Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

Eksperimentel undersøgelse af forholdet mellem partikelstørrelse og metan Sorption kapacitet i skifer

Published: August 2, 2018 doi: 10.3791/57705
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1
1Institute of Geomechanics/Key Lab of Shale Oil and Gas Geological Survey, Chinese Academy of Geological Sciences

Summary

Vi bruger en isotermisk adsorption apparater, gravimetrisk sorption analyzer, for at teste adsorption kapacitet af forskellige partikelstørrelser af skifer, for at finde ud af forholdet mellem partikelstørrelse og adsorption kapacitet af skifer.

Abstract

Mængden af adsorberet skifergas er en afgørende parameter bruges i rødler gas resource evaluering og måludvælgelser område, og det er også en vigtig standard for at vurdere værdien udvinding af skifergas. I øjeblikket er undersøgelser om sammenhængen mellem partikel størrelse og metan adsorption kontroversielle. I denne undersøgelse, der en isotermisk adsorption apparater, gravimetrisk sorption analyzer, bruges til at teste forskellige partikelstørrelser adsorption kapacitet i skifer til at bestemme forholdet mellem partikelstørrelsen og adsorption kapacitet af skifer. Thegravimetric metode kræver færre parametre og skaber bedre resultater for nøjagtighed og konsistens end metoder som den volumetriske metode. Gravimetriske målinger udføres i fire trin: en tom måling, forbehandling, en opdrift måling og adsorption og desorption målinger. Gravimetrisk måling er i øjeblikket anses for at være en mere videnskabelig og præcis metode til måling af mængden af adsorption; men det er tidskrævende og kræver en streng måleteknik. En magnetisk Suspension Balance (MSB) er nøglen til at verificere nøjagtigheden og konsistensen af denne metode. Vores resultater viser, at adsorption kapacitet og partikelstørrelse er korreleret, men ikke en lineær sammenhæng, og adsorptions i partikler sigtes i 40-60 og 60-80 masker tendens til at være større. Vi foreslår, at den maksimale adsorption svarende til partikelstørrelsen er ca 250 µm (60 mesh) i skifer gas briste.

Introduction

Skifer er en ler rock med et tyndt lag af strøelse struktur, som fungerer som både en skifer gas kilde rock og et reservoir. Skifer har en stærk anisotropy bestående af nano - og micron-skala porer, og graptolite fossiler er almindeligt anerkendte1,2,3.

Skifergas er kommercielt udnyttet i Yangtze plade, det sydlige Kina. Som en utraditionel gassystem, der fungerer som både en kilde rock og et reservoir for metan, er skifergas afledt af det organiske stof i skifer gennem biogene og/eller termogeniske processer4,5. Naturgas butikker i reservoirer er i en af tre former: gratis gas i porerne og frakturer, adsorberet gas på overfladen af organisk materiale eller uorganiske mineraler, og opløst gas i bitumen og vand6,7. Tidligere undersøgelser tyder på, at adsorberet gas tegner sig for 20-85% af den samlede gas i skifer formationer6. Derfor forskning på adsorption kapacitet af skifer og dets kontrollerende faktorer er væsentlige for udforskning og udvikling af skifer gas ressource.

Metan adsorption evne til skifer har været bredt anerkendt som væsentligt varierende temperatur, tryk, fugtighed, modenhed, mineralske sammensætning, organisk materiale og specifikke overfladeareal1,4,5 ,6,7; og tidligere undersøgelser har bekræftet en større og tydeligere korrelation mellem eksterne faktorer som temperatur, tryk og fugtighed og metan adsorption.

Dog undersøgelser om sammenhængen mellem iboende faktorer partikelstørrelse og metan adsorption er kontroversielle. Kang og Ji tyder på, at metan adsorption kapacitet af de samme skifer prøver stiger med et fald i partikel størrelse8,14, mens Rupple og Zhang mener relevans mellem partikelstørrelse og adsorptionen er begrænset baseret på isotermisk adsorption kurver9,10,11. Derudover uden standarder for en skifer gas adsorption evaluering protokol anvende laboratorier i Kina typisk protokollerne kul adsorption evaluering for at vurdere skifer gas adsorption. For at afklare forholdet mellem partikelstørrelse og adsorption, samt undersøge en prospektiv udforskning zone, opnåede vi skifer prøver fra de tykke marine skifer aflejringer af Wuling Sag i den øverste Yangtze plade. En gravimetrisk sorption analyzer blev anvendt til at gennemføre isotermiske adsorption experimentand opnå forholdet mellem partikelstørrelse og adsorption.

