二氧化碳驅替頁巖氣的機理研究.pdf

1、已有很多學者對頁巖的吸附、解吸及驅替進行研究并取得相應成果，對未來頁巖氣開采具有巨大的實用價值。但以往有關頁巖的吸附、解吸及驅替試驗采用的樣品為顆粒狀，嚴重破壞了頁巖原始結構，無法真實地反映實際儲層情況。為真實反映儲層條件下的頁巖吸附、解吸及驅替性能，本文試驗中采用直徑50mm，高100mm的大巖樣頁巖并對其施加一定的體積應力，巖樣內保持頁巖原始地質結構，與顆粒狀頁巖相比，能真實模擬儲層結構條件。在國家自然科學基金面上項目（項目批準號：

2、51374257)、教育部新世紀人才計劃項目（項目批準號：NCET-09-0844)資助下，針對儲層條件下頁巖的吸附解吸性質及驅替提高頁巖氣采收率的部分影響因素開展了研究，取得以下主要研究成果：
　　①本次試驗樣品為圓柱形頁巖巖芯，為塊狀，其內部保持頁巖儲層原始結構，試驗時對巖心施加一定的軸壓和圍壓，并采用水浴方式恒溫，以模擬相應頁巖儲層環(huán)境，確保試驗能更為真實地反映頁巖儲層吸附、解吸、驅替性質。
　　②基于大量室內頁巖巖芯

3、吸附過程試驗，詳細分析了甲烷和二氧化碳在頁巖巖芯內運移、吸附過程，認為吸附過程為滲透、擴散、吸附、解吸的綜合過程；解釋了隨時間推移，吸附速率下降的原因，主要是吸附前期以滲透、吸附為主，后期以擴散、吸附為主，氣體在頁巖儲層內滲透作用相對擴散作用要快很多；詳細分析了頁巖巖芯在吸附過程中吸附變化曲線出現(xiàn)“階梯狀”、“負吸附”現(xiàn)象，認為出現(xiàn)上述現(xiàn)象是由于吸附量增大導致巖芯內部孔隙結構發(fā)生變化的結果。
　　③通過對不同溫度、不同頁巖巖芯對甲

4、烷的等溫吸附曲線對比，發(fā)現(xiàn)這些曲線變化趨勢相同，吸附量隨壓力升高而增大，且在相應壓力點出現(xiàn)吸附量急劇上升的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的壓力點隨溫度升高而增大；通過對頁巖巖芯吸附、解吸曲線對比分析，發(fā)現(xiàn)巖芯解吸曲線滯后于吸附曲線，并從甲烷在頁巖儲層內賦存形式、吸附形式和分子能量三個方面對這一現(xiàn)象進行了詳細分析。
　?、芡ㄟ^對同一頁巖巖芯樣品不同溫度下等溫吸附曲線對比分析，探討溫度對吸附的影響，發(fā)現(xiàn)溫度與吸附量相關性較差，并對此現(xiàn)象進行詳細分

5、析，認為巖芯在吸附膨脹、解吸收縮循環(huán)作用及體積應力共同作用下，頁巖內部結構發(fā)生變化導致吸附量變化，表明保留頁巖原始結構的巖芯的吸附性能受多種因素的影響，與顆粒狀相比，吸附性質更具不穩(wěn)定性。
　　⑤通過對不同頁巖巖芯樣品在相同溫度下的等溫吸附曲線的對比分析，探討頁巖儲層各向異性對吸附的影響，發(fā)現(xiàn)不同樣品的吸附量不同；對同一樣品進行不同氣體（CH4、CO2）吸附試驗對比分析，發(fā)現(xiàn)吸附相同時間，CO2的吸附量大于CH4，且CH4的吸附平

6、衡時壓力大于CO2，由此判斷頁巖巖芯對CO2的吸附性大于CH4。
　?、迣⒈敬雾搸r巖芯吸附試驗結果與相同試驗溫度下煤顆粒、頁巖顆粒及頁巖小試件吸附結果進行對比分析，并從巖石結構方面詳細分析了吸附量差異及吸附曲線形態(tài)不同的原因，表明頁巖試驗樣品尺寸對其吸附能力影響較大，認為隨試件尺寸增大，頁巖儲層不均勻性越明顯，越能真實模擬儲層條件。
　?、卟捎肔angmuir模型、Freundlich經驗公式、BET模型、微孔填充D-R模型

7、、Langmuir-Freundlich模型和最優(yōu)化體積填充D-A模型對本次吸附解吸試驗數(shù)據進行擬合分析對比，探討頁巖巖芯對甲烷的吸附機理，擬合結果表明：Freundlich經驗公式相關系數(shù)平均值為0.95635；D-R模型相關系數(shù)平均值為0.96559；D-A模型相關系數(shù)平均值為0.97963，以上三種模型擬合效果較好，其中Freundlich經驗公式中參數(shù)物理意義不明確，不能表征吸附機理，由此認為甲烷在頁巖巖芯內的吸附機理主要為微孔