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Experimentelle Studie über den Zusammenhang zwischen Korngröße und Methan Sorption Kapazität in Schiefer

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

Wir verwenden einen Isothermen Adsorption Apparat, der gravimetrischen Sorption Analyzer, um die Aufnahmekapazität der unterschiedlichen Partikelgrößen von Schiefer, um herauszufinden, die Beziehung zwischen Partikelgröße und die Aufnahmekapazität des Schiefers zu testen.

Abstract

Die Höhe der adsorbierten Schiefergas ist ein wichtiger Parameter in Shale Gas Ressource Bewertung und Zielauswahl Bereich, und es ist auch ein wichtiger Standard für die Beurteilung des Bergbau-Wertes von Shale Gas. Studien über den Zusammenhang zwischen Größe und Methan Adsorption Partikel sind derzeit umstritten. In dieser Studie wird einen Isothermen Adsorption Apparat, der gravimetrischen Sorption Analyzer verwendet, um die Aufnahmekapazität der unterschiedlichen Partikelgrößen in Schiefer zu bestimmen, die Beziehung zwischen der Partikelgröße und der Aufnahmekapazität des Schiefers zu testen. Thegravimetric Methode erfordert weniger Parameter und bessere Ergebnisse in Bezug auf Genauigkeit und Konsistenz als Methoden wie die volumetrische Methode produziert. Gravimetrische Messung erfolgt in vier Schritten: eine Blindprobe vermessen, Vorverarbeitung, eine Messung Auftrieb und Adsorption und Desorption Messungen. Gravimetrische Messung gilt derzeit als eine wissenschaftliche und präzise Methode zur Messung der Menge der Adsorption; aber es ist zeitaufwändig und erfordert eine strenge Messtechnik. Eine magnetische Aufhängung Balance (MSB) ist der Schlüssel um Genauigkeit und Konsistenz dieser Methode zu überprüfen. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Aufnahmekapazität und Partikelgröße korreliert, aber keine lineare Korrelation und der Adsorptions Partikel gesiebt in 40-60 und 60-80 Maschen tendenziell größer. Wir schlagen vor, dass die maximale Adsorption auf die Korngröße entspricht etwa 250 µm (60 Maschen) in der Shale Gas fracturing ist.

Introduction

Schiefer ist ein Ton-Felsen mit einem dünnen Blech Bettwäsche-Struktur, die als Quelle Schiefergestein Gas und ein Reservoir dient. Schiefer hat eine starke Anisotropie bestehend aus Mikron-nanoskalige Poren und Graptolite Fossilien sind allgemein anerkannte1,2,3.

Schiefergas ist in der Yangtze-Platte, Südchina kommerziell verwertet. Schiefergas ist ein unkonventionelles Gas-System, das als eine Quelle-Rock und ein Reservoir für Methan dient, aus der organischen Substanz innerhalb der Schiefer durch biogene und/oder thermogene Prozesse4,5abgeleitet. Erdgas-Geschäften in Reservoire sind in einer der drei Formen: freies Gas in Poren und Frakturen, adsorbiert Gas auf der Oberfläche von organischen Stoffen oder anorganischen Mineralien und Gas in Bitumen und Wasser6,7aufgelöst. Früheren Studien zufolge 20-85 % des gesamten Gases in Schiefer Formationen6adsorbierten Gas entfallen. Daher auf die Aufnahmekapazität des Schiefers Forschung und seine steuernden Faktoren sind für die Erforschung und Entwicklung von Shale Gas Ressourcen von Bedeutung.

Die Methan-Adsorption-Fähigkeit des Schiefers ist weithin anerkannt als erheblich je nach Temperatur, Druck, feuchte, Reife, mineralische Zusammensetzung, organischer Substanz und spezifische Oberfläche1,4,5 ,6,7; und frühere Studien haben einen größeren und deutlicher Zusammenhang zwischen externen Faktoren wie Temperatur, Druck und Feuchtigkeit und Methan Adsorption bestätigt.

Jedoch Studien über den Zusammenhang zwischen intrinsischen Faktoren wie Partikelgröße und Adsorption von Methan sind umstritten. Kang und Ji deuten darauf hin, dass sich die Methan-Aufnahmekapazität des gleichen Schiefer Proben steigt mit einem Rückgang der Partikel Größe8,14, während Rupple und Zhang die Relevanz zwischen der Partikelgröße und Adsorption glaube beschränkt basierend auf der Isothermen Adsorption Kurven9,10,11. Darüber hinaus gelten die Laboratorien in China ohne Standards für ein Schiefer Gas Adsorption Auswertung Protokoll in der Regel die Kohle Adsorption Bewertung Protokolle für die Bewertung der Shale Gas Adsorption. Zur Klärung der Beziehung zwischen Partikelgröße und Adsorption, sowie eine prospektive Untersuchung Zone zu untersuchen, haben wir aus den dicken marine Schiefer-Lagerstätten der Wuling Sag in der oberen Platte des Yangtze Schiefer Proben erhalten. Eine gravimetrische Sorption Analyzer galt der Isothermen durchzuführen Adsorption Experimentand erhalten die Beziehung zwischen der Partikelgröße und Adsorption.