De volumetriske og gravimetrisk metoder er de vigtigste metoder til at teste isotermisk adsorption af skifer. Volumen er den vigtigste parameter i den volumetriske metode, som er let påvirket af temperatur og tryk12,13,14. På grund af usikkerhed i fejlanalyse fører den kumulative formering i direkte målinger ved hjælp af den volumetriske metode til beregning af adsorption mængder til en stor fejl i måleresultaterne, som bevirker en unormal adsorption isoterm14 ,15. Sammenlignet med den volumetriske metode, den gravimetriske metode kræver færre parametre og resulterer i mindre fejl: fordi massen er bevaret, vægt og masse af den gravimetriske metode påvirkes ikke af temperatur og tryk12. Det anses for en mere videnskabelig og præcis metode til måling af theadsorption mængden af adsorption på nuværende tidspunkt.

En gravimetrisk sorption analyzer er brugt i dette eksperiment, som har en maksimal test pres på 70 MPa (700 bar) og ved 150 ° C. Temperatur og tryk, der genereres af ældre apparatur er for lave toaccurately simulering af temperatur og tryk af den dybe underjordiske dannelse. Nøglen til ved hjælp af en sorption røganalyseringsapparater er ved at nå den magnetiske suspension balance for præcist vejer prøvemateriale, med en nøjagtighed på 10 µg. Apparatet vedtager en cirkulerende olie bad varme tilstand og temperaturområdet kan styres i lang tid inden for 0,2 ° C. Nøjagtigheden af et gammelt apparat er lav, og fejlen ville således være større end der opnås med nyere instrumenter. De eksperimentelle funktioner udføres med software, der leveres af apparatet. Operativsystemet vil blive opdateret regelmæssigt for at sikre, at analysen er tæt på de faktiske underground betingelser12.

En magnetisk suspension balance (MSB) er anvendt i den gravimetriske metode for at teste metan isotermisk adsorption af skifer uden direkte kontakt mellem prøven og udstyret, i normal temperatur og tryk. Prøven placeres i den måling pool, hvor vægten af prøven kan overføres til balance gennem en ikke-kontakt suspension kobling mekanisme12,13. Under balancen er der en suspenderet magnet, kontrolleret af et specialdesignet controller, der tillader gratis suspension af permanent magnet nedenfor. Permanent magnet forbinder positionssensor og prøve container med kobling ramme. Funktionen af kobling rammen er til par eller afkoble prøvebeholder til permanent magnet suspension stang14,15,16.

Vores målte prøver er sorte økologiske rige skifer deponeret i marine facies af lang Maxi dannelse, lavere Silur i Daozhen, Guizhou provinsen. Området er i Wuling Sag, øvre Yangtze plade, som er omkranset af Sichuan bassinet mod nordvest og Xuefeng Mountain tektoniske zone til den sydvestlige17. Wuling Sag er en strukturel overførsel og overgangszone mellem Sichuan Basin og Xuefeng Mountain tektoniske zone, som modtog shallow-dybe hav hylde indskud, og marine sort skifer blev bredt udviklet under tidlig Silur; sag var så stærkt overlejret af tektoniske begivenheder som Indo-Kina bevægelse, Yanshan bevægelse og Himalaya-bevægelsen, som dannede flertrins folder, fejl og unconformities18. Den marine sort skifer i Wuling Sag har været betydeligt påvirket af de komplekse geologiske forhold, som dannede skifer gasreserver. Som en strukturel overførsel zone er sag sweet spot for skifergas, som er karakteriseret ved en svagere deformation, bedre skifer gas generation og bevarelse betingelser og en bedre naturlige fraktur matchende fælder19.

