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Studio sperimentale della relazione tra la dimensione delle particelle e la capacità di adsorbimento di metano in scisto

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

Usiamo un apparato di isoterma di adsorbimento, l'analizzatore di assorbimento gravimetrico, per testare la capacità di adsorbimento di diversa granulometria di scisto, al fine di scoprire la relazione tra la dimensione delle particelle e la capacità di adsorbimento di scisto.

Abstract

La quantità di gas di scisto adsorbito è un parametro chiave utilizzato nella valutazione delle risorse di shale gas e selezione dell'area di destinazione, ed è anche un importante standard per valutare il valore di estrazione del gas di scisto. Attualmente, gli studi sulla correlazione tra adsorbimento di metano e di dimensioni delle particelle sono controversi. In questo studio, un apparato di isoterma di adsorbimento, l'analizzatore di assorbimento gravimetrico, viene utilizzato per verificare la capacità di adsorbimento di diversa granulometria in scisto per determinare la relazione tra la dimensione delle particelle e la capacità di adsorbimento di scisto. Thegravimetric metodo richiede meno parametri e produce risultati migliori in termini di accuratezza e la coerenza di metodi come il metodo volumetrico. Gravimetrici misurazioni eseguite in quattro passi: una misurazione vuota, pre-elaborazione, una misura di galleggiabilità e misure di adsorbimento e desorbimento. Misura gravimetrica è attualmente considerata un metodo più scientifico e preciso di misurazione della quantità di adsorbimento; Tuttavia, è che richiede tempo e richiede una rigorosa tecnica di misurazione. Un equilibrio di sospensione magnetica (MSB) è la chiave per verificare l'accuratezza e la coerenza di questo metodo. I nostri risultati indicano che la capacità di adsorbimento e la dimensione delle particelle sono correlate, ma non una correlazione lineare e gli adsorbimenti in particelle setacciate in 40-60 e 60-80 maglie tendono ad essere più grandi. Proponiamo che l'adsorbimento massimo corrispondente alla dimensione delle particelle è di circa 250 µm (60 maglie) in gas di scisto, la fratturazione.

Introduction

Shale è una roccia di argilla con un sottile foglio di struttura, che serve sia come una roccia di fonte del gas di scisto e un serbatoio di lenzuola. Scisto ha una forte anisotropia costituito da pori su scala nanometrica e micron, e graptoliti fossili sono comunemente riconosciuti1,2,3.

Gas di scisto è stato sfruttato commercialmente nella piastra di Yangtze, Cina meridionale. Come un sistema di gas non convenzionale che serve sia come una roccia di origine e un serbatoio per il metano, gas di scisto è derivato da materia organica all'interno l'argillite attraverso processi biogenici e/o termogenico4,5. Depositi di gas naturale in serbatoi sono in una delle tre forme: gas libero in pori e fratture, adsorbito gas sulla superficie della materia organica o minerali inorganici e disciolto gas in acqua e bitume6,7. Gli studi precedenti suggeriscono che il gas adsorbiti account per 20-85% del totale gas scisto formazioni6. Quindi, ricercare la capacità di adsorbimento di scisto e suoi fattori di controllo sono significativi per l'esplorazione e lo sviluppo di risorse di gas di scisto.

La capacità di adsorbimento di metano di scisto è stato ampiamente riconosciuta come significativamente variano con la temperatura, pressione, umidità, maturità, composizione minerale, materia organica e superficie specifica1,4,5 ,6,7; e gli studi precedenti hanno confermato una più grande e più chiara correlazione tra fattori esterni come temperatura, pressione e umidità e metano adsorbimento.

Tuttavia, gli studi sulla correlazione tra fattori intrinseci come dimensione delle particelle e adsorbimento di metano sono controverse. Kang e Ji suggeriscono che la capacità di adsorbimento di metano della stessa shale campioni aumenta con una diminuzione nella particella dimensione8,14, considerando che Rupple e Zhang credere la pertinenza tra la dimensione delle particelle e l'adsorbimento è limitata basato sul isoterma di adsorbimento curve9,10,11. Inoltre, senza norme per un protocollo di valutazione adsorbimento di gas shale, laboratori in Cina in genere applicano i protocolli di valutazione di adsorbimento carbone per valutare l'adsorbimento di gas di scisto. Per chiarire il rapporto fra dimensione delle particelle e l'adsorbimento, nonché a indagare su una zona di esplorazione prospettico, abbiamo ottenuto i campioni di scisto dai depositi spessi marine shale del Wuling Sag nella piastra di Yangtze superiore. Un analizzatore di assorbimento gravimetrica è stato applicato per condurre l'isoterma adsorbimento sperimentaree ottenere il rapporto fra la dimensione delle particelle e l'adsorbimento.

