸数据模型对页岩样品LZX-1含水量不同。
表2
页岩解吸等温模型的拟合参数。
表3
参数研究中几个井块。
4.3。含水率对页岩气的解吸的影响

最大吸附容量和模型拟合,得到剩余吸附容量和剩余压力下的解吸能力和解吸率计算。然后,水含量的影响深度分析了页岩气的解吸。当含水量小于1%时,水含量的影响在深层页岩气的解吸与增加水分含量迅速增加。当含水量大于1%,含水量的影响页岩气的解吸深只有略有改变含水量增加。

水的存在降低了页岩的吸附能力(图7)和促进吸附气体的解吸。含水量小于1%时,随着含水量的增加,水分子的极性比甲烷的分子,它是水更容易吸附到微孔隙的墙,形成一定范围和水膜的厚度,从而防止气体从吸附到微孔隙的墙壁和产生竞争吸附在页岩气。发生竞争吸附在页岩气,再入水将结合原第一,迫使吸附气体使解除吸附解吸,从而提高解吸率(图8)。当水含量大于1%时,因为有大量的水在微孔隙和微孔隙中的空气压力非常高,随着含水量的增加,水进入微孔隙减少的数量及其影响页岩气解吸增加但减慢。含水量大于1%时,因为有大量的水在微孔隙和微孔隙中的空气压力非常高,随着含水量的增加,进入微孔隙减少的水量,对页岩气的解吸的影响程度仅略有变化。


图7
不同含水量下最大吸附容量。

图8
解吸率在不同含水量下浪费的压力。

水现在还将与粘土矿物交互,破坏粘土矿物的孔隙结构,阻塞毛孔。粘土矿物是甲烷吸附的重要地位。甲烷吸附空间减少水和粘土矿物之间的交互,以及剩余吸附剩余压力下的气体含量降低(图9)。在某种程度上,它有利于解吸。


图9
剩余吸附气体在不同的含水量。

5。结论

在这部作品中,等温线CH的解吸曲线4从西部重庆页岩采样被体积法以130°C。在那之后,CH的等温线解吸数据4安装使用改进后的解吸数学模型。此外,不同含水量的影响最大吸附容量、剩余吸附容量,解吸率进行了分析。可以得出以下结论根据上面的工作原理:(1)改进后的解吸数学模型可用于描述包含水和深层页岩气的解吸过程有很强的适用性。(2)它有利于解吸吸附气体在一定程度上随着含水量的增加在页岩储层。在130°C,页岩样品的临界解吸压力和不同含水量是20 - 30 MPa,以及随着含水量的增加,临界解吸压力略有增加,而剩余吸附降低了。(3)解吸曲线高于吸附曲线在20到30 MPa的压力范围,导致解吸滞后。吸附和解吸不完全可逆的过程。因此,描述的解吸需要使用拟议中的解吸模型,可以更准确地预测生产和评估深层页岩气井的生产力。(4)与样品中含水量的增加,吸附气解吸率的增加;然而,当含水量大于1%,水的影响深度页岩气的解吸变化缓慢。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。可以获得更多的支持数据从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持中国重庆市自然科学基金(批准nos. cstc2019jcyj-zdxmX0024和cstc2019jcyj-msxmX0507),重庆市教育委员会的技术研究项目(批准号KJQN20200)和研究生科技创新项目重庆科技大学(批准号YKJCX2020107)。