CO2驱替页岩上吸附CH4的动态学研究

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页岩气是非常规天然气,我国页岩气资源丰富,分布广泛,可采储量位居世界第一,大力发展我国的页岩气资源,将会弥补我国比较缺乏的常规天然气供给。CO2提高页岩气采收率(CO2-ESGR)技术,将CO2注入到页岩储层内,借助CO2在页岩上较强的吸附力,把储层内吸附的CH4驱替出来,达到页岩气增产和CO2地下封存一体化的双重效果。研究CO2和CH4在页岩上竞争吸附动态过程对于理解CO2-ESGR的动力学机制有重要意义。本文主要以四川盆地海相五峰页岩和鄂尔多斯盆地陆相延长页岩为研究对象,采用体积法进行了不同温度、不同压力下CO2和CH4在两种页岩上的吸附动力学实验,并借助相应的模型计算了它们的扩散系数、扩散活化能和吸附速率常数。实验结果表明CO2和CH4在两种页岩上的吸附动力学过程都可以分为初期的快速吸附阶段和吸附平衡阶段。CO2和CH4在两种页岩颗粒上扩散系数的数量级都为10-11m2/s。CO2和CH4在页岩颗粒上的扩散系数大于它们在真实储层内的扩散系数,小于它们在黏土矿物和干酪根上的扩散系数。CO2和CH4在两种页岩上的扩散系数都随着压力的提高而增大。提高温度,同样可以增大CO2和CH4的扩散系数。CO2在两种页岩上的扩散活化能小于CH4,在两种页岩上的扩散系数大于CH4,较大的扩散系数有利于CO2更快地进入微孔驱替吸附的CH4。此外,采用准一级动力学模型计算CO2和CH4在两种页岩上的吸附速率常数是合适的。CO2和CH4的吸附速率和压力呈正相关关系,和温度呈负相关关系。采用柱动态学实验和理论模拟研究相结合的方法,对CO2驱替页岩中吸附CH4的动态过程进行了系统的研究。对比单一气体CO2、CH4和CO2驱替页岩中吸附CH4的柱动态学实验结果可以发现,储层内CH4的存在可以显著降低CO2的动态吸附量和吸附速率。模拟结果表明一维的对流弥散方程(AD)可以描述低压下CO2在储层内的运移过程,注入的CO2和储层内的CH4发生了竞争吸附,导致CO2运移过程中的粒间流速减小,弥散性增大,传质区变长,穿透曲线变平缓。高压下,CO2的穿透曲线会出现明显的拖尾现象,随着CO2注入压力的提高,穿透提前,拖尾现象更加严重。采用Coats-Smith两区(可动区和不可动区)模型可以很好地模拟高压下CO2在储层内的运移过程,模拟结果表明高压下储层内不可动区的存在是造成CO2穿透曲线出现拖尾现象的主要原因。同时,不可动区也是高压下CO2在储层内运移的明显特征。随着CO2注入压力增大,CO2的弥散系数快速增加,CH4产品气的采收率(Rpipeline-CH4)显著降低。CH4的最终采收率(Rultimate-CH4)和CO2的封存量(Vstorage-CO2)随CO2注入压力的增大而增大。由于CO2在页岩上的吸附能力、吸附速率和扩散系数都大于CH4,驱替的本质就是注入的CO2快速地扩散进入微孔和CH4发生竞争吸附,把原有的CH4从吸附位上置换下来,并驱赶出页岩储层。通过对比CO2、N2以及CO2和N2混合气体驱替页岩上吸附CH4的柱动态学实验结果,发现CO2的作用主要在于置换页岩上吸附的CH4;N2的作用主要在于驱赶储层内游离态的CH4。当采用混合气体作为置换气体时,N2的穿透曲线全部都呈现出“顶出峰”现象。随着混合气体中N2浓度的增大,N2穿透提前,Rpipeline-CH4减小。当向储层内注入CO2时,Rpipeline-CH4和Vstorage-CO2都是最高的,采用CO2驱替页岩上吸附CH4的效果是最好的。增大储层温度,Rpipeline-CH4增大;降低储层空隙率,Rpipeline-CH4增大。与自然降压法相比,CO2动态驱替法可以提高吸附态CH4的采收率(Radsorbed-CH4)、Rpipeline-CH4以及Rultimate-CH4。开采页岩气时,要加强储层的压裂效果,同时应该先采用自然降压法开采,降低储层压力后,再注入CO2强化开采,这样既有利于页岩气的采收,也有利于CO2的封存。
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