Die Volumetrische und gravimetrischen Methoden sind die wichtigsten Methoden verwendet, um die Isothermen Adsorption von Schiefer zu testen. Volumen ist der entscheidende Parameter für die volumetrische Methode, Temperatur und Druck12,13,14leicht betroffen ist. Wegen der Unsicherheit bei der Fehleranalyse führt die kumulative Ausbreitung im direkten Messungen der Volumetrische Methode für die Berechnung der Adsorption Beträge zu einem großen Fehler in der Messergebnisse, wodurch eine abnorme Adsorption Isotherm14 ,15. Im Vergleich zur volumetrischen Methode, die Gravimetrische Methode erfordert weniger Parameter und führt kleinere Fehler: weil die Masse erhalten wird, das Gewicht und die Masse der gravimetrischen Methode sind nicht betroffen von der Temperatur und Druck12. Es gilt als eine wissenschaftliche und präzise Methode zur Messung der Theadsorption Betrag der Adsorption im Moment.

Eine gravimetrische Sorption Analyzer dient in diesem Experiment hat ein Maximum testen Druck von 70 MPa (700 Bar) und Temperaturen von 150 ° C. Die Temperatur und Druck durch ältere Geräte sind zu niedrig Toaccurately zu simulieren, die Temperatur und Druck der tief unter der Erde Bildung. Der Schlüssel zur Verwendung einer Sorption Analyse Apparatur erreicht die magnetischer Aufhängung Waage zum Wiegen genau des Probenmaterials mit einer Genauigkeit von 10 µg. Das Gerät nimmt einen zirkulierende Öl Bad Heizung Modus und der Temperaturbereich kann gesteuert werden, für eine lange Zeit innerhalb von 0,2 ° C. Die Genauigkeit eines alten Apparates ist gering, und damit wäre des Fehlers größer als der neuere Instrumente. Die experimentellen Operationen werden mit der Software zur Verfügung gestellt durch den Apparat durchgeführt. Das Betriebssystem wird regelmäßig aktualisiert, um sicherzustellen, dass die Analyse in der Nähe der eigentlichen unterirdischen Bedingungen12ist.

Ein magnetischer Aufhängung Gleichgewicht (MSB) wird in der gravimetrischen Methode verwendet, um das Methan Isothermen Adsorption von Schiefer ohne direkten Kontakt zwischen der Probe und der Ausrüstung, bei normaler Temperatur und Druck zu testen. Die Probe befindet sich im Mess-Pool, in denen das Gewicht der Probe auf das Gleichgewicht durch eine berührungslose Aufhängung Kupplung Mechanismus12,13übertragen werden kann. Unter das Gleichgewicht ist eine abgehängte Magnet, gesteuert durch einen speziell entwickelten Controller, der frei des Permanentmagneten unten aufgehängt. Der Permanentmagnet verbindet der Lagesensor und der Probenbehälter mit der Kupplung Rahmen. Die Funktion des Rahmens Kupplung ist zu koppeln oder entkoppeln den Probenbehälter zu den Permanentmagneten Aussetzung Stab14,15,16.

Unsere gemessenen Proben sind schwarze Bio-reiche Schiefer in marine Fazies der langen Maxi Bildung, untere Silurian in Daozhen, Provinz Guizhou hinterlegt. Das Forschungsgebiet ist in Wuling Sag, Oberplatte Yangtze, die durch das Sichuan-Becken im Nordwesten und Karina tektonischen Bergzone zum Südwesten17grenzt. Wuling Sag ist eine strukturelle Transfer und Übergangszone zwischen dem Sichuan-Becken und Karina tektonischen Bergzone, die flach-Tiefsee-Regal-Einlagen erhalten, und marine schwarzem Schiefer wurde während der frühen Silur weit entwickelt; die Durchbiegung wurde dann stark überlagert durch tektonische Ereignisse wie die Indo-China Bewegung, Yanshan Bewegung und Himalaya-Bewegung, die mehrstufige Falten, Störungen und Diskordanzen18gebildet. Die marine schwarzem Schiefer in Wuling Sag wurde deutlich durch die komplexen geologischen Bedingungen beeinflusst die Schiefergasvorkommen gebildet. Als eine strukturelle transfermarkt ist die Nachgiebigkeit der Sweet Spot für Schiefergas, charakterisiert durch eine schwächere Verformung besser Shale-Gas-Generation und Erhaltungsbedingungen und eine bessere natürliche Fraktur Anpassung der fallen19.

