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Etude expérimentale de la relation entre la taille des particules et capacité de Sorption de méthane en schiste

Published: August 2, 2018 doi: 10.3791/57705

Summary

Un appareil de l’isotherme d’adsorption, l’analyseur de sorption gravimétrique, nous permet de tester la capacité d’adsorption de différentes granulométries de schiste, afin de déterminer la relation entre la taille des particules et la capacité d’adsorption du schiste.

Abstract

La quantité de gaz de schiste adsorbé est un paramètre clé utilisé dans l’évaluation des ressources gaz du schiste et de sélection de zone cible, et c’est aussi une norme importante pour évaluer la valeur de l’extraction du gaz de schiste. Actuellement, les études sur la corrélation entre l’adsorption de taille et de méthane de particules sont controversés. Dans cette étude, un appareil de l’isotherme d’adsorption, l’analyseur de sorption gravimétrique, sert à tester la capacité d’adsorption de différentes granulométries en schiste pour déterminer la relation entre la taille des particules et la capacité d’adsorption du schiste. Thegravimetric méthode nécessite moins de paramètres et produit de meilleurs résultats en termes de précision et de cohérence que de méthodes comme la méthode volumétrique. Les mesures gravimétriques sont effectuées en quatre étapes : une mesure vide, de prétraitement, une mesure de flottabilité et mesures d’adsorption et de désorption. Mesure gravimétrique est actuellement considérée comme une méthode plus scientifique et plus précise de mesure de la quantité d’adsorption ; Cependant, il prend du temps et nécessite une technique de mesure stricte. Un équilibre de Suspension magnétique (MSB) est la clé pour vérifier l’exactitude et la cohérence de cette méthode. Nos résultats montrent que la capacité d’adsorption et de la taille des particules sont corrélés, mais pas une corrélation linéaire et les adsorptions en particules tamisées en mailles de 40-60 et 60-80 ont tendance à être plus grand. Nous proposons que l’adsorption maximale correspondant à la taille des particules est environ 250 µm (60 mesh) dans les gaz de schiste fracturation.

Introduction

Schiste est une roche d’argile avec une mince feuille de structure qui sert à la fois une roche de source de gaz de schiste et un réservoir de literie. Schiste a une forte anisotropie consistant à l’échelle nano et micron pores, et les fossiles de graptolites sont communément reconnus1,2,3.

Gaz de schiste est exploité commercialement dans la plaque du Yangtsé, sud de la Chine. Comme un système de gaz non conventionnel qui sert à la fois une roche et un réservoir pour le méthane, gaz de schiste est dérivé de la matière organique dans les schistes à processus biogénique et thermogénique4,5. Magasins de gaz naturel dans les gisements se trouvent dans une des trois formes suivantes : gaz libre dans les pores et les fractures, adsorbe les gaz à la surface des matières organiques ou minéraux inorganiques et dissout les gaz en bitume et eau de6,7. Des études antérieures suggèrent que gaz adsorbé représente 20-85 % du total gaz de schiste formations6. Par conséquent, la recherche sur la capacité d’adsorption de schiste et ses facteurs de contrôle sont importantes pour l’exploration et l’exploitation des ressources de gaz de schiste.

La capacité d’adsorption de méthane de schiste a été largement reconnue comme variant considérablement avec la température, pression, humidité, maturité, composition minérale, matière organique et surface spécifique1,4,5 ,6,7; et des études antérieures ont confirmé une corrélation plus grande et plus claire entre les facteurs externes comme la température, pression et humidité et méthane adsorption.

Toutefois, des études sur la corrélation entre les facteurs intrinsèques comme la taille des particules et adsorption de méthane sont controversées. Kang et Ji suggèrent que la capacité d’adsorption de méthane du schiste échantillons augmente même avec une diminution des particules de taille8,14, alors que Rupple et Zhang croient la pertinence entre la taille des particules et l’adsorption est limitée basé sur l’isotherme d’adsorption courbes9,10,11. En outre, l’absence de normes pour un protocole d’évaluation de shale gas adsorption, laboratoires en Chine s’appliquent généralement les protocoles d’évaluation adsorption charbon permettant d’évaluer l’adsorption de gaz de schiste. Pour clarifier la relation entre la taille des particules et adsorption, ainsi que pour enquêter sur une zone d’exploration prospective, nous avons obtenu des échantillons de schiste des dépôts épais shale marin du GSC Wuling dans la plaque supérieure du Yangtze. Un analyseur de sorption gravimétrique a été appliqué pour mener l’isotherme adsorption experimentand obtenir la relation entre la taille des particules et l’adsorption.