I metodi volumetrici e gravimetrici sono i principali metodi utilizzati per testare l'adsorbimento isotermico di scisto. Il volume è il parametro chiave del metodo volumetrico, che è facilmente influenzato dalla temperatura e pressione12,13,14. A causa di incertezza nell'analisi di errore, la propagazione cumulativa in misure dirette utilizzando il metodo volumetrico per calcolare gli importi di adsorbimento conduce ad un grande errore nei risultati di misurazione, che provoca un'isoterma di adsorbimento anormale14 ,15. Confrontato con il metodo volumetrico, il metodo gravimetrico richiede meno parametri e si traduce in più piccoli errori: perché la massa è conservata, il peso e la massa del metodo gravimetrico non sono influenzati dalla temperatura e pressione12. È considerato un metodo più scientifico e preciso per misurare la quantità di theadsorption di adsorbimento al momento.

Un analizzatore di assorbimento gravimetrica è utilizzato in questo esperimento, che ha un massimo di prova pressione di 70 MPa (700 bar) e temperatura di 150 ° C. La temperatura e la pressione generata dagli apparecchi più vecchi sono troppo bassi toaccurately simulare la temperatura e la pressione della formazione sottoterra. La chiave per utilizzare un apparato di analisi di assorbimento è raggiungere l'equilibrio di sospensione magnetica per pesare con precisione il materiale del campione, con una precisione di 10 µ g. L'apparecchio adotta una modalità di riscaldamento vasca olio circolante e l'intervallo di temperatura può essere controllato per un lungo tempo a entro 0,2 ° C. La precisione di un vecchio apparato è bassa, e quindi l'errore sarebbe maggiore di quella ottenuta con gli strumenti più recenti. Le operazioni sperimentali vengono eseguite con il software fornito con l'apparecchio. Il sistema operativo verrà aggiornato regolarmente per garantire che l'analisi è vicino le effettive condizioni di sottosuolo12.

Un equilibrio di sospensione magnetica (MSB) è utilizzato nel metodo gravimetrico per testare l'adsorbimento isotermici di metano di scisto senza contatto diretto tra il campione e le attrezzature, in pressione e temperatura normale. Il campione è posto in piscina misura, in cui il peso del campione possa essere trasmessi per l'equilibrio attraverso una sospensione senza contatto accoppiamento meccanismo12,13. Sotto l'equilibrio, c'è un magnete sospeso, controllato da un regolatore appositamente progettato che permette la sospensione del magnete permanente qui sotto. Il magnete permanente si collega il sensore di posizione e il contenitore del campione con il telaio di accoppiamento. La funzione del giunto telaio è per coppie o disaccoppiare il contenitore del campione per il magnete permanente sospensione asta14,15,16.

I nostri campioni misurati sono scisti neri ricchi di organici depositati in facies Marina della formazione lungo Maxi, Siluriano inferiore a Daozhen, nella provincia di Guizhou. L'area di ricerca è nel Wuling Sag, piastra Yangtze superiore, che confina con il bacino di Sichuan per il nord-ovest e la zona tettonica di Xuefeng montagna al sud-ovest17. L'abbassamento di Wuling è un trasferimento strutturale e la zona di transizione tra il bacino di Sichuan e Xuefeng Mountain zone tettoniche, che ha ricevuto i depositi di mare poco profondo-profondo mensola, e scisti neri marini è stato ampiamente sviluppato durante il Siluriano precoce; il sag è stata quindi fortemente sovrapposti da eventi tettonici come il movimento di Indo-China, Yanshan movimento e movimento dell'Himalaya, che formano pieghe multistadio, errori e discordanze18. Il marini scisti neri nel Wuling Sag sono stato influenzato significativamente dalle condizioni geologiche complesse, che formavano le riserve di gas di scisto. Come una zona di trasferimento strutturale, il sag è il punto dolce per esplorazione di gas di scisto, che è caratterizzata da una deformazione più debole, migliore generazione di gas di scisto, condizioni di conservazione e un migliore abbinamento naturale frattura del trappole19.