Hochdruck-Sorption Messungen sind basiert auf einem standardisierten Verfahren mit der Führung des Protokolls Isothermen Adsorption Apparat durchgeführt, die umfassend auf ist, in mehreren Publikationen10,11 ausgearbeitet worden , 12 , 13 , 14 , 15 , 16. die Isothermen Adsorption Experimente wurden in der Key Laboratory der Shale Oil und Gas Untersuchung und Bewertung von der Chinese Academy of Geosciences abgeschlossen. Eine gravimetrische Messung durchgeführt mit magnetischer Aufhängung Bilanz (MSB) erfolgt in vier Schritten: eine Blindprobe vermessen, Vorverarbeitung, eine Messung Auftrieb und eine Adsorption und Desorption Messung (Abbildung 1, Abbildung 2).

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Protocol

1. die Probenvorbereitung

  1. Probe-Charakterisierung
    1. Messen des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC) mit einen TOC-Apparat (siehe Tabelle der Materialien) bei einer Temperatur von 20 ° C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 65 % (pro standard GB/T 19145-2003).
    2. Führen Sie eine Vitrinite Reflexionsvermögen Messung auf polierten Abschnitte des Schiefers unter Verwendung eines Mikroskops Photometer (siehe Tabelle der Materialien).
  2. Probereinigung und Zerkleinern
    Hinweis: Um den Einfluss der verschiedenen internen und externen Faktoren sowie die Inhomogenität des Schiefers so weit wie möglich zu vermeiden, wählen Sie eine große Schiefer Felsen Probe aus der ursprünglichen horizontalen Bettwäsche für dieses Experiment.
    1. Eine Stichprobe große Schiefer Felsen (ca. 20 cm lang, 15 cm breit und 2 cm hoch) aus der ursprünglichen horizontalen Bettwäsche.
    2. Reinigen Sie die Probe und vernichtende Schiff mit Watte, Pinzette und Acetaldehyd.
    3. Zerschlagen Sie die großen ursprünglichen horizontalen Schiefer Beddingsample mit einem Hammer in kleine Stücke, so dass es in das Restgas engen Mahlwerk platziert werden kann. Die geeignete vernichtende Zeit (ca. 3 min) finden Sie durch Vorversuchen.
    4. Dann, Sieb der Probenmaterials in 20-40, 40-60, 60-80, 80-100 und 100-120 Teilproben durch erste Absiebung Partikel durch einen 100-120 Maschen, dann ein 80-100 Mesh, 60-80 Mesh, 40-60 Maschen, und schließlich die 20-40 Maschen.
    5. Entsorgen Sie alle nicht konformen Schiefer Partikel. Es werden ein paar ausrangierte Proben (ca. 5 g) Wenn die vernichtende Zeit ist 3 min.
    6. Beschriften Sie jedes Sample als 20-40-1, 40-60-1, 60-80-1, 80-100-1, und 100-120-1 (Dies ist G1 in den Vertreter Ergebnisse).
    7. Wiederholen Sie den oben genannten Vorgang mit einer anderen Probe (ca. 20 cm lang, 15 cm breit und 2 cm hoch, verwenden Sie ein anderes Schiefer mit unterschiedlicher Zusammensetzung oder TOC) und erstellen Sie eine Reihe von wiederholten Experimenten für den Kontrast. Beschriften Sie jedes Sample als 20-40-2, 40-60-2, 60-80-2, 80-100-2 und 100-120-2 (G2 in den Vertreter Ergebnisse).

