文摘

提高煤层气开采的不断注入有限公司2已经研究了几十年的人,大多集中在压裂和洪水效应在众多实验室实验,模拟,和现场应用,而伴随着传热的影响在循环液体有限公司吗2(LCO2)注入很少被研究。摘要低温LCO循环注入的影响2在煤孔隙具有不同周期数和时间变化探讨了利用低场核磁共振来提取T2光谱信息。结果表明,随着循环数的增加,吸附水(AW)下降而毛细管水(CW)和大体积的水(BW)值增加,和孔隙体积大大放大基于多项式拟合曲线的倾向我sa1值和拟合指数曲线我sa2值。随着循环时间增加,增加的比率啊,连续波,BW不是独立的而是相互影响,我sa1大约值显示“快速increase-slow增加”趋势,我sa2大致表现出波动或“increase-decrease”倾向。技术手册和美国鱼类和野生动物管理局的变化表明,孔隙连通性可以允许增加更多的水渗透到毛孔在饱和状态,加快清除流体在离心水状态。的 和 变化表明,长周期时间加上一个更大的周期数可以生成和提高孔隙连通性造成破坏。

1。介绍

煤层气(CBM)主要形成在一个长时期的煤化作用阶段,储备煤层下地层沉降的影响伴随着高温高压(1- - - - - -4]。水库的可检测煤层气含量丰富,和它的经济复苏已经吸引了许多国家的利益和关切,研究人员和企业家,由于其高热值,丰富的内容,和减少危害环境的性质(5,6]。然而,大多数中国煤层的渗透率通常是三个数量级低于圣胡安盆地,这是令人不满意的有效气体提取仅仅根据原来的条件(7- - - - - -9]。因此,有必要探索可能的方法来提高渗透率。

增强煤层气(ECBM)复苏注入有限公司2随着大量支撑剂进入水库沿裂缝井提出了和美国等发达国家在某些国家(10,11)、加拿大(12,13),中国(14,15),日本(16,17];报告的结果都表明,有限公司2-ECBM有重大的应用可行性,该方法可以提高提取效率提高储层的渗透率。特别是,液体有限公司2(LCO2)已经被广泛应用于ECBM复苏的领域(18]。LCO2有大量液体气体膨胀比1:557在273 K和自动取款机,可以用于生成巨大的气体压力密闭空间(19]。曹et al。20.)有限公司的应用研究2天然气压裂低渗透性瓦斯煤层使用CARDOX系统,这可能导致LCO2形成一个高压气体,结果表明,渗透和甲烷排水效果明显提高。更大的吸附能力可以帮助公司2与CH竞争4吸附在煤矩阵,最终将大量吸附CH4自由州(21,22]。完全兼容矩阵可以避免一些储层损害,形成酸性pH值较低的物种可能防止铁氢氧化物形成,缓冲粘土反应,减少气体的流动阻力23,24]。与此同时,公司的地质封存2在某种程度上可以实现(25,26]。

一般来说,LCO的蒸发潜热2347焦每千克;因此,它可以吸附大量的热环境。当足够的大量的LCO2在水井注入,传热在LCO之间的接触表面会发生吗2和煤炭矩阵。一项研究表明,煤的温度明显降低,甚至低于−18°C时,核心与LCO联系2媒体,导致矩阵缩减(19]。温度梯度是形成由于周围的煤炭矩阵固有的温度高,产生温度应力,附带一个周期的“融化”(“化学”)过程,这可能促使一些破坏发生在煤(27]。6砂岩的优势下循环相关化学过程显著恶化的影响(28]。翟et al。29日]研究连续化学周期对煤孔隙结构恶化通过使用压缩机和冷凝器,和低场核磁共振的结果(LF-NMR)和扫描电子显微镜显示,煤炭样本明显被化学周期,许多煤炭表面裂缝产生。化学循环数量减少岩石或水泥材料的力学性能,包括抗剪强度(30.),单轴抗压强度(31日,32),弹性模量(33,34],p波速度(35- - - - - -37],岩石的完整性验证了衰变函数(38]。许等人从循环LCO证明低温影响的可行性2压裂(19),调查了相关化学效应对煤的孔隙变化的影响具有不同的排名27),结果都表明,循环与LCO化学过程2对孔隙的提高有显著的影响。