Misure di assorbimento assorbimento ad alta pressione sono condotte basata su una procedura standardizzata con la guida del protocollo apparato isoterma di adsorbimento, che è stato completamente elaborato su diverse pubblicazioni10,11 , 12 , 13 , 14 , 15 , 16. gli esperimenti di adsorbimento isotermici sono stati completati nel laboratorio chiave di Shale Oil e Gas indagine e valutazione dell'Accademia cinese di geoscienze. Una misurazione gravimetrica effettuata con un equilibrio di sospensione magnetica (MSB) avviene in quattro passaggi: una misura vuota, pre-elaborazione, una misura di galleggiabilità e una misurazione di adsorbimento e desorbimento (Figura 1, Figura 2).

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Protocol

1. preparazione del campione

  1. Caratterizzazione del campione
    1. Misurare il carbonio organico totale (TOC), utilizzando un apparato TOC (Vedi Tabella materiali) a una temperatura di 20 ° C e un'umidità relativa del 65% (per standard GB/T 19145-2003).
    2. Eseguire una misurazione di riflettanza vitrinite su lucidati sezioni di scisto utilizzando un microscopio di Fotometro (Vedi Tabella materiali).
  2. Campione di lavaggio e frantumazione
    Nota: Per evitare l'influenza di vari fattori interni ed esterni nonché la disomogeneità di scisto per quanto possibile, selezionare un campione di roccia di scisto grande dalla biancheria orizzontale originale per questo esperimento.
    1. Selezionare un campione di roccia di scisto grandi (lunghi circa 20 cm, 15 cm di larghezza e 2 cm di altezza) la biancheria da letto orizzontale originale.
    2. Pulire il campione e la frantumazione della nave con cotone idrofilo, pinzette e acetaldeide.
    3. Distruggere il grande originale orizzontale scisto beddingsample in piccoli pezzi con un martello, così che può essere posizionato nel macinino tight gas residuo. Il tempo di frantumazione adatto (circa 3min) possa essere trovato attraverso esperimenti preliminari.
    4. Quindi, selezionare il campione in 20-40, 40-60, 60-80, 80-100 e 100-120 sottocampioni da prime setacciamento particelle attraverso una maglia di 100-120, quindi un 80-100 mesh, maglia 60-80, 40-60 mesh e infine la maglia di 20-40.
    5. Eliminare eventuali particelle di scisto non conformi. Ci saranno alcuni campioni scartati (circa 5 g) quando il tempo di frantumazione è 3 min.
    6. Etichettare ogni campione come 20-40-1, 40-60-1, 60-80-1, 80-100-1 e 100-120-1 (questo è G1 nei Risultati rappresentante).
    7. Ripetere la suddetta operazione con un altro campione (lungo circa 20 cm, 15 cm larghezza e 2 cm di altezza; utilizzare un diverso shale con una diversa composizione o TOC) e creare un set di ripetere esperimenti per contrasto. Etichettare ogni campione come 20-40-2, 40-60-2, 60-80-2, 80-100-2 e 100-120-2 (G2 nei Risultati rappresentante).