(2) Experimentelle Methoden

  1. Labor-Set-up
    1. Legen Sie die Instrumente in einer ruhigen, vibrationsfreien Gegend von einem sauberen Labor ohne elektromagnetische Störungen. Die Temperatur des Labors sollte 10-40 ° c betragen.
      Hinweis: Das Experiment wird bei Raumtemperatur für längere Zeit (mehrere Tage) durchgeführt werden.
    2. Verwenden Sie Wechselstrom 230 V (±10 %) und 50 Hz. Stellen Sie sicher jede Wurzel Versorgungsleitung hat einen Strom größer als 10 A und sicher behandelt mit einem Boden führen. Wenn das Stromnetz schlecht ist, sollte eine zusätzliche Spannungsversorgung verwendet werden.
    3. Gasflaschen mit hochreinem Gas (nicht weniger als 99,999 %) verwenden. Beheben Sie alle Zylinder fest.
    4. Wenn gefährliche Gas in das Experiment verwendet wird, sicherstellen Sie, dass das Labor be- und Entlüftung-Einrichtungen, sowie eine gefährliche Gas-Alarm-Gerät hat. Verwenden Sie regelmäßig Seifenblasen, um Lecks aus dem Rohr Verbindungen12erkennen.
    5. Vermeiden Sie direkte Sonneneinstrahlung.
  2. Starten Sie das Gerät
    1. Schalten Sie den Computer ein und starten das Programm.
    2. Öffnen Sie den Zylinder und passen sie an den entsprechenden Ausgangsdruck (Anpassen der Ausgasung Druck bis ca. 5-6 Bar und Zylinder Gasdruck ca. 70 bar).
    3. Schalten Sie das Gerät auf. Wenn die Kupplung Controller eingeschaltet wurde, muss der Knopf in der aus-Stellung bleiben. Öffnen Sie die Öl-Bad und Vakuumpumpe macht.
  3. Blindprobe vermessen
    1. Zerlegen des Probe-Pools, setzen Sie die leere saubere Probe Eimer innen und Metall Führungshülse zu installieren. Überprüfen Sie die ZP/MP-Kupplung zu und passen Sie an, um den entsprechenden Zustand.
    2. Steuern Sie das Guthaben auf der Kupplung-Controller zu und schalten Sie ihn für alle Positionen im ZP/MP1/MP2. Beachten Sie die Änderungen in der Bilanz lesen und bestätigen Sie, dass die Lesung normal und stabil ist. Wenn die Lesung nicht korrekt oder instabil ist, ist es notwendig, die Ebenen auf alle 4 Füße von den flachen Kopf anpassen basierend auf der Situation oder der hohen und niedrigen Position der Schraube Unterstützung.
    3. Laden Sie Probe Pool, Temperatur Kontrolle Öl Bad Jacke und Wärme-Isolierung-Abdeckung.
    4. Verschieben Sie den Kupplung Controller Knopf zur ZP Position.
    5. Setzen Sie ihn auf das leere Messprogramm in der Software.
      1. Klicken Sie auf konfigurieren die Messung, einen Titel, wählen Sie Gas 2 und anderen Flüssigkeiten zu nennen, und wählen fließende Bad.
      2. Legen Sie die Probentemperatur auf 50 ° C, der maximale Druck bis 70 Bar, Druck Schritt 7, die Rampe Druck auf 2 Bar/min und die Flüssigkeit Therm bis 50 ° C.
        Hinweis: Für den Blindversuch verwenden N2 (empfohlen) oder He an den entsprechenden Druck (0 - 70 Bar). Wiegen Sie den leeren Eimer. Wenn die Temperatur die experimentelle Temperatur der Adsorption, die Boot-Programm ausgeführt wird, entspricht die dauert in der Regel 7-8 h. Schließlich können die Qualität und das Volumen von den leeren Eimer manuell erhalten werden, wenn es fertig ist (siehe Schritt 2.8.1).
        Achtung: 6 Sets mit Schrauben auf die Probe-Pool-Flansch werden demontiert mit dem internen sechs Winkel Schraubenschlüssel und festen Schlüssel des Instrumentes. Beachten Sie, dass wenn die letzte Gruppe der Bolzen entfernt ist, die Probe-Pool werden, um fallen zu vermeiden gehalten muss.
  4. Instrument-balancing (falls erforderlich)
    Hinweis: Das Instrument operative Bewegung muss eine weiche, gleichmäßige Kraft sein.
    1. Die Balance-Unterstützung nicht stark schütteln (andernfalls kann das Gleichgewicht gestört sein) oder verschieben Sie die Position des Rahmens. Wenn Sie einen Schraubenschlüssel verwenden, darauf achten Sie, nicht das Fühlerrohr Traverse in der Nähe des Flansches aus der Position klopfen.
    2. Wenn die Waage bestätigt wird, bewegen Sie die ZP auf OFF stellen.
    3. Überprüfen Sie, ob der O-Ring auf dem Flansch des Probe-Pools installiert ist. Ersetzen Sie den O-Ring, wenn es schwere Schäden oder Verformungen.
    4. Der Probe-Pool vertikal, so richten Sie ein, dass die oberen und unteren Flansche verbunden sind, die den gesamten vertikalen Zustand beibehalten wird.
    5. Zum Schluss installieren Sie 6 Gruppen von Schrauben.
      1. Verwenden Sie einen Schraubenschlüssel, befestigen Sie die Schrauben, mit einer symmetrischen Befestigung Methode um sicherzustellen, dass die Verbindung des Flansches Gesichts eng und nicht verzerrt ist. Befestigung sollte der 6 Gruppen von Schrauben so konsistent wie möglich13sein.
