CC BY
270
© С.В. Сластунов, Г.Г. Каркашадзе, К.С. Коликов,
2009
УДК 622.411.33
С.В. Сластунов, Г.Г. Каркашадзе, К.С. Коликов
ФИЗИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ И ПАРАМЕТРЫ СОРБЦИИ МЕТАНА В УГОЛЬНЫХ ПЛАСТАХ
Выполнен анализ процессов адсорбции и десорбции различных газов в угольных матрицах, что вызывает их механические деформации. Параметры вспучивания или усадки зависят от типа угля и свойств газа. Этот физический процесс оказывает влияние на проницаемость угля. Вызывает опасение ситуация, когда адсорбированный газ вызовет такое вспучивание угля, что его газопроницаемость полностью исчезнет, и в этом случае нельзя будет рассчитывать на интенсификацию добычи метана, что является важнейшим фактором экономической целесообразности проектов секвестирования парниковых газов.
Ключевые слова: угольный пласт, проницаемость, сорбция и десорбция, секве-стирование углекислого газа, извлечение метана
в я роцессы адсорбции и десорбции различных газов в уголь-H ных матрицах вызывают их механические деформации и сопровождаются соответственно увеличением объема (разбухание) при сорбции или усадкой при десорбции. Параметры вспучивания (разбухания) или усадки зависят от типа угля и свойств газа. Этот физический процесс имеет важное технологическое значение, поскольку оказывает влияние на проницаемость угля. Вызывает опасение ситуация, когда адсорбированный газ вызовет такое вспучивание угля, что его газопроницаемость полностью исчезнет, и в этом случае нельзя будет рассчитывать на интенсификацию добычи метана, что является важнейшим фактором экономической целесообразности проектов секвестирования парниковых газов.
В материалах ежегодных симпозиумов "Coalbed Methane" проблеме секвестирования парниковых газов и интесификации мета-ноотдачи пластов уделяется большое внимание. В работе [1] представлены экспериментальные исследования, проведенные в на образцах угля "Седиментари Бейсин" (западная часть Канады). Проведены измерения вспучивания углей в процессе адсорбции N2, CH4, CO2 и H2S. Образцы угля варьировались по сортности: от би-
туминозных до углей средней летучести. При давлении 0,6 МПа в процессе адсорбции зафиксированы следующие значения объемного вспучивания:
H2S (1,4 - 9,3 %) > С02(0,26-0,66 %) > СН4(0,09-0,30 %) >
> N2 (0,004-0,026 %)
Десорбция СН4 ведет к усадке угольной матрицы в пределах (0,4-0,9 %) в зависимости от сорта угля. На основе выполненных исследований сформулирован вывод, что для интенсификации извлечения метана более всего выгодна инжекция азота, поскольку усадка угля при десорбции СН4 значительно больше (1,44,4 раза), чем при вспучивании из-за адсорбции ^. По мнению авторов, решающим фактором является увеличение парциального давления N в сочетании с увеличением проницаемости угольных пластов в результате их усадки. Что касается инжекции чистого Н^ или С02, то произойдет значительное сокращение проницаемости угольных пластов, так как инжекция Н^ ведет к вспучиванию почти в 5 раз, а инжекция С02 приводит к увеличению вспучивания более чем в 2,2 раза по сравнению с усадкой при десорбции СНф Чтобы исключить явление закрытия каналов проницаемости предлагается для инжекции использовать смеси газов С02 и ^, а также H2S и N2.
В работе [2] представлены результаты численного моделирования технологии добычи метана и секвестирования диоксида углерода с помощью горизонтальных скважин пробуренных по угольному пласту мощностью 0,61 м. Рассмотрена схема расположения четырех скважин длиной 3000 футов (914 м), которые образуют периметр в виде квадрата, а также четырех горизонтальных скважин, расположенных радиально от центра схемы, ортогонально к периметру, образуя знак "плюс" внутри схемы. В расчетах использованы следующие свойства угольного пласта:
- пористость угольного пласта 0,1%;
- проницаемость в двух направления 4,8 и 8 мД;
- коэффициент диффузии 3,95• 10-5 й2Мау (4,25^ 10-11 м2/сек);
- константа сорбции для СН4 - 700 psia (4,83 МПа), для С02 -300 psia (2,07 МПа);
- модуль Юнга 7,5^ 105 psia (5,18^109 Па).
Моделирование выполнено в различных диапазонах физических свойств и установлены факторы, влияющие на извлечение СН4 и секвестирование С02.
В работе [3] представлены результаты лабораторных исследований кинетики сорбции и десорбции газов на углях. В опытах, проводимых по методике объемометрии, были использованы фракции размеров от 0,063 мм до 2,0 мм при температурах 45 С и 32 °С. Образцы дробленного угля были рассеяны на фракции размерами: менее 0,063 мм; 0,063-0,177 мм; 0,177-0,354 мм; 0,3540,707 мм; 0,707-2,0 мм. Для адсорбционных измерений сухого угля фракции высушивались в вакуумном состоянии в течение 1,5 часа, при температуре 105 °С. В то же время выполнены измерения сорбционных свойств увлажненных образцов. Для этой цели образцы угля выдерживались при температуре 30 °С в атмосфере с относительной влажностью 96-97%. После увлажнения образец немедленно переносился в адсорбционную камеру.