Les méthodes gravimétriques et volumétriques sont les principales méthodes utilisées pour tester l’adsorption isotherme de schiste. Le volume est le paramètre clé de la méthode volumétrique, qui est facilement affecté par la température et pression12,13,14. En raison de l’incertitude dans l’analyse de l’erreur, la propagation cumulative en mesures directes à l’aide de la méthode volumétrique pour le calcul des montants d’adsorption mène à une grande erreur dans les résultats de mesure, ce qui provoque une isotherme d’adsorption anormale14 ,,15. Comparée à la méthode volumétrique, la méthode gravimétrique nécessite moins de paramètres et génère plus petites erreurs : parce que la masse est conservée, le poids et la masse de la méthode gravimétrique ne sont pas affectés par la température et de pression12. Il est considéré comme une méthode plus scientifique et plus précise pour mesurer theadsorption quantité d’adsorption à l’heure actuelle.

Un analyseur de sorption gravimétrique est utilisé dans cette expérience, qui a un maximum de pression de 70 MPa d’essai (700 bars) et la température de 150 ° C. La température et la pression produite par des appareils plus anciens sont trop faibles toaccurately simuler la température et la pression de la formation sous terre. La clé à l’aide d’un appareil d’analyse de sorption consiste à atteindre l’équilibre de suspension magnétique pour peser avec précision le matériel de l’échantillon, avec une précision de 10 µg. L’appareil adopte un mode de chauffage bain huile circulant et l’intervalle de température peut être contrôlée pendant une longue période de 0,2 ° c La précision d’un vieil appareil est faible, et donc l’erreur serait plus importante que celle obtenue avec des instruments plus récents. Les opérations expérimentales sont effectuées avec le logiciel fourni par l’appareil. Le système d’exploitation sera actualisé régulièrement afin de s’assurer que l’analyse est proche des conditions réelles de métro12.

Un équilibre de suspension magnétique (MSB) est utilisé dans la méthode gravimétrique pour tester l’adsorption isotherme de méthane de schiste sans contact direct entre l’échantillon et de l’équipement, la pression et la température normale. L’échantillon est placé dans la piscine mesure, où le poids de l’échantillon peuvent être transmis à l’équilibre par une suspension sans contact accouplement mécanisme12,13. Sous la balance, il y a un aimant suspendu, commandé par un contrôleur spécialement conçu qui permet la suspension gratuite de l’aimant permanent ci-dessous. L’aimant permanent relie le capteur de position et le récipient avec le châssis de l’accouplement. La fonction de la trame de couplage est de coupler ou découpler le récipient à l’aimant permanent suspension tige14,15,16.

Nos échantillons sont des argiles riches en matière organique noires déposés au faciès marins de la formation de Long Maxi, Silurien inférieur dans le Daozhen, province de Guizhou. La zone de recherche est l’affaissement de Wuling, plaque supérieure de Yangtze, qui est bordé par le bassin du Sichuan, dans le Nord-Ouest et de la zone tectonique Xuefeng montagne au sud-ouest17. L’affaissement de Wuling est un transfert des structures et la zone de transition entre le bassin du Sichuan et de la zone tectonique Xuefeng Mountain, qui a reçu les dépôts de plateau peu profond-deep sea, et schiste noir marine a été largement développée durant le Silurien précoce ; le sag a été alors fortement superposé par des événements tectoniques comme le mouvement de l’Indo-Chine, mouvement Yanshan et Himalayan mouvement, qui a formé plusieurs étages plis, failles et discordances18. Le schiste noir marin dans l’affaissement de Wuling a été considérablement influencé par les conditions géologiques complexes, qui forment des réserves de gaz de schiste. Comme une zone de transfert des structures, la sag est le sweet spot pour l’exploration de gaz de schiste, qui se caractérise par une déformation plus faible, meilleure production de gaz de schiste et des conditions de conservation et une meilleure adéquation de fracture naturelle des pièges19.