      2. PayAttention an der Spirale Kappe unter der 6 Gruppen von Schrauben, jede Kante aus dem Flansch, um Schwierigkeiten zu vermeiden, bei der Installation von der hinteren Öl-Bad-Jacke zu halten.
    6. Wenn Elektroheizung verwenden, installieren Sie Isolierung Terrakotta und fixieren Sie es mit einem Reifen Ring ohne eine äußere Isolierung Baumwolle Paket.
    7. Wenn Öl-Bad-Heizung verwenden, installieren Sie die Öl-Bad-Jacke von unten nach oben den Probe-Pool bis oben und den oberen Flansch flach sind. Installieren Sie die drei Schrauben an der Unterseite, die Öl-Bad-Jacke zu fixieren.
    8. Überprüfen Sie, ob die ZP/MP1/MP2 Position und die Balance-Lesung normal sind, dann die Kupplung Controller Knopf zur ZP Position verschieben.
  5. Vorverarbeitung Messung
    1. Zerlegen des Probe-Pools und legen Sie die Probe in den Probe-Lauf. Überprüfen Sie die ZP/MP-Kupplung und passen Sie sie an den entsprechenden Zustand.
    2. Laden Sie die Probe Pool und elektrische Heizung Isolierung Abdeckung.
    3. Verschieben Sie den Kupplung Controller Knopf zur ZP Position.
    4. Das Boot-Programm wird automatisch ausgeführt. Die Vorbehandlung Programm in der Software einstellen. Die Messung, Name eines Titels zu konfigurieren klicken Sie Vakuum, wählen Sie die elektrische Heizung, die Probentemperatur bei 150 ° C und die Kupplung Temperatur 20 ° C eingestellt, und legen Sie die Dauer bei 600 min. Dieser Schritt dauert in der Regel 10 h.
  6. Auftrieb-Messung
    1. Demontieren Sie die Elektroheizung Scheide und installieren Sie die Temperatur Kontrolle Öl Bad Jacke und THERMOHAUBE, welche Isadhesive.
    2. Starten Sie das Messprogramm Auftrieb in der Software, die Öl-Bad Heizung Temperatur von 50 ° C eingestellt, und Hitze für ca. 4 Std. 7 Druckpunkte wird unter dem maximalen Druck von 70 Bar unterteilt werden. Das Boot-Programm wird automatisch ausgeführt.
      Hinweis: Die Auftrieb-Messung ist identisch mit der Blindprobe vermessen.
      Achtung: Herausziehen des Elektrowärme Power Supply Joints bevor Sie das Temperatur-Sensor-Gelenk am unteren Rand der Probe Pool entfernen. Nach dem Laden der Probenmaterials, vergessen Sie nicht, prüfen Sie, ob der Temperaturfühler eingesetzt wird.
  7. Adsorption-Messung
    1. Das Messprogramm Sorption in der Software eingestellt. Starten Sie das Programm und es wird automatisch gestartet.
    2. Wenn die Desorption Prozess benötigt wird, setzen Sie diese in das Messprogramm Sorption, halten die Flüssigkeit Therm Temperatur von 50 ° C und 19 Druckpunkte festgelegt (z. B.0, 10, 20, 40, 60, 80, 100, 150, 200, 250, 200, 150, 100, 80, 60, 40, 20, 10 und 0 Bar). Dann starten Sie das Programm, das automatisch ausgeführt wird.
    3. Stellen Sie den Druck manuell, mit einem unter Druck stehenden Pumpe, wenn der Gasdruck nicht automatisch den eingestellten Wert erreichen kann.
      Achtung: Nach dem Ende des Experiments, das Instrument automatisch Auspuff und behalten Sie den Vakuum Zustand für einen bestimmten Zeitraum hinweg. Das Programm wird automatisch beendet, und alle Ventile geschlossen werden.
  8. Berechnung
    1. Das System kann ausgewählt werden, um die experimentellen Ergebnisse automatisch korrigieren, indem Sie nach den folgenden Grundsätzen. Die Beziehung zwischen den Gewichtswert Fach lesen, Probe Auftrieb und Sorption Auftrieb lautet10,11,12,13:
      mA = Δm - mSC - m-S + (VSC + VS + VA) X p
      mA      : Masse der Adsorption Gas; Δm: Masse des Gleichgewichts zu lesen; mSC: Masse der Probenteller (gewonnen durch leere Messung); mS: Masse der Probe (durch Auftrieb Messung); VSC: Volumen der Probenteller (gewonnen durch leere Messung); VS: Volumen der Probe (durch Auftrieb Messung); VA: Volumen des Messgases Adsorption (gewonnen durch Adsorption Messung); Ρ(p,T,y): Dichte errechnet aus der Gleichung des Staates oder durch Messung bestimmt.
  9. Abschluss
    1. Beenden Sie das Programm, und schließen Sie den Computer. Schließen Sie die experimentelle Gasflasche.
    2. Wenn nur kurze Zeit im Leerlauf, nicht mehr als 3 Tage auftritt nicht mehr die macht, das Instrument, das nicht notwendig ist, um den Energiestatus der einzelnen Systeme zu pflegen. Wir empfehlen, dass die Kupplung Controller Knopf aus-Stellung bewegt wird.
    3. Wenn das Instrument für eine lange Zeit angehalten werden muss, kann der einzelnen Systeme ausgeschaltet werden. Bevor der Kupplung Controller ausgeschaltet ist, der Regler zunächst auf Off verschoben werden muss. Bestätigen Sie, dass die OFF leuchtet auf und die anderen Lichter sind aus, und schließen Sie dann die Controller macht.

