二氧化碳驅(qū)替頁(yè)巖氣的機(jī)理研究.pdf

1、已有很多學(xué)者對(duì)頁(yè)巖的吸附、解吸及驅(qū)替進(jìn)行研究并取得相應(yīng)成果，對(duì)未來(lái)頁(yè)巖氣開采具有巨大的實(shí)用價(jià)值。但以往有關(guān)頁(yè)巖的吸附、解吸及驅(qū)替試驗(yàn)采用的樣品為顆粒狀，嚴(yán)重破壞了頁(yè)巖原始結(jié)構(gòu)，無(wú)法真實(shí)地反映實(shí)際儲(chǔ)層情況。為真實(shí)反映儲(chǔ)層條件下的頁(yè)巖吸附、解吸及驅(qū)替性能，本文試驗(yàn)中采用直徑50mm，高100mm的大巖樣頁(yè)巖并對(duì)其施加一定的體積應(yīng)力，巖樣內(nèi)保持頁(yè)巖原始地質(zhì)結(jié)構(gòu)，與顆粒狀頁(yè)巖相比，能真實(shí)模擬儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)條件。在國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：

2、51374257)、教育部新世紀(jì)人才計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：NCET-09-0844)資助下，針對(duì)儲(chǔ)層條件下頁(yè)巖的吸附解吸性質(zhì)及驅(qū)替提高頁(yè)巖氣采收率的部分影響因素開展了研究，取得以下主要研究成果：
　?、俦敬卧囼?yàn)樣品為圓柱形頁(yè)巖巖芯，為塊狀，其內(nèi)部保持頁(yè)巖儲(chǔ)層原始結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)時(shí)對(duì)巖心施加一定的軸壓和圍壓，并采用水浴方式恒溫，以模擬相應(yīng)頁(yè)巖儲(chǔ)層環(huán)境，確保試驗(yàn)?zāi)芨鼮檎鎸?shí)地反映頁(yè)巖儲(chǔ)層吸附、解吸、驅(qū)替性質(zhì)。
　?、诨诖罅渴覂?nèi)頁(yè)巖巖芯

3、吸附過(guò)程試驗(yàn)，詳細(xì)分析了甲烷和二氧化碳在頁(yè)巖巖芯內(nèi)運(yùn)移、吸附過(guò)程，認(rèn)為吸附過(guò)程為滲透、擴(kuò)散、吸附、解吸的綜合過(guò)程；解釋了隨時(shí)間推移，吸附速率下降的原因，主要是吸附前期以滲透、吸附為主，后期以擴(kuò)散、吸附為主，氣體在頁(yè)巖儲(chǔ)層內(nèi)滲透作用相對(duì)擴(kuò)散作用要快很多；詳細(xì)分析了頁(yè)巖巖芯在吸附過(guò)程中吸附變化曲線出現(xiàn)“階梯狀”、“負(fù)吸附”現(xiàn)象，認(rèn)為出現(xiàn)上述現(xiàn)象是由于吸附量增大導(dǎo)致巖芯內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的結(jié)果。
　?、弁ㄟ^(guò)對(duì)不同溫度、不同頁(yè)巖巖芯對(duì)甲

4、烷的等溫吸附曲線對(duì)比，發(fā)現(xiàn)這些曲線變化趨勢(shì)相同，吸附量隨壓力升高而增大，且在相應(yīng)壓力點(diǎn)出現(xiàn)吸附量急劇上升的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的壓力點(diǎn)隨溫度升高而增大；通過(guò)對(duì)頁(yè)巖巖芯吸附、解吸曲線對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)巖芯解吸曲線滯后于吸附曲線，并從甲烷在頁(yè)巖儲(chǔ)層內(nèi)賦存形式、吸附形式和分子能量三個(gè)方面對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)分析。
　?、芡ㄟ^(guò)對(duì)同一頁(yè)巖巖芯樣品不同溫度下等溫吸附曲線對(duì)比分析，探討溫度對(duì)吸附的影響，發(fā)現(xiàn)溫度與吸附量相關(guān)性較差，并對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)分

5、析，認(rèn)為巖芯在吸附膨脹、解吸收縮循環(huán)作用及體積應(yīng)力共同作用下，頁(yè)巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化導(dǎo)致吸附量變化，表明保留頁(yè)巖原始結(jié)構(gòu)的巖芯的吸附性能受多種因素的影響，與顆粒狀相比，吸附性質(zhì)更具不穩(wěn)定性。
　?、萃ㄟ^(guò)對(duì)不同頁(yè)巖巖芯樣品在相同溫度下的等溫吸附曲線的對(duì)比分析，探討頁(yè)巖儲(chǔ)層各向異性對(duì)吸附的影響，發(fā)現(xiàn)不同樣品的吸附量不同；對(duì)同一樣品進(jìn)行不同氣體（CH4、CO2）吸附試驗(yàn)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)吸附相同時(shí)間，CO2的吸附量大于CH4，且CH4的吸附平

6、衡時(shí)壓力大于CO2，由此判斷頁(yè)巖巖芯對(duì)CO2的吸附性大于CH4。
　?、迣⒈敬雾?yè)巖巖芯吸附試驗(yàn)結(jié)果與相同試驗(yàn)溫度下煤顆粒、頁(yè)巖顆粒及頁(yè)巖小試件吸附結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并從巖石結(jié)構(gòu)方面詳細(xì)分析了吸附量差異及吸附曲線形態(tài)不同的原因，表明頁(yè)巖試驗(yàn)樣品尺寸對(duì)其吸附能力影響較大，認(rèn)為隨試件尺寸增大，頁(yè)巖儲(chǔ)層不均勻性越明顯，越能真實(shí)模擬儲(chǔ)層條件。
　?、卟捎肔angmuir模型、Freundlich經(jīng)驗(yàn)公式、BET模型、微孔填充D-R模型

7、、Langmuir-Freundlich模型和最優(yōu)化體積填充D-A模型對(duì)本次吸附解吸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析對(duì)比，探討頁(yè)巖巖芯對(duì)甲烷的吸附機(jī)理，擬合結(jié)果表明：Freundlich經(jīng)驗(yàn)公式相關(guān)系數(shù)平均值為0.95635；D-R模型相關(guān)系數(shù)平均值為0.96559；D-A模型相關(guān)系數(shù)平均值為0.97963，以上三種模型擬合效果較好，其中Freundlich經(jīng)驗(yàn)公式中參數(shù)物理意義不明確，不能表征吸附機(jī)理，由此認(rèn)為甲烷在頁(yè)巖巖芯內(nèi)的吸附機(jī)理主要為微孔