Mesures d’adsorption à haute pression sont menées selon une procédure normalisée avec l’aide du protocole appareil isotherme d’adsorption, qui a été globalement élaboré dans plusieurs publications10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16. les expériences isothermes d’adsorption ont été achevés dans le laboratoire clé d’huile de schiste et l’enquête de gaz et l’évaluation de l’Académie chinoise des géosciences. Une mesure gravimétrique réalisée avec une balance de suspension magnétique (MSB) est effectuée en quatre étapes : une mesure vide, de prétraitement, une mesure de flottabilité et une mesure d’adsorption et de désorption (Figure 1, Figure 2).

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Protocol

1. préparation de l’échantillon

  1. Caractérisation des échantillons
    1. Mesurer le carbone organique total (COT) à l’aide d’un appareil de table des matières (voir Table des matières) à une température de 20 ° C et une humidité relative de 65 % (norme GB/T 19145-2003).
    2. Effectuer une mesure de réflectance de la vitrinite sur sections polies du schiste à l’aide d’un microscope photomètre (voir Table des matières).
  2. Échantillon de nettoyage et de concassage
    Remarque : Pour éviter l’influence de divers facteurs internes et externes, ainsi que l’inhomogénéité de schiste autant que possible, sélectionnez un échantillon de roche de schiste grand dans la literie horizontale originale pour cette expérience.
    1. Sélectionnez un échantillon de roche de schiste grand (environ 20 cm de long, 15 cm de large et 2 cm de haut) dans la literie horizontale originale.
    2. Nettoyer l’échantillon et le navire écrasant avec le coton hydrophile, pince à épiler et l’acétaldéhyde.
    3. Casser le grand beddingsample de schiste horizontale originale en petits morceaux avec un marteau, afin qu’il peut être placé dans le broyeur serré de gaz résiduel. On trouvera le temps de broyage convenable (environ 3 min) à travers des expériences préliminaires.
    4. Ensuite, tamiser l’échantillon en 20-40, 40-60, 60-80, 80-100 et 100 à 120 sous-échantillons par des particules par tamisage premières au travers d’une maille de 100-120, puis un maillage de 80-100, 60-80 mailles, maille 40-60 et enfin la maille de 20 à 40.
    5. Jeter toute particule de schiste non conformes. Il y aura quelques échantillons mis au rebut (environ 5 g) lorsque le temps de broyage est à 3 mn.
    6. Étiquetez chaque échantillon 20-40-1, 40-60-1, 60-80-1, 80-100-1 et de 100-120-1 (il s’agit de G1 dans les Résultats de représentant).
    7. Répéter l’opération ci-dessus avec un autre échantillon (environ 20 cm de long, 15 cm large et 2 cm de hauteur, utilisez un schiste différent avec une composition différente ou TOC) et créer un ensemble d’expériences répétées pour le contraste. Étiquetez chaque échantillon 20-40-2, 40-60-2, 60-80-2, 80-100-2 et 100-120-2 (G2 dans les Résultats de représentant).

2. méthodes expérimentales

  1. Installation de laboratoire
    1. Placer les instruments dans un quartier calme et exempt de vibration d’un laboratoire propre sans interférence électromagnétique. La température du laboratoire doit être 10-40 ° C.
      Remarque : L’expérience se déroulera à température ambiante pendant de longues périodes de temps (plusieurs jours).
    2. Utiliser le courant alternatif 230 V (±10 %) et 50 Hz. Assurez-vous chaque ligne électrique racine a un courant supérieur à 10 A et est gérée en toute sécurité avec un câble de masse. Si le réseau électrique est pauvre, une alimentation supplémentaire doit être utilisée.
    3. Utiliser les bouteilles de gaz avec gaz de haute pureté (pas moins de 99,999 %). Fixer fermement tous les cylindres.
    4. Si le gaz dangereux est utilisé dans l’expérience, s’assurer que le laboratoire possède des installations de ventilation et d’évacuation, ainsi que d’un dispositif d’alarme de gaz dangereux. Utilisez régulièrement des bulles de savon pour détecter les éventuelles fuites du tuyau raccords12.
    5. Évitez les rayons directs du soleil.
  2. Démarrer l’instrument
    1. Allumez l’ordinateur et lancez le programme principal.
    2. Ouvrir la bouteille et l’ajuster à la pression de sortie appropriée (ajuster la pression de dégazage pour 5-6 bars et la pression de cylindre de gaz pour environ 70 bar).
    3. Allumez l’appareil. Lorsque le contrôleur de couplage a été allumé, le bouton doit rester en position d’arrêt. Ouvrir la puissance de pompe à vide et de bain d’huile.
  3. Mesure de vide
    1. Démonter la piscine de l’échantillon, placez le seau vide propre échantillon à l’intérieur et installer le manchon du guide métallique. Vérifier le couplage ZP/MP et l’ajuster à l’état approprié.
    2. Contrôler l’équilibre sur le contrôleur de couplage et basculez vers tous les postes de ZP/MP1/MP2. Observer les changements dans la lecture de la balance et confirmer que la lecture est normale et stable. Si la lecture est incorrect ou instables, il est nécessaire d’ajuster les niveaux sur tous les 4 pieds de la tête plate, basé sur la situation ou la position haute et basse de la vis de support.
    3. Charger le pool d’échantillon, la température contrôle huile bain veste et couvercle d’isolation thermique.
    4. Tournez le bouton de contrôleur accouplement à la position de la ZP.
    5. Réglez-le sur le programme de mesure de vide dans le logiciel.
      1. Cliquez pour configurer la mesure, nommer un titre, sélectionnez gaz 2 et tout autre fluide et sélectionnez bain liquide.
      2. Régler la température de l’échantillon à 50 ° C, la pression maximale à 70 bar, l’étape de la pression à 7, la rampe de pression de 2 bar/min et le therm liquide à 50 ° C.
        Remarque : Pour l’essai à blanc, utilisez N2 (recommandé) ou He à la pression appropriée (0 - 70 bar). Peser le seau vide. Lorsque la température est compatible avec la température expérimentale d’adsorption, les essais de programme d’amorçage, qui dure entre 7 et 8 h. Enfin, la qualité et le volume de la benne vide peuvent être obtenues manuellement lorsque c’est terminé (voir étape 2.8.1).
        ATTENTION : 6 séries de boulons sur la bride de pool d’échantillon sont démontées à l’aide de la clé fixe de l’instrument et la clé de six-angle interne. Notez que lorsque le dernier groupe des boulons est supprimé, la piscine de l’échantillon doit se tiendra pour éviter de tomber.
  4. Instrument d’équilibrage (si nécessaire)
    Remarque : Proposition d’utilisation de l’instrument doit être une force douce et uniforme.
    1. Ne secouez pas fortement le soutien de l’équilibre (dans le cas contraire, il peut perturber l’équilibre) ou modifie la position de l’armature. Lorsque vous utilisez une clé, veillez à ne pas frapper le tube capteur de traversée près du flasque de sa position.
    2. Lorsque l’équilibre est confirmé, déplacer la ZP sur la position OFF.
    3. Vérifiez si le joint torique sur le rebord de la piscine de l’échantillon est installé. Remplacer le joint torique s’il y a des dommages graves ou déformation.
    4. Configurer le pool d’échantillon verticalement, afin que les brides supérieures et inférieures sont connectés, ce qui maintiendra l’État dans l’ensemble vertical.
    5. Enfin, installer 6 groupes de boulons.
      1. Utiliser une clé pour serrer les boulons, en utilisant une méthode de fixation symétrique pour s’assurer que la connexion de la face de bride est serré et non biaisée. Le degré de fixation des 6 groupes de boulons doit être aussi cohérent que possible13.
      2. PayAttention de la PAC en spirale sous les 6 groupes de boulons pour maintenir les bords de la bride, afin d’éviter des difficultés lors de l’installation de la veste de bain d’huile arrière.
