Eksperimentelle studier av forholdet mellom partikkelstørrelse og metan absorpsjon kapasitet i skifer
Summary
Vi bruker et isotermiske adsorpsjon apparat, gravimetric absorpsjon analysator, teste adsorpsjon kapasiteten til forskjellige partikkelstørrelser av skifer, for å finne sammenhengen mellom partikkelstørrelse og adsorpsjon kapasitet av skifer.
Abstract
Adsorbert skifergass er en viktig parameter brukes i skifer gass ressursevalueringen og Målvalg området, og det er også en viktig standard for å vurdere gruvedrift verdien av skifergass. Foreløpig er studier på sammenhengen mellom partikkel størrelse og metan adsorpsjon kontroversiell. I denne studien brukes en isotermiske adsorpsjon apparater, gravimetric absorpsjon analysator, til å teste adsorpsjon kapasiteten til forskjellige partikkelstørrelser i skifer til å bestemme forholdet mellom partikkelstørrelse og adsorpsjon kapasitet av skifer. Thegravimetric metoden krever færre parametere og gir bedre resultater i form av nøyaktighet og konsistens enn metoder som volumetriske metoden. Gravimetric mål utføres i fire trinn: en tom måling, forbehandling, oppdrift mål og mål av adsorpsjon og desorpsjon. Gravimetric måling er øyeblikket anses å være en mer vitenskapelig og nøyaktig metode for å måle mengden av adsorpsjon; men det er tidkrevende og krever en streng måler teknikk. En magnetisk suspensjon balanse (MSB) er nøkkelen til å bekrefte nøyaktigheten og konsistensen av denne metoden. Våre resultater viser at adsorpsjon kapasitet og partikkelstørrelse er korrelert, men ikke en lineær sammenheng, og adsorptions i partikler soldet i 40-60 og 60-80 masker tendens til å være større. Vi foreslår at maksimalt opptak tilsvarer partikkelstørrelse er ca 250 µm (60 mesh) i skifer gass oppsprekking.
Introduction
Skifer er en leire rock med et tynt ark av sengetøy struktur, som serverer både en skifer gass kilde stein og et reservoar. Skifer har en sterk anisotropy som består av nano – og mikro-Skaler porene graptolite fossiler er vanligvis anerkjent1,2,3.
Skifergass er kommersielt utnytte på Yangtze Plate, Sør-Kina. Som en ukonvensjonell gass-system som fungerer som både en kilde rock og et reservoar for metan, er skifergass avledet fra organisk materiale i skifer gjennom biogene og/eller thermogenic prosesser4,5. Naturgass butikker i reservoarene er i en av tre former: gratis gass i porene og frakturer, adsorbert gass på overflaten av organisk materiale eller uorganiske mineraler og oppløst gass i bitumen og vann6,7. Tidligere studier tyder på at adsorbert gass står for 20-85% av de samlede gassreservene i skifer formasjoner6. Derfor forskning på adsorpsjon kapasiteten av skifer og dens kontroll faktorer er viktige for leting og utvinning av skifer gass ressurs.
Metan adsorpsjon evne til skifer har blitt anerkjent som betydelig varierer med temperatur, trykk, fuktighet, modenhet, mineralske sammensetning, organisk materiale og bestemt område1,4,5 ,6,7; og tidligere studier har bekreftet en større og klarere sammenheng mellom eksterne faktorer som temperatur, trykk og fuktighet og metan adsorpsjon.
Men studier på sammenhengen mellom indre faktorer som partikkelstørrelse og metan adsorpsjon er kontroversiell. Kang og Ji foreslår at metan adsorpsjon kapasiteten av samme skifer prøver øker med en nedgang i partikkel størrelse8,14, mens Rupple og Zhang tror relevansen mellom partikkelstørrelse og adsorpsjon er begrenset basert på isotermiske adsorpsjon kurver9,10,11. I tillegg uten standarder for en skifer gass adsorpsjon evaluering protokoll bruke laboratorier i Kina vanligvis kull adsorpsjon evaluering protokoller for evaluering av skifer gass adsorpsjon. Å avklare forholdet mellom partikkelstørrelse og adsorpsjon, samt undersøke en potensiell leting sonen, innhentet vi skifer prøver fra tykke marine skifer forekomster av Wuling Sag i øvre Yangtze Plate. En gravimetric såkalt analysator ble brukt til å gjennomføre isotermiske adsorpsjon experimentand få forholdet mellom partikkelstørrelse og adsorpsjon.
Metodene volumetriske og gravimetric er de viktigste metodene brukes til å teste isotermiske opptak av skifer. Volumet er Nøkkelparameteren av volumetriske metoden, som er lett påvirket av temperatur og trykk12,13,14. På grunn av usikkerhet i feilanalyse fører den kumulative forplantning i direkte mål med volumetriske metoden for beregning av adsorpsjon mengder til en stor feil i måleresultatene, som forårsaker en unormal adsorpsjon isotherm14 ,15. Sammenlignet med metoden volumetriske, metoden gravimetric krever færre parametere og resulterer i mindre feil: fordi massen er bevart, vekt og masse metoden gravimetric ikke påvirkes av temperaturen og trykket12. Det er ansett som en mer vitenskapelig og nøyaktig metode for å måle theadsorption mengde adsorpsjon i dag.
En gravimetric såkalt analyzer brukes i dette eksperimentet, som har en maksimal testing presset av 70 MPa (700 bar) og temperaturen på 150 ° C. Temperatur og trykk generert av eldre apparater er for lav toaccurately simulere temperatur og trykk av dype underjordiske formasjonen. Nøkkelen til å bruke en såkalt analyse apparater er nå den magnetiske suspensjon balansen for nøyaktig veiing utvalget materialet, med en nøyaktighet på 10 µg. Apparatet vedtar en sirkulerende oljen bad oppvarming modus og temperaturområdet kan kontrolleres i lang tid i 0,2 ° C. Nøyaktigheten av en gamle apparat er lav, og dermed feilen vil være større enn med nyere instrumenter. Eksperimentell operasjonene utføres med programvaren som følger med apparatet. Operativsystemet vil bli oppdatert jevnlig for å sikre at analysen er nær den faktiske underjordiske forhold12.
En magnetisk suspensjon balanse (MSB) brukes i metoden gravimetric for å teste metan isotermiske opptak av skifer uten direkte kontakt mellom utstyret og prøven i normal temperatur og trykk. Prøven er plassert i måling bassenget, der vekten av prøven kan overføres til balanse gjennom en ikke-kontakt suspensjon kopling mekanisme12,13. Under balansen er det et suspendert magnet, kontrollert av en spesialdesignet kontroller som gir gratis suspensjon av permanent magnet nedenfor. Permanent magnet forbinder stillingsføleren og prøve beholderen med kopling rammen. Funksjonen av kopling rammen er par eller koble eksempel beholderen til permanent magnet suspensjon rod14,15,16.
Våre målte prøver er svart organiske-rik skifer avsatt i marine facies av lang Maxi formasjonen, lavere Silurian i Daozhen provinsen Guizhou. Forskningsområdet er i Wuling Sag, øvre Yangtze plate, som grenser til Sichuan bassenget i nordvest og Xuefeng Mountain tektoniske sone i sørvest17. Wuling Sag er en strukturell overføring og overgangen sone mellom Sichuan bassenget og Xuefeng Mountain tektoniske sone, som fikk grunt dyp sjø hylle innskudd, og marine sort skifer ble allment utviklet under den tidlige silur; sag var så sterkt superimposed tektoniske hendelser som Indo-Kina bevegelse, Yanshan bevegelse og Himalayan bevegelsen, som dannet flertrinns folder, feil og unconformities18. Den marine sort skifer i Wuling Sag har blitt betydelig påvirket av den komplekse geologiske forhold, som dannet skifer gassreservene. Som en strukturell overføring sone er sag sweet spot for skifer gass leting, som er preget av en svakere deformasjon, bedre skifer gass generasjon og bevaring betingelser og en bedre naturlig brudd tilsvarende av feller19.
Høytrykks absorpsjon målinger er gjennomført basert på standardisert prosedyre med veiledning av den isotermiske adsorpsjon apparater protokollen, som har vært omfattende videreutviklet i flere publikasjoner10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16. isotermiske adsorpsjon eksperimentene ble fullført i nøkkelen laboratorium av skifer olje og gass etterforskning og evaluering av det kinesiske akademi for geofag. Gravimetric mål med en magnetisk suspensjon balanse (MSB) utføres i fire trinn: en tom måling, forbehandling, en oppdrift måling og en adsorpsjon og desorpsjon måling (figur 1, figur 2).
Protocol
Representative Results
Discussion
Materialene som brukes i dette eksperimentet er vist i Tabellen for materiale. Før prøve bassenget er fjernet, må det bekreftes at temperaturen og trykket i prøve bassenget er på vanlig trykk og normal temperatur; ellers er det fare for skader. Hvis temperaturen er for høy, vent til temperaturen å slippe og deretter removethe prøve pool. Dersom trykket er for høyt eller for lavt, manuelt angi lufttrykket på programvare og bruk en inert gass13,<sup class="xref"…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Mye hjelp ble gitt av ingeniør gjengen Chen og Tao Zhang. Dette arbeidet ble økonomisk støttet av den store staten forskning utvikling Program i Kina (Grant No.2016YFC0600202) og Kina Geological Survey (CGS, Grant nr. DD20160183). Vi takker anonym korrekturlesere konstruktive kommentarer som forbedret notatet.
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 |
Referências
- 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).