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Representative Results

Figure 1
Abbildung 1 : Versuchsaufbau für gravimetrische Gas Adsorption bei hohen Temperaturen und Druck. Diese Abbildung zeigt das Setup für die Isothermen Adsorption-Experiment: (ein) das Öl Bad Heizung Gerät für das Fluid Bad; (b) die elektrische Heizung Gerät für die elektrische Heizung; (c) die magnetischer Aufhängung Balance - gravimetrische Sorption Analysatoren (Abbildung 2). (d) das Betriebssystem (Mainframe und Monitor); und (e) das Gas Pumpen und Druckbeaufschlagung System. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Die mineralischen Bestandteile dieser Proben zeichnen sich durch hohe Quarz, moderaten Ton, niedrige Feldspat und eine weite Verbreitung von Graptolite. Die Beispiele zeigen einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 1 %, bezogen auf die Probe Trocknen Experiment. Darüber hinaus ist die TOC-Gehalt der Probe 4,2 % (Gew.-%). Die Reflexion der Vitrinite Ro ist ca. 2,5 %, die in der Reife-Over Reifestadium bleibt. Die Mineral- und Reservoir physikalischen Eigenschaften sind in Tabelle 1dargestellt.

Table 1
Tabelle 1. Die Beziehung zwischen Schiefer Parameter und Methan Isothermen Adsorption.

Wenn Sie unter den Nullpunkt (ZP) Zustand, ist die kupplungskasten zum Stellungsgeber entkoppelt; Dadurch wird die Qualität der Probe und der Probenbehälter nicht an die Waage übertragen. Unter den Mess-Punkte (MP) Staat, den kupplungskasten ist gekoppelt an den Lagesensor und der Masse der Probe und der Probenbehälter wird an die Waage zur Messung der Qualität12,13,14übertragen.

Die regelmäßige automatische Umschaltung der ZP und MP kann effektiv entfernen Sie den negativen Effekt verursacht durch die inhärente Nullpunktdrift der elektronischen Waage und bieten eine präzise Messung. Die Prinzip Struktur ist in Abbildung 2ersichtlich.

Figure 2
Abbildung 2 : Das Herz der Sorption Analyse-Instrumente - Magnetischer Aufhängung Balancer. Die rote Probe ist die Sample-Zelle mit Probe, und die blauen Probe ist die Sample-Zelle ohne Probe. Der Pfeil über der Probe ist ein Haken, und der schrumpfende doppelseitige Pfeil oben rechts zeigt an, dass die magnetische Kraft der Magnetschwebebahn Waage Aufhebung Gewichte und Proben erhöht, wodurch die Verkürzung der Distanz. Diese Zahl wurde von Gang Chen aus einem Bericht (experimentelle Instrument Betrieb Bericht; Privatkorrespondenz) geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Die Menge der Adsorption erhöht linear mit der Zunahme des Drucks während der 0 ~ 60 bar, Niederdruck Periode. Danach die Wachstumsrate der Adsorption allmählich verringerte sich auf ungefähr 0 zusätzlich die absolute Adsorption von Schiefer erreicht einen Zustand der Sättigung im Hochdruck-Zeitraum mit einer Korrektur oder verringerte sich in der maximalen Aufnahme Aufnahmekapazität ohne Korrektur (Abbildung 3, Tabelle 2).

Figure 3
Abbildung 3 : Methan Isothermen Adsorption Experiment der verschiedenen Partikelgröße. Diese Tafeln zeigen (ein) die Adsorption Daten des G1 mit Anpassung, (b) die Adsorption Daten des G1 ohne Anpassung, (c) die Adsorption Daten der G2 mit Anpassung und (d) die Adsorption Daten G2 ohne Anpassung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Table 2
Tabelle 2. Methan Isothermen maximale Adsorption experimentieren Daten unterschiedlicher Korngröße.

Die maximale absolute Adsorptions (Mabs) Probe G1 wurden 2,99 mg/g, 3,03 mg/g, 3,16 mg/g, 2,95 mg/g und 3,01 mg/g; im Auftrag des Partikels Maschen Probe von 20-40 bis 100-120; Wenn sie die Sättigung Staat (Abbildung 3ein) erreicht. Darüber hinaus wurden die maximale überschüssige Adsorptions (MExc) Probe G1 2,37 mg/g 2,49 mg/g, 2,46 mg/g, 1,98 mg/g und 2,32 mg/g; in der Reihenfolge (Abbildung 3b). Darüber hinaus wurden die maximale absolute Adsorptions (Mabs) Probe G2 2,51 mg/g, 3,11 mg/g, 3,10 mg/g, 2,93 mg/g und 3,18 mg/g; in Ordnung; Wenn sie den Zustand der Sättigung (Abb. 3c) erreicht. Schließlich wurden die maximale überschüssige Adsorptions (MExc) Probe G1 2,34 mg/g, 2,53 mg/g, 2,40 mg/g, 2,07 mg/g und 2,21 mg/g; in der Reihenfolge (Abbildung 3-d).