2. sperimentali metodi

  1. Setup del laboratorio
    1. Posizionare gli strumenti in una zona tranquilla e priva di vibrazioni, di un laboratorio pulito senza interferenze elettromagnetiche. La temperatura del laboratorio dovrebbe essere 10-40 ° C.
      Nota: L'esperimento sarà condotto a temperatura ambiente per lunghi periodi di tempo (più giorni).
    2. Utilizzare la corrente alternata a 230 V (± 10%) e 50 Hz. Accertarsi di ogni linea di alimentazione principale ha una corrente maggiore di 10 A e viene gestito in modo sicuro con un cavo di terra. Se la rete elettrica è povera, deve essere utilizzato un alimentatore supplementare.
    3. Utilizzare bombole con gas di elevata purezza (non inferiore al 99,999%). Fissare saldamente tutti i cilindri.
    4. Pericoloso gas viene utilizzato nell'esperimento, in modo che il laboratorio sia strutture di ventilazione e di scarico, insieme a un dispositivo di allarme gas pericolosi. Utilizzare regolarmente le bolle di sapone per rilevare eventuali perdite dal tubo connessioni12.
    5. Evitare la luce diretta del sole.
  2. Avviare lo strumento
    1. Accendere il computer e avviare il programma principale.
    2. Aprire la valvola della bombola e regolarlo alla pressione di uscita appropriato (regolare la pressione di degassamento a 5-6 bar e la pressione della bombola gas a circa 70 bar).
    3. Accendere lo strumento. Quando il controller di accoppiamento sia stato acceso, la manopola deve rimanere in posizione OFF. Aprire l'alimentazione di vasca e pompa di olio.
  3. Misurazione in bianco
    1. Smontare la piscina di campione, posizionare il secchio vuoto campione pulito all'interno e montare la bussola di guida metallica. Verificare l'accoppiamento di ZP/MP e regolare nello stato appropriato.
    2. Controllare l'equilibrio sul controller di accoppiamento e passare a tutte le posizioni in ZP/MP1/MP2. Osservare i cambiamenti nella lettura equilibrio e confermare che la lettura è stabile e normale. Se la lettura è instabile o non corretto, è necessario regolare i livelli su tutti i 4 piedini della testa piatta, sulla base della situazione, o la posizione alta e bassa della vite supporto.
    3. Caricare il campione piscina jacket vasca olio di controllo temperatura e coperchio di isolamento termico.
    4. Spostare la manopola del regolatore di accoppiamento nella posizione di ZP.
    5. Impostare il programma di misurazione vuoto nel software.
      1. Fare clic per configurare la misurazione, nome di un titolo, selezionare gas 2 e altri fluidi e selezionare bagno di liquido.
      2. Impostare la temperatura del campione a 50 ° C, la massima pressione di 70 bar, il passo di pressione a 7, la rampa di pressione a 2 bar/min e il fluido therm a 50 ° C.
        Nota: Per la prova in bianco, utilizzare N2 (consigliato) o He alla pressione appropriata (0 - 70 bar). Pesare il secchio vuoto. Quando la temperatura è costante con la temperatura sperimentale di adsorbimento, l'esecuzione del programma di avvio, che di solito ci vogliono 7-8 h. Infine, la qualità e il volume della benna vuota può essere ottenuti manualmente quando è finito (Vedi punto 2.8.1).
        Attenzione: 6 set di bulloni della flangia di pool di esempio sono smantellati utilizzando la chiave a sei-angolo interno e chiave fissa manuale dello strumento. Si noti che quando viene rimosso l'ultimo gruppo di bulloni, il pool di campione deve essere tenuto per evitare di cadere.
  4. Strumento bilanciamento (se necessario)
    Nota: Movimento di funzionamento dello strumento deve essere una forza uniforme, morbida.
    1. Non agitare fortemente il sostegno di equilibrio (in caso contrario, esso potrebbe sconvolgere l'equilibrio) o spostare la posizione del telaio. Quando si utilizza una chiave inglese, essere attenti a non urtare il tubo di traverse sensore prossimità della flangia fuori posizione.
    2. Quando l'equilibrio è confermato, è possibile spostare la ZP sulla posizione OFF.
    3. Verifica se è installato l'O-ring sulla flangia della piscina del campione. Sostituire l'O-ring se c'è gravi danneggiamenti o deformazioni.
    4. Impostare il pool di campione verticalmente, in modo che le flange superiori e inferiori sono collegate, che manterrà lo stato verticale complessiva.
    5. Infine, installare 6 gruppi di bulloni.
      1. Utilizzare una chiave per stringere i bulloni, utilizzando un metodo di fissaggio simmetrico per garantire che la connessione del viso flangia è stretto e non distorta. Il grado di chiusura dei 6 gruppi di bulloni dovrebbe essere come coerenza possibile13.
      2. PayAttention al tappo a spirale sotto i 6 gruppi di bulloni per mantenere ciascun bordo fuori la flangia, per evitare difficoltà durante l'installazione la giacca di vasca olio posteriore.