Højtryks sorption målinger er foretaget ud fra en standardiseret procedure med vejledning af isotermisk adsorption apparater protokol, som er blevet grundigt udarbejdet på i flere publikationer10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16. isotermisk adsorption eksperimenter blev afsluttet i nøglen laboratorium af skifer olie og Gas efterforskning og vurdering af den kinesiske Academy Geosciences. En gravimetrisk måling udført med en magnetisk suspension balance (MSB) er udført i fire trin: en tom måling, forbehandling, en opdrift måling og en adsorption og desorption måling (figur 1, figur 2).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Prøvetilberedning

  1. Prøven karakterisering
    1. Måle den total organisk kulstof (TOC) med en TOC apparatur (Se Tabel af materialer) ved en temperatur på 20 ° C og en relativ luftfugtighed på 65% (per standard GB/T 19145-2003).
    2. Udføre en vitrinite reflektionsgrad måling på polerede dele af skifer ved hjælp af et fotometer mikroskop (Se Tabel af materialer).
  2. Prøven rengøring og knusning
    Bemærk: For at undgå påvirkning af forskellige interne og eksterne faktorer og uensartethed af skifer så meget som muligt, skal du vælge en stor skifer rock prøve den oprindelige horisontale sengetøj til dette eksperiment.
    1. Vælg en stor skifer rock prøve (ca 20 cm lang, 15 cm bredt og 2 cm høje) fra den oprindelige horisontale sengetøj.
    2. Ren prøve og knusende fartøj med absorberende bomuld, pincet og acetaldehyd.
    3. Smadre den store oprindelige vandrette skifer beddingsample i små stykker med en hammer, således at det kan placeres i de resterende gas tight grinder. Den passende knusende tid (ca. 3 min.) kan findes gennem foreløbige forsøg.
    4. Derefter, prøven sigtes til 20-40, 40-60, 60-80, 80-100, og 100-120 delprøver af første sieving partikler gennem en 100-120 mesh, så en 80-100 mesh, 60-80 mesh, 40-60 mesh, og endelig den 20-40 mesh.
    5. Kassér eventuelle ikke-overensstemmende skifer partikler. Der vil være et par kasserede prøver (ca. 5 g) når den knusende tid er 3 min.
    6. Label hver prøve som 20-40-1, 40-60-1, 60-80-1, 80-100-1, og 100-120-1 (dette er G1 i Repræsentative resultater).
    7. Gentag ovennævnte operationen med en anden prøve (ca 20 cm lang, 15 cm bredt og 2 cm høj, bruge en anden skifer med en forskellig sammensætning eller TOC) og skabe et sæt af gentagne eksperimenter for kontrast. Label hver prøve som 20-40-2, 40-60-2, 60-80-2, 80-100-2, og 100-120-2 (G2 i Repræsentative resultater).