提到出版物主要集中在恶化的化学效应与不同的周期数,而且很少考虑其他循环参数。在本文中,LCO的影响2不同周期数和时间的孔隙变化进行了研究,实验对象是六芯钻从煤炭块相同。孔测量的方法是引入部分2,有些部分中描述的材料和设备3。最后,分析了实验结果4。

2。方法

一般来说,多孔煤是由两个子系统,煤炭矩阵系统和断裂系统,其中有几个对煤层气赋存状态:气体被困在矩阵毛孔,吸附气体内微孔隙(< 2海里),解离性骨折(内气和溶解气水39- - - - - -41]。扩散阶段矩阵是由浓度梯度,而渗流阶段楔子或骨折影响天然气开采效率大大42,43]。孔隙度和渗透率是两个重要的评价指标来衡量的体积储备天然气和煤的渗透特性,分别为(44,45]。孔隙度通常被认为是煤中的空白空间矩阵和代表煤保留水分的能力,如液体或气体,然后表明高度多孔的水库有巨大潜力储备丰富的气体(46,47]。属性确定流体通过互连能力通过煤的孔隙空间被称为渗透率,大大影响煤层气的运输特点,比如迁移矩阵和流中矩阵的楔子或骨折48]。

目前,煤的岩石物性特性测量方法,如扫描电子显微镜(SEM) (49)、光学显微镜、透射电子显微镜(50),通常显示表面形态和孔隙大小分布定性。定量测量,包括气体吸附(51),水星入侵porosimetry (MIP) [52),micro-X-ray断层扫描(53)和小角x射线散射中子散射(粉煤灰/无)方法(54),可以显示毛孔从数值方面的详细信息。然而,这些方法总是有限孔径的测量范围以及效率低和他们对孔隙结构造成破坏55]。由于其属性的无损、高效和大型测试范围,低场核磁共振(LF-NMR)提供了另一种测量技术获得煤内部孔隙信息。

水通常是中用来描述多孔介质的内部孔隙空间;氢原子的净磁化或质子1H从水饱和煤放在样品室是指信号振幅之间的衰减曲线和弛豫时间使用Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG)旋转回声脉冲序列,将记录下LF-NMR磁现象(27,52,55(如图1)。质子信号幅度呈正相关1H数,间接对应内部水分,因此孔隙空间,即孔隙度。相对于水的动力学T2光谱在饱和条件下,动力学的T2光谱离心条件下总是不同的,时间越长T2值代表移动水分子而短的值代表了束缚水;因此,整个T2谱可以描述孔隙分布。振幅值正比于孔隙表面的孔隙体积的比例根据jonkleinberg et al。56]: 在哪里 是表面relaxivity矿物表面发生吗μ米/秒; 表面孔隙的体积吗μ米−1; 孔隙半径在吗μm;和 是一种孔隙几何常数。


图1
LF-NMR的测量原理和过程。

3所示。材料和设备

3.1。煤芯制备

所有六个核心是从同一煤钻块来自大同煤矿、山西省,中国,和他们的形状是圆柱体的近似直径25毫米,大约50毫米的长度,如图2。这些核心标签sx -我(我= 1,2,…,6)。近似分析结果表明,芯sx -我水分值为4.83%,灰屈服值的7.3%,干燥无灰基挥发分29.64%的价值,和固定碳含量58.23%的价值。的 值为0.43,为镜质组值为75.3%,18.6%为惰性体,壳质组为2.7%,5.3%,矿物质57]。


图2
煤炭块和钻孔岩心的图像。
3.2。实验系统和程序

根据先前的研究19,27),一个创新实验系统(如图3)由三个组件:LCO低温系统2喷射系统和数据监测系统。第一个子系统在LCO提供低温环境2注射过程中,和周围的保温材料室用于维护内部低温条件。压力释放阀用于减轻多余的气体压力安全。第二个子系统可以不断注入LCO2通过泵室。第三个子系统的功能主要是在实验过程中记录相应的数据与一个压力传感器和热电偶表达气体压力和温度,分别。