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Discussion

In diesem Experiment verwendeten Materialien entnehmen Sie bitte der Tabelle der Materialien. Bevor der Probe Pool entfernt wird, muss bestätigt werden, dass die Temperatur und Druck in der Probe-Pool bei Normaldruck und Normaltemperatur sind; Ansonsten besteht Verletzungsgefahr. Wenn die Temperatur zu hoch ist, warten Sie auf die Temperatur zu Tropfen und dann Monta-Probe Pool. Wenn der Druck zu hoch oder zu niedrig ist, manuell einstellen des Luftdrucks auf die Software und verwenden ein inertes Gas13,14,15. Zerlegen Sie den Probe-Pool nicht während des Experiments. Nachdem das Experiment beendet ist, ist das Instrument in einem Standby-Zustand. Die Kupplung-Controller sollte als ZP oder die OFF-Position angezeigt. Die zirkulierenden Ölbad ist im aus-Zustand. Die 3 Schrauben an der Unterseite der Öl-Bad-Jacke befestigt sind, das Metall schärferes Vorgehen Hülse senkrecht zu halten, und legen Sie die Jacke auf der linken Seite der festen Unterstützung. Dabei achten Sie auf den Schutz der Elektrokabel und Rohrleitungen mit der Jacke verbunden. Verbiegen oder verdrehen zu viel, um nicht den Zeilenumbruch nicht.

MSB garantiert die Anwendung eine gravimetrische Isothermen Adsorption Apparat auf jede Art von Texten Gase (z.B., korrosiven, explosiven und toxischen) in jeder Art von extremen Bedingungen (z.B., Vakuum und hohem Druck)20, 21. sogar unter extremen Bedingungen, wie z. B. eine Hochdruck- oder giftige Atmosphäre, die Aufnahmekapazität der Proben in einer geschlossenen Kammer mit der maximalen Genauigkeit von der Ausrüstung22,23,24 analysiert werden kann ,25,26. Die Masse der Probe und die Dichte des reaktionsmediums können gleichzeitig in einem einzigen Experiment gemessen werden, die viel Zeit24,25,26retten kann. Die Ausrüstung und Verfahren garantieren lange Ausdauer hochpräzise Messung Experimente verlustfrei Baseline Drift oder Genauigkeit. Die Trennung und Isolierung von Bereich experimentieren (Beispiel) und die Trittfläche (Saldo) vermeidet die Beschädigung oder Verunreinigung des Gleichgewichts durch Reaktion von mittlerer oder die experimentellen Bedingungen und schafft es, die Masse in der hohen Intensität versiegelt Reaktion wiegen Kammer26.

Die wichtigste Grenze der Technik ist, erstens, dass es einiges an Zeit benötigt: 1 Probe in der Regel völlig auszufüllen dauert ca. 2-4 Werktage. Zweitens, das Gleichgewicht und die Stabilität der Magnetschwebebahn Waage regelmäßig mit Dauereinsatz korrigiert werden müssen; Andernfalls ist es schwierig, ein Gleichgewicht zu erreichen, die mehr Zeit verbrauchen wird. Darüber hinaus kommt der experimentelle Verfahren mit gewissen Risiken verbunden (z.B., hohen Temperaturen, hohem Druck und brennbare und explosive Gas)12,13,14.

Glücklicherweise haben die bestehenden Instrumente eine gute Stabilität, gute Sicherheit, hohe Genauigkeit und hohe Präzision. Darüber hinaus gibt es keine besondere Voraussetzung für die Art der Probe, so lange es eine poröse Pulver20,21,22. Diese Methode wird in der Zukunft mehr zeitsparende, effiziente, und sichere und präzise und passen mehr Arten von Proben.

Die Probe Prozessprotokoll verwendet in früheren Studien wurde in der Regel für Coalbed Gas verwendet. Kohle ist eine massive, strukturell isotrop Rock bestehend aus Kohlenstoff, während Schiefer strukturell eine geschichtete ist, vertikale anisotropen Rock, bestehend aus mehreren Tonminerale23,24,25,26. Wenn Brech- und Siebanlagen der Kohle-Proben, zeigen Partikel in verschiedenen Netzen noch ähnliche physikalische Eigenschaften. Beim Umgang mit Schiefer, können Partikel unterschiedlicher Größe unterschiedliche physikalische Eigenschaften, wie Adsorption zeigen. Der Grund ist, dass beim Umgang mit Schiefergestein, die komplizierte mineralische Zusammensetzung und Struktur der Schichtung die Anisotropie unter verschiedenen Maschen27,28,29,30vergrößern können.

Die Langmuir-Modell dient in der Regel die Isotherme Adsorption passen. Die Langmuir-Modell umfasst Adsorption Merkmale aus der Studie von festen Oberflächen, die im Jahre 1916, abgeschlossen durch den französischen Chemiker Langmuir aufgetreten sind; Dieses Modell begann unter dem Gesichtspunkt der Dynamik, in denen die Monolage Staat Gleichung, für eine nicht porös solide31 dargestellt wird. Die Grundannahme ist, dass die Oberfläche des Adsorbens eben und glatt ist, und die Energie von der festen Oberfläche gleichmäßig ist, nur einzelnes Molekül Schicht bilden. Gibt es keine Wechselwirkung zwischen den adsorbierten Gasmoleküle und die Adsorption ist ein dynamisches Gleichgewicht25,26. Unter diesem Gesichtspunkt der Langmuir-Modell ist nicht geeignet für Shale Gas Adsorption und somit die Formel wird hier nicht verwendet.