2. eksperimentelle metoder

  1. Laboratoriet set-up
    1. Placer instrumenterne i et roligt, vibrationer-fri område af en ren laboratorium med ingen elektromagnetisk interferens. Temperaturen i laboratoriet bør være 10-40 ° C.
      Bemærk: Eksperimentet vil blive gennemført ved stuetemperatur i længere tid (flere dage).
    2. Bruger vekselstrøm på 230 V (±10%) og 50 Hz. Kontroller hver root magt levering linje har en større end 10 A strøm og håndteres sikkert med en jorden bly. Hvis nettet er fattige, bør en ekstra strømforsyning anvendes.
    3. Bruge gasflasker med høj renhed gas (ikke mindre end 99,999%). Fix alle cylindre fast.
    4. Hvis farlige gas bruges i eksperimentet, sikre, at laboratoriet har ventilation og udstødning faciliteter, sammen med en farlig gas alarm enhed. Regelmæssigt brug sæbebobler til at opdage eventuelle lækager fra rør forbindelser12.
    5. Undgå direkte sollys.
  2. Start instrumentet
    1. Tænd computeren og starte main-programmet.
    2. Åbn cylinderen og justere det passende output pres (justere den outgassing til 5-6 bar og gas cylinder presset til ca. 70 bar).
    3. Tænd apparatet. Når koblingen controller har været tændt, skal knop forbliver i positionen OFF. Åbn den olie bad og vakuumpumpe magt.
  3. Tom måling
    1. Adskille prøve pool, Placer Tom ren prøve spanden inde og installere metal guide ærme. Check ZP/MP kobling og justere det til den pågældende stat.
    2. Kontrollere balancen på kobling controller og skifte til alle positioner i ZP/MP1/MP2. Observere ændringer i balancen læsning og bekræfte læsning er normale og stabile. Hvis læsning er forkert eller ustabil, er det nødvendigt at justere niveauer på alle 4 ben af den flade hoved, baseret på situationen eller støtte skrue høj og lav position.
    3. Læg prøven pool, temperatur kontrol olie bad jakke og varme isolering dække.
    4. Flytte kobling controller knop til positionen ZP.
    5. Sæt den til Tom måling programmet i softwaren.
      1. Klik her for at konfigurere måling, navngive en titel, skal du vælge gas 2 og andre væsker og vælge flydende badekar.
      2. Sæt prøven temperatur til 50 ° C, den maksimale tryk til 70 bar, pres trin til 7, pres rampen til 2 bar/min, og den flydende therm til 50 ° C.
        Bemærk: Til blindprøven bruge N2 (anbefales) eller He med passende tryk (0 - 70 bar). Veje den tomme spand. Når temperaturen er konsistent med den eksperimentelle temperatur af adsorption, boot program kører, som normalt tager 7-8 h. Endelig, kvaliteten og mængden af tomme spanden kan opnås manuelt når den er færdig (Se trin 2.8.1).
        Forsigtig: 6 sæt bolte på prøve pool flange afvikles ved hjælp af interne seks-vinkel skruenøgle og faste skruenøgle af instrumentet. Bemærk, at når den sidste gruppe af bolte fjernes, prøve pool skal afholdes til at undgå at falde.
  4. Instrument balancering (hvis nødvendigt)
    Bemærk: Instrumentets drift bevægelse skal være en blød, ensartet styrke.
    1. Ryst ikke stærkt balance støtte (ellers, det kan forstyrre balancen) eller Flyt placeringen af rammen. Når du bruger en skruenøgle, være omhyggelig med ikke at banke sensor traverse tube nær flange ud af position.
    2. Når balancen er bekræftet, skal du flytte ZP til positionen OFF.
    3. Kontroller, om O-ringen på flange prøve pool er installeret. Udskift O-ringen, hvis der er alvorlige skader eller deformation.
    4. Oprette prøve pool lodret, således at de øvre og nedre flanger er forbundet, der vil opretholde den samlede lodrette tilstand.
    5. Endelig installere 6 grupper med bolte.
      1. Bruge en skruenøgle til at fastgøre bolte, ved hjælp af en symmetrisk fastgørelse metode til at sikre, at tilslutning af flange ansigt er stram og ikke skæv. Fastgørelse bør af de 6 grupper af bolte være så konsekvent som muligt13.
      2. Payattention til spiral cap under de 6 grupper af bolte til at holde hver kant ud af flange til at undgå problemer, når du installerer den bageste olie bad jakke.
    6. Hvis du bruger El-varme, installere isolering terracotta og ordne det med en hoop ring uden en udenfor isolering bomuld pakke.
