含气页岩中水分赋存与分布的研究进展

页岩气（主要组分为甲烷,CH₄）作为一种新兴的非常规天然气,对于优化我国现行能源消费结构、缓解能源消耗过程中的环境污染问题具有重要意义。研究表明,含气页岩储层中页岩气主要以吸附态形式存在。影响含气页岩吸附性能的因素包括页岩自身理化性质和外部储层条件。其中,页岩中的水分是影响页岩气吸附/解吸的重要因素。因此,本文结合国内外相关研究工作,分析了含气页岩中水分的赋存与分布特征,归纳了页岩储层中水分的分析方法,指出了水分赋存与分布的后续研究方向。分析表明：①页岩中水分主要赋存于孔隙结构中,且无机孔隙中的水分赋存量比有机孔隙多;②水分子主要通过氢键吸附于有机孔隙的亲水性位点,以及经由氢键和表面作用力结合于黏土颗粒或孔隙表面;③水分含量与页岩黏土矿物含量及总有机碳（TOC）含量有关;④探明页岩中水分赋存与分布的实验表征手段包括水蒸气等温吸附、低温差示扫描量热、低场核磁共振、红外热成像和等离子体低温灰化等。虽然页岩中水分的研究已经引起国内外学者的关注,但是相比煤中水分的研究仍显不足。因此,本文指出后续需开展以下工作：探明水分在页岩中的无机矿物质空间和有机质空间的含量分布和空间分布特征;明确水分对页岩吸附/解吸CH₄流体的作用规律;联用实验科学和理论模拟方法,探明水分对页岩吸附/解吸CH₄流体的作用机理。     

四川盆地志留系页岩CH4和CO2吸附特征

页岩气是一种非常具有开发潜力的非常规天然气能源。选取四川宜宾地区志留系龙马溪组页岩,对总有机碳、黏土矿物含量和镜质体反射率等储层性质进行表征,通过场发射扫描电子显微镜和低温氮气吸附-解吸方法对页岩的孔隙结构进行分析。从孔隙结构表征发现,页岩中有大量的孔隙发育,并且大多数孔隙的尺寸在100 nm以下,微孔对总比表面积的贡献最大,中孔对孔体积做出了较大贡献。对页岩样品分别进行了CH₄和CO₂单组分气体的等温吸附实验,分析了影响页岩吸附气体能力的因素,考察了页岩样品CO₂/CH₄的选择性。结果表明,页岩对CO₂的吸附量要远大于对CH₄的吸附量;有机质含量TOC和孔隙结构对页岩的吸附有很大影响,呈正相关;温度越高,页岩对气体的吸附能力越差;单位压力变化对吸附的影响随着压力的增高而下降,逐渐趋于平缓;在竞争吸附中,页岩对CO₂有更高的选择性。     

页岩孔隙结构及多层吸附模型的研究

页岩气是指主体位于暗色泥页岩或高碳泥页岩中,以吸附态或游离态为主要赋存方式的非常规天然气。页岩孔隙结构复杂,一般以纳米孔隙占优势,用常规储层孔隙的表征方法难以解释美国的高产页岩气系统。因此,页岩纳米孔隙的表征成为制约页岩气资源评价的关键因素。就浅谈页岩孔隙结构及多层吸附模型等方面的研究。     

超临界CO2强化页岩气开采技术研究现状及展望

介绍了页岩的储层特征,从页岩不同尺度渗流机理、CO₂/CH₄竞争吸附原理及CO₂-水-页岩相互作用机理着手,分析了超临界CO₂在强化页岩气开采技术中的作用与优势,最后指出了超临界CO₂强化页岩气开采技术在技术经济性、设备研发以及环境风险等方面面临的挑战。     

页岩气成藏机理及分布规律研究对勘探开发的影响

页岩气作为一种开发潜力巨大的非常规清洁新能源,其地质理论研究和勘探开发技术在油气勘探开发领域扮演越来越重要的角色。页岩气一般指主体位于暗色泥页岩或高碳质页岩中,以吸附态或者游离态为主要赋存方式的生物成因、热成因以及生物—热成因的天然气,它特殊的储层特征、生气机理、运移机理、成藏聚集机理和保存条件使常规油气勘探开发技术面临着巨大的挑战。主要从页岩气储层特征的特殊性出发,结合成藏机理、成藏主要控制因素及分布规律,总结了当今页岩气藏的勘探开发策略,阐明了页岩气地质理论研究如成藏机理及分布规律研究等对页岩气勘探开发的影响。     

吸附储层中CO2封存与强化采气研究展望

介绍了吸附储层中CO₂封存与强化采气的研究进展。分析了煤层气/页岩气等吸附储层的典型特点,论述了CO₂、CH₄及其与煤岩/页岩体间的相互作用特征,探讨了吸附储层中封存CO₂的前景与优势、CO₂封存与强化CH₄解吸动力学过程的模拟思路、CO₂地下封存的评价方法,展望了未来的研究发展方向。     

CO2地质封存数值模拟研究

随着经济和社会的快速发展，世界各国对于温室气体排放所引起的全球变暖问题越来越重视。我国作为全球最大的CO₂排放国，短期内以煤炭及煤电为主的基本能源结构模式很难有根本转变，面临十分严峻的减排形势。CO₂的减排问题已成为制约该地区能源化工产业发展的最大瓶颈之一，为了满足经济社会可持续发展的迫切需要，我们必须采取措施来控制CO₂的大量排放。CO₂地质封存已成为一种日益成熟的技术方法，并已成为了目前全球公认的进行CO₂大规模减排的最有效途径之一。页岩储层CO₂地质封存联合页岩气增采技术(CO₂-ESGR)是一种新型的CO₂地质封存及页岩气开发技术。该技术以超临界或液相CO₂代替水力压裂页岩，利用CO₂吸附页岩能力比CH₄强的特点，置换CH₄,从而提高页岩气产量和生产速率并实现CO₂地质封存，减少温室气体排放。主要...     

二氧化碳开发非常规能源研究进展

介绍了二氧化碳和非常规能源的基本概况,着重综述了超临界CO₂置换煤层气、开采页岩气、开发页岩油、抽取地热能及置换开采可燃冰技术,分析对比了CO₂开发不同非常规能源的技术优势,并指出了CO₂开发非常规能源技术在地质基础、工程技术、开发经济性及环境风险等方面面临的挑战和不足,最后展望了其发展前景。     

页岩气及其吸附与扩散的研究进展

随着当前能源消费的迅速增加,常规天然气资源短缺,很难满足日益增长的能源需求。页岩气作为一种非常规天然气,具有资源潜力大和低碳排放等优点,加之美国和加拿大成功实现商业化开采,因此页岩气资源勘探开发近年来备受世界瞩目。中国作为重要的页岩气开采国家,近几年发展势头良好,部分页岩气田也已经实现商业化生产。由于页岩的致密和低渗特性,导致页岩气的开采难度较大。页岩的孔隙结构和气体吸附扩散研究,对于气藏产能的评估及其高效开采有至关重要的作用。本文介绍了国内外页岩气勘探开发现状以及页岩的孔隙结构,综述了储层中页岩气吸附、扩散与渗流的研究进展,总结了分子模拟方法在页岩气研究中的应用,并对页岩气相关研究的前景进行了展望。     

页岩气藏开发研究现状综述

页岩气是指以吸附和/或游离态赋存于富有机质泥页岩中的非常规天然气,我国页岩气资源量十分丰富,勘探开发前景广阔。本文主要从与页岩气开发相关的储层物性评价,渗流机理和产能评价三方面综述了国内外研究发展现状,分析了目前存在的问题及对未来发展方向的展望,为页岩气藏的开发提供了一定的技术支持。     

Methane and carbon dioxide in dual-porosity organic matter: Molecular simulations of adsorption and diffusion

Shale gas, which predominantly consists of methane, is an important unconventional energy resource that has had a potential game-changing effect on natural gas supplies worldwide in recent years. Shale is comprised of two distinct components: organic material and clay minerals, the former providing storage for hydrocarbons and the latter minimizing hydrocarbon transport. The injection of carbon dioxide in the exchange of methane within shale formations improves the shale gas recovery, and simultaneously sequesters carbon dioxide to reduce greenhouse gas emissions. Understanding the properties of fluids such as methane and methane/carbon dioxide mixtures in narrow pores found within shale formations is critical for identifying ways to deploy shale gas technology with reduced environmental impact. In this work, we apply molecular-level simulations to explore adsorption and diffusion behavior of methane, as a proxy of shale gas, and methane/carbon dioxide mixtures in realistic models of organic materials. We first use molecular dynamics simulations to generate the porous structures of mature and overmature type-II organic matter with both micro- and mesoporosity, and systematically characterize the resulting dual-porosity organic-matter structures. We then employ the grand canonical Monte Carlo technique to study the adsorption of methane and the competing adsorption of methane/carbon dioxide mixtures in the organic-matter porous structures. We complement the adsorption studies by simulating the diffusion of adsorbed methane, and adsorbed methane/carbon dioxide mixtures in the organic-matter structures using molecular dynamics.     

Displacement of shale gas confined in illite shale by flue gas: A molecular simulation study

The shale gas is an unconventional supplementary energy to traditional fossil energy, and is stored in layered rocks with low permeability and porosity, which leads to the difficulty for exploration of shale gas. Therefore, using CO₂ gas to displace shale gas has become an important topic. In this work, we use molecular simulations to study the displacement of shale gas by flue gas rather than CO₂, in which flue gas is modeled as a binary mixture of CO₂ and N₂ and the shale model is represented by inorganic Illite and organic methylnaphthalene. CH₄ is used as a shale gas model. Compared to the pure CO₂, flue gas is easily available and the cost of displacement by flue gas would become lower. Results indicate that the pore size of shale is an important factor in the process of displacing shale gas and simultaneously sequestrating flue gas, while the flue gas N₂-CO₂ ratio shows a small effect on the process of CH₄ displacement, because the high partial pressure of flue gas is the main driving force for displacement of shale gas. Moreover, the geological condition also has a significant effect on the process of CH₄ displacement by flue gas. Therefore, we suggest that the burial depth of 1 km is suitable operation condition for shale gas displacement. It is expected that this work provides a useful guidance for exploitation of shale gas and sequestration of greenhouse gas.     

