气体吸附效果的应用脉冲衰减技术

文摘

煤的渗透率是不可或缺的参数预测煤层气(CBM)和增强煤层气(ECBM)生产。考虑煤的低渗透特征,渗透率通常由瞬态测量技术在实验室。通常情况下,假设计算渗透率不会大大不同如果实验中的脉冲压力很小(少于10%的孔隙压力)和之前的研究没有关注脉冲压力测量渗透率的影响。然而,对于吸附的岩石,如煤和页岩,吸附效果可能会导致不同的测量结果在不同脉冲压力。在这项研究中,两个nonadsorbing气体(氦气)和吸附气体(二氧化碳)被用来研究煤的吸附影响透气性与脉冲衰减测量技术。一系列的实验在不同孔隙压力和脉冲压力了,崔、渗透率计算二氧化碳等。' s和琼斯的方法。结果表明,二氧化碳渗透率计算了琼斯的方法被低估了,因为没有考虑吸附的影响。此外,通过比较求解氦和二氧化碳渗透率在不同脉冲压力,我们发现,煤的渗透率二氧化碳是更敏感的脉压由于吸附效果。因此,获取准确的渗透率煤吸附的影响时,应该考虑测量吸附介质的渗透率与瞬态吸附气体的技术,更需要努力消除脉冲压力测量渗透率的影响。

1。介绍

缓解能源短缺和全球变暖的问题,研究人员重视煤层气的技术,在煤层ECBM和二氧化碳存储。煤的渗透率是最重要的参数之一,对那些项目。预测煤层的甲烷生产和评估其存储潜力,必须准确、快速测量煤渗透率。目前,稳定流法(SFM)和脉冲衰减法(PDM)是主要的方法来测量磁导率。然而,对于紧张的储层岩石、煤和页岩等,耗时在SFM达到平衡,很难准确测量流量。因此,与SFM相比,PDM变得受欢迎由于实验时间短和高分辨率1,2]。

PDM被撑et al。3)测量渗透率的花岗岩样品,和渗透率计算衰减曲线的上游和下游之间的压差。然而,这种近似方法来评估渗透率的影响没有考虑压缩存储(4]。谢长廷et al。5)提出了一个通用解析解在瞬态测试考虑样品的压缩存储。然而,这种解决方案是很难评估(6]。更容易获得样品渗透率、讨价还价和史密特(6)约束的体积贮水池,并迅速获得了单指数衰减的压力递减曲线。琼斯(7Dicker和史密特)改进工作。琼斯的方法,计算渗透率的测量“后期数据”产生一个核心的整体有效渗透率插入与稳态测量相同的方式(7]。所有这些方法都假定之间没有交互示例和气体。然而,对于吸收气体(如甲烷和二氧化碳),气体分子与吸附的交互媒体(如煤和页岩)(8- - - - - -11),使矩阵膨胀或收缩。因此,有必要讨论气体吸附在磁导率测量的影响当使用脉冲衰减法。基于以前的工作,崔et al。2]修正脉冲衰减技术正确有效渗透率测量上吸附的影响。在崔等的工作,朗缪尔等温线是用来描述气体吸附在煤层。然而,马哈茂德•艾哈迈迪et al。12)指出,岩石表面的非均质性是影响吸附强度的主要因素。单层朗缪尔吸附等温线模型不能精确地描述气体分子的吸附在岩石表面,所以公式修正基于弗伦德里希等温线的吸附模型。

所有研究假设流体粘度、流体压缩系数,孔隙度,渗透率不断在实验中如果初始压差很小(在孔隙压力的10%)。因此,气体渗透率测量在不同脉冲压力相对稳定。凭直觉,它是可行的测量氦渗透率煤,因为小初始压差的变化可能很少在实验对差压衰减的影响。然而,对于吸附气体和媒体,如二氧化碳和煤炭,孔隙压力的变化会打破原来的广告- /解吸平衡气体和矩阵和诱导的差异测量差压衰减曲线在不同脉冲压力实验。本文的目的是探讨影响最初的脉压的测量结果透气性的煤时瞬态技术是用于实验室,特别是二氧化碳。

2。实验工作

PDM是用来测量了寺河煤矿的渗透率。撑et al。3]提到脉冲压力应小于10%的上游压力因为粘度和流体的压缩系数随压力。因此,上游压力最小是1 MPa,最大脉压是100 kPa实验。

2.1。样品制备

本研究的样本是在沁水盆地寺河煤矿。一个圆柱前煤样制备实验。如图1,煤样的长度为50.53毫米,直径为24.99毫米。样品表面是抛光,使煤和收缩管之间的光滑接触,可防止收缩管断裂,导致围流体流入的示例。去除残留的水分和从煤吸附气体样本,核心是放置在一个60°真空环境和干前48小时的实验。最初的煤的重量是40.96克,和烘干后的重量40.90克。