    6. Si vous utilisez le chauffage électrique, installer en terre cuite isolation et fixez-le avec un anneau de cerceau sans un paquet de coton isolant extérieur.
    7. Si vous utilisez un chauffage au fioul baignoire, installer la veste de bain d’huile par le bas jusqu'à la piscine de l’échantillon, jusqu'à ce que le dessus et la bride supérieure sont à plats. Installez les trois vis en bas pour fixer la veste de bain d’huile en place.
    8. Vérifier si la position de la ZP/MP1/MP2 et la lecture de la balance sont normales, puis déplacent le bouton de contrôleur d’accouplement à la position de la ZP.
  5. Mesure de prétraitement
    1. Démonter la piscine de l’échantillon et placer l’échantillon dans la seringue de l’échantillon. Vérifier le couplage ZP/MP et les adapter à l’état approprié.
    2. Charger l’échantillon et couverture isolation chauffage électrique.
    3. Tournez le bouton de contrôleur accouplement à la position de la ZP.
    4. Le programme d’initialisation s’exécute automatiquement. Définir le programme de prétraitement dans le logiciel. Cliquez ici pour configurer la mesure, le nom d’un titre, sélectionnez la sélection vide, le chauffage électrique, régler la température de l’échantillon à 150 ° C et la température de couplage 20 ° C et régler la durée à 600 min. Cette étape prend habituellement 10 h.
  6. Mesure de flottabilité
    1. Démonter la gaine de chauffage électrique et installer la température contrôle huile bain veste et la housse isotherme, qui isadhesive.
    2. Lancez le programme de mesure de flottabilité dans le logiciel, réglez le bain d’huile température à 50 ° C, et chauffer pendant environ 4 h. 7 points de pression est réparti sous la pression maximale de 70 bars. Le programme d’initialisation s’exécute automatiquement.
      Remarque : La mesure de flottabilité est identique à la mesure de vide.
      ATTENTION : Retirer l’articulation de l’approvisionnement de puissance chauffage électrique avant d’enlever le joint de capteur de température au fond de la piscine de l’échantillon. Après le chargement de l’échantillon, n’oubliez pas de vérifier si le capteur de température est inséré.
  7. Mesure de l’adsorption
    1. Définir le programme de mesure de sorption dans le logiciel. Lancez le programme et il s’exécutera automatiquement.
    2. Si le processus de désorption est nécessaire, mettre en place dans le programme de mesures de sorption, maintenir la température de fluide therm à 50 ° C et 19 points de pression de la valeur (par exemple, 0, 10, 20, 40, 60, 80, 100, 150, 200, 250, 200, 150, 100, 80, 60, 40, 20, 10 et 0 bar). Puis démarrez le programme, qui s’exécutera automatiquement.
    3. Réglez la pression manuellement, en utilisant une pompe sous pression, lorsque la pression du gaz ne peut atteindre la valeur réglée automatiquement.
      ATTENTION : Après la fin de l’expérience, l’instrument sera automatiquement d’échappement et maintenir l’état vide pendant une période de temps. Le programme se terminera automatiquement et seront fermés tous les robinets.
  8. Calcul
    1. Le système peut être sélectionné pour corriger automatiquement les résultats expérimentaux en utilisant les principes suivants. La relation entre le poids lecture, lecture de plateau, flottabilité de l’échantillon et flottabilité de sorption est ainsi10,11,12,13:
      mA = Δm - mSC - mS + (VSC + VS + VA) X p
      mA
      : masse de gaz de l’adsorption ; Δm: masse du solde de lecture ; mSC: masse du plateau de l’échantillon (obtenu par la mesure de vide) ; mS: masse de l’échantillon (obtenu par la mesure de la flottabilité) ; VSC: volume du bac à échantillon (obtenu par la mesure de vide) ; VS: volume de l’échantillon (obtenu par la mesure de la flottabilité) ; VA: volume des gaz prélevés adsorption (obtenue par la mesure de l’Adsorption) ; Ρ(p,T,y): densité calculée à partir de l’équation d’État ou déterminé par mesure.
  9. Fin
    1. Quittez le programme et l’ordinateur à proximité. Fermer la bouteille de gaz expérimentale.
    2. Si seulement une courte période de fonctionnement au ralenti se produit, pas plus de 3 jours, arrêter la puissance à l’instrument, ce qui n’est pas nécessaire pour maintenir l’état d’alimentation de chaque système. Nous suggérons que le bouton de contrôleur de couplage est déplacé à la position OFF.
    3. Si l’instrument doit être arrêté pendant une longue période, la puissance de chaque système peut être désactivée. Avant que la puissance du contrôleur coupleur est désactivée, le bouton doit d’abord être déplacé à la position OFF. Confirmer qu’elle s’allume la lampe OFF et autres lumières sont sortis et puis fermez le pouvoir du contrôleur.