    7. Hvis du bruger olie bad varme, installere olie bad jakke fra bunden op til prøven pool, indtil toppen og den øverste flange er flade. Installere tre skruer i bunden for at lave olie bad jakken på plads.
    8. Tjekke om ZP/MP1/MP2 holdning og balance læsningen er normal, derefter flytte kobling controller knop til positionen ZP.
  5. Forbehandling måling
    1. Skil prøve pool og prøven anbringes ind i tønden, prøve. Check ZP/MP kobling og justere dem til den pågældende stat.
    2. Læg prøven pool og elektriske varme isolering dække.
    3. Flytte kobling controller knop til positionen ZP.
    4. Boot-program vil køre automatisk. Indstille forbehandling programmet i softwaren. Klik for at konfigurere måling, navn en titel, Vælg det vakuum, Vælg den elektriske varmer, sæt prøven temperatur på 150 ° C og kobling temperaturen 20 ° C, og indstille varighed ved 600 min.. Dette trin tager normalt 10 h.
  6. Opdrift måling
    1. Demontere elvarme kappe og installere temperatur kontrol olie bad jakke og varmeisolerende omslag, som isadhesive.
    2. Starte programmet opdrift måling i softwaren, indstille den oliebad opvarmning temperatur på 50 ° C, og varme til ca 4 h. 7 trykpunkter opdeles under maksimale pres fra 70 bar. Boot-program vil køre automatisk.
      Bemærk: Opdrift måling er det samme som det tomme mål.
      Forsigtig: Trække ud elvarme power supply joint før du fjerner temperatur sensor fælles på bunden af prøven pool. Efter indlæsning af prøven, Husk at tjekke hvis Temperaturføleren er indsat.
  7. Adsorption måling
    1. Indstille sorption måling programmet i softwaren. Start programmet og det vil køre automatisk.
    2. Hvis desorption proces er nødvendig, angive dette i programmet sorption måling, holde væske therm temperatur på 50 ° C, og sæt 19 trykpunkter (f.eks.0, 10, 20, 40, 60, 80, 100, 150, 200, 250, 200, 150, 100, 80, 60, 40, 20, 10 og 0 bar). Derefter start det program, der kører automatisk.
    3. Sæt presset manuelt, ved hjælp af et tryk pumpe, når gastryk ikke kan nå den indstillede værdi automatisk.
      Advarsel: Efter forsøgets afslutning instrumentet vil automatisk udstødning og opretholde vakuum staten for en periode. Programmet afsluttes automatisk, og alle ventiler vil blive lukket.
  8. Beregning
    1. Systemet kan vælges til automatisk at rette de eksperimentelle resultater ved hjælp af følgende principper. Forholdet mellem vægt læsning, bakke læsning, prøve opdrift og sorption opdrift er som følger10,11,12,13:
      mA = Δm - mSC - mSørensen (VSC + VS + VA) X Pedersen
      mA      : massen af adsorption gas; Δm: mass balance læsning; mSC: massen af prøven bakke (fremstillet af Tom måling); mS: massen af prøven (fremstillet af opdrift måling); VSC: volumen af prøven bakke (fremstillet af Tom måling); VSørensen: prøvemængden (fremstillet af opdrift måling); VA: volumen af prøven adsorption gas (fremstillet ved Adsorption måling); Ρ(p,T,y): densitet beregnet ud fra ligningen stat eller bestemmes gennem måling.
  9. Færdiggørelse
    1. Afslut programmet, og Luk computeren. Luk den eksperimentelle gasflaske.
    2. Hvis kun en kort periode i tomgang opstår, ikke mere end 3 dage, stoppe magt til det instrument, der ikke er behov for at opretholde strømtilstand for hvert system. Vi foreslår, at koblingen controller knop er flyttet til positionen OFF.
    3. Hvis apparatet skal stoppes for en lang tid, kan kraften i hvert system være slukket. Før kobling controller magt er slået fra, skal knop først flyttes til positionen OFF. Bekræfte, at OFF lampe lys er tændt og de andre lys er ude, og luk derefter controller magt.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figure 1
Figur 1 : Eksperimenterende set-up for gravimetrisk gas adsorption ved høje temperaturer og tryk. Denne figur viser set-up for isotermisk adsorption eksperiment: (en) olien bad opvarmning enhed for den flydende badekar; (b) den elektriske opvarmning enhed til elektrisk opvarmning; (c) den magnetiske suspension balance - gravimetrisk sorption analysatorer (figur 2); (d) operativsystem (mainframe og overvåge); og (e) gas pumpe og opretholdelse tryk i hovedbrandledningssystemet system. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