2.2。实验装置和程序

瞬态脉冲衰减测试装置的原理图在我们的研究显示在图2(3,13]。核心架是不锈钢做的是用来测量气体渗透静水压力条件下的煤,它可以保持最多20 MPa的围压。围压泵用于应用中围压实验。一层铅箔是用于包装圆柱芯样本,以防止气体扩散的核心围流体在高压力(14),和一个热收缩管是用来隔离封闭液的核心。ISCO泵,这是全尺寸68.95 MPa和精度±0.5% FS在恒定温度下,应用提供与样品初始孔隙压力。一个压差传感器的精度±0.25% FS ( )被用来精确地记录每秒钟上游和下游之间的压力差。上游和下游的卷是6.115毫升和4.505毫升,分别。在实验过程中,温度保持在26±1°C,和净围压是3 MPa。实验条件如表所示1。

测试程序如下:(1)测试测量系统的泄漏率。(2)安装干煤样和包装成核心持有人和施加围压实验条件。(3)关闭阀1,打开阀门,并连接真空泵的煤样中消除残余气体管道和煤炭样本1小时。真空处理后,关闭阀4。(4)开阀1和应用系统中的初始孔隙压力通过ISCO泵的恒压模式。当ISCO泵中的残余气体体积不变,关闭阀门2和3,施加的压差通过ISCO泵上游。当上游和下游之间的压力差等于设计值,关闭阀1。(5)当上游压力稳定,开启阀门2和压差传感器收集数据。(6)根据压差随时间的变化,计算渗透率使用的解决方案。(7)改变注入孔隙压力和应用脉冲压力和测量渗透率在不同条件下。 When the test fluid is carbon dioxide, inject the gas into the sample for a week to achieve the balance between adsorption and desorption. When the pore pressure changes, the permeability was measured after 24 hours until equilibrium was achieved. The applied pressure difference is slightly larger than the designed pulse pressure due to the effect of the dead volume ( )即体积阀门2和顶面之间的煤样。

3所示。渗透率的计算

大量的工作已经执行研究渗透率计算使用PDM时。因为煤渗透率与类型相关的属性,是一种气体二氧化碳(吸附气体)和氦(nonadsorbing气体)是用于我们的实验。比较二氧化碳煤的渗透率的差异得到不同的解决方案(我们是否考虑吸附的效果),琼斯两方法和崔et al。方法应用于本研究。

3.1。琼斯的方法(1997)

压力衰减曲线的微分方程描述气体通过样本。用给定的边界条件和初始条件,讨价还价,史密特(6)提供无量纲压力差之间的关系和无量纲时间如下: 在哪里和的比率压缩存储的样本的孔隙体积的上游和下游水库、分别;方程的根(2);是无量纲时间; ,在哪里磁导率,是真正的时间,是流体压缩系数,流体的粘滞性,孔隙度,是样本长度。

因为方程(1)是一种无穷级数,方程(2)是很难解决,琼斯(7)定义如下: 在哪里是第一个方程的根(2)。

严格的气藏,储层的压缩气体是微不足道的。如果和是相等的,足够大,只有第一项在方程(1)是重要的,甚至是零,和剩下的奇数项的和对结果没有影响。因此,无因次微分气体压力如下: 在哪里是圆柱芯插头的横截面积;是气体有效渗透率;的气体压缩性和吗 (是气体压缩系数校正系数,孔隙压力);是气体的粘度;和分别上游和下游的卷。

的线性回归方程(4),坡后期数据的实验数据。因此,气体有效渗透率可以计算 在哪里平均绝对孔隙压力(气体压缩性评估 )。

3.2。崔et al。(2009)的方法

考虑吸附在磁导率测量的影响,崔et al。2)结合朗缪尔吸附等温线模型和琼斯的简化算法,吸附项引入到渗流方程修改传统的算法。修改后的值和如下: 在哪里是样品的孔隙体积,有效孔隙度。

由于气体吸附的有效孔隙度如下: 在哪里多孔骨架密度的样品;气体的密度;和分别的朗缪尔体积和压力;气体压力;是气体压缩系数;是气体的摩尔体积的标准压力和温度(即。,273.1 K和101325 Pa)。

替换和在方程(2)和方程(3),我们得到 。可以计算渗透率方程(6)。孔隙度和渗透率计算吸附特征参数是必需的,当我们使用崔等的方法。样品在这个实验中收集在寺河煤矿煤层# 3,这是类似于汉样本et al。(15和太阳的16)的研究。根据实验结果,它是合理的假设孔隙度大约是5%,朗缪尔体积大约是 ,朗缪尔压力 。

