Экспериментальное исследование взаимосвязи между размера частиц и сорбционная емкость метана в сланца

Summary

Мы используем изотермические адсорбции аппарат, анализатор гравиметрических сорбции для тестирования адсорбционной емкостью размеров различных частиц сланцев, чтобы выяснить отношения между размер частиц и адсорбционной емкостью сланцев.

Abstract

Количество адсорбированных сланцевого газа является ключевым параметром, используется в сланцевого газа оценки ресурсов и выбор целевой области, и это также важный стандарт для оценки стоимости добычи сланцевого газа. В настоящее время исследования о взаимосвязи между частиц размером и метана адсорбции спорным. В этом исследовании изотермические адсорбции аппарат, анализатор гравиметрических сорбции, используется для проверки адсорбционной емкостью частиц различных размеров в shale, чтобы определить связь между размер частиц и адсорбционной способностью сланцев. Thegravimetric метод требует меньше параметров и производит лучшие результаты с точки зрения точности и последовательности, чем методы, как метод объемной. Гравиметрические измерения проводятся в четыре этапа: пустой измерения, предварительной обработки, измерение плавучести и адсорбции и десорбции измерения. Гравиметрические измерения в настоящее время считается более научных и точный метод измерения количества адсорбция; Однако это занимает много времени и требует строгого измерительной техники. Баланс магнитная подвеска (MSB) является ключом для проверки точности и согласованности этого метода. Наши результаты показывают, что адсорбция емкости и размер частиц соотносятся, но не линейной корреляции и adsorptions в частицы, котор фильтруют в 40-60 и 60-80 сетки, как правило, больше. Мы предлагаем максимальный адсорбции, соответствующий размер частиц приблизительно 250 мкм (60 меш) в ГРП сланцевого газа.

Introduction

Сланец — глина рок с тонкий лист постельных принадлежностей структуры, которая служит как источник рок сланцевого газа и водохранилище. Shale имеет сильный анизотропии, состоящий из поры и микрон нано -, и graptolite окаменелости являются общепризнанным^1,2,3.

Сланцевый газ коммерчески эксплуатируется в пластину Янцзы, Южный Китай. Как система нетрадиционного газа, которая служит источником рок и резервуар для метана Сланцевый газ является производным от органического вещества в пределах сланцев через биогенных и/или термогенный процессов^4,5. Природный газ Магазины в водохранилищах находятся в одной из трех форм: свободный газ в поры и трещины, адсорбированные газа на поверхности органического вещества или неорганических минералов и растворенных газов в битум и воды^6,7. Предыдущие исследования показывают, что адсорбированных газ приходится 20-85% всего газа в сланца образований⁶. Таким образом, исследование адсорбции потенциала сланцевый и его контроля факторы важны для разведки и разработки сланцевого газа ресурса.

Метан адсорбционной способностью сланцев широко признается как существенно колеблется с температуры, давления, влажности, зрелости, минеральный состав, органического вещества и удельная поверхность^{1,4,5 6, ,7}; и предыдущие исследования подтвердили больше и яснее корреляции между внешних факторов, таких как температуры, давления и влажности и метана адсорбции.

Однако исследования о взаимосвязи между внутренние факторы, как размер частиц и адсорбции метана являются спорными. Цзи Кан и предполагают, что метан адсорбционной емкостью же сланцев образцов увеличивается с уменьшением размера частиц^8,14, тогда как Rupple и Чжан считают отношение между размером частиц и адсорбции ограниченной на основании изотермический адсорбции кривых^9,10,11. Кроме того без стандартов для протокола оценки адсорбции сланцевого газа, лаборатории в Китае обычно применяют угольной адсорбции оценки протоколы для оценки сланцевого газа адсорбции. Чтобы прояснить взаимосвязь между размером частиц и адсорбции, а также исследовать зону перспективные исследования, мы получили образцы сланца из толстых морской сланцевых месторождений Wuling Sag в верхней пластине Янцзы. Гравиметрическая сорбции анализатор был применен для проведения изотермический адсорбции experimentand получить взаимосвязь между размером частиц и адсорбции.