Beim flachen begrabenen Shale Gas und Kohle mit niedrigem Druck zu testen, gibt es kaum einen Unterschied zwischen der überschüssigen Aufnahmekapazität und absolute Aufnahmekapazität. Allerdings werden mit der Zunahme des Drucks, die überschüssige Aufnahmekapazität und absolute Aufnahmekapazität immer größer geworden. Aufgrund der tiefen vergraben und hohem Druck aus Schiefer ist die Aufnahmekapazität relativ schwach. Wenn nicht eingestellt, werden die Schiefer-Aufnahmekapazität weitgehend unterschätzt30,31,32. So ist eine Kombination aus verschiedenen Korrekturmethoden verwendet, die durch das System erhalten. Darüber hinaus wird die Einstellung automatisch den letzten Punkt (Abbildung 3ein und 3 c) weglassen. Die Anpassung verringert jedoch auch die Differenz in Höhe von Adsorption der Proben (Abbildung 3).

Mikroporen und Mesopores in dem Schiefer steuern die Adsorption durch dominieren die spezifische Oberfläche32,33. Liang und Zhang beide vorgeschlagen, dass eine intensive Schiefer Fragmentierung die Anzahl der Mikroporen und Mesopores reduziert und die Menge von makroporen8,33 erhöht. Eine Shale Gas Fracking oder strukturelle Bewegung kann die integrale Schiefergestein crush, in Stücke (große Partikel), Mikrofrakturen (kleine Partikel), die die spezifische Oberfläche erhöht, zu generieren und dabei die Adsorption wird erhöht. Allerdings wurde während des Experiments als das Fracking oder strukturelle Bewegung setzte sich Schiefergestein in kleinere Partikel zerkleinert; die Mikroporen und Mesopores in dem Schiefer entwickelt und miteinander verbunden bilden Mesopores und makroporen; Daher verringert die spezifische Gesamtoberfläche und Adsorption des Schiefers (Abbildung 3b und 3d). Zusammenfassend, die Menge der Adsorption erhöht sich nicht mit der Abnahme der Partikelgröße monoton und ein Maximalwert oder Intervall muss vorhanden sein.

Es wird vorgeschlagen, dass die Variation zwischen der Aufnahmekapazität und Partikelgröße keine lineare Korrelation gilt ob eine absolute Adsorption mit Anpassung oder eine übermäßige Adsorption ohne Anpassung verweisen. Daher ist es von großer Bedeutung, um herauszufinden, den maximalen Wert für die Bestimmung der Partikelgröße in den Prozess der Bruch im Schiefer. Die Aufnahmekapazität erreicht ein Maximum bei dem Druck von 80-100 Bar und die Anzahl der Adsorptions in Maschen 40-60 und 60-80 ist größer. In Anbetracht der Proben aus dem Untersuchungsgebiet die maximale Adsorption ist etwa 250 µm (60-80 Mesh), die Werte der Proben aus verschiedenen Regionen und Schichten möglicherweise unterschiedliche (Abbildung 3, Tabelle 2).

Die gravimetrischen und volumetrische Methoden sind weit verbreitet in Shale Gas Adsorption Experimente; die Unterschiede sind groß, zwischen ihren jeweiligen entsprechenden experimentelle Apparate, aber die Gemeinsamkeit der beiden ist die natürliche Porenstruktur der Probe zu zerstören. Die Probe Partikelgröße auf die Adsorption Menge hat einen Einfluss kann, und die Porenstruktur ohne den gebrochenen Felsen Adsorption Experimente die echte Bildung von Shale Gas in der Adsorption Kapazität30,31, 32 , 33, aber sein größter Nachteil ist, dass es erfordert eine Menge Zeit in Anspruch.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Eine Menge Unterstützung wurde von Ingenieur Gang Chen und Tao Zhang bereitgestellt. Diese Arbeit wurde von den großen staatlichen Forschung Entwicklung Programm der Volksrepublik China (Grant No.2016YFC0600202) und der China Geological Survey (CGS, Grant Nr. finanziell unterstützt. DD20160183). Wir bedanken uns bei anonymen Gutachtern für ihre konstruktiven Kommentare, die dieses Papier erheblich verbessert.

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

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Umweltwissenschaften Ausgabe 138 Schiefergas Yangtze Oberplatte Verarbeitung Protokoll Methan Isothermen Adsorption Gravimetrische Methode spezifische Oberfläche Fragmentierung Schiefer Partikelgröße
Experimentelle Studie über den Zusammenhang zwischen Korngröße und Methan Sorption Kapazität in Schiefer
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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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