实验三 平衡水等温吸附实验【中国矿业大学《煤层气地质学》(傅教授课件)】
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第34卷第5期 中国矿业大学学报 V ol.34No.5 2005年9月 Jo urnal of China U niv er sity of M ining&T echnology Sep.2005文章编号:1000-1964(2005)05-0679-04等温吸附曲线方法在煤层气可采资源量估算中的应用陈春琳1,林大杨2(1.中国煤炭地质总局第一勘探局,邯郸 056000;2.中国煤炭地质总局,北京 100039)摘要:在缺乏煤层气井生产资料的情况下,为了合理利用我国煤田地质勘探中煤层气解吸法所测的煤层气含量,使其计算的煤层气资源量与可采资源量更为接近,根据煤层气解吸特征,煤储层等温吸附特征,通过计算解吸系数,求取煤层气的解吸率.利用等温吸附曲线与煤层气临界解吸压力的关系,估算出煤层气临界解吸压力,并结合煤层气井的枯竭压力,估算出煤层气采收率,进而获得煤层气可采资源量.结果表明,残余气在煤层气开采时基本上是不可能获得的,另外由于生产技术的原因,参考国外煤层气实际生产情况,井深结构所能达到的最低储层压力之下的煤层气也基本上不能被采出.因此通过解吸系数法校正、等温吸附曲线法校正后,计算的煤层气资源量更能反映煤层气的可采潜力.关键词:煤层气解吸率;等温吸附曲线;可采资源量中图分类号:P618.11 文献标识码:AApplication of Isothermal Curves inEstimating Minable Resource of Coalbed M ethaneCHEN Chun-lin1,LIN Da-yang2(1.T he F ir st Ex plo ration Bur eau of China N ational A dm inistr ation of Coal G eolog y,Beijing100039,China;2.China Nat ional A dministr ation of coal G eo log y,Handan,Hebei056000,China)Abstract:The data of coalbed methane(CBM)contents obtained from coal resource ex ploration can be used to evaluate the CBM and recoverable CBM resources.Based on the characteristics of CBM desorption and coal isotherm al adsorption,the desorption ratio of CBM is obtained through calculating the CBM desorption coefficient.T he critical desorption pressure is estimated based on the relationship of isotherm al adsorption curve to the critical desorption pressure.Then,the recoverable CBM ratio can be calculated in com bination w ith the abandoned pressure of CBM w ell, and then the recoverable CBM resources can be obtained.The result show s that the remnant CBM can’t be recovered out from coal seam.Moreov er,the CBM resources under the condition of the low er lim it of the coal reservoir pressure w ith respect to the depth of CBM w ell is nearly im possible to be mined.Thus,the