图3
素描图像的实验系统。

在预备考试和测验后的处理,岩心的孔隙大小和分布进行了测试的LF-NMR(迷你MR60)制造Niumag分析仪器公司,苏州,中国,0.51 T的磁场,最大333 kHz,采样频率和最大回波数量为20000。接下来,它的辅助设备,如真空干燥箱(dhg - 9023 a),真空水饱和度设备(NEL-VJH)和岩石离心机(TG16-WS),还用于使核心进行的“drying-saturation-centrifugation”过程获得相关的目的T2饱和度和离心条件下光谱。

LF-NMR有严格的工作温度305 K的目的是准确的T2光谱测量,其样本扫描时间设定在64年。环境(空间)的温度和相对湿度298 K和40%,分别和干燥温度设定为313 K。实验设计表中列出1,核心是交替放置在低温和常温环境模拟循环热相互作用过程。最初,权重的干核心被平衡测试,然后,他们在蒸馏水浸泡24小时达到饱和状态。饱和核测量LF-NMR和获得原有的平衡T2光谱和权重分别为饱和状态;接下来,1.5人力资源的核心通过岩石离心机离心去除可动水和生成离心机核心国家,和原来的T2光谱测量和重量的离心条件LF-NMR和平衡,分别。接下来,这些核心沉浸到蒸馏水,以确保他们的饱和度;然后,他们用薄膜包装,放置在一个预冷室;LCO2从气缸注入室;低温核被放置在常温环境中;这些步骤的时间都列在表中1。考虑到水的径流,核心受到一个周期被处理根据“saturation-measurement-centrifugation-measurement的流动路径。“最后,整个实验的基础上完成上述测试过程。

表1
实验设计的六个核心。

4所示。结果和分析

4.1。T2光谱分析

一些T2谱饱和度和离心条件下不同周期的LCO后得到2注入过程。由于曲线的相似性,sx-1被选为研究核心T2沿着弛豫时间谱变化,和的分布T2光谱的初始状态,经过15周期和25周期在两个条件下,如图所示4。见图4(一)后,振幅值峰值增加不同数量的LCO周期2注射相比,这些值的初始状态和振幅增加周期数呈正相关;振幅值降低,越来越多的LCO周期2注射,衰减周期数量负相关。的T2光谱分辨率的核心表达了三个不同的山峰,从左到右,相应的孔隙大小微孔隙,中孔和大孔隙19,27,55,58),这表明蒸馏水占领大约所有开放或半开口气孔;增加的幅度值和扩大T2范围表明,孔隙大小和分布在不同数量的周期LCO这种差别很大2注入。增加幅度越大,越大T2报道,水和孔隙空间体积越大。与此同时,T2离心机核心的曲线显示两个峰值或一个峰值,这表明更大的孔隙大小的水被移除,降低振幅值和缩小T2覆盖所有意味着后孔隙连通性增加不同数量的LCO周期2注入。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
T 2光谱曲线的核心sx-1饱和度和离心条件下。
4.2。变化的三种类型的水核

据格林杰和Esteban Olatinsu et al。59,60),T2曲线的饱和核通常包含一些信息关于水的关系类型和毛孔大小不同;一般来说,弛豫时间小于10 ms,依赖于从微孔壁表面放松,代表着吸附水(AW);10 ms的弛豫时间100毫秒,归因于中孔的表面弛豫,表示毛细水(CW);女士和弛豫时间大于100(10000毫秒),对应大孔隙,标志着大体积的水(BW)。图5(一个)显示的变化啊,连续波,BW核心sx-1和sx-4增加周期数。水的三种不同比例不同;例如,BW的比例增加,连续波比例增加,核心sx-4而AW比例降低了,而最大的连续波比例和核心sx-1在场的最低比例AW经过20周期。数据5 (b)- - - - - -5 (d)的变化啊,连续波,分别和BW。随着周期数的增加,6芯的AW表示不同的振幅减小的趋势,和核心的连续波和BW增加了相反的方向。的值啊,连续波,BW的范围内[0.812,0.84],[0.143,0.173],[0.007,0.017],分别在初始状态;然后,相应的值改变的范围[0.759,0.802],[0.172,0.193],[0.02,0.05]经过15 LCO周期2注入和[0.731,0.791],[0.176,0.202],[0.033,0.067]25 LCO周期2注入。全面的变化表明,水比例的变化影响孔隙大小的变化;此外,AW减少并不意味着微孔数量减少,而是那些毛孔变成了中孔下循环“shrink-swell”效应,导致不能允许的变形生成和内部损伤煤炭矩阵。同时,部分CW冻结可能扩大中孔形成大孔隙的大小由于ice-wedge效果。LCO时间越长2注射时间可能会导致连续波和BW完全冻结,提供更多的机会大孔隙数量增加。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图5
的变化啊,连续波,BW不同的核心:(a)的比例啊,连续波,和BW核心sx-1 sx-4;(b)、(c)和(d)意味着变化啊,连续波,和BW,分别增加周期数。