De mineralske bestanddele af disse prøver er karakteriseret ved høj kvarts, moderat ler, lav feldspat og en omfattende udbredelse af graptolite. Prøverne viser et vandindhold på mindre end 1%, baseret på prøve tørring eksperiment. Derudover er TOC-indholdet i prøven 4,2% (wt %). Af vitrinite reflektionsgrad Ro er ca 2,5%, som stadig er i løbetid-over modenhed fase. De mineralske og reservoir fysiske egenskaber er vist i tabel 1.

Table 1
Tabel 1. Forholdet mellem skifer parametre og metan isotermisk adsorption.

Når under nul-punkt (ZP) stat, er boksen kobling afkoblet til positionssensor; dermed overføres kvaliteten af prøven og prøvebeholder ikke til balancen. Når under måling-point (MP) stat, boksen kobling er koblet til position sensoren og massen af prøven og prøvebeholder overføres til balance til at måle kvaliteten12,13,14.

Den regelmæssige automatisk skift af ZP og MP kan effektivt fjerne den negative effekt forårsaget af den iboende Nulpunktsforskydningen af den elektroniske balance og tilbyde en høj-præcisions måling. Princippet struktur kan ses i figur 2.

Figure 2
Figur 2 : Hjertet af sorption analyse instrumenter - magnetiske suspension balancer. Rød prøven er cellen prøve med prøven, og blå prøven er cellen prøve uden prøve. Pilen over prøven er en krog, og dobbelt-side skrumpende pilen øverst til højre angiver, at den magnetiske kraft, magnetisk levitation balance øger, løft vægtene og prøver, hvilket resulterer i en afkortning af afstanden. Dette tal er blevet ændret fra en rapport (eksperimentelle instrument drift rapport; privat korrespondance) af bande Chen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Mængden af adsorption lineært steg med stigning i trykket i 0 ~ 60 bar, lavtryks perioden. Bagefter, vækstrate af adsorption gradvist faldt til ca 0. endvidere den absolutte adsorption af skifer nåede en mætning tilstand i højtryks perioden med en korrektion eller faldet i maksimal optagelse adsorption kapacitet uden korrektion (figur 3, tabel 2).

Figure 3
Figur 3 : Metan isotermisk adsorption eksperiment af forskellige partikelstørrelse. Disse paneler viser (en) adsorption data af G1 med justering, (b) adsorption data af G1 uden justering, (c) adsorption data af G2 med justering, og (d) adsorption data af G2 uden justering. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Table 2
Tabel 2. Metan isotermisk maksimale adsorption eksperimentere data af forskellige partikelstørrelse.

De maksimale absolutte adsorptions (Mabs) af prøven G1 var 2.99 mg/g, 3.03 mg/g, 3,16 mg/g, 2,95 mg/g og 3,01 mg/g; i rækkefølgen af partiklen masker prøve fra 20-40 til 100-120; da de nåede mætning staten (figur 3en). Desuden, var de maksimale overskydende adsorptions (Mexc) af prøven G1 2.37 mg/g, 2,49 mg/g, 2,46 mg/g, 1,98 mg/g og 2.32 mg/g; i orden (fig. 3b). Desuden, var de maksimale absolutte adsorptions (Mabs) af prøven G2 2,51 mg/g, 3.11 mg/g, 3.10 mg/g, 2,93 mg/g og 3,18 mg/g; i orden; da de nåede mætning stat (figur 3c). Endelig, de maksimale overskydende adsorptions (Mexc) af prøven G1 var 2,34 mg/g, 2,53 mg/g, 2,40 mg/g, 2,07 mg/g og 2,21 mg/g; i rækkefølge (figur 3d).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Materialer i dette eksperiment er vist i Tabel af materialer. Før prøven pool er fjernet, skal det bekræftes, at temperatur og tryk i stikprøven pool er ved normalt tryk og normal temperatur; ellers er der fare for skade. Hvis temperaturen er for høj, vente på temperatur drop og derefter removethe prøve pool. Hvis trykket er for højt eller for lavt, manuelt indstille lufttrykket på software og bruge en inaktiv gas13,14,15. Adskil ikke prøve pool under eksperimentet. Når eksperimentet er afsluttet, er apparatet i standby tilstand. Kobling controller skal vises som ZP eller positionen OFF. Den cirkulerende oliebad er i tilstanden OFF. Aftag de 3 skruer, der er fastsat i bunden af den olie bad jakke, holde metal fastspænding ærme lodret, og placere jakke til venstre for den faste støtte. I denne proces, opmærksomme på beskyttelsen af de elektriske ledninger og slanger forbundet til jakken. Ikke bøje eller vride for meget, for ikke for at bryde linjen.

MSB sikrer anvendelsen af en gravimetrisk isotermisk adsorption apparater til enhver slags tekster gasser (f.eks.korrosive, eksplosive og giftige) i enhver form for ekstrem omgivelser (fx, vakuum og højtryk)20, 21. selv under ekstreme forhold, såsom en højtryks eller giftige atmosfære, adsorption kapacitet af prøverne i et lukket kammer kan analyseres med den maksimale nøjagtighed af udstyr22,23,24 ,25,26. Massen af prøven og tætheden af reaktion medium kan måles på samme tid i et enkelt eksperiment, som kunne spare meget tid24,25,26. Udstyr og metode kan garantere long-udholdenhed høj-præcisions måling eksperimenter med ingen baseline drift eller nøjagtighed tab. Adskillelse og isolation af området eksperimenter (eksempel) og vejer området (balance) undgår skader eller forurening af saldoen ved reaktion mellem eller de eksperimentelle betingelser og formår at veje massen i høj intensitet forseglet reaktion salen26.