    6. Se si utilizza il riscaldamento elettrico, installare in terracotta isolamento e fissarla con un anello di cerchio senza un pacchetto di cotone di isolamento esterno.
    7. Se si utilizza il riscaldamento del bagno di olio, è necessario installare la giacca del bagno di olio dal fondo fino alla piscina di campione, fino a quando la parte superiore e la flangia superiore sono piatte. Installare tre viti nella parte inferiore per fissare la giacca del bagno di olio.
    8. Controllare se la posizione di ZP/MP1/MP2 e la lettura di equilibrio sono normali, quindi spostare la manopola del regolatore di accoppiamento nella posizione di ZP.
  5. Misura di pre-elaborazione
    1. Smontare la piscina di campione e il campione viene posto nella canna del campione. Verificare l'accoppiamento di ZP/MP e regolarle sullo stato appropriato.
    2. Caricare l'esempio piscina e calore elettrico isolamento copertura.
    3. Spostare la manopola del regolatore di accoppiamento nella posizione di ZP.
    4. Il programma di avvio verrà eseguito automaticamente. Impostare il programma di pretrattamento nel software. Fare clic per configurare la misurazione, nome di un titolo, selezionare il vuoto, selezionare il riscaldatore elettrico, impostare la temperatura del campione a 150 ° C e la temperatura del giunto 20 ° C e la durata a 600 min. Questo passaggio richiede solitamente 10 h.
  6. Misurazione di galleggiabilità
    1. Smontare la guaina di riscaldamento elettrico e installare la temperatura controllo olio bagno giacca e copertura di isolamento termico, quale isadhesive.
    2. Avviare il programma di misurazione di galleggiamento nel software, impostare il bagno olio riscaldamento temperatura a 50 ° C e calore per circa 4 h. 7 punti di pressione si articolerà sotto la massima pressione di 70 bar. Il programma di avvio verrà eseguito automaticamente.
      Nota: La misurazione dell'assetto è lo stesso come la misurazione del vuota.
      Attenzione: Tirare fuori il giunto di fornitura di calore elettrico potenza prima di rimuovere il giunto del sensore di temperatura nella parte inferiore della piscina del campione. Dopo aver caricato il campione, ricordatevi di controllare se il sensore di temperatura è inserito.
  7. Misurazione di adsorbimento
    1. Impostare il programma di misurazione di assorbimento assorbimento nel software. Avviare il programma e verrà eseguito automaticamente.
    2. Se è necessario il processo di desorbimento, impostarlo nel programma di misurazione di assorbimento assorbimento, mantenere la temperatura del fluido therm a 50 ° C e impostare i 19 punti di pressione (ad es., 0, 10, 20, 40, 60, 80, 100, 150, 200, 250, 200, 150, 100, 80, 60, 40, 20, 10 e 0 bar). Quindi avviare il programma, che verrà eseguito automaticamente.
    3. Impostare la pressione manualmente, utilizzando una pompa pressurizzato, quando la pressione del gas non raggiunge il valore impostato automaticamente.
      Attenzione: Dopo la fine dell'esperimento, lo strumento verrà automaticamente scarico e mantenere lo stato di vuoto per un periodo di tempo. Il programma terminerà automaticamente, e tutte le valvole verranno chiuso.
  8. Calcolo
    1. Il sistema può essere selezionato per correggere automaticamente i risultati sperimentali utilizzando i seguenti principi. Il rapporto tra la lettura del peso, lettura di vassoio, galleggiabilità campione e galleggiabilità di adsorbimento è come segue10,11,12,13:
      m.A = Δm - mSC - mS + (VSC + VS + VA) X p
      m.A      : massa del gas di adsorbimento; ΔM: massa di equilibrio lettura; mSC: massa del vassoio di campione (ottenuta tramite la misura vuota); m.S: massa del campione (ottenuto tramite la misura dell'assetto); VSC: volume di vassoio di campione (ottenuta tramite la misura vuota); VS: volume di campione (ottenuto tramite la misura dell'assetto); VA: volume di gas di adsorbimento di campione (ottenuta tramite la misura di adsorbimento); Ρ(p,T,y): densità calcolata dall'equazione di stato o determinato mediante misurazione.
  9. Completamento
    1. Uscire dal programma e chiudere il computer. Chiudere la bombola del gas sperimentale.
    2. Se solo un breve periodo di inattività si verifica, non più di 3 giorni, interrompere l'alimentazione allo strumento, che non è necessario per mantenere lo stato di alimentazione di ciascun sistema. Suggeriamo che la manopola del regolatore di accoppiamento viene spostata sulla posizione OFF.
    3. Se lo strumento deve essere fermato per lungo tempo, la potenza di ogni sistema può essere disattivata. Prima che il controllore di accoppiamento è spento, la manopola deve prima essere spostato sulla posizione OFF. Confermare che le OFF lampada luci sono accese e le altre luci sono fuori e quindi chiudere l'alimentazione del controllore.