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Representative Results

Figure 1
Figure 1 : Montage expérimental pour l’adsorption de gaz gravimétrique à hautes températures et pressions. Cette figure illustre la mise en place de l’isotherme d’adsorption : (a) l’huile de bain chauffage périphérique pour le bain liquide ; dispositif (b) le chauffage électrique pour le chauffage électrique ; (c), le solde de suspension magnétique - analyseurs de sorption gravimétrique (Figure 2) ; (d) le système d’exploitation (mainframe et moniteur) ; et système de pompage et de pressurisation (e), le gaz. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Les constituants minéraux de ces échantillons sont caractérisent par la haute quartz, argile modérée, feldspath faible et une large diffusion de graptolites. Les exemples montrent une teneur en humidité inférieure à 1 %, basé sur l’exemple expérience de séchage. En outre, le contenu de la table des matières de l’échantillon est de 4,2 % (% en poids). La réflectance de la vitrinite Ro est environ 2,5 %, ce qui reste dans le stade de maturité plus maturité. Les caractéristiques physiques minérale et le réservoir sont indiquées dans le tableau 1.

Table 1
Le tableau 1. La relation entre les paramètres de schiste et adsorption isotherme de méthane.

Lorsqu’en vertu de l’État (ZP) du point zéro, la boîte de couplage est découplée du capteur de position ; ainsi, la qualité de l’échantillon et le récipient à échantillon ne se transmet pas à l’équilibre. Lorsqu’en vertu de l’État (MP) de points de mesure, la boîte de couplage est couplée au capteur de la position et la masse de l’échantillon et le récipient à échantillon est transmis à l’équilibre pour mesurer la qualité12,13,14.

La commutation automatique régulier de ZP et MP peut effectivement supprimer l’effet négatif provoqué par l’inhérente dérive du zéro de la balance électronique et offrent une mesure de haute précision. La structure de principe peut être vu dans la Figure 2.

Figure 2
Figure 2 : Le cœur des instruments d’analyse de la sorption - l’équilibrage de la suspension magnétique. L’échantillon rouge est la cellule avec l’échantillon, et l’échantillon bleu est la cellule sans échantillon. La flèche au-dessus de l’échantillon est un crochet, et la flèche qui se rétrécit de double-face en haut à droite indique que la force magnétique de l’équilibre de la lévitation magnétique augmente, soulever des poids et des échantillons, ce qui entraîne le raccourcissement de la distance. Ce chiffre a été modifié d’après un rapport (rapport d’opération instrument expérimental ; correspondance privée) par Chen Gang. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

La quantité d’adsorption augmente linéairement avec l’augmentation de pression pendant le 0 ~ 60 bar, la période de basse pression. Par la suite, le taux de croissance d’adsorption diminue graduellement d’environ 0, en outre, l’adsorption absolue de schiste a atteint un état de saturation au cours de la période à haute pression avec une correction ou une diminution dans la capacité d’adsorption de captation maximum sans correction (Figure 3, tableau 2).

Figure 3
Figure 3 : D’adsorption isotherme méthane de granulométrie différente. Ces panneaux montrent (a) les données de l’adsorption de G1 avec ajustement, (b) les données de l’adsorption de G1 sans ajustement, (c) les données de l’adsorption du G2 avec ajustement et (d) les données de l’adsorption du G2 sans ajustement. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Table 2
Le tableau 2. Adsorption maximale isotherme de méthane expérimenter données de granulométrie différente.

Les adsorptions maximales absolues (absde M) d’échantillon G1 étaient 2,99 mg/g, 3,03 mg/g, 3,16 mg/g, 2,95 mg/g et 3,01 mg/g ; dans l’ordre de la particule échantillon mailles de 20-40 à 100-120 ; quand ils ont atteint l’état de saturation (Figure 3a). En outre, les adsorptions excès maximales (Mexc) d’échantillon G1 étaient 2,37 mg/g, 2,49 mg/g, 2,46 mg/g, 1,98 mg/g et 2,32 mg/g ; dans l’ordre (Figure 3b). En outre, les adsorptions maximales absolues (absde M) d’échantillon G2 étaient 2,51 mg/g, 3,11 mg/g, 3,10 mg/g, 2,93 mg/g et 3,18 mg/g ; dans l’ordre ; quand ils ont atteint l’état de saturation (Figure 3c). Enfin, les adsorptions excès maximales (Mexc) d’échantillon G1 étaient 2,34 mg/g, 2,53 mg/g, 2,40 mg/g, 2,07 mg/g et 2,21 mg/g ; dans l’ordre (Figure 3d).