4所示。结果与讨论

4.1。测量结果

32与氦渗透率进行了测量和二氧化碳在不同孔隙压力和脉冲压力使用瞬态技术。图3显示了典型曲线(记录在实验1 MPa的氦压和脉压100 kPa)的上游和下游之间的压力差随着时间的推移, 随着时间的推移。虽然设计初始脉压是100 kPa,应用压差( )上游和下游之间216 kPa的效果 。蓝色的部分管道的体积(从阀样品的顶面)在图3是 ,导致的急剧下降(虚线)。初始脉压( )是实际的上下表面之间的压力差的煤样品没有效果吗 。所有其他的斜坡 和相应的渗透率计算表中列出2。

4.2。比较的二氧化碳煤的渗透率计算了琼斯和崔et al。年代的方法

琼斯和崔等的方法被用来计算煤的渗透率二氧化碳在这项研究中探讨他们之间的分歧。这两个方法之间的主要区别在于吸附气体的密度随时间变化。在琼斯的方法,控制方程中只包含自由气体的术语。如果我们使用琼斯的方法计算煤的渗透率二氧化碳,吸附气体的密度实验期间保持不变。在崔等的方法,游离气和吸附气。这两种方法计算结果如图所示4。相对误差被定义为的比例差值的绝对值崔等的计算方法。二氧化碳渗透率计算崔et al .的方法比琼斯的方法。此外,当孔隙压力增加从1 MPa 4 MPa,相对误差减少从57%降至27%。因此,二氧化碳渗透率计算了琼斯的方法是严重低估,低估与孔隙压力的增加下降。这一现象可能归因于二氧化碳和煤炭矩阵之间的吸附行为。如图5,一方面,根据冯et al。4和王et al。17),它是合理的推测,脉压可能打破广告——/解吸平衡气体和矩阵,使自由气体变成吸附气体,和真正的平衡压力小于准平衡压力。另一方面,下游压力的滞后造成上游气体的吸附也可能改变压差。nonadsorbing气体,降低上游压力很快就会引发下游反应和诱导下游压力的增加。对吸附气体,应用脉压后,上游气体吸附,增加下游压力的反应变得相对较慢。因此,渗透率测量的差压衰减过程是慢比nonadsorbing气体。如果不考虑吸附效应的计算,渗透率将被低估。此外,根据朗缪尔等温线,二氧化碳吸附容量,这被定义为斜率的气体吸附的气体压力,削弱了与孔隙压力的增加。磁滞和偏差之间的真正平衡压力和准平衡压力在高压下不明显。因此,与孔隙压力的增加,这两个解决方案之间的相对误差降低。因此,当我们测试煤的吸附气体渗透率使用脉冲衰减技术,吸附效果必须考虑精确确定测量结果。 In this paper, the carbon dioxide permeability of coal is calculated by Cui et al.’s method, which better reflects the actual permeability of coal.

4.3。气体渗透率在不同孔隙压力

进一步测试吸附对煤的渗透率的影响,我们进行了气体渗透率测量与PDM在不同孔隙压力。结果如图6。在图6(一)氦的渗透率随孔隙压力的增加在恒净围压,也观察到陈等人,锅等。18,19]。孔隙压力是1 MPa时,测量渗透率在不同脉冲压力是5.72 - -5.86μD平均为5.79μd .孔隙压力增加到2 MPa时,渗透率是4.65 - -4.88μD平均为4.81μd .孔隙压力是3 MPa时,渗透率是3.64 - -3.68μD平均为3.66μd当孔隙压力继续增加4 MPa,渗透率变得3.47 - -3.60μD平均为3.56μd .渗透率下降可能归因于克林肯伯格效应的共同影响20.)和有效应力效应。一方面,克林肯伯格效应可能显著影响气体流动行为低渗透性媒体(21- - - - - -23]。在实验中,当孔隙压力低,氦分子的平均自由程方法的孔径煤炭楔子,和重要的分子发生碰撞与坚实的墙壁,而不是其他气体分子(24]。然后,可以增强透气性“滑流。“因此,孔隙压力的增加,气体滑脱效应减少,渗透率降低。另一方面,基于有效应力法(25),有效应力取决于围压、孔隙压力、有效应力系数。赵et al。26)指出,有效应力系数不是常数煤和是一个双线性函数的体积应力和孔隙压力。因此,孔隙压力的变化,有效应力系数也可能改变,导致各种各样的渗透率。