图5显示了水的三种类型的分布值;然而,由于不同的初始值,随后的价值观发生了巨大的变化的基础上更大的值;因此,有必要的增加比率估计啊,连续波,和BW比初始值在不同周期数量和周期时间,及其变化都是图所示6。一方面,addison - wesley的增加比率显示“decrease-increase-decrease”的趋势,而连续波后显示“increase-decrease-increase”趋势5周期和10个周期;另一方面,addison - wesley的增加比率和连续波变化周期数较高的不利;然而,BW的增加比率约显示类似“increase-decrease-increase”随着循环时间的增加变化。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图6
增加的比例啊,连续波,BW六核后不同的周期和周期数。

见数据6(一)- - - - - -6 (c)最大的增加比率啊(负值)和最小的增加比率连续波和BW 5周期后都表示,较低的周期数据可能会一定程度上导致内部气孔与不同大小改变小振幅和三种类型的水的增加比率相差甚大的振幅在长周期时间。水的增加比率20周期和25个周期后最大的变化,伴随着急剧增加或减少。这些变化和差异说明水的增加比率呈正相关的周期数和较大的周期数可以冻结饱和水和收缩大的煤炭矩阵乘以,诱导更多的“不允许的损失或变形”形成和积累循环,这将导致很多大小不同的孔隙之间的转换;因此,LCO2注入更多的周期有更大的优势来提高骨折的结果通过产生许多大孔隙为流体提供免费的途径。此外,三个水增加比变化不是独立的而是相互受到影响,如图6 (d)。BW增加比率越大,代表比例较大的BW所指的放大转换中孔由于ice-wedge效果;同时,循环相关化学过程也促进了越来越多的中孔和相应的连续波比例,增加比例也有所增加。更大的周期数后,AW增加比率(负值)在40分钟的周期时间最小化,这是对连续波增加比率的上限,当BW的最大增长比率在30分钟的周期时间。这种增强改善LCO分析可以提供一些信息2循环注入过程。

4.3。光谱分析领域

下的覆盖T2光谱通常表明孔隙体积包括不同大小的孔,水可以渗透。计算出的光谱区域是一个集成的振幅弛豫时间,和更大的振幅范围表明一个更大的内部孔隙体积一定的时间。获得的孔隙体积变化的信息T2光谱,光谱区域的比例增加 采用特征增强地区由于各种不同核的初始值。的功能 推导了如下: 在哪里 意味着谱面积的比率增加饱和度和离心分离后的状态我th周期注入; 和 代表后的光谱区域我th LCO循环2分别注入和最初的地区; 之间的区别是 和 ;和 意味着饱和度和离心分离的两个州。

见数据7(一)和7 (b), 六个核心与不同的振幅增加周期数增加,这表明,内部孔隙体积增大后循环LCO化学效应2注射用不同的周期。之间的连接孔的形式加强了令人振奋的振幅峰值曲线扩大覆盖面,使水浸泡在孔隙空间,和更多 意味着更大的孔隙体积和连通性增强。此外, 散射分布与两个不同地区的分裂周期时间20分钟: 散射影响的核心不到20分钟周期缓慢增加,而影响超过20分钟周期时间大大增加。由于更少的差异值在一定的周期数在每个地区,连接的方法适合用于近似变化趋势。两个区域中的数据都是拟合多项式曲线与适合系数大于0.98:

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图7
的变化 和 增加周期和周期时间。

相比之下, 值的六个核心人物7 (b)随着周期数的增加而减少,这些散射都符合指数曲线,拟合曲线与连续数据显示如下:

的拟合曲线 和 值都表明,孔隙体积放大更大的周期数增加。化学过程的循环效应会导致许多产生变形或损坏孔隙墙壁或技巧,和整个内核的物理参数下降;因此,孔隙空间将很容易扩大耦合作用下的温度应力和冰挤压,这将导致更多的水占据饱和状态下的毛孔和离心条件下从自由空间。

数据7 (c)和7 (d)这两个的变化 和 与增加周期时间。总的来说, 增量和 更大的LCO周期后衰减2注射都高于LCO之后2注射用更小的周期,这是一致的(3)和(4)。此外,随着周期的增加, 大约值显示“快速increase-slow增加”趋势, 大致显示一个“increase-decrease”倾向于短周期和长周期双“increase-decrease”趋势。此外, 值和长周期增加更多比一个较短的周期时间;这两个 变化表明,开放或半开口气孔的数量增加,导致更多的自由水在离心过程中被删除。势表示,冻结时间越长时间可能会导致矩阵进行热量,导致饱和水占据不同大小的毛孔完全冻结成冰,之后孔隙体积会放大更由于ice-extrusion和ice-wedge效果。

4.4。孔隙度分析

重量法计算含水饱和度和离心条件下的孔隙度。最初的重量完全干被认为是核心 ,和水饱和核离心机核心LCO之后2被认为是治疗不同的周期参数 和 ,分别。因此,相应的孔隙度 可以计算如下(19,27]: 在哪里 和 代表了水量在毛孔和核心卷(cm3),分别 是饱和, 离心分离,水的密度是1克/厘米吗3。

根据(27,57,61年,62年),T2谱饱和度和离心条件下三种孔隙度的变化特征,如总孔隙度 ,有效孔隙度 ,和残余孔隙度 。图8(一个)显示了孔隙度部门依赖图T2光谱。振幅值都使用归一化计算,处理和累积孔隙度下饱和被认为是 而累积孔隙度下离心分离被认为是 ;因此,的区别 从 是 。此外,离心机的光谱区域核心总是代表了毛孔的剩余水量,即束缚孔隙体积;因此,在离心的比值光谱区域,在饱和,称为束缚水饱和度(手册),也可以描述下束缚孔隙体积的比例变化LCO的效果2注入,也表达了连通孔隙的体积变化。因此,技术手册和自由水饱和度方程(FWS)推导如下:

(一)
(一)
(b)
(b)
图8
孔隙度部门依赖图T 2(a)和散射光谱拟合线的技术手册和美国鱼类和野生动物管理局(b)。

见图8 (b),所有的六个核心技术手册和美国鱼类和野生动物管理局值也显示出类似的变化随着周期数。技术手册的值随着周期数的增加而减少,这是与振幅增加和扩大的趋势一致T2光谱覆盖在饱和条件下。与此同时,美国鱼类和野生动物管理局值周期数量负相关,这表明更多的液体水从饱和核,进而表明自由孔隙体积和空间循环LCO后增加2应用程序。此外,还有两种相应的连接值之间的线性关系和周期数:

这两个线性曲线都有伟大的配合系数0.95,和手册的潜力和美国鱼类和野生动物管理局表示,增加衰减相对变量;随着总孔隙体积的增加,浸入水或删除的数量也受到多种因素的影响,如孔隙壁的化学和物理性质,粘土含量和矿物分布。

