页岩气吸附-解吸过程中气体组分变化和甲烷碳同位素分馏研究

On the basis of studies at home and abroad, changes of gas composition and carbon isotope fraction of methane will be investigated during the adsorption and desorption process of shale gas. Some geological properties and micropore structure of shale will be characterized,and isothermal adsorption experiments, isothermal natural and artificial continuous desorption experiments will be carried out. According to experimental results of adsorption, the influencing factors on ability of absorption of shale will be evaluated, including temperature, water content, pressure, pore structure, type of organic matter, maturity and mineral ingredient,and the methane and multi-gas adsorption model under different pressure will be established. It will be analyzed for gas composition and carbon isotope of methane through laboratory finding of natural and artificial desorption. The kinetics models of changes of gas composition and carbon isotope fraction of methane will be established and parameters will be obtained. Moreover, mechanism of changes of gas composition and carbon isotope fraction of methane will be investigated. The relationship between changes of gas composition and carbon isotope fraction of methane and exploitation, according to geologic information and the research results of the adsorption and desorption of shale gas,will be investigated.

本课题在国内外研究的基础上，开展页岩气吸附-解吸过程中气体组分变化和甲烷碳同位素分馏研究。在对页岩样品地质参数和微孔隙结构进行表征的同时，进行页岩的等温吸附实验、等温人工连续解吸实验和现场等温自然连续解吸实验。根据页岩等温吸附实验结果，考察温度、水分、压力、页岩孔隙结构、页岩有机质类型、页岩成熟度、矿物成分等因素对页岩吸附能力的影响，建立不同压力条件下页岩样品吸附甲烷和多元气体的吸附模型和等温吸附方程。根据页岩气等温人工解吸和现场等温自然解吸实验结果，分析气体组分和甲烷碳同位素的变化，建立气体组分变化动力学和甲烷碳同位素分馏动力学模型，探讨气体组分变化和碳同位素分馏机理。结合页岩气地质资料和页岩气的吸附-解吸过程研究成果，探讨吸附-解吸过程中气体组分和碳同位素分馏特征与生产开采之间的关系，用于指导页岩气的勘探开发。

研究不同地区页岩等温吸附解吸单组分气体和多元气体的特征，以及页岩气解吸过程中碳同位素的分馏规律，对于页岩气的勘探开发具有重要的指导意义。本项目研究取得了以下主要成果：①采集了代表性实验页岩样品，研究了页岩样品的地质参数和孔隙结构，表明页岩样品成熟度较高，矿物成分组成复杂，孔隙度与渗透率较低，孔隙分布以微孔为主，表面形态结构类型包括有机质孔、粘土矿物孔隙、自生矿物粒间孔、溶蚀孔和微裂隙等。②建立了磁悬浮天平质量法等温吸附实验方法，自主研发了新型容量法等温吸附装置，为实验的开展提供了较好的可靠性与准确性。③开展了页岩样品等温吸附解吸甲烷、乙烷和二氧化碳的实验研究。结果表明，气体吸附量随压力变化均主要经历迅速上升阶段、缓慢上升过渡阶段和平缓阶段，气体解吸过程中普遍存在着解吸滞后现象，页岩对CO2的吸附量最大，对甲烷的吸附量最小。④开展了页岩样品对甲烷和乙烷混合气体及甲烷和二氧化碳混合气体的竞争吸附实验研究。与单组分气体类似，吸附同样经历三个阶段；低温吸附时混合气吸附量和分组分吸附量均较大，CH4的平衡吸附量比CO2和C2H6小；随着混合气中CH4比例的增加，混合气吸附量减少，CO2的选择性系数S增大。⑤建立了单组分气体和混合气体等温吸附模型。采用了Langmuir方程、Freundlich方程、BET方程、Langmuir-Freundlich方程、D-R方程、Toth模型和半孔宽模型进行拟合，相对误差表明，三参数吸附模型优于双参数模型，效果最好的为半孔宽模型。⑥对页岩气解吸过程中甲烷碳同位素分馏进行了实验室研究和现场解吸。实验结果表明，页岩气解吸-扩散过程中甲烷稳定碳同位素随时间变重，页岩脱气过程中同位素分馏受扩散和吸附/解吸双重作用。根据现场解吸的同位素分馏模拟结果，可以获得页岩脱气过程中游离气/吸附气相对贡献比例，预测页岩的总产气量。⑦利用吸附势理论对页岩等温吸附-解吸甲烷过程进行了探讨，计算得到了页岩吸附气体过程的等量吸附热和极限吸附热。