recoverable potential of the CBM can be reasonably reflected by the CBM resources calculated through the emendation of the desorption coefficient and isothermal adsorption curve.Key words:coalbed methane desorption ratio;isotherm al adsorption curve;recoverable resources收稿日期:20041124基金项目:973计划项目(2002CB211700)作者简介:陈春琳(1962-),女,湖南省浏阳市人,高级工程师,硕士,从事煤田地质和煤层气地质方面的研究.E-mail:chen-chun-lin@ 在煤层气资源的勘探开发中,煤层气可采资源量是保证煤层气资源开发成功与否的重要物质基础;也是确定下一步煤层气勘探开发部署、制定规划、确定投资规模的重要依据.因此,对煤层气可采资源量计算是煤层气勘探工作的一项重要内容.在煤层气资源量计算方面,前人已做了大量的研究工作,如叶建平[1]等计算我国埋深2000m以浅,含气量大于等于4m3/t的煤层气总资源量为14.34万亿m3.高瑞祺[2]等计算我国埋深300~1500m的煤层气远景资源量为27.3万亿m3.等等.在煤层气资源量的计算方法上,考虑到煤层气藏是一种裂隙—孔隙型气液两相、双重孔隙介质的储集类型,气井的动态与常规天然气有明显的不同,所以归纳总结出比较好的4种方法是:容积法、类比法、数值模拟法和产量递减法[3].比较4种计算方法,以数值模拟法和产量递减法较好,所计算的资源量比较接近实际产量;而容积法和类比法所计算的资源量与实际产量存在很大的误差.但前2种计算方法中需要有一定时间的排采数据,而我国目前煤层气勘探开发还处于实验阶段,也即小井网开采试验阶段;目前还没有进入开发中后期的煤层气藏资料.因此,对煤层气资源量计算大多采用容积法,但利用容积法计算的煤层气资源量比较笼统,没有充分考虑煤层气的解吸特性以及煤层气井的产出条件,所计算的资源量实际上是资源的地下聚集量(也即地质资源量),而真正可以被采出地面的只是其中的一部分(也即可采资源量),容积法计算的资源量把不能被采出地面的一部分数量也包含在内了.这样所计算的资源量就会很高,而无效值的比例会过大[4-5],使真正有利的勘探目标的优选变的困难,也给后期的勘探开发部署、制定规划、确定投资规模带来很大的风险.因此,如何将其校正为有效资源(也即可采资源量),是当前我国煤层气勘探开发中的一个重要问题,它已引起了同行专家们的普遍关注,也是国家“973”煤层气项目要解决的问题之一.1 解吸系数法校正我国煤层含气量的测定在时间上跨度较大,在测定方法上也不尽相同.上世纪六十、七十年代主要是采用集气式,测定的煤层含气量数据误差太大,只能作为参考,一般不参与资源量计算.八十年代采用解吸法,其原理和现在的直接法一样,但解吸的时间相对较短,所测的煤层含气量一般都由采样过程中的损失量、自然状态下的解吸量、真空状态下加热粉碎前脱气量、真空状态下加热粉碎后脱气量四部分组成,后两部分也称残余气.进入九十年代,美国的直接测定法已经在我国煤层气含量测定中逐渐采用;所测的煤层含气量是由损失气、解吸气和残余气3部分组成.显然,残余气在煤层气开采时基本上是不可能获得的,因此在煤层气资源量计算时应除去这一部分气量.对资源量中残余气的影响可以通过计算解吸系数(解吸法测定煤层含气量时,损失量与解吸量之和占总量的百分比)来校正.其公式如下R v=(V1+V2)/(V1+V2+V3)×100%,G v=G i R v,式中:G v为煤层气可解吸资源量,108m3;G i为煤层气地质资源量,108m3;R v为解吸率,%.我国煤田地质勘探中,煤层气解吸法煤层气样数量多,在估算我国煤层气解吸系数时可选择若干刻度区进行解剖,再用类比法得出各煤层气资源量/资源量计算区块的解吸系数.据张群[6]等研究我国煤的残余气含量变化范围为0~3m3/t,残余气的含量在煤层气含量中占的比例为1.5%~30.0%;换言之,煤层气的解吸率变化于98.5%~70.0%之间.2 等温吸附曲线法校正煤层气开发是一项复杂的、多因素及多层次的系统工程.煤层气井的产量除受控于煤层的含气性、煤的吸附-解吸特性以及煤层所处的原始压力系统外,在相当程度上受控于煤层气的钻井、完井和开采工艺,即煤层被打开后储层压力所能降低的程度和压降大小;压降越大,煤层气采收率就越高.因此,经过容积法计算、解吸系数法校正所得的煤层气资源量仍然不是煤层气井可开采出来的气量——可采资源量,还要考虑井深结构所能达到的最低储层压力(即煤层气井的枯竭压力).与常规储层相比,煤储层属低孔隙度、低渗透率储层.在开采煤层气时,当产层打开后,首先是排水降低储层压力,只有当储层压力下降到临界解吸压力以后,煤层气才能逐渐解吸产出.据傅雪海[7]等研究煤层气临界解吸压力与煤储层的含气量及吸附解吸特性呈函数关系.因此,在缺乏煤层气井生产资料的情况下,利用等温吸附曲线与煤层气临界解吸压力的关系,估算出煤层气临界解吸压力,然后结合煤层气井的枯竭压力,可以估算出煤层气采收率,进而获得可采资源量.680 中国矿业大学学报 第34卷2.1 等温吸附曲线图解法吸附等温线获得比较容易,现在应用已经比较普遍.我国部分目标区的煤层气参数井均获得了实测含气量、储层压力、等温吸附曲线等资料,从而可根据井深结构所能达到的最低储层压力(即煤层气井的枯竭压力),通过吸附等温线估算出残余气量,与实际含气量结合起来即可估算出煤层气可采率及可采资源量,见图1.煤层气可采率和可解吸资源量的计算公式如下R f =(C gi -C ga )/C gi ,G g =G i R f ,式中:R f 为煤层气可采率,%;C gi 为原始储层条件下的煤层气含量,m 3/t ;C ga 为废弃压力条件下的煤层气含量,m 3/t ;C g 为原始储层条件下的煤层气可解吸资源量,m 3;C i 为原始储层条件下的煤层气总资源量,m 3.图1 利用等温解吸曲线计算煤层气采收率图解Fig.1 Diag ram fo r estimating the recoverable coalbed methane r atio using t he isotherm adsor ption curv e2.2 等温吸附曲线公式法公式法主要是通过等温吸附曲线计算出煤层气的临界解吸压力、理论最大采收率,进而可估算出煤层气的可采资源量,其计算公式如下:临界解吸压力:P cd =V me P L /(v L -V me )理论最大采收率:G =1-P ad (1+b P cd )/P cd (1+b P ad )或G =1-P ad (P L +P cd )/P cd (P L +P ad )可采资源量:G r =G i G式中:P cd 为临界解吸压力,MPa ;P ad 为可能达到的最低储层压力,即煤层气井的枯竭压力,M Pa;V me 为实测煤层气含量,m 3/t;P L 为兰氏压力,MPa;V L 为兰氏体积,m 3/t;G 为煤层气理论最大采收率,%.值得注意的是,我国现在还仅处于小井网开采试验阶段,目前还没有已经干枯或濒临枯竭煤层气藏资料.在利用等温吸附曲线估算采收率过程中,枯竭压力的采用一般根据美国的经验可降至的最低储层压力为100磅/平方英寸,约为0.7MPa 进行计算.3 实 例选择华北石炭—二叠系聚煤盆地中的平顶山矿区八矿深部、寿阳矿区韩庄及韩城矿区板桥目标区内的主要可采煤层为计算对象,详细分析目标区煤储层的吸附——解吸特征,进行等温吸附试验,获取等温吸附曲线[8](图2~4),分析其试验结果.结合区内的试井资料,计算各目标区主要可采煤层的解吸率、临界解吸压力、采收率及可采资源量(表1).图2 平顶山矿区三9-10、二1煤层等温吸附曲线Fig .2 Isot her m adsorption cur ve of coal seam Ⅱ1andⅢ9-10in Ping ding shan miningdistrict图3 韩城矿区3号、11号煤层等温吸附曲线F ig.3 I sotherm adsor ption curv e o f coal seam 3and 11in Hancheng miningdistrict图4 寿阳矿区3号、15号煤层等温吸附曲线F ig.4 I sotherm adsor ption curv e o f coal seam 3and 15in Shouyang mining distr ict681第5期 陈春琳等:等温吸附曲线方法在煤层气可采资源量估算中的应用表1 研究目标区主要可采煤层中煤层气可采资源量计算表Table1 Recoverabl e coalbed gas resources of the maj or coal seams in the area studied 计算参数平顶山八矿目标区韩城板桥目标区寿阳韩庄目标区煤层三9二13号11号3号15号煤层埋深/m600~900800~1100500~900600~1000400~600500~700解吸率/%658581.7886.3289.586.2实测含气量/(m3õt-1)8.588.9510.739.511.612.90兰氏体积/(m3õt-1)22.2728.3321.2820.2035.838.51兰氏压力/M Pa 3.48 2.89 1.100.90 1.85 1.97临界解吸压力/M Pa 2.18 1.34 1.120.800.890.99预计枯竭压力/M Pa0.70.70.70.70.70.7预计可采率/%56.5338.2822.88 6.9815.2821.74地质资源量/万M37670013640087500328700181000372800可解吸资源量/万M34985511594071557.5283733.8161995321353.6可采资源量/万M328184.7844381.6316368.4919786.724753.869844.474 结 语煤层气在地质赋存条件和开发技术要求上的特殊性决定了其资源量/储量评价方法的特殊性,特别在资源量计算、采收率计算等方面都有着明显不同于其它矿种的特殊性.我国有丰富的煤层气资源,也已经有不同的全国煤层气资源量预测值.但是,在现有或可预见的不久将来的技术经济条件下,在庞大的资源量预测值中有多少是可被采出的?这是煤层气勘探开发研究中的一个重要的、极待解决的问题.笔者根据解吸率—等温吸附曲线计算煤层气可采资源量的方法还存在着一定的问题,就是计算的临界解吸压力值普遍偏低,临储比很小,可能会导致气井采收率偏低.参考文献:[1] 叶建平,秦 勇,林大杨.中国煤层气资源[M].徐州:中国矿业大学出版社,1998.43-44.[2] 高瑞祺,赵政璋.中国油气新区勘探[M].北京:石油工业出版社,2001.29-36.[3] 李明宅,胡爱梅,孙晗严,等.煤层气储量计算方法[J].天然气工业,2002,22(5):33-34.Li M Z,Hu A M,Sun H Y,et al.T he method forcalculating of coalbed methane reser ves[J].N 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1、煤层吸附等温线测定及其应用煤层气与常规天然气不同,它被煤层吸附在其微孔隙的内表面上。
由于煤的微孔隙极其发育,具有特别大的比表面,每克煤的内表面可达到100~400m2,通过吸附作用,煤比常规砂岩具有更高的储气能力。
煤层的孔隙介质具有双重孔隙特征,基质和割理分别代表着原生和次生的孔隙度。
煤层气以吸附状态储存于煤颗粒的内表面,煤层气的吸附能力由煤质、煤阶(成熟度)、埋藏深度等状态所决定。
煤层等温吸附曲线是指在某一温度条件下,以逐步加压的方式使已脱气的煤岩重新吸附而建立的压力与含气量(吸附气量)关系曲线[1]。
煤层气吸附依赖于气-液-固三相之间的作用,煤层气的吸附收到的影响因素众多,除了受煤阶、煤岩组成、灰分、水分含量、孔隙率、孔径结构等[2]内在因素控制,同时也受温度、压力、湿度等外部环境的制约[3][6][7]。
等温吸附线的测定:由于吸附性是煤的一种自然属性,我们知道煤是一种多孔介质,具有很大的比表面积。
由于气体分子与煤内表面之间的范德华力作用,气体有被吸附到煤内表面上的趋势,这种吸附属于物理吸附,它符合兰格缪尔单分子层吸附理论。
煤的吸附能力是温度、吸附质、压力和煤性质的函数。
在温度和吸附质一定的情况下,煤对气体的吸附量可用兰格缪尔方程描述:V=V L P/(P L+P)式中:V L—兰氏体积,表征煤具有的最大吸附能力;P L—兰氏压力,反映煤内表面对气体的吸附能力, V为煤层气吸附量;p吸附平衡是的气体压力。
当压力等于兰氏压力时,煤的吸附量等于兰氏体积的1/2,即P=P L时,V=V L/2。
V L和P L 的大小决定于煤的性质,由等温吸附试验结果可以求得。
等温吸附曲线应用:1、利用等温吸附曲线形态分析煤层气产量变化:通过对等温吸附曲线的形态分析可以比较不同兰氏压力和兰氏体积下产气量的大小。
由兰氏方程,有:V=V L P/(P L+P),则d Ve(p)/d p=tanθ= V L P/(P L+P)2。
第十章煤层气数值模拟技术与方法数值模拟技术在煤层气勘探开发中应用较广。
煤层气储层模拟是进行产量预测、地面开发前景评价和生产工艺优选等的重要手段;煤层气地史演化数值模拟则主要用于定量研究煤层气的生成、逸散和赋存的演化规律。
此外,数值模拟技术还被广泛应用于煤层气储层研究和储量计算等方面。
第一节煤层气储层模拟技术一、概述煤层气储层模拟(reservoir simulation)又称为产能模拟(coalbed methane production modeling),无论是在常规油气还是在煤层气勘探开发过程中,通常都需要进行这项工作。
储层模拟是将地质、岩石物性和生产作业集于一体的过程,在此过程中使用的工具就是储层模拟软件。
储层模拟实际上是在生产井的部分参数已知的条件下,解算描述储层中流体流动的一系列方程,通过历史匹配,对井的产油量、产气量和产水量等参数及其变化规律进行预测的工作。
预测的时间可在几个月、几年甚至几十年。
产能参数是选择开采工艺、开采设备的重要依据,同时,还可根据产能参数,对生产井的经济价值进行评价。
随着煤层气开发试验的相继实施和实践经验的积累,科技工作者对煤层气的生气、储集和运移规律有了更深入的理解,同时,也意识到需要有一个有效的工具,来进行生产井气、水产量数据的历史拟合,以便获取更为客观的煤层气储层参数,预测煤层气井的长期生产动态和产量。
同时为井网布置、完井方案、生产工作制度、气藏动态管理,煤层气开发方案等提供科学依据。
正是在这种背景下,煤储层数值模拟研究工作,在继续围绕煤矿瓦斯研究的同时,借鉴油气藏数值模拟理论、技术和方法,扩展到地面煤层气资源勘探、开发领域。
1981年,由美国天然气研究所(GRI)主持,美国钢铁公司(US Steel)和宾州大学等承担了煤层气产量模拟器与数学模型开发项目(Development of Coal Gas Production Simulators and Mathematical Models for Well Test Strategies)。
煤的等温吸附试验探讨煤的形成过程,伴生有丰富的非常规天然气体,俗称瓦斯、煤层气,在煤中主要以游离态、吸附态形式存在。
游离态气体容易脱离煤体而释放出来,在煤的解析试验中也称自然解析气;吸附气则与煤的本身性质有关,煤是一种多孔介质,具有发达的孔隙结构,属于天然吸附剂,煤表面及孔隙内表面对甲烷等气体具有很强的吸附能,气体容易在煤表面及孔隙内聚集,形成气体吸附状态。
煤层气地质勘探中,煤层气储量常采用总含气量进行评估。
评价方法有直接法与间接法。
直接法也叫解析法,直接测定煤芯煤样气含量,包含自然解析量、损失量及残余气量,一般称为常规含量分析;间接法也叫非常规瓦斯测定法,通过吸附常数计算,吸附常数主要通过试验获取,吸附气量则根据吸附常数进行计算。
自然解析量、损失量在常压状态下从煤体自然释放,在封闭空间呈现游离气体特征,试验中可以准确计算;残余气体包括吸附气体与封闭孔隙不可解析气体,封闭不可解析气体在生产中不可获得,一般不予测定;常规试验时,在恒定温度、不同压力条件下测定甲烷吸附量,通过图形拟合间接求取煤的吸附常数。
1 试验原理煤的吸附量一般用Langmuir单分子层气体吸附模型来描述,煤的吸附气体与游离气体随着压力、温度的改变可以互相转化,在温度一定的条件下,通过Langmuir方程来计算煤层气吸附量(Q)。
即2 试验方法2.1 干燥煤样试验(1)测定方法概要:实验室筛分制样,制取粒度为0.2-0.3mm的煤样。
准确称取50g煤样装入玻璃干燥皿中,80℃真空干燥6小时;将干燥煤样装入煤样杯,于60℃水浴中真空脱气4小时。
吸附温度30℃条件下,进行低压吸附,吸附平衡8小时,测定煤样体积;在相同温度条件下,向吸附罐中充入不低于4MPa 甲烷,煤样杯内压力达到平衡后,依次测定6组在相同温度、不同压力条件下的甲烷吸附量。
用压力-吸附量作图,根据Langmuir吸附理论拟合求解煤的吸附常数a、b值。
(2)高压吸附Langmuir方程:2.2 含饱和水煤样试验(1)测定方法概要:将制取好的粒度为0.2-0.3mm的煤样,准确称取35g置于玻璃器皿中,均匀加入适量蒸馏水使煤样全部淹没为止,并充分搅拌,室温下放置2h;用玻璃漏斗过滤出多余的水分;将装有煤样的玻璃器皿放入相对湿度为96%-97%、温度为30℃的干燥器中,干燥器底部装有适量的硫酸钾过饱和溶液;每隔24h称重煤样一次,直到相邻两次重量之差不超过煤样质量的2%,则为煤样已达到水平衡;将达到平衡水分的煤样装入煤样杯中,在吸附温度30℃条件下,向煤样杯中充入不同压力的甲烷,测定6组煤在相同温度、不同压力条件下的甲烷吸附量。
实验五煤储层的解吸特征煤储层的三元孔、裂隙结构决定了煤层甲烷解吸动力学的阶段性,在排水降压作用下,煤储层宏观裂隙内压降较快,显微裂隙、大孔隙次之,而微孔隙则压降缓慢。
当储层压力低于临界解吸压力以后,甲烷首先在宏观裂隙内开始解吸,然后依次是显微裂隙、大孔隙、微孔隙。
煤层甲烷不断由吸附相变成游离相。
解吸与吸附作用几乎是完全可逆的过程,同样可用Langmuir 等温吸附定理来描述。
当煤储层压力降低到一定程度,煤中被吸附的甲烷开始与微孔表面分离,这个过程叫解吸。
解吸是煤中吸附气由于储层压力降低而转变成游离气体的过程,在压降过程中,吸附/解吸动态平衡结果是造成吸附量减少。
煤储层解吸特性常用可解吸率或可解吸量和解吸速率来衡量,解吸总量由阶段解吸量组成,解吸速率往往采用吸附时间来定量表示。
一、解吸率与解吸量我国煤层气井和美国煤层气解吸资料由3部分构成,即逸散气量、解吸气量(解吸至一周内平均每天小于10cm3时为止)、残余气量。
逸散气量、解吸气量之和为可解吸量,其与总含气量之比称为可解吸率。
我国前期煤田地质勘探资料,瓦斯(煤层气)解吸资料多由四部分构成,即损失气量(V1)、现场两小时解吸量(V2)、真空加热脱气量(V3)和粉碎脱气量(V4)。
通常,将损失气量与解吸气量之和与总气量之百分比称为解吸率,解吸率与该深度下实际含气量的乘积称为解吸量。
沁水盆地中南部煤储层的解吸特性变化较大,煤层甲烷解吸率分布范围为15.6 ~68.0%(表5-5),平均为37.82%,其中,3煤解吸率、解吸量基本上随埋深增加而增大(图5-16);15煤在埋深500m左右解吸率最高(图5-17)。
层域上,15煤解吸率、解吸量大于3煤,3煤平均解吸率为30.9%,15煤平均为37.8%,区域上,屯留、大宁解吸率最低,樊庄次之,但大宁、樊庄、屯留井田含气量大,二、吸附时间吸附时间表示甲烷通过煤基质块进入裂隙的扩散时间。
由罐装煤样解吸实验求得,定义为实测解吸气体体积累计达到总解吸气量(STP:标准温度、压力)的63%时所对应的时间。
煤层气等温吸附测试应用发布时间:2022-01-05T07:05:37.546Z 来源:《中国科技人才》2021年第23期作者:赵学道[导读] 煤层气是否具有开采价值及设计开采方案的重要指标之一就是等温吸附,同时也是一种计算煤层气储量的关键性参数。
等温吸附仪测试方法改进,对于提高测试工作效率、测试精度,提高测试成功率,准确获取储层含气量参数,科学指导我国煤层气勘查与开发具有重要意义。
本文结合实例对煤层气等温吸附测试应用进行分析。
赵学道新疆维吾尔自治区煤炭煤层气测试研究所(新疆维吾尔自治区煤炭产品质量检测中心)新疆乌鲁木齐 820065摘要:煤层气是否具有开采价值及设计开采方案的重要指标之一就是等温吸附,同时也是一种计算煤层气储量的关键性参数。
等温吸附仪测试方法改进,对于提高测试工作效率、测试精度,提高测试成功率,准确获取储层含气量参数,科学指导我国煤层气勘查与开发具有重要意义。
本文结合实例对煤层气等温吸附测试应用进行分析。
关键词:煤层气;等温吸附测试;原理1高压等温吸附试验样品缸工作原理高压等温吸附缸包括通气盖、缸盖、100目滤网、80目滤网、缸体、缸底、底部固定环、顶部固定环、二级石英砂过滤层、一级石英砂过滤层、120目滤网、通气孔。
使用该高压等温吸附试验样品缸时,装有60~80目煤样的样品缸需用氦气清洗缸体。
清洗时氦气从气路口分别通过120目滤网、二级石英砂、100目滤网、一级过滤石英砂、80目过滤网,最后进入缸体。
清洗后,废气逆过程排出,用氦气重复标定缸体4次,以确定样品缸的体积和煤样的密度。
每次标定气体,按上述程序气体进入和排出。
试验过程中还需用高纯甲烷清洗基准缸,然后充气大于预估平衡压力后,打开基准缸和样品缸的阀门,使气体进入样品缸,使之压力相等后关闭阀门,监测压力随时间变化直至达到平衡。
整个试验压力平衡点从1mPa到大于储层压力,当储层压力小于8mPa时最少需做6个测点;大于8mPa时,测点更多。
实验三等温吸附实验
一、实验目的
掌握等温吸附实验的原理与方法;掌握煤层气饱和度、临界解吸压力和最大理论采收率的计算。
二、实验内容
1、实验仪器
测量仪器是一台改进了的波义耳定律孔隙率仪(美国Raven Ridge 公司生产的高压等温吸附仪,图3-1),它安装在恒温水浴上,由容量为80cm3的不锈钢基准缸和容量为160cm3的不锈钢器缸组成,容器、管子和阀门的压力值必须大于实验时所预料的最高压力值,所有缸和管子的容积必须精确地测定。
基准缸和实验缸设在恒温器中, 其温度误差控制在±0.2℃以内,基准缸和实验缸压力由高精密压力传感器单独监控,精度为3.51kPa。
实验缸的温度在实验期间要确保稳定。
不同时间的温度和压力数据均由计算机收集,数据采集使用高速16位模拟数字转换器完成,在前60s以每秒100个点的速度来采集,随后的数据以每秒10个点的速度采集,可以同时进行4个等温实验缸的数据采集。
图3-1 IS-100型气体等温吸附/解吸仪
2、实验样品
将样品破碎到小于60目(0.25mm),再进行筛分分析,以确定样品的粒径分布。
在进行等温吸附实验以前,首先进行样品的工业分析,以测定样品的水分、灰分、挥发分和固定碳含量。
为了再现储层条件,采用美国材料实验协会(ASTM)所推荐的标准,即在储层温度和平衡水含量条件下进行气体吸附实验。
平衡水分含量的确定方法:首先将样品称重(约100g),精确到0.2mg,把预湿煤样或自然煤样放入装有过饱和K2SO4溶液的恒温箱中,该溶液可以使相对湿度保持在96%~97%之间。
48h后煤样即被全部湿润,间隔一定时间称重一次,直到恒重为止。
平衡水分含量等于工业分析中空气干燥基水分(M ad)与平衡煤水分含量之和。
3、容量测定
容量测定包括如下步骤:①校准仪器以确定实验缸的孔隙体积;②使基准
缸充气的压力大于现时等温阶段实验缸要求的最终压力;③打开基准缸和实验缸之间的阀门,使其压力相等,并关闭该阀门;④监测实验缸的压力,以确定该压力点何时达到稳定,即达到吸附或脱附平衡;⑤重复步骤2到步骤5,直至达到实验最终压力为止;⑥进行等温解吸测量。
把煤放进仪器之前,先把体积已知的钢坯放进实验缸,根据波义耳定律,用氦气确定基准缸和实验缸的总容积。
在实验室温度下重复三次作初始校准,以便把实验误差降至最低。
总容积测量的误差一般是±0.03cm3。
一旦煤样的水分含量达到平衡,就将80~150g的样品密封在实验缸内。
用氦清洗缸体,用氦标定的过程要重复进行四次,以确定实验缸的容积和煤的密度,空隙容积测量误差一般在±0.03cm3以内。
在标定期间,必须估算相应温度和压力时氦的气体偏差系数,这种估算值可从氦的气体偏差系数表中获得。
实验过程中首先用高纯甲烷(甲烷纯度为99.99% )清洗基准缸,然后充气使基准缸的压力大于这个压力点估算的稳定压力,打开两个缸之间的阀门,使其压力相等,记录整个阶段内不同时间的压力。
在该压力点早期,以0.01s的间隔收集数据,而在该压力点晚期,则以0.1min的间隔收集,这个阶段是连续的,直到30min内压力变化小于0.7kPa为止。
逐渐加压直至最终压力,以确定从一个大气压到大于储层压力范围内的吸附等温线。
试验压力点数根据要求的最高压力确定,当最高压力小于或等于8MPa时,压力点数一般为6个,每个压力点的吸附平衡时间一般大于12h,实验最高压力为12MPa,稳定压力为10 MPa,压力点数也为6个。
三、实验报告
根据等温吸附方程和图3-2计算煤层气理论和实测饱和度、临界解吸压力和最大理论采收率。
等温吸附方程为:
1366+
⨯
V
.
P
=P
68
(
46
)
249
.
储层压力(P)=4.76MPa,实测含气量为28.0m3/t,
1scf =0.0283168 m3 1Psia=6.89476×10-3MPa
p a d p ad
图3-2 等温吸附曲线。