依赖于(5)和图8(一个)的变化 和 LCO后2治疗不同的周期参数如图所示9。数据9(一个)和9 (b)表明, 与增加周期参数值变化,数字9 (c)和9 (d)显示的变化 随着循环参数值增加。所有的 循环参数值呈正相关,“慢increase-rapid增加”趋势,而 值是负相关的周期参数和显示一个“慢decrease-rapid减少”的趋势。案例研究的核心sx-3, 增量为0.26%的比例增加46.2%,10个周期数,虽然它是1.76%的比例增加176%,25个循环数。然而, 衰减率为0.29%(减少的比率为4.9%)后10周期数和1%(减少的比率为16.9%)后25循环数。增加 和减少 都表明,周期数有很大的增强对孔隙度变化的影响,这可能增加了孔隙大小,提高连通性。相同数量的周期后, 和 值的六个核心表现出不同的变化。核心sx-6最大 增量的2.76%(增加的比率为243%) 减量1.5%(减少比例的25.4%),而核心sx-1最低 增加1.05%的比率增加(80.2%) 衰减率的减少(8.17%比0.5%)。这种差异可能依赖于周期时间,时间越长周期导致矩阵完全收缩和膨胀来生成大量的伤害,最终削弱煤的强度。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
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图9
的变化 和 价值观不同的周期和周期之后的六个核心数据。
4.5。裂纹演化分析

一些LCO后直观地描述结果2注射周期,照片和相应的草图核心sx-1图所示的图像10进行了研究。小的裂纹长度最初先在的底表面;第1周期数10个周期时,裂纹传播了一定距离下拉应力的影响 引起的温度应力之间的耦合机制和冰在循环LCO膨胀力2注入。1随着周期数的增加,裂纹不断扩展,裂纹生成2在削弱沿着裂纹位置1时周期数量达到20个周期。2周期达到25个循环次数后,裂纹传播缓慢,和裂缝1最后贯穿整个表面。这个过程可能受到几个因素的影响:矿物分布、岩石学结构和/或含水量及其泄漏量。越不均匀的矿物分布和更复杂的岩石学结构引起的冷进行不均匀,导致一些温度应力产生的颗粒之间的接触点。越大的饱和水在裂缝、冰体积越大准备和ice-wedge越暴力效果。周期性耦合作用下的温度应力和ice-swelling力,裂纹长度的增加,裂缝之间的连通性增强;最后,提高了煤孔隙度。


图10
sx-1的表面裂纹的传播形式的真实图像和素描图像。

分析关于水的不同类型的变化,光谱区域的变化,孔隙度,一些重要的结果。然而,一些研究差距仍然存在,没有探索,例如,水三种类型的变化之间的关系和孔隙度、循环参数和孔隙度之间的关系,和最佳应用范围不同的周期参数。因此,许多工作将在未来的研究进行了改善机械的理解这些过程。

5。结论

几个结论:(1)的T2谱饱和度和离心条件下获得的LF-NMR不同周期参数进行了分析。随着周期数的增加,AW值下降的核心与不同的振幅而连续波和BW值增加不利,增加比例变化不是独立的而是相互影响。(2)水增加周期数比率呈正相关。大周期数可以冻结饱和水和缩小煤炭矩阵次诱导更多的“不允许的损失或变形”形成和积累循环,这将导致许多转换发生在毛孔中有不同的大小。(3)的连接 值被安装两个不同的多项式曲线符合系数超过0.98,和连接 值与健康作为指数曲线拟合系数超过0.95。增加 和减少 的六个核心表明,孔隙体积都放大更随着周期数的增加。此外,随着循环时间的增加, 大约值显示“快速增加缓慢增加”趋势, 约了一个单一的“increase-decrease”倾向于短周期和长周期双“increase-decrease”趋势。(4)技术手册的价值观和周期数之间的积极关系符合振幅和扩大覆盖面的增加的趋势T2光谱下的饱和,而美国鱼类和野生动物管理局之间的负相关关系价值和周期表明,自由孔隙体积和空间增加后循环LCO2治疗。此外,两者之间的线性曲线符合安装相应的连接值和周期数与一个合适的系数超过0.95。(5)所有的 循环参数值呈正相关,而“慢increase-rapid增加”趋势 值是负相关的周期参数和显示一个“慢decrease-rapid减少”的趋势。这些变化表明,长周期导致矩阵完全收缩和膨胀,造成更多的损害和削弱煤的强度和周期数也有一个伟大的增强对孔隙度变化的影响,这可能增加了孔隙大小,提高连通性。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金资助(51774278,51774278,U1361106),江苏省自然科学基金(BK20170001)、国家重大科学仪器设备开发项目(2013 yq17046309)和国家重点实验室的煤炭资源安全开采,中国矿业大学和技术(SKLCRSM14X02)。