Den vigtigste begrænsning af teknik er for det første, at det kræver en masse tid: 1 prøve skal fuldføres helt normalt tager 2-4 dage. For det andet skal den balance og stabilitet i magnetisk levitation balance korrigeres regelmæssigt med kontinuerlig brug; ellers er det vanskeligt at opnå en balance, der vil forbruge mere tid. Derudover den eksperimenterende proces kommer med visse risici (f.eks.høj temperatur, højtryk og brandfarlige og eksplosive gas)12,13,14.

Heldigvis, de eksisterende instrumenter har en god stabilitet, god sikkerhed, høj nøjagtighed og høj præcision. Derudover er der ingen særlige krav for arterne af prøven, så længe det er en porøs pulver20,21,22. I fremtiden vil denne metode være mere tidsbesparende, effektiv, sikker og præcis, og passer til flere former for prøver.

Prøven proces protokol, der bruges i tidligere undersøgelser var generelt brugt til coalbed gas. Kul er en massiv, strukturelt isotropic rock består af kulstof, der henviser til, at skifer er en lagdelt, strukturelt, lodret anisotrope rock bestående af flere lermineraler23,24,25,26. Når knusning og screening kul prøver, vise partikler i forskellige masker stadig lignende fysiske egenskaber. Når der beskæftiger sig med skifer, kan partikler i forskellige størrelser vise forskellige fysiske egenskaber, såsom adsorption. Årsagen er, at når der beskæftiger sig med skifer sten, kompliceret mineralske sammensætning og lagdeling struktur kan forstørre anisotropy blandt forskellige masker27,28,29,30.

Langmuir model bruges normalt til at passe isotermisk adsorption. Langmuir model omfatter adsorption egenskaber fra studiet af en solid overflade, der opstod i 1916, afsluttet af den franske kemiker Langmuir; denne model begyndte ud fra dynamics, hvori éncellelag stat ligning præsenteres, for en porøs solid31. Den grundlæggende antagelse er, at overfladen af adsorbent er jævn og glat, og energien af den fast overflade er ensartet, danner kun enkelt molekyle lag. Der er ingen interaktion mellem molekyler adsorberet gas, og adsorptionen er i en dynamisk ligevægt25,26. Fra dette synspunkt Langmuir model er ikke egnet til skifer gas adsorption og således formlen bruges ikke her.

Når du tester lavvandede begravet skifergas og kul med lavt tryk, er der lidt forskel mellem de overskydende adsorption kapacitet og absolut adsorption. Dog med stigningen i trykket bliver overskydende adsorption kapacitet og absolut adsorption kapacitet stadig større. På grund af den dybe nedgravning og højt tryk af skifer er adsorption kapacitet forholdsvis svag. Hvis ikke justeres, vil skifer adsorption kapacitet være stort set undervurderet30,31,32. Således anvendes en kombination af forskellige korrektion metoder, som er opnået af ordningen. Derudover udelader tilpasningen automatisk det sidste punkt (figur 3en og 3 c). Dog falder justeringen også forskel i mængden af adsorptionen mellem prøver (figur 3).

Micropores og mesopores i skifer styre adsorption af dominerer de specifikke overfladeareal32,33. Liang og Zhang foreslog både at en intens skifer fragmentering reducerer antallet af micropores og mesopores og øger mængden af macropores8,33. Et skifer gas godt briste eller strukturelle bevægelse kan knuse integreret skifer rock i stykker (store partikler) til at generere microfractures (små partikler), hvilket øger den specifikke overfladeareal, og dermed, adsorptionen er steget. Dog under eksperimentet, blev som bevægelsen briste eller strukturelle fortsatte, skifer rock knust i mindre partikler; og micropores og mesopores i skifer udviklet og forbundet til hinanden til at danne mesopores og macropores; samlede specifikke overfladeareal og adsorptionen af skifer faldt derfor, (fig. 3b og 3d). Afslutningsvis, mængden af adsorption øger ikke med faldet i partikelstørrelse monoton og der skal være en maksimumværdi eller interval.