临兴地区非常规天然气合探共采地质条件分析

临兴地区位于鄂尔多斯盆地东缘河东煤田中部,前期勘探和试井生产显示该区块具有良好的煤层气、页岩气和致密砂岩气资源前景。通过对3种非常规天然气资源勘探和开发地质条件的系统分析,结果表明,临兴地区具有煤层气、页岩气和致密砂岩气优越的成藏条件和良好的配置关系,煤层—页岩—致密砂岩3种储层中天然气连续聚集成藏,受物质基础和保存条件的影响,不同的层位和构造位置上存在差异。提出了该地区非常规天然气的勘探开发可遵循以下原则:东部浅层进行太原组煤层气、页岩气以及山西组煤层气的合探共采,西部深层集中进行山西组页岩气、致密砂岩气以及太原组致密砂岩气的合探共采。从而为该地区非常规天然气的利用提供科学依据。     

一维直孔道MOFs对CH4/N2和CO2/CH4的分离

非常规天然气未来可以作为常规天然气的有效补充,其中低浓度煤层气和生物质燃气分别需要脱除大量的N₂ 和CO₂以达到富集和纯化CH₄的目的。本研究针对CH₄/N₂这一对较难分离的气体组合,选取了具有一维菱形孔道的MOFs材料Cu(INA)₂作为吸附剂,将合成的样品做了XRD和TG表征,测试了纯气体CO₂、CH₄和N₂的吸附曲线,利用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)分子模拟和理想吸附溶液理论(IAST)计算了气体的吸附热和该材料对于CH₄/N₂和CO₂/CH₄的吸附选择性系数;3 MPa压力下制备的颗粒样品填装吸附分离装置,进行了混合气体CH₄/N₂ (50%/50%)和CO₂/CH₄ (50%/50%)的穿透试验,分离的结果显示,Cu(INA)₂不仅高选择性地吸附CH₄/N₂混合物中的CH₄(S_CH4/N2=10),而且对CH₄/N₂的分离效果优于CO₂/CH₄。     

炭分子筛CH4/N2吸附分离

煤层气(CBM)是一种非常规天然气。在中国,煤层气在抽采出来时常混有空气。考虑到安全因素,氧气首先应该被去除。之后,煤层气利用的最重要步骤则是甲烷-氮气混合气体的甲烷高效提浓。本文搭建了双床变压吸附(PSA)装置,选择特定的炭分子筛(CMS)进行CH₄/N₂混合物分离实验研究。由于CMS的动力学吸附特性,氮被吸附在CMS上,带有一定压力的甲烷则连续输出。研究了吸附压力、进气速度和循环周期等因素对吸附过程整体性能的影响。从50% CH₄/50% N₂的原料气可以获得95.45%纯度的甲烷产品,而从30% CH₄/70% N₂的原料气可以获得94.89%纯度的甲烷产品。研究表明,以上3个参数都对分离性能有影响,其中后两者的影响更大。在较低吸附压力和较低进气速度时更容易获得纯度90%以上的甲烷产品。另外,循环周期越短,获得的甲烷纯度越高。     

深部煤层封存CO2过程中的煤基质溶胀效应

强化煤层气甲烷(CH₄)采收率的深部煤层封存二氧化碳(CO₂)技术能够将主要人为温室气体(CO₂)进行有效的地质存储。考虑到CO₂流体和煤体的自身特性, 封存过程中的CO₂流体将会诱导煤基质发生溶胀效应。溶胀效应将会对煤层封存CO₂技术构成潜在的影响。为此, 本文结合国内外相关研究工作, 归纳了流体诱导煤基质溶胀的规律, 指出了煤基质溶胀对煤层封存CO₂过程的影响, 介绍了流体诱导煤基质溶胀的分析手段, 提出了封存过程中煤基质溶胀的研究趋势。分析表明:①煤基质溶胀程度与流体种类、压力、温度和煤的变质程度有关;②CO₂诱导煤基质溶胀效应将会降低煤层的渗透性能, 进而影响CO₂等流体在煤层内部的有效运移;③溶胀效应会影响煤层的CO₂封存性能, 建立涉及溶胀效应的煤吸附理论模型是溶胀效应研究的重要课题;④煤基质溶胀机理及其可逆性能研究目前存在争议, 研究人员需要从煤体理化结构的研究出发以明确上述问题。