Объемные и гравиметрические методы являются основные методы, используемые для проверки изотермических адсорбции сланцев. Объем является ключевым параметром объемным методом, который легко пострадавших от температуры и давления^12,,1314. Из-за неопределенности в анализ ошибок совокупный распространения в прямых измерений с использованием количественного метода для расчета суммы адсорбции приводит к большой ошибки в результатах измерений, который заставляет аномальные адсорбции изотерма^{14 ,15}. По сравнению с объемным методом, гравиметрического метода требует меньше параметров и результатов в небольшие ошибки: потому что массы сохраняется, вес и масса гравиметрического метода не влияет на температуру и давление¹². Он считается более научных и точный метод измерения theadsorption количество адсорбции в настоящее время.

Гравиметрическая сорбции анализатор используется в этом эксперименте, который имеет максимум испытания давлением до 70 МПа (700 бар) и температуре 150 ° C. Слишком низкая температура и давление, создаваемое старых аппарат toaccurately моделировать температура и давление формирования глубоко под землей. Ключом к использованию аппарат анализа сорбции достигает баланса магнитная подвеска для точного взвешивания образец материала, с точностью 10 мкг. Аппарат принимает циркулирующего режиме нагрева нефти ванна и диапазон температур может управляться на долгое время в пределах 0,2 ° C. Точность старого аппарата является низким, и таким образом ошибка будет больше, чем полученные с новыми инструментами. Экспериментальной операции выполняются с помощью программного обеспечения, представленной аппарата. Операционная система будет регулярно обновляться, чтобы убедиться, что анализ близка к фактической подземных условиях¹².

Магнитная подвеска баланс (MSB) используется в гравиметрический метод для проверки изотермических адсорбции метана сланцев без прямого контакта между образцом и оборудования, в нормальной температуре и давлении. Образец помещается в бассейне измерения, в котором масса образца могут быть переданы на баланс через бесконтактный подвеска, сцепление механизм^12,13. Под баланс есть приостановлено магнит, контролируется специально разработанный контроллер, который позволяет свободного подвеса ниже постоянного магнита. Постоянный магнит соединяет датчик положения и контейнера образца с соединительной рамы. Функция сцепления кадра является пара или отделить контейнера образца в постоянный магнит подвеска стержня^14,15,16.

Наши измеренных образцов являются черный органических богатые сланцы, депонируется в морской фации формирования длинные макси, Нижняя Силурийский в даочжэнь, провинция Гуйчжоу. Область исследований находится в Wuling Sag, верхняя плита Янцзы, которая граничит Сычуань бассейна на северо-западе и тектонической зоны Сюэфэн горы к юго-¹⁷. Wuling Sag является структурной передачи и переходной зоны между Сычуань бассейна и тектонической зоны Сюэфэн горы, который получен мелководье-глубоководная шельфовых месторождений, и морской черный сланец широко был разработан в начале силурийских; sag была затем сильно накладывается тектонические события как движение Индо-Китая, Яншань движение и движение гималайский, которая сформирована многоступенчатая складки, разломов и несогласий¹⁸. Морских черного сланца в Wuling Sag значительно влиянием сложных геологических условиях, которые сформированы запасы сланцевого газа. Как структурных передачи зоны sag это сладкое пятно для сланцевого газа, который характеризуется слабее деформации, лучше сланцевого газа поколения и сохранения условий и лучшего соответствия природных переломов ловушки¹⁹.

Высокого давления сорбции измерения проводятся основе стандартизированной процедуры с руководством изотермический адсорбции аппарат протокола, который всесторонне разработана на несколько публикаций^{10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16}. Изотермическая адсорбции эксперименты были завершены в ключ Лаборатория сланцевой нефти и газа расследования и оценки Китайской академии наук о земле. Гравиметрические измерения осуществляется с магнитной подушке баланса (MSB) производится в четыре этапа: пустой измерения, предварительной обработки, плавучесть измерения и адсорбции и десорбции (рис. 1, рис. 2).

Protocol

1. Пробоподготовка

1. Образец характеристики
   1. Измерьте Общий органический углерод (ООУ) с помощью TOC аппарата (см. Таблицу материалов) при температуре 20 ° c и относительной влажности 65% (стандарт GB/T 19145-2003).
   2. Выполнить измерение коэффициента отражения витринита аншлифов сланца с помощью микроскопа фотометр (см. Таблицу материалы).
2. Пример очистки и дробление
   Примечание: Чтобы избежать влияния различных внутренних и внешних факторов, а также неоднородность сланцев насколько это возможно, выберите образец рок большое сланцев из оригинального горизонтальных постельных принадлежностей для этого эксперимента.
   1. Выберите образец рок большое сланцев (около 20 см длиной, 15 см в ширину и 2 см в высоту) из оригинального горизонтальных постельных принадлежностей.
   2. Чистый образец и дробления сосуд с абсорбирующей хлопок, пинцеты и ацетальдегид.
   3. Разбить большой оригинал горизонтальных сланцевого beddingsample на мелкие кусочки с молотком, так что он может быть помещен в остаточных газов жесткой шлифовальной машины. Подходящее время дробления (примерно 3 мин) можно найти через предварительные эксперименты.
   4. Затем сито образца в 20-40, 40-60, 60-80, 80-100 и 100-120 проб первый просеивания частиц через 100-120 сетку, затем сетку 80-100, 60-80 сетка, сетка 40-60 и наконец сетку 20-40.
   5. Отменить любые несоответствующие сланца частицы. Там будет несколько образцов отбрасываются (около 5 г) когда дробление времени — 3 мин.
   6. Этикетке каждого образца 20-40-1, 40-60-1, 60-80-1, 80-100-1 и 100-120-1 (это G1 в Представитель результаты).
   7. Повторите выше операцию с другой пример (около 20 см длиной, 15 cm широкий и 2 см в высоту; используйте разные сланца с различным составом или TOC) и создайте набор повторить эксперименты для контраста. Этикетке каждого образца 20-40-2, 40-60-2, 60-80-2, 80-100-2 и 100-120-2 (G2 в Представитель результаты).

2. экспериментальные методы

1. Лабораторная установка
   1. Поместите документы в тихом районе вибраций чистой лаборатории без электромагнитных помех. Температура в лаборатории должна быть 10-40 ° C.
      Примечание: Эксперимент будет проводиться при комнатной температуре для длительных периодов времени (несколько дней).
   2. Использование переменного тока на 230 В (±10%) и 50 Hz. обеспечить каждый корень электросети имеет больше чем 10 A тока и безопасно обрабатывается с землей свинца. Если энергосистемы бедных, должен использоваться дополнительный источник питания.
   3. Использование газовых баллонов с газом высокой чистоты (не менее 99,999%). Исправьте все цилиндры прочно.
   4. Если опасный газ используется в эксперименте, убедитесь, что лаборатории имеется вентиляция и выхлопных газов, наряду с сигнализатором опасных газов. Регулярно используйте мыльные пузыри для обнаружения любых утечек из трубы соединения¹².
   5. Избегайте прямых солнечных лучей.
2. Запустите инструмент
   1. Включите компьютер и начните основную программу.
   2. Откройте цилиндр и настроить его на соответствующую выходное давление (отрегулировать outgassing давление до 5-6 бар и давление баллона газа примерно 70 бар).
   3. Включите прибор. При включении сцепления контроллер регулятор должен оставаться в положении OFF. Откройте нефти ванна и вакуумный насос мощность.
3. Пустой измерение
   1. Разобрать пример бассейн, Поставьте ведро пустой чистый образец внутри и установить металлические направляющую втулку. Проверьте муфту ZP/MP и настроить его в соответствующее состояние.
   2. Контролировать баланс на соединение контроллере и переключить его на все должности в ZP/MP1/MP2. Наблюдать изменения в баланс чтения и подтвердить, что чтение является нормальной и стабильной. Если чтение неправильно или нестабильной, необходимо настроить уровни на всех 4 ногах плоской головкой, основанный на ситуацию или высокой и низкой позиции поддержки винт.
   3. Загрузите образец бассейн, контроля температуры нефти Ванна куртку и тепло изоляция покрытия.
   4. Переместите ручку сцепления контроллера в положение ZP.
   5. Установите его в пустой измерения программу в программном обеспечении.
      1. Нажмите, чтобы настроить измерение, имя, заголовок, выберите газа 2 и другие жидкости и выберите жидкости ванна.
      2. Установите температуру образца до 50 ° C, максимальное давление до 70 бар, давление шаг 7, рампе давление до 2 бар/мин и жидкости therm до 50 ° C.
         Примечание: Для пустого теста, используйте N₂ (рекомендуется) или H_e на соответствующего давления (0 - 70 бар). Весят пустым ведром. Когда температура в соответствии с экспериментальной температуры адсорбции, выполнения программы загрузки, который обычно занимает 7-8 ч. Наконец на качество и объем пустым ведром можно получить вручную после завершения (см. шаг 2.8.1).
         Предупреждение: 6 наборов болтов на фланце бассейн образца демонтируются с использованием внутренних шести угол гаечный ключ и фиксированной ключ документа. Обратите внимание, что при удалении последней группы болтов, образец пул должен проводиться во избежание падения.
4. Инструмент, балансировки (при необходимости)
   Примечание: Инструмент работы движения должна быть мягкой, единой силой.
   1. Не трясите сильно поддержки баланс (в противном случае, это может нарушить баланс) или переместить положение кадра. При использовании гаечного ключа, будьте осторожны, чтобы не стучать Траверс трубки датчика вблизи фланца из позиции.
   2. Когда баланс подтверждается, переместите ZP в положение OFF.
   3. Проверьте, установлена ли кольцо круглого сечения на фланце образца пула. Замените кольцо круглого сечения, если есть серьезные повреждения или деформации.
   4. Настройка образца бассейн вертикально, таким образом, чтобы верхний и нижний фланцы соединяются, который будет поддерживать состояние общей вертикальной.
   5. Наконец установите 6 групп болтов.
      1. Используйте гаечный ключ для крепления винтов, с помощью метода симметричный крепления для обеспечения что соединение фланца лицом жесткой и не искажены. Степень 6 групп Болты крепления должны соответствовать возможным¹³.
      2. PayAttention крышку спираль под 6 групп болтов держать каждого края из фланца, чтобы избежать трудностей при установке задних нефти Ванна куртку.
   6. Если используется электрическое отопление, установите изоляции терракота и исправить ее с обручем кольцо без пакета хлопок внешней изоляции.
   7. При использовании масла ванна Отопление, установите нефти Ванна куртка от дна до образца бассейн, до тех пор, пока в верхней и верхний фланец плоский. Установите три винта внизу, чтобы исправить нефти Ванна куртка на месте.
   8. Проверьте ли позиция ZP/MP1/MP2 и чтение баланса являются нормальными, а затем переместите ручку сцепления контроллера в положение ZP.
5. Обработка измерения
   1. Разобрать пример бассейн и поместите образец в образце ствол. Проверьте муфту ZP/MP и скорректировать их в соответствующее состояние.
   2. Загрузите образец бассейн и электрические тепло изоляция покрытия.
   3. Переместите ручку сцепления контроллера в положение ZP.
   4. Программа загрузки будет запускаться автоматически. Установите программу предварительной обработки в программном обеспечении. Нажмите Настройка измерений, имя заголовка, установите вакуум, выбрать Электрический нагреватель, установите температуру образца при 150 ° C и муфта температуре 20 ° C и установить продолжительность в 600 мин. Этот шаг обычно занимает 10 h.
6. Плавучесть измерение
   1. Демонтировать оболочке электрическое отопление и установить контроля температуры нефти Ванна куртку и теплоизоляция покрытия, который isadhesive.
   2. Запустите программу измерений плавучести в программное обеспечение, установить масляной ванне, на 50 ° C температура нагрева и тепла для приблизительно 4 ч. 7 точек давления будет распределяться под максимальным давлением 70 бар. Программа загрузки будет запускаться автоматически.
      Примечание: Измерение плавучести является таким же, как пустой измерения.
      Предупреждение: Вытащите электрические тепловые мощности питания совместное перед удалением совместное датчик температуры в нижней части бассейна образца. После загрузки образца, не забудьте проверить, если датчик температуры вставляется.
7. Адсорбция измерение
   1. Установите программы измерения сорбции в программном обеспечении. Запустите программу и она будет запускаться автоматически.
   2. Если необходим процесс десорбции, задать этот вопрос в программе измерения сорбции, поддерживайте температуру жидкости терм при 50 ° C и установите 19 точек давления (например, 0, 10, 20, 40, 60, 80, 100, 150, 200, 250, 200, 150, 100, 80, 60, 40, 20, 10 и 0 бар). Затем запустите программу, которая будет запускаться автоматически.
   3. Установите давление вручную, с помощью под давлением насоса, когда давление газа не может достичь значения автоматически.
      Предупреждение: После окончания эксперимента, инструмент автоматически выхлопных газов и поддерживать состояние вакуума для определенного периода времени. Программа завершится автоматически, и все клапаны будут закрыты.
8. Расчет
   1. Система может выбираться автоматически исправить экспериментальные результаты, используя следующие принципы. Отношения между вес чтение, чтение лоток, образец плавучесть и сорбции плавучести является следующим^10,11,12,13:
      m^A = Δm - m^SC - m^S + (^SC V V^S + V^A) X p
      m^A: масса адсорбции газа; Δm: массового баланса чтения; m^SC: масса образца лоток (получен пустой измерения); m^S: масса образца (получены путем измерения плавучести); V^СК: объем образца лоток (получен пустой измерения); V^S: объем выборки (получены путем измерения плавучести); V^A: объем образца адсорбции газа (полученные путем адсорбции измерения); Ρ(p,T,y): плотность вычисляется из уравнения состояния или определяется путем измерения.
9. Завершение
   1. Выйдите из программы и закрыть компьютер. Закройте экспериментальный газовый баллон.
   2. Если только короткий период холостого хода происходит, не более 3 дней, остановите власть инструмент, который не требуется для поддержания состояния каждой системы питания. Мы предлагаем, что ручку контроллер муфта перемещается в положение OFF.
   3. Если инструмент должен быть остановлен в течение длительного времени, мощность каждой системы можно отключить. Перед выключением питания контроллер сцепления, ручку сначала нужно переместить в положение OFF. Убедитесь, что выключения лампы горят и другие огни находятся вне, а затем закройте питания контроллера.

Results

Рисунок 1 : Экспериментальная установка для адсорбции гравиметрических газа при высоких температурах и давлениях. На рисунке показана установка для изотермической адсорбции эксперимент: () нефти Ванна, Отопление устройство для жидкости ванны; (b) электрического отопления устройство для электрического отопления; (c

Discussion

Материалы, используемые в этом эксперименте приведены в Таблице материалов. Перед удалением образец бассейн, оно должно быть подтверждено, что температура и давление в бассейне образца находятся в нормальном давлении и нормальной температуре; в противном случае существует опасность получения травмы. Если температура слишком высока, дождитесь температуры падение, а затем removethe пример бассейн. Если давление слишком высокое или слишком низкое, вручную установить давление воздуха на программное обеспечен...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
XRF D8 DISCOVER Рентгеновский дифрактометр	Брук, Германия	204458	Для минералогии Рентгеновская дифракция
EBSD трехэлементная система интеграции со спектром	EDAX,США	Trident XM4	Для наноразмерной визуализации (SEM)
Капиллярное давление при впрыске ртути (MICP)	США микромеритика Приборная компания	AutoPore IV 9520	Для иммерсионного метода измерения макропор (пористость)
Адсорбция газообразного азота при низкой температуре	США микромеритики Приборная компания	ASAP2460/2020	Для адсорбции газообразного азота низкого давления для измерения мезопор и микропор (BET)
Масс-спектрометр Finnigan MAT-252	ThermoFinnigan, США	TRQ/Y2008-004	Для анализатора изотопа
C LECO CS-230	Научно-исследовательский институт разведки и разработки нефтяных месторождений	617-100-800	ТОС
Фотометрическая микрофотометрическая система 3Y-Leica MPV-SP	Leica, Германия	M090063016	Аппарат
Ro Магнитный весовой баланс Изотермический адсорбционный анализатор	Rubotherm, Германия	2015-1974CHN	Для испытаний на адсорбцию метана
Сито (20/40/60/80/100/120меш)	Sinopharm Химический реактив Beijing Co.Ltd	200*50GB6003.102012	Используется для скрининга образцов
Абсорбирующий вата, молоток, пинцет и ацетальдегид	Sinopharm Chemical Реагент Пекинский стандарт Co.Ltd		Используется для очистки материалов
Остаточный газоплотный молоток	Nantong Huaxing Petroleum Instrument Co., Ltd	TY2013000237	Измельчитель образцов