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Discussion

Les matériaux utilisés dans cette expérience sont présentés dans la Table des matières. Avant que la piscine de l’échantillon soit supprimée, il faut confirmer que la température et la pression dans la piscine de l’échantillon sont à pression normale et à température normale ; Sinon, il y a un risque de blessure. Si la température est trop élevée, attendez que la température baisse, puis piscine échantillon POURRETIRERLEPISTONPNEUMATIQUEETREMPL. Si la pression est trop élevée ou trop basse, la valeur de la pression d’air sur le logiciel et utiliser un gaz inerte13,14,15manuellement. Ne pas démonter la piscine de l’échantillon pendant l’expérience. Une fois l’expérience est terminée, l’appareil est en mode veille. Le contrôleur de couplage doit afficher comme ZP ou la position d’arrêt. Le bain d’huile circulante est à l’état éteint. Enlever les 3 vis qui sont fixés au bas de la veste de bain d’huile, maintenez le métal manchon de serrage verticalement et placer la veste à la gauche du support fixe. Dans ce processus, faites attention à la protection du fil électrique et tube relié à la veste. Ne pas plier ou tordre trop, pour ne pas casser la ligne.

MSB garantit l’application d’un appareil d’adsorption isotherme gravimétrique à n’importe quel type de gaz de textes (p. ex., corrosives, explosives et toxiques) dans n’importe quel type d’environnement extrêmes (par exemple, sous vide et haute pression)20, 21. même dans des conditions extrêmes, comme une atmosphère à haute pression ou toxique, la capacité d’adsorption des échantillons dans une enceinte fermée peut être analysée avec la précision maximale par l’équipement22,23,24 ,25,26. La masse de l’échantillon et la densité du milieu réactionnel peuvent être mesurées en même temps dans une expérience unique, qui pourrait sauver beaucoup de temps24,25,26. L’équipement et la méthode peuvent garantir des expériences de mesure de haute précision de longue endurance sans perte de dérive ou l’exactitude de base. La séparation et l’isolement de la zone d’expérimentation (échantillon) et la zone du pesage (balance) permet d’éviter le dommage ou la pollution de l’équilibre par le milieu réactionnel ou les conditions expérimentales et parvient à peser la masse dans la réaction de haute intensité scellée chambre26.

La principale limite de la technique est, d’une part, qu’elle requiert beaucoup de temps : 1 échantillon restant à accomplir totalement habituellement prend 2 à 4 jours. Deuxièmement, l’équilibre et la stabilité de l’équilibre de la lévitation magnétique doivent être corrigées régulièrement avec une utilisation en continu ; dans le cas contraire, il est difficile de parvenir à un équilibre, qui consommera plus de temps. En outre, le processus d’expérimentation est livré avec certains risques (par exemple, haute température, haute pression et des gaz inflammable et explosif)12,13,14.

Heureusement, les instruments existants ont une bonne stabilité, sécurité, haute précision et haute précision. En outre, il n’y a aucune exigence particulière pour les espèces de l’échantillon, tant que c’est une poudre poreuse20,21,22. À l’avenir, cette méthode sera plus rapide, efficace et sûr et précis et convenir à plusieurs types d’échantillons.

Le protocole de processus échantillon utilisé dans des études antérieures était généralement utilisé pour le gaz de houille. Le charbon est une roche massive, structurellement isotrope composé de carbone, tandis que le schiste est un stratifié, structurellement, paroi rocheuse verticale anisotrope composée de plusieurs minéraux argileux23,24,25,26. Lors de concassage et de criblage des échantillons de charbon, particules dans différents maillages présentent encore des propriétés physiques similaires. Lorsqu’il s’agit dans des schistes, des particules de différentes tailles peuvent présenter des propriétés physiques différentes, telles que l’adsorption. La raison en est que lorsqu’il s’agit de la roche de schiste, la composition minérale complexe et la structure de stratification peuvent agrandir l’anisotropie parmi différents maillages27,28,29,30.

Le modèle de Langmuir est habituellement utilisé pour s’adapter à l’adsorption isotherme. Le modèle de Langmuir inclut des propriétés d’absorption de l’étude d’une surface solide qui a eu lieu en 1916, complétée par le chimiste Français Langmuir ; ce modèle a commencé du point de vue de la dynamique, dans lequel l’équation d’État monocouche est présentée, pour un solide poreux31. L’hypothèse de base est que la surface de l’adsorbant est pair et lisse, et l’énergie de la surface solide est uniforme, formant seulement une molécule simple couche. Il n’y a pas d’interaction entre les molécules de gaz adsorbé et l’adsorption est dans un équilibre dynamique25,26. De ce point de vue, le modèle de Langmuir ne convient pas pour l’adsorption de gaz de schiste, et par conséquent, la formule n’est pas utilisée ici.