Det foreslås, at reglen om variation mellem adsorption kapacitet og partikelstørrelse ikke er en lineær sammenhæng, om henviser til en absolut adsorption med justering eller til en overdreven adsorption uden justering. Derfor er det af stor betydning at finde ud af den maksimale værdi for bestemmelse af partikelstørrelse ved at briste i skifer. Adsorption kapaciteten nå en maksimal ved tryk på 80-100 bar og antallet af adsorptions i masker 40-60 og 60-80 er større. I betragtning af prøverne fra undersøgte område, den maksimale adsorption er ca 250 µm (60-80 mesh), værdier af prøver fra forskellige regioner og lag kan være forskellige (figur 3, tabel 2).

Metoderne gravimetrisk og volumetriske er meget udbredt i skifer gas adsorption eksperimenter; forskellene er store mellem deres respektive tilsvarende eksperimentel apparater, men det fælles element i begge er at ødelægge den naturlige pore struktur af prøven. Partikel stikprøvestørrelse på adsorptionen mængde har nogle indflydelse, og pore struktur uden brudt rock af adsorption eksperimenter kan afspejle den virkelige dannelsen af skifergas i adsorption kapacitet30,31, 32 , 33, men dets største ulempe er, at det kræver en masse tid til at fuldføre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at oplyse.

Acknowledgments

En masse bistand blev leveret af ingeniør bande Chen og Tao Zhang. Dette arbejde blev økonomisk støttet af den store stat forskning udvikling Program i Kina (Grant No.2016YFC0600202) og Kina Geological Survey (CGS, Grant nr. DD20160183). Vi takker anonym korrekturlæsere for deres konstruktive kommentarer, der i høj grad forbedret dette papir.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Curtis, J. B. Fractured shale-gas systems. AAPG Bulletin. 86, 1921-1938 (2002).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Hou, Y. G., et al. Effect of pore structure on methane sorption potential of shales. Petroleum Exploration and Development. 41 (2), 272-281 (2014).
  7. 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).
  8. Kang, Y. L., et al. Effect of particle size on methane sorption capacity of shales. Natural Gas Geoscience. 28 (2), 272-279 (2017).
  9. Wang, R., et al. Adsorption influence factors and characteristics of adsorption isotherm for shale to methane. Natural Gas Geoscience. 26 (3), 580-591 (2015).
  10. Ruppel, T. C. Adsorption of methane on dry coal at elevated pressure. Fuel. 53, 152-162 (1974).
  11. 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).
  12. 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).
  13. Gasparik, M., et al. High-pressure methane sorption isotherms of black shales from The Netherlands. Energy & Fuels. 26 (8), 4995-5004 (2012).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. Zhao, Y. J., et al. Study of impact factors on shale gas adsorption and desorption. Natural Gas Geoscience. 25 (6), 940-946 (2014).
  22. 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).
  23. U.S. Shale Gas: An Unconventional Resource. Unconventional Challenges. Halliburton Energy Services. , Halliburton. Houston, TX. (2008).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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. , EIA. Washington, DC. (2013).
  27. 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).
  28. Josh, M., et al. Laboratory characterization of shale properties. Journal of Petroleum Science and Engineering. 88-89 (2), 107-124 (2012).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Keller, J. U., Stuart, R. Gas Adsorption Equilibria: Experimental Methods and Adsorptive Isotherms. , Springer. New York, NY. (2005).
  32. 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).
  33. Liang, M. L., et al. Evolution of pore structure in gas shale related to structural deformation. Fuel. 197, 310-319 (2017).

Tags

Miljøvidenskab spørgsmålet 138 skifergas øvre Yangtze plade behandling protokol methan isotermisk adsorption gravimetriske metode specifikke overfladeareal fragmentering skifer partikelstørrelse
Eksperimentel undersøgelse af forholdet mellem partikelstørrelse og metan Sorption kapacitet i skifer
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Gao, L., Wang, Z., Liang, M., Yu,… More

Gao, L., Wang, Z., Liang, M., Yu, Y., Zhou, L. Experimental Study of the Relationship Between Particle Size and Methane Sorption Capacity in Shale. J. Vis. Exp. (138), e57705, doi:10.3791/57705 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter