$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Łupek to gliniasta skała o cienkiej strukturze podłoża, która służy zarówno jako skała źródłowa gazu łupkowego, jak i jako zbiornik. Łupek ma silną anizotropię składającą się z porów w skali nano- i mikronowej, a skamieniałości graptolitu są powszechnie rozpoznawane1,2,3.
Gaz łupkowy jest komercyjnie eksploatowany na płycie Jangcy w południowych Chinach. Jako niekonwencjonalny system gazowy, który służy zarówno jako skała macierzysta, jak i rezerwuar metanu, gaz łupkowy jest pozyskiwany z materii organicznej zawartej w łupkach w procesach biogenicznych i/lub termogenicznych4,5. Magazyny gazu ziemnego w zbiornikach występują w jednej z trzech form: gaz wolny w porach i szczelinach, gaz zaadsorbowany na powierzchni materii organicznej lub minerałów nieorganicznych oraz gaz rozpuszczony w bitumie i wodzie6,7. Wcześniejsze badania sugerują, że zaadsorbowany gaz stanowi 20 - 85% całkowitego gazu w formacjach łupkowych6. W związku z tym badania nad zdolnością adsorpcyjną łupków i czynnikami jej kontroli są istotne dla poszukiwania i zagospodarowania zasobów gazu łupkowego.
Zdolność adsorpcji metanu w łupkach została powszechnie uznana za znacząco zmieniającą się w zależności od temperatury, ciśnienia, wilgotności, dojrzałości, składu mineralnego, materii organicznej i powierzchni właściwej1,4,5,6,7; Wcześniejsze badania potwierdziły większą i wyraźniejszą korelację między czynnikami zewnętrznymi, takimi jak temperatura, ciśnienie i wilgotność, a adsorpcją metanu.
Jednak badania nad korelacją między wewnętrznymi czynnikami, takimi jak wielkość cząstek i adsorpcja metanu, są kontrowersyjne. Kang i Ji sugerują, że zdolność adsorpcji metanu w tych samych próbkach łupków wzrasta wraz ze spadkiem wielkości cząstek8,14, podczas gdy Rupple i Zhang uważają, że znaczenie między wielkością cząstek a adsorpcją jest ograniczone na podstawie krzywych adsorpcji izotermicznej9,10,11. Ponadto, bez norm dotyczących protokołu oceny adsorpcji gazu łupkowego, laboratoria w Chinach zazwyczaj stosują protokoły oceny adsorpcji węgla do oceny adsorpcji gazu łupkowego. Aby wyjaśnić związek między wielkością cząstek a adsorpcją, a także zbadać perspektywiczną strefę poszukiwawczą, uzyskaliśmy próbki łupków z grubych pokładów łupków morskich w Wuling Sag w górnej płycie Jangcy. Do przeprowadzenia eksperymentu adsorpcji izotermicznej zastosowano grawimetryczny analizator sorpcji i uzyskano zależność między wielkością cząstek a adsorpcją.
Metody wolumetryczne i grawimetryczne są głównymi metodami używanymi do testowania adsorpcji izotermicznej łupków. Objętość jest kluczowym parametrem metody wolumetrycznej, na który łatwo wpływa temperatura i ciśnienie12,13,14. Ze względu na niepewność w analizie błędów, skumulowana propagacja w pomiarach bezpośrednich przy użyciu metody wolumetrycznej do obliczania wielkości adsorpcji prowadzi do dużego błędu w wynikach pomiarów, co powoduje nieprawidłową adsorpcję isotherm14,15. W porównaniu z metodą wolumetryczną, metoda grawimetryczna wymaga mniejszej liczby parametrów i powoduje mniejsze błędy: ponieważ masa jest zachowana, temperatura i ciśnienie nie mają wpływu na masę i masę metody grawimetrycznej12. Obecnie uważa się, że jest to bardziej naukowa i dokładna metoda pomiaru ilości adsorpcji theadsorpcji.
W tym eksperymencie używany jest grawimetryczny analizator sorpcji, który ma maksymalne ciśnienie testowe 70 MPa (700 bar) i temperaturę 150 °C. Temperatura i ciśnienie generowane przez starszą aparaturę są zbyt niskie, aby dokładnie symulować temperaturę i ciśnienie panujące w głębokiej podziemnej formacji. Kluczem do korzystania z aparatu do analizy sorpcyjnej jest dotarcie do wagi zawiesiny magnetycznej w celu dokładnego zważenia materiału próbki z dokładnością do 10 μg. Urządzenie przyjmuje tryb ogrzewania w kąpieli olejowej z obiegiem, a zakres temperatur może być kontrolowany przez długi czas z dokładnością do 0,2 °C. Dokładność starego aparatu jest niska, a co za tym idzie, błąd byłby większy niż ten uzyskany w przypadku nowszych przyrządów. Operacje eksperymentalne są wykonywane za pomocą oprogramowania dostarczonego przez aparaturę. System operacyjny będzie regularnie aktualizowany, aby zapewnić, że analiza jest zbliżona do rzeczywistych warunków panujących pod ziemią12.
Waga zawieszenia magnetycznego (MSB) jest używana w metodzie grawimetrycznej do testowania adsorpcji izotermicznej metanu w łupkach bez bezpośredniego kontaktu między próbką a sprzętem, w normalnej temperaturze i ciśnieniu. Próbkę umieszcza się w puli pomiarowej, w której masa próbki może być przekazana do wagi za pomocą bezkontaktowego mechanizmu sprzęgającego zawiesiny12,13. Pod wagą znajduje się zawieszony magnes, sterowany przez specjalnie zaprojektowany sterownik, który umożliwia swobodne zawieszenie znajdującego się poniżej magnesu trwałego. Magnes trwały łączy czujnik położenia i pojemnik na próbkę z ramą sprzęgającą. Funkcją ramy sprzęgającej jest sprzężenie lub odłączenie pojemnika na próbkę od pręta zawieszenia z magnesami trwałymi14,15,16.
Nasze zmierzone próbki to czarne, bogate w substancje organiczne łupki zdeponowane w facjach morskich formacji Long Maxi, dolny sylur w Daozhen, prowincja Guizhou. Obszar badań znajduje się w Wuling Sag, górnej płycie Jangcy, która graniczy z Kotliną Syczuańską na północnym zachodzie i strefą tektoniczną Xuefeng Mountain na południowym zachodzie17. Wuling Sag jest strukturalną strefą transferową i przejściową między Basenem Syczuańskim a strefą tektoniczną gór Xuefeng, która otrzymała płytkie głębokie osady szelfu morskiego, a czarne łupki morskie były szeroko rozwinięte we wczesnym sylurze; Na zwis nałożyły się następnie wydarzenia tektoniczne, takie jak ruch indochiński, ruch Yanshan i ruch himalajski, które utworzyły wieloetapowe fałdy, uskoki i niezgodności18. Na czarne łupki morskie w Wuling Sag znaczący wpływ miały złożone warunki geologiczne, które uformowały złoża gazu łupkowego. Jako strukturalna strefa transferowa, zwis jest optymalnym miejscem do poszukiwania gazu łupkowego, który charakteryzuje się słabszą deformacją, lepszymi warunkami wytwarzania i przechowywania gazu łupkowego oraz lepszym naturalnym dopasowaniem szczelin pułapek19.
Pomiary sorpcji wysokociśnieniowej są przeprowadzane w oparciu o ustandaryzowaną procedurę z wytycznymi protokołu aparatury adsorpcji izotermicznej, który został kompleksowo omówiony w kilku publikacjach10,11,12,13,14,15,16. Eksperymenty z adsorpcją izotermiczną zostały zakończone w Kluczowym Laboratorium Badań i Oceny Ropy i Gazu Łupkowego Chińskiej Akademii Nauk o Ziemi. Pomiar grawimetryczny przeprowadzany za pomocą wagi z zawieszeniem magnetycznym (MSB) jest wykonywany w czterech etapach: pomiar ślepej próby, obróbka wstępna, pomiar wyporu oraz pomiar adsorpcji i desorpcji (Rysunek 1, Rysunek 2).