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Representative Results

Figure 1
Figura 1 : Set-up sperimentale per adsorbimento di gas gravimetrico alle alte temperature e pressioni. Questa figura mostra il set-up per l'esperimento di isoterma di adsorbimento: (un) l'olio bagno riscaldamento dispositivo per il bagno di liquido; dispositivo (b) il riscaldamento elettrico per il riscaldamento elettrico; (c) il saldo di sospensione magnetica - analizzatori di sorbimento gravimetrico (Figura 2); (d), il sistema operativo (il mainframe e monitor); e (e), il gas sistema di pompaggio e pressurizzazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

I minerali costituenti di questi campioni sono caratterizzati da alto quarzo, moderata argilla, feldspato basso e un'ampia distribuzione di graptoliti. I campioni mostrano un contenuto di umidità inferiore al 1%, basato sull'esempio di esperimento di essiccazione. Inoltre, il contenuto TOC del campione è il 4.2% (wt %). La riflettanza della vitrinite Ro è circa il 2,5%, che rimane in fase di maturità maturità-over. Le caratteristiche fisiche minerale e serbatoio sono riportate nella tabella 1.

Table 1
Tabella 1. La relazione tra parametri di scisto e adsorbimento isotermico metano.

Quando si è sotto lo stato di punto zero (ZP), la casella di accoppiamento è disaccoppiata per il sensore di posizione; in tal modo, la qualità del campione e il contenitore del campione non viene trasmessa all'equilibrio. Quando si è sotto lo stato di (MP) del punto di misura, casella di accoppiamento è accoppiata con il sensore di posizione e la massa del campione e il contenitore del campione è trasmesso al saldo per misurare le qualità12,13,14.

La commutazione automatica regolare di ZP e MP può efficacemente rimuovere l'effetto negativo causato dall'intrinseca deriva dello zero della bilancia elettronica e offrire una misurazione ad alta precisione. La struttura di principio può essere visto nella Figura 2.

Figure 2
Figura 2 : Il cuore di strumenti di analisi di assorbimento assorbimento - bilanciamento del sospensione magnetica. Il campione rosso è la cella del campione con il campione e il campione blu è la cella del campione senza campione. La freccia sopra il campione è un gancio, e la contrazione doppio-lato freccia in alto a destra indica che la forza magnetica del saldo levitazione magnetica aumenta, sollevamento pesi e campioni, conseguente l'accorciamento della distanza. Questa figura è stata modificata da un report (report operazione sperimentale strumento; corrispondenza privata) da Gang Chen. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La quantità di assorbimento aumentato linearmente con l'aumento della pressione durante il 0 ~ 60 bar, il periodo di bassa pressione. In seguito, il tasso di crescita di adsorbimento è diminuito gradualmente a circa 0. Inoltre, l'adsorbimento assoluta di scisto raggiunto uno stato di saturazione durante il periodo di alta pressione con una correzione o diminuzione della capacità di adsorbimento di assorbimento massimo senza correzione (Figura 3, tabella 2).

Figure 3
Figura 3 : Esperimento di isoterma di adsorbimento di metano di diversa granulometria. Questi pannelli mostrano (a) i dati di adsorbimento del G1 con regolazione, (b) i dati di adsorbimento di G1 senza regolazione, (c) i dati di adsorbimento del G2 con regolazione e (d) i dati di adsorbimento del G2 senza regolazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Table 2
Tabella 2. Dati di diversa granulometria dell'esperimento adsorbimento massimo isotermico di metano.

I massimi assoluti adsorbimenti (Mabs) del campione G1 erano 2,99 mg/g, 3,03 mg/g, 3,16 mg/g, 2,95 mg/g e 3,01 mg/g; nell'ordine della particella campione maglie da 20-40 a 100-120; Quando hanno raggiunto lo stato di saturazione (Figura 3a). Inoltre, la massime adsorbimenti in eccesso (Mexc) del campione G1 erano 2,37 mg/g, 2,49 mg/g, 2,46 mg/g, 1,98 mg/g e 2,32 mg/g; nell'ordine (Figura 3b). Inoltre, i massimi assoluti adsorbimenti (Mabs) del campione G2 erano 2,51 mg/g, 3,11 mg/g, 3,10 mg/g, 2,93 mg/g e 3,18 mg/g; in ordine; Quando hanno raggiunto lo stato di saturazione (Figura 3c). Infine, i massimi adsorbimenti in eccesso (Mexc) del campione G1 erano 2,34 mg/g, 2,53 mg/g, 2,40 mg/g, 2,07 mg/g e 2,21 mg/g; nell'ordine (Figura 3d).