类似于氦,结果得到的二氧化碳煤的渗透率随孔隙压力的增加净围压保持不变时,如图6 (b)。结果是符合陈et al。19),冯et al。4),锅等。18]。二氧化碳渗透率与孔隙压力的增加有更深的衰退比氦渗透率。当1 MPa的孔隙压力增加4 MPa,大约400的二氧化碳渗透率降低μD - 20μD(减少95%),而氦渗透率只有减少从大约5.8μD为3.5μD(减少40%)。除了克林肯伯格效应和有效应力效应,吸附效果也会降低渗透率。因为二氧化碳是一个煤吸附气体,广泛接受,降低渗透率可以归因于煤炭矩阵的肿胀引起的二氧化碳吸附(27- - - - - -30.]。

煤的渗透率测试由氦显然低于测试二氧化碳,这可能与实验过程在我们的研究中。如图7首次使用,二氧化碳作为测试液。普遍接受,气体吸附引起的孔隙结构的变化是不可逆的29日,31日- - - - - -33]。因此,即使测试二氧化碳被释放后,煤的孔隙结构不会恢复到最初的状态。此外,煤的渗透率应力敏感(18,34]。步骤4后,二氧化碳首先耗尽(➀);然后,围压降低(➁)。在这个过程中,最大的净围压( )为6.9 MPa。氦之前测试(步骤5),首次应用围压(➂);然后,氦注入(➃),也是6.9 MPa。因此,历史上最大的煤炭净围压为6.9 MPa氦气测试之前,这也可能导致减少煤渗透率。

4.4。气体渗透率在不同脉冲压力

调查的影响脉压的测量氦和二氧化碳使用瞬态技术,煤的渗透率进行了一系列的实验,结果如图8。图8(一个)直观地显示了氦渗透率的计算值在每个脉压测量。脉压的增加,氦渗透率在不同孔隙压力的变化趋势是一致的。当孔隙压力是1 MPa和3 MPa,计算渗透率随脉压的增加而减小。当孔隙压力2 MPa和4 MPa,渗透率先增加然后减少。然而,通过比较脉压的衰减曲线,我们很容易发现的斜率 几乎是相同的(表吗2在每个孔隙压力)在不同脉冲压力条件。计算渗透率的波动是由于孔隙压力的变化,从而改变气体压缩系数和粘度。一般来说,氦渗透率的变化与脉压是可以忽略的,特别是在脉压是60 - 100 kPa。

二氧化碳与脉压渗透率的变化如图8 (b)。二氧化碳煤渗透率降低,脉压的增加,渗透率降低的程度是与孔隙压力有关。在我们的实验中,当孔隙压力是1 MPa,随着脉冲压力的增加从40 kPa 100 kPa,测量磁导率从432.1降低μD为323.91μd当孔隙压力2 MPa,从164.71计算渗透率降低μD为123.02μd当压力进一步增加3 MPa和4 MPa,测量渗透率仅从62.49降低μD为49.01μ从27.84 D和μD为20.85μD,分别为,即。,it becomes relatively stable.

说明和比较数据的分散程度来衡量不同的脉冲压力在不同孔隙压力,变异系数(CV)计算,结果如图9。氦的简历非常小(小于0.02),但对二氧化碳超过0.1。通过比较每个孔隙压力下氦的简历和二氧化碳,我们发现二氧化碳的简历至少5倍,氦,这表明二氧化碳渗透率煤是更敏感的脉压氦渗透率。

安装斜坡的调查 氦和二氧化碳在不同脉冲压力(表2)表明,他们的差异可能是由于滞后引起的吸附效果。如图10 ()nonadsorbing气体,上游压力下降,下游的压力可以立即回应。因此,当脉压增加,下游压力可以相应地增加,压差不同脉冲压力下几乎是常数。吸附气体,如图10 (b),由于滞后的影响,衰减上游和下游之间的压力差降低脉压增加时,使渗透率低估了。因此,当PDM是用来测量煤的渗透率,如果测试液体二氧化碳,脉压应用在实验中(在孔隙压力的10%)将极大地影响测量结果;如果测试流体氦,对测量结果的影响可以忽略不计。

5。结论

在这项研究中,PDM是用来测量煤的透气性。氦和二氧化碳被使用在我们的研究中,和煤渗透率测量在不同孔隙压力和脉冲压力。根据已完成的工作,我们做了以下结论:(1)二氧化碳煤的渗透率计算了琼斯和崔et al。年代方法显示一个伟大的区别,它随孔隙压力的增加而减小。差异可以归因于综合效应气体吸附和滞后的下游压力,降低了压差衰变的渗透率测量过程。因此,当测量煤的渗透率与吸附气体,有必要考虑吸附的效果(2)nonadsorbing气体(氦气),计算渗透率在不同脉冲压力极其相似,而对于吸附气体(二氧化碳),测量渗透率大大不同。二氧化碳渗透率煤是更敏感的脉压比氦渗透率由于吸附效果

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。

确认

这项工作是国家重点支持的研究和发展项目(2018号yfb0605601)。

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