Experimentell studie av förhållandet mellan partikelstorlek och metan Sorption kapacitet i skiffer
Summary
Vi använder en isotermiska adsorption apparat, den gravimetriska sorption analyzer, för att testa olika partikelstorlek av skiffer, adsorption kapacitet för att ta reda på sambandet mellan partikelstorlek och adsorption kapacitet av skiffer.
Abstract
Mängden adsorberade skiffergas är en viktig parameter som används i skiffer gas resource utvärdering och val av mål-området, och det är också en viktig standard för att utvärdera gruvdrift värdet av skiffergas. För närvarande är studier om sambandet mellan partikel storlek och metan adsorption kontroversiella. I denna studie används en isotermiska adsorption apparat, den gravimetriska sorption analyzer, testa olika partikelstorlek adsorption kapacitet i skiffer att bestämma sambandet mellan partikelstorlek och adsorption kapacitet av skiffer. Thegravimetric metoden kräver färre parametrar och producerar bättre resultat när det gäller noggrannhet och konsekvens än metoder som volymkontrollmetoden. Gravimetrisk mätning utförs i fyra steg: en tom mätning, förbehandling, en flytkraft mätning och mätningar av adsorption och desorption. Gravimetrisk mätning anses för närvarande vara en mer vetenskaplig och noggrann metod för att mäta mängden adsorption; men det är tidskrävande och kräver en strikt mätteknik. En magnetisk upphängning balans (MSB) är nyckeln till kontrollera riktigheten och överensstämmelsen av denna metod. Våra resultat visar att adsorption kapacitet och partikelstorlek är korrelerade, men inte en linjär korrelation, och adsorptions i partiklar som siktas till 40-60 och 60-80 maskor tenderar att vara större. Vi föreslår att maximal adsorption motsvarar partikelstorlek är cirka 250 µm (60 mesh) i den skiffer gas sprickbildning.
Introduction
Skiffer är en lera sten med en tunn plåt av sängkläder struktur, som fungerar som både en skiffer gas källa rock och en reservoar. Skiffer har en stark anisotropi bestående av nano – och micron-skala porer och graptolit fossil är allmänt erkända1,2,3.
Skiffergas utnyttjas kommersiellt i Yangtze plattan, södra Kina. Som en okonventionell gassystem som fungerar som både en källa rock och en reservoar för metan, härstammar skiffergas från det organiska materialet inom skiffer till biogena eller termogena processer4,5. Naturgas-butiker i reservoarer är en av tre former: fri gas i porer och frakturer, adsorberat gas på ytan av organiskt material eller oorganiska mineraler och upplöst gas i bitumen och vatten6,7. Tidigare studier tyder på att adsorberad gas står för 20-85% av den totala gas skiffer formationer6. Därför forskning på adsorption kapacitet skiffer och dess bestämmande faktorer är betydande för prospektering och utveckling av skiffer gas resurs.
Metan adsorption förmåga skiffer har varit allmänt kända som betydligt varierande med temperatur, tryck, fuktighet, mognad, mineralsammansättning, organiskt material och specifik yta1,4,5 ,6,7; och tidigare studier har bekräftat ett större och tydligare samband mellan yttre faktorer som temperatur, tryck och luftfuktighet och metan adsorption.
Dock studier om sambandet mellan inneboende faktorer som partikelstorlek och metan adsorption är kontroversiella. Kang och Ji föreslår att metan adsorption kapacitet på samma skiffer prover ökar med en minskning av partikel storlek8,14, medan Rupple och Zhang tror relevansen mellan partikelstorlek och adsorption är begränsad baserat på isotermiska adsorption kurvor9,10,11. Dessutom utan standarder för ett skiffer gas adsorption utvärdering protokoll gäller laboratorier i Kina vanligtvis protokollen kol adsorption utvärdering för att bedöma skiffer gas adsorption. För att klargöra förhållandet mellan partikelstorlek och adsorption, samt undersöka en blivande prospektering zon, fått vi skiffer prover från de tjocka Marina skiffer inlåning av Wuling Sag i den övre Yangtze-plattan. En gravimetrisk sorption analyzer tillämpades för att genomföra isotermiska adsorption experimentand få förhållandet mellan partikelstorlek och adsorption.