Lorsque vous testez le gaz de schiste enfouis peu profondes et du charbon à basse pression, il y a peu de différence entre la capacité d’adsorption excédentaire et la capacité d’adsorption absolue. Cependant, avec l’augmentation de pression, la capacité d’adsorption excédentaire et la capacité d’adsorption absolue deviendra toujours plus grandes. En raison de l’enfouissement profond et à haute pression de schiste, la capacité d’adsorption est relativement faible. Si non ajusté, la capacité d’adsorption de schiste sera largement sous-estimé de30,31,32. Ainsi, une combinaison de différentes méthodes de correction est utilisée, qui sont obtenus par le système. En outre, l’ajustement sera automatiquement omettre le dernier point (Figure 3a et 3C). Toutefois, l’ajustement diminue également la différence dans la quantité d’adsorption entre les échantillons (Figure 3).

Micropores et mesures dans le schiste de contrôler l’adsorption en dominant la surface spécifique32,33. Liang et Zhang tous deux suggèrent qu’une fragmentation de schiste intense réduit le nombre de micropores et mesures et augmente la quantité des macropores8,,33. Un mouvement bien fracturation ou structurels du schiste de gaz peut écraser la roche de schiste intégrale en morceaux (grosses particules) pour générer des microfractures (petites particules), ce qui augmente la surface spécifique, et par conséquent, l’adsorption est augmentée. Toutefois, pendant l’expérience, que le mouvement de fracturation ou structurel ont continué, roche de schiste a été écrasé en particules plus petites ; micropores et les mesures dans le schiste argileux développé et reliés entre eux pour former des mesures et des macropores ; par conséquent, la superficie spécifique et l’adsorption du schiste diminuent (Figure 3b et 3d). En conclusion, la quantité d’adsorption n’augmente pas avec la diminution de la taille des particules, monotone, et il doit y avoir une valeur maximale ou un intervalle.

Il est suggéré que la règle de variation entre la capacité d’adsorption et de la taille des particules n’est pas une corrélation linéaire, si se référant à une adsorption absolue avec ajustement ou à une adsorption excessive sans ajustement. Par conséquent, il est d’une grande importance pour déterminer la valeur maximale pour la détermination de la taille des particules dans le processus de fracturation dans le schiste argileux. La capacité d’adsorption atteint un maximum à la pression de la barre de 80-100 et le nombre des adsorptions en maillages 40-60 et 60-80 est plus grande. Compte tenu des échantillons provenant de la zone d’étude, l’adsorption maximale est environ 250 µm (maille 60-80), les valeurs des échantillons provenant de différentes régions et couches peuvent être différentes (Figure 3, tableau 2).

Les méthodes gravimétriques et volumétriques sont largement utilisés dans des expériences d’adsorption de gaz de schiste ; les différences sont grandes entre leurs appareils expérimentaux correspondants respectifs, mais la caractéristique commune des deux est de détruire la structure de pores naturels de l’échantillon. L’échantillon de particules sur la quantité d’adsorption a une certaine influence, et la structure de pore sans la roche brisée d’expériences d’adsorption peut refléter la formation réelle du gaz de schiste dans l’adsorption capacité30,31, 32 , 33, mais son principal inconvénient est qu’il exige beaucoup de temps pour terminer.

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Disclosures

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Acknowledgments

Beaucoup d’assistance a été fournie par l’ingénieur Gang Chen et Tao Zhang. Ce travail a été soutenu financièrement par le majeur État recherche développement programme chinois (No.2016YFC0600202 de concession) et la China Geological Survey (CGS, Grant no DD20160183). Nous remercions les évaluateurs anonymes pour leurs commentaires constructifs qui ont grandement amélioré ce papier.

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

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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).

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Sciences de l’environnement question 138 gaz de schiste plaque supérieure de Yangtze traitement adsorption isotherme de méthane méthode gravimétrique surface spécifique fragmentation protocole granulométrie de schiste
Etude expérimentale de la relation entre la taille des particules et capacité de Sorption de méthane en schiste
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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).

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