В результате выполненных исследований получены следующие результаты:
равновесие сорбции достигается быстрее для фракций с наименьшем размером зерен. Это - ожидаемый результат, поскольку малые фракции угля имеют существенно большую свободную поверхность, контактирующую с сорбируемым газом;
- равновесие сорбции СН4 на фракциях с наибольшими размерами достигалось через 6 часов; для наименьших фракций - через 1 час; то же с использованием СО2 достигалось существенно быстрее: через 2 часа и через 0,5 часа;
- процесс сорбции СО2 происходит за более короткое, 2-3 раза, время, чем СН4;
- при температуре 32 °С равновесие сорбции для фракции 0,707-2,0 мм достигается через 2 часа, а при температуре 32 °С через 1 час. Такая же ситуация для СН4 достигается через 18 и 10 часов, соответственно. Таким образом, подтверждается факт, что на процесс сорбции существенное влияние оказывает температура;
- на процесс сорбции угля влияние оказывает влажность: сухие образцы более склонны к процессу сорбции. Для фракции 0,707-2,0 мм во влажном состоянии время сорбционного равновесия СН4 достигается через 45 часов, а для сухого - через 8 часов. В
случае с использованием СО2 равновесие для влажных фракций достигнуто через 8 часов и через 2 часа для сухих.
Для расчетов процесса сорбции в угольном пласте известен параметричекий подход с применением простой модели диффузии в гомогенных сферических частицах. Эта модель дает первое приближение к реальной модели. Данная модель предполагает постоянную концентрацию газа на поверхности сфер во время всего процесса сорбции, что не соответствует реальности. В действительности концентрация СО2 на поверхности возрастает со временем из-за адсорбции на поверхности угля. Обратная картина для процесса десорбции СН4 при дегазации. Эффективный коэффициент диффузии для модели Кранка, наиболее близко приближающий теорию и эксперимент, составляет D = 7,88^ 10-11 м2/сек. В данной модели открытым остается вопрос неизвестной функциональной зависимости коэффициента диффузии от размеров частиц. В действительности существует такой минимальный размер монолитных частиц угля, ниже которых коэффициент диффузии не изменяется и соответствует исходному состоянию, без влияния нарушений. В реальных условиях изменение коэффициента диффузии с увеличением размера частиц имеет место и зависит от напряженного состояния породного массива и дефектностью, вызванной этим напряженным состоянием.
Согласно Джейну (1987 г.) коэффициент диффузии метана и СО2 в воде - величины одного порядка (10-15 м2/сек) и поэтому этот фактор не играет существенной роли в процессе их перемещения в угле. Тимонс и Кисель (1973) предполагают наличие процесса аккумуляции воды и капиллярной конденсации в угольной структуре, что приводит к сокращению радиуса пор и сокращению вклада газовой диффузии.
Экспериментально установлено, что показатели сорбции СО2 в 2-3 раза превосходят метановые для сухих образцов, и 5-6 раз для влажных. Коэффициент диффузии СО2 также в угле выше чем СН4, что доказано экспериментально (Кларксон и Бустин, 1999г.) и теоретически (Кун, 2004 г.).
В работе [4] выполнены лабораторные исследования обмена СН4/СО2 с целью определения условий повышения эффективности добычи метана из угольных пластов. В лабораторных исследованиях осуществлена инжекция СО2 в уголь, содержащий остаточный метан, т.е. после частичной десорбции метана. В лабораторных экс-
периментах подтверждено, что СО2 обладает почти в три раза высшей сорбционной способностью,
Значения параметров Лангмюра
№ п/п Показатели Значения
1 Объем Лангмюра для СН4 0,0152 м3/кг
2 Объем Лангмюра для С02 0,0310 м3/кг
3 Объем Лангмюра для N2 0,0150 м3/кг
4 Давление Лангмюра для СН4 4,6885 МПа
5 Давление Лангмюра для С02 1,903 МПа
6 Давление Лангмюра для N2 27,241 МПа
чем метан. Осуществлен эксперимент с частичной десорбции метана, и последующей инжекцией СО2 с целью вытеснения метана. Оказалось, что инжекция СО2 вытеснила весь сорбированный метан, даже когда общее давление продолжало оставаться высоким. Вытеснение возникало благодаря сочетанию хороших сорбционных качеств угля и сокращению частичного давления метана.
В работе [5] представлена аналитическая модель диффузии метана в угольном пласте. Модель представляет собой систему с двойной пористостью: одна система пор представляет собой разветвленные трещины, между которыми расположены матрицы угля, имеющие другой показатель пористости и проницаемости. Механизм интенсификации извлечения метана с использованием СО2 сводится к замещению метана в угольных матрицах. Процессы диффузии проходят по закону Фика. Важным процессом, происходящим на поверхности угольных матриц, является процесс адсорбции газа, который происходит в соответствии с уравнением Лан-гмюра. В работе использованы следующие значения изотермы Лангмюра, представленные в таблице.