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Discussion

I materiali utilizzati in questo esperimento sono mostrati nella Tabella materiali. Prima che il pool di campione viene rimosso, deve essere confermato che la temperatura e la pressione nella piscina del campione sono al normale pressione e temperatura normale; in caso contrario, c'è un pericolo di lesioni. Se la temperatura è troppo alta, attendere che la temperatura a goccia e poi togliele campione piscina. Se la pressione è troppo alta o troppo bassa, regolare la pressione dell'aria sul software e utilizzare un gas inerte13,14,15manualmente. Non smontare la piscina di campione durante l'esperimento. Dopo l'esperimento è finito, lo strumento è nello stato di standby. Il controller di accoppiamento deve essere visualizzato ZP o sulla posizione OFF. Bagno dell'olio circolante è in stato OFF. Rimuovere le 3 viti che sono fissate nella parte inferiore della giacca bagno olio, tenere il metallo manicotto di bloccaggio in verticale e mettere la giacca a sinistra del supporto fisso. In questo processo, è necessario prestare attenzione alla protezione del filo elettrico e tubi collegati alla giacca. Non piegare o torcere troppo, per non rompere la linea.

MSB garantisce l'applicazione di un apparato di adsorbimento isotermici gravimetrico a qualsiasi tipo di gas di testi (ad es., corrosivi, esplosivi e tossici) in qualsiasi tipo di ambiente estremo (ad es., vuoto e ad alta pressione)20, 21. anche in condizioni estreme, come un ambiente ad alta pressione o tossico, la capacità di adsorbimento dei campioni in una camera chiusa può essere analizzato con la massima precisione con le attrezzature22,23,24 ,25,26. La massa del campione e la densità del mezzo di reazione possono essere misurati allo stesso tempo in un singolo esperimento, che potrebbe risparmiare un bel po di tempo24,25,26. Le attrezzature e il metodo può garantire gli esperimenti di misurazione di alta precisione di lunga durata senza perdita di deriva o precisione della linea di base. La separazione e l'isolamento della zona di sperimentazione (campione) e l'area di pesatura (equilibrio) evita il danno o l'inquinamento del saldo dal mezzo di reazione o le condizioni sperimentali e riesce a pesare la massa nella reazione ad alta intensità sigillato Camera26.

Il limite principale della tecnica è, in primo luogo, che richiede un sacco di tempo: 1 campione per essere totalmente completato solitamente richiede 2-4 giorni. In secondo luogo, l'equilibrio e la stabilità dell'equilibrio levitazione magnetica devono essere regolarmente corretti con l'uso continuo; in caso contrario, è difficile raggiungere un equilibrio, che consumerà più tempo. Inoltre, il processo sperimentale viene fornito con alcuni rischi (ad es., ad alta temperatura, alta pressione e gas infiammabili ed esplosivi)12,13,14.

Fortunatamente, gli strumenti esistenti hanno una buona stabilità, buona sicurezza, alta precisione e alta precisione. Inoltre, non c'è nessun requisito particolare per le specie del campione, come è una polvere porosa20,21,22. In futuro, questo metodo sarà essere più risparmio di tempo, efficiente e sicuro e preciso e soddisfare altri tipi di campioni.

Il protocollo di processo del campione utilizzato in studi precedenti è stato utilizzato generalmente per coalbed gas. Il carbone è una roccia massiccia, strutturalmente isotropo costituito da carbonio, considerando che shale è una stratificata, strutturalmente, la roccia anisotropa verticale costituito da più minerali argillosi23,24,25,26. Quando di frantumazione e vagliatura campioni di carbone, particelle in svariate maglie ancora mostrano proprietà fisiche simili. Quando si tratta di scisto, particelle di diverse dimensioni possono mostrare differenti proprietà fisiche, come adsorbimento. Il motivo è che quando si tratta di roccia di scisto, la complessa composizione minerale e la struttura di stratificazione può ingrandire l'anisotropia tra reti diverse27,28,29,30.

Il modello di Langmuir è solitamente utilizzato per adattare l'isoterma di adsorbimento. Il modello di Langmuir include caratteristiche di adsorbimento dallo studio di una superficie solida che si sono verificati nel 1916, completato dal chimico francese Langmuir; Questo modello ha cominciato dal punto di vista della dinamica, in cui viene presentato l'equazione di stato monostrato, per un solido poroso31. Il presupposto di base è che la superficie dell'adsorbente è uniforme e liscia, e l'energia della superficie del solido è uniforme, formando solo strato di singola molecola. Non c'è alcuna interazione tra le molecole di gas adsorbito e l'adsorbimento è in un equilibrio dinamico25,26. Da questo punto di vista, il modello di Langmuir non è adatto per adsorbimento di gas di scisto, e così, la formula non viene utilizzata qui.

Quando si verifica poco profondo sepolto shale gas e carbone con pressione bassa, c'è poca differenza tra la capacità di adsorbimento in eccesso e adsorbimento assoluta. Tuttavia, con l'aumento della pressione, la capacità di adsorbimento in eccesso e adsorbimento assoluta diventerà sempre più grandi. A causa della profonda sepoltura e ad alta pressione di scisto, la capacità di adsorbimento è relativamente debole. Se non regolato, la capacità di adsorbimento di scisto sarà in gran parte sottovalutato30,31,32. Così, viene utilizzata una combinazione di diversi metodi di correzione, che sono ottenute dal sistema. Inoltre, la regolazione verrà automaticamente omettere l'ultimo punto (Figura 3a e 3 c). Tuttavia, la regolazione diminuisce anche la differenza nella quantità di adsorbimento tra i campioni (Figura 3).

Micropori e mesopori nel shale controllano l'adsorbimento dominando la superficie specifica32,33. Liang e Zhang entrambi hanno suggerito che una frammentazione di scisto intenso riduce il numero di micropori e mesopori e aumenta la quantità di macropori8,33. Un movimento ben fratturazione o strutturali del gas di scisto potrebbe schiacciare la roccia di scisto integrale in pezzi (particelle più grandi) per generare delle microfratture (piccole particelle), che aumenta la superficie specifica, e quindi, l'adsorbimento è aumentata. Tuttavia, durante l'esperimento, come il movimento di fratturazione o strutturale continuato, roccia di scisto è stato schiacciato in particelle più piccole; i micropori e mesopori in scisto sviluppato e collegati tra loro a formare mesopori e macropori; di conseguenza, la totale superficie specifica e l'adsorbimento dell'argillite diminuita (Figura 3b e 3d). In conclusione, la quantità di adsorbimento non aumenta monotonicamente con la diminuzione della dimensione delle particelle e ci deve essere un intervallo o il valore massimo.

È suggerito che la regola di variazione tra la capacità di adsorbimento e la dimensione delle particelle non è una correlazione lineare, se riferendosi a un assoluto adsorbimento con regolazione o a un adsorbimento eccessivo senza regolazione. Pertanto, è di grande importanza per capire il valore massimo per determinare la dimensione delle particelle nel processo di fratturazione in scisto. Alla pressione di 80-100 bar raggiungono la capacità di adsorbimento e il numero di adsorbimenti in maglie 40-60 e 60-80 è più grande. Considerando i campioni dall'area di studio, l'assorbimento massimo è circa 250 µm (60-80 mesh), i valori dei campioni provenienti da diverse regioni e strati potrebbero essere diverse (Figura 3, tabella 2).

I metodi gravimetrici e volumetrici sono ampiamente usati in esperimenti di adsorbimento del gas di scisto; le differenze sono grandi tra loro rispettivi apparati sperimentali corrispondenti, ma la caratteristica comune di entrambi è quello di distruggere la struttura di poro naturale del campione. La dimensione delle particelle del campione sulla quantità di adsorbimento ha una certa influenza, e la struttura dei pori senza la roccia rotta di esperimenti di adsorbimento può riflettere la reale formazione di gas di scisto in adsorbimento capacità30,31, 32 , 33, ma il suo principale svantaggio è che richiede un sacco di tempo per completare.

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Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Un sacco di assistenza è stato fornito da ingegnere Gang Chen e Tao Zhang. Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente da principali stato ricerca sviluppo programma della Cina (Grant No.2016YFC0600202) e la Cina Geological Survey (CGS, Grant No. DD20160183). Ringraziamo anonimi utenti per i loro commenti costruttivi che notevolmente migliorato questa carta.

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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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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