De volymetriska och gravimetriska metoderna är de viktigaste metoderna som används för att testa isotermiska adsorption av skiffer. Volymen är den viktigaste parametern för metoden volymetrisk, som lätt påverkas av temperatur och tryck12,13,14. På grund av osäkerhet i felanalys leder kumulativa förökningen i direkta mätningar med hjälp av volymkontrollmetoden för beräkning av adsorption belopp till ett stort fel i mätresultaten, som orsakar en onormal adsorption isotherm14 ,15. Jämfört med den volumetriska metoden, gravimetrisk metod kräver färre parametrar och resulterar i mindre fel: eftersom massan är bevarad, vikt och massa gravimetrisk metod inte påverkas av temperaturen och trycket12. Är det en mer vetenskaplig och noggrann metod för att mäta theadsorption mängden adsorption i dagsläget.
En gravimetrisk sorption analyzer används i detta experiment, som har en maximal testning tryck av 70 MPa (700 bar) och temperatur av 150 ° C. Temperatur och tryck som genereras av äldre apparater är för låga toaccurately simulera temperatur och tryck av djupa underjordiska bildandet. Nyckeln till att använda en sorption rökanalysapparater når magnetisk upphängning balansen för exakt vägning av provmaterial, med en noggrannhet på 10 µg. Apparaten antar en cirkulerande olja bad värmeläge och temperaturområdet kan styras för lång tid att inom 0,2 ° C. Riktigheten av en gammal apparat är låg, och således felet skulle vara större än den som erhålls med nyare instrument. De experimentella operationerna utförs med programvaran som tillhandahålls av apparaten. Operativsystemet kommer att uppdateras regelbundet för att säkerställa att analysen är nära de faktiska underjordiska villkor12.
En magnetisk upphängning balans (MSB) används i gravimetrisk metod för att testa metan isotermiska adsorption av skiffer utan direkt kontakt mellan provet och utrustningen, i normal temperatur och tryck. Provet placeras i mäta poolen, där vikten av provet kan överföras till balansen genom en beröringsfri suspension koppling mekanism12,13. Under balansen finns det en svävande magnet, kontrolleras av en specialdesignad controller som gör det gratis upphävandet av permanent magneten nedan. Permanentmagnet ansluter lägesgivare och provbehållaren med koppling ram. Funktionen av ramen koppling är att par eller frikoppla provbehållaren till permanentmagnet suspension rod14,15,16.
Våra uppmätta prover är svart rika organiska skiffrar deponeras i Marina facies långa Maxi bildandet, lägre Silurian i Daozhen, Guizhou provinsen. Forskningsområdet är i Wuling Sag, övre Yangtze-plattan, som gränsar till Sichuan bassängen till nordväst och Xuefeng berg tektonisk zon till sydvästra17. Wuling Sag är en strukturell överföring och övergångszonen mellan Sichuan avrinningsområde och Xuefeng berg tektonisk zon, som fick grunt-djuphavet hylla insättningar, och Marina svart skiffer utvecklades kraftigt under den tidig Silur; sag var då starkt överlagras av tektoniska händelser som Indo-China rörelse, Yanshan rörelse och Himalayan rörelse, som bildade flerstegs veck, fel och diskordans18. Marina svart skiffer i Wuling Sag har påverkats kraftigt av de komplexa geologiska förutsättningar, som bildade shale gasreserver. Som strukturella överföring zon är sag sweet spot för skiffer gas prospektering, som kännetecknas av en svagare deformation, bättre skiffer gas generation och bevarande villkor och bättre naturliga fraktur matchande av fällor19.
Högtrycks sorption mätningar utförs utifrån ett standardiserat förfarande med ledning av protokollet isotermiska adsorption apparater, vilket utförligt har utarbetats på flera publikationer10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16. isotermiska adsorption experimenten färdigställdes nyckel laboratorium av skifferolja och Gas utredning och utvärdering av den kinesiska akademin för geovetenskaper. En gravimetrisk mätning utförs med en magnetisk upphängning balans (MSB) utförs i fyra steg: en tom mätning, förbehandling, en flytkraft mätning och en adsorption och desorption mätning (figur 1, figur 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
Material som används i detta experiment visas i Tabell för material. Innan provet poolen tas bort, måste det bekräftas att temperatur och tryck i provet poolen är vid normala tryck och normal temperatur; annars finns det en risk för skada. Om temperaturen är för hög, vänta tills temperaturen till släpp och sedan Avlägsnafixeringsskruven prov pool. Om trycket är för högt eller för lågt, manuellt ställa lufttrycket på programvara och använda en inert gas13,<…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
En hel del stöd tillhandahölls av ingenjör gänget Chen och Tao Zhang. Detta arbete stöddes ekonomiskt av den stora staten forskning utveckling Program i Kina (Grant No.2016YFC0600202) och Kina geologiska undersökningen (CGS, Grant nr. DD20160183). Vi tackar anonym granskare för deras konstruktiva kommentarer som kraftigt förbättrat detta papper.
Materials
| XRF D8 DISCOVER X-Ray diffractometer | Brook,Germany | 204458 | For mineralogy X-ray diffraction |
| EBSD three element integration system with spectrum | EDAX,USA | Trident XM4 | For nanoscale imaging (SEM) |
| Mercury injection capillary pressure (MICP) | USA micromeritics Instrument company | AutoPore IV 9520 | For the immersion method to measure macropores(Porosity) |
| Nitrogen gas adsorption at low temperature | USA micromeritics Instrument company | ASAP2460/2020 | For the low pressure nitrogen gas adsorption to measure mesopores and micropores(BET) |
| Finnigan MAT-252 mass spectrometer | ThermoFinnigan,USA | TRQ/Y2008-004 | For C isotope |
| LECO CS-230 analyzer | Research Institute of Petroleum Exploration and Development | 617-100-800 | TOC apparatus |
| 3Y-Leica MPV-SP photometer microphotometric system | Leica,Germany | M090063016 | Ro apparatus |
| Magnetic Suspension Balance Isothermal adsorption analyzer | Rubotherm,Germany | 2015-1974CHN | For methane adsorption tests |
| Sieve(20/40/60/80/100/120mesh) | Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co.Ltd | 200*50GB6003.102012 | Used to screen samples |
| Absorbent cotton, hammer, tweezers and acetaldehyde | Sinopharm Chemical Reagent Beijing Co.Ltd | standard | Used to clean materials |
| Residual gas tight grinder | Nantong Huaxing Petroleum Instrument Co., Ltd | TY2013000237 | Sample smasher |
References
- Strapoc, D., Mastalerz, M., Schimmelmann, A., Drobniak, A. Geochemical constraints on the origin and volume of gas in the New Albany Shale (Devonian-Mississippian), eastern Illinois Basin. AAPG Bulletin. 94, 1713-1740 (2010).
- Loucks, R. G., Ruppel, S. C. Mississippian Barnett Shale: Lithofacies and depositional setting of a deep-water shale-gas succession in the Fort Worth Basin, Texas. AAPG Bulletin. 91, 579-601 (2007).
- Curtis, J. B. Fractured shale-gas systems. AAPG Bulletin. 86, 1921-1938 (2002).
- Montgomery, S. L., Jarvie, D. M., Bowker, K. A., Pallastro, R. M. Mississippian Barnett Shale, Fort Worth basin, north-central Texas: Gas-shale play with multitrillion cubic foot potential. AAPG Bulletin. 89, 155-175 (2005).
- Jia, C. Z., Zheng, M., Zhang, Y. F. Unconventional hydrocarbon resources in China and the prospect of explora exploration and development. Petroleum Exploration and Development. 39 (2), 129-136 (2012).
- Hou, Y. G., et al. Effect of pore structure on methane sorption potential of shales. Petroleum Exploration and Development. 41 (2), 272-281 (2014).
- Chalmers, G. R., Bustin, R. M. The organic matter distribution and methane capacity of the lower cretaceous strata of northeastern British Columbia, Canada. International Journal of Coal Geology. 70 (1-3), 223-239 (2007).
- Kang, Y. L., et al. Effect of particle size on methane sorption capacity of shales. Natural Gas Geoscience. 28 (2), 272-279 (2017).
- Wang, R., et al. Adsorption influence factors and characteristics of adsorption isotherm for shale to methane. Natural Gas Geoscience. 26 (3), 580-591 (2015).
- Ruppel, T. C. Adsorption of methane on dry coal at elevated pressure. Fuel. 53, 152-162 (1974).
- Zhang, G. D., Han, Y. K., He, Z. P., Gao, X. Y., Chen, H. Z. The sample particle size on the adsorption capacity of the experimental study on the effect of shale gas. Exploration and Development. 6, 110-116 (2016).
- Ross, D. J., Bustin, R. M. Impact of mass balance calculations on adsorption capacities in microporous shale gas reservoirs. Fuel. 86 (17), 696-706 (2007).
- Gasparik, M., et al. High-pressure methane sorption isotherms of black shales from The Netherlands. Energy & Fuels. 26 (8), 4995-5004 (2012).
- Ji, L. M., Luo, P. Effect of sample size on volumetric determination of methane adsorption in clay minerals. Natural Gas Geoscience. 23 (3), 535-549 (2012).
- Wang, S., et al. The methane sorption capacity of Paleozoic shales from the Sichuan Basin, China. Marine and Petroleum Geology. 44 (3), 112-119 (2013).
- Zhang, X. D., Sang, S. X., Qin, Y. Isotherm adsorption of coal samples with different grain size. Journal of China University of Mining and Technology. 34, 427-432 (2005).
- Wang, Z. X., et al. A discussion on the structural deformation and oil/gas traps on the western side of the Xuefeng Mountain. Geological Bulletin of China. 31 (11), 1812-1825 (2012).
- Xu, Z. Y., Liang, X., Wang, X. W. Controlling factors for shale gas sweet spots distribution in the Upper Yangtze region: a case study of the Upper Ordovician Wufeng Fm-Lower Silurian Longmaxi Fm, Sichuan Basin. Natural Gas Industry. 36 (9), 35-43 (2016).
- Chalmers, G. L., Bustin, R. M. Lower cretaceous gas shales in northeastern British Columbia, Part I: geological controls on methane sorption capacity. Bulletin of Canadian Petroleum Geology. 56 (1), 1-21 (2008).
- Tan, J. Q., et al. Shale gas potential of the major marine shale formations in the Upper Yangtze Platform, South China, Part II: methane sorption capacity. Fuel. 129 (4), 204-218 (2014).
- Zhao, Y. J., et al. Study of impact factors on shale gas adsorption and desorption. Natural Gas Geoscience. 25 (6), 940-946 (2014).
- Xue, H. Q., et al. Adsorption capability and aperture distribution characteristics of shales: taking the Longmaxi Formation shale of Sichuan Basin as an example. Acta Petrolei Sinca. 34 (5), 826-832 (2013).
- . U.S. Shale Gas: An Unconventional Resource. Unconventional Challenges. Halliburton Energy Services. , (2008).
- Zhang, L. H., et al. Adsorption capacity and controlling factors of the Lower Silurian Longmaxi Shale Play in southern Sichuan Basin. Natural Gas Industry. 34 (12), 63-69 (2014).
- Gasparik, M., et al. Geological controls on the methane storage capacity in organic-rich shales. International Journal of Coal Geology. 123 (2), 34-51 (2014).
- . Technically Recoverable Shale Oil and Shale Gas Resources: An Assessment of 137 Shale Formations in 41 Countries Outside the United States. U.S. Energy Information Administration. , (2013).
- Gao, H. Q., et al. Isotherm adsorption characteristic of marine and continental shale and its controlling factors. Natural Gas Geoscience. 24 (6), 1290-1297 (2013).
- Josh, M., et al. Laboratory characterization of shale properties. Journal of Petroleum Science and Engineering. 88-89 (2), 107-124 (2012).
- Li, W. G., et al. A new model for shale adsorption gas amount under a certain geological condition of temperature and pressure. Natural Gas Geoscience. 23 (4), 791-796 (2012).
- Robens, E., Keller, J. U., Massen, C. H., Staudt, R. Sources of error in sorption and density measurements. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 55, 383-387 (1999).
- Keller, J. U., Stuart, R. . Gas Adsorption Equilibria: Experimental Methods and Adsorptive Isotherms. , (2005).
- Ji, W. M., et al. Geological controls and estimation algorithms of lacustrine shale gas adsorption capacity: A case study of the Triassic strata in the southeastern Ordos Basin, China. International Journal of Coal Geology. 134-135 (1), 61-73 (2014).
- Liang, M. L., et al. Evolution of pore structure in gas shale related to structural deformation. Fuel. 197, 310-319 (2017).