На основе математического моделирования в указанной работе доказано, что инжекция СО2 способствует удалению метана из пласта. Однако в расчетах не учитывается фактор механического расширения угля при сорбции СО2, что в действительности может кардинально понизить проницаемость угольных матриц за счет сужения пространства между трещинами и сжатия матриц. Не учитывается также фактор влияния горного давления.
Важным фактором экономической эффективности является извлечение и энергетическое использование угольного метана, получаемого вследствие замещения метана диоксидом углерода [6].
Вторым немаловажным фактором является снижение парникового эффекта при недопущении свободных выбросов метана в атмосферу.
В работе [7] описаны изменения проницаемости резервуара метана угольном пласте в процессе промысловой добычи метана. По бассейну «Сан Хуан» был скомплектован новый набор данных. При истощении канала бассейна отмечено значительное увеличение проницаемости при истощении. Увеличение проницаемости составило 0,23-0,36 %/psi (3,3-10"5-5.2-10"5 %/Па). Обнаружено, что начальные значения пористости обычно не больше 0,1%. Эффект увеличения проницаемости отражен в аналитической модели Палмера и Мансури (1998 г.). Эта модель учитывает уменьшение проницаемости в зависимости от горного давления и увеличение проницаемости из-за сжатия матрицы в процессе десорбции метана.
Выводы, которые сделаны из многочисленного анализа практических результатов сводятся к тому, что в бассейне «Сан Хуан» зафиксировано увеличение коэффициента проницаемости в 10-100 раз. Такое повышение проницаемости является беспрецедентным явлением в истории нефтяной и газовой промышленности. Если можно будет спрогнозировать подобное увеличение в технологиях промысловой добычи метана, то это значительно увеличит ценность технологии. В современных экономических условиях низкие значения проницаемости делают промысловую добычу метана малорентабельной. Истощение резервуара с эффектом повышения проницаемости может поменять ситуацию, сделав его высокорентабельным. Очевидно, фактор повышения проницаемости по мере истощения резервуара является весьма привлекательным для технологии секвестирования СО2, что позволит более эффективно осуществить инжекцию СО2 и извлечение метана. Ожидается, что во время инжекции СО2 будет иметь место вспучивание угля, что уменьшит проницаемость в том случае, если фактор инжек-ции будет основным влияющим фактором.
------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 0435 Implications of volumetric swelling/shrinkage of coal in sequestration of
acid gases. Laxminarayana Chicatamarla; Xiaojun CUI and Marc Bustin/ Department of Earth&Ocean Sciences, University of British Columbia, Canada. Symposium in University of Alabama, Tuscaloosa, 2004
2 0418 Stimulation of Effects of Swelling on Coal Seam Sequestration and Methane Production/ Grant S. Bromhai, W. Neal Sams, Sinisha Jikich, Turgay Ertekin, and Duane H. Smith, USA. Symposium in University of Alabama, Tuscaloosa, 2004
3 0409 CO2 AND CH4 Sorption Kinetics on Coal: Experiments and Potential Application in CBM/ECBM Modeling, Busch, Andreas; Krooss, Bernhard M.; Genster-blum, Yves Aachen University, Germany. Symposium in University of Alabama, Tuscaloosa, 2004
4 0426 A laboratory study of methane/co2 exchange in an enhanced cbm recovery scenario B.K. Prusty and S. Harpalani Southern Illinois University, Carbondale, IL Symposium in University of Alabama, Tuscaloosa, 2004
5 0525 CO2 Leakage Risk Evaluation Using Enhanced Coalbed Methane Recovery Simulator S. Shimada and Y. Funahashi, Institute of Environmental Studies, Graduate School of Frontier Sciences. The University of Tokyo/ Symposium in University of Alabama, Tuscaloosa, 2005
6 Энерготехнологическая переработка метана как способ снижения выбросов парниковых газов/ Мутушев М.А., Шмидт М.В. - М.: изд-во «Мир горной книги», ГИАБ, Сб. науч. трудов “Метан”, 2007, С. 355-360.
7 0403 Permeability Changes in a CBM Reservoir During Production: An Update and Implications for C02 Injection By Ian Palmer (Higgs Technologies LLC ЕШ
Slastunov S. V. Karkashadze G. G. and Kolicov K.S
THE PHYSICAL MECHANISM AND PARAMETERS METHANE SORPTION IN COAL SEAMS
We have carried out the analysis of processes adsorption and desorption of various gases in coal matrixes is executed, that causes their mechanical deformations. The parameters swelling or shrinkage depends on a type of coal and gas properties. This physical process renders influence on coal permeability. Causes fear a situation, when adsorption gas will be caused such expansion of coal that its gas permeability completely will disappear, and in this case it will be impossible to expect on increase of methane recovery, that is the major factor of an economic feasibility of the projects.
Key words: coal bed, permeability, adsorption and desorption, carbon sequestration, methane recovery.
— Коротко об авторах -----------------------------
Сластунов С.В. - профессор, доктор технических наук, Каркашадзе Г.Г. - профессор, доктор технических наук, Коликов К.С. - доктор технических наук,
Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru
