高温高压页岩气藏二氧化碳-甲烷竞争吸附动态过程实验研究

Shale gas recovery is low due to large amount of adsorbed gas remains underground. There is plenty of static evaluation on the competitive adsorption between carbon dioxide and methane. Dynamic carbon dioxide-methane competitive adsorption in shale is therefore of great importance in enhancing the adsorbed gas recovery. Experimental investigation is conducted on the dynamic process of competitive adsorption and the key issues is to accurately measure the real-time dymanic replacement process. The net adsorption rate and dynamic seperation ratio are defined. Based on the competitive adsorption theory, gas chromatographic analysis, volume method and unsteady state measurement are utilized to obtain the gas compositions in both free gas and adsorbed gas. The effect of temperture, pressure and carbon dioxide-methane injection ratio are evaluated. A more detailed description of the dynamic competitive adsorption will be made. Evaluation of the dynamic competitive adsorption process will provide theoretical basis for the application of carbon dioxide in improving the adsorbed gas recovery in shale reservoir.

页岩气藏中大量吸附气滞留地下，可通过二氧化碳竞争吸附促进吸附气开采，目前由于缺乏竞争吸附动态过程实验和关键参数的基础研究，影响了页岩气藏注二氧化碳开采吸附气技术的应用。本项目针对焦石坝背斜区块页岩气藏的高温高压地质条件，开展二氧化碳-甲烷竞争吸附动态过程实验研究，难点是构建一种实时、动态、精确、定量测量气体取代进度的方法。为此，本项目定义净吸附速率与动态分离因子两个参数，基于气体竞争吸附理论，综合应用气相色谱分析、等体积法与非稳态法等测试方法，实时记录产出气体成分，分析吸附相、游离相中气体组成，考察温度、压力及二氧化碳-甲烷注入比等因素对竞争吸附动态过程和吸附气采出程度的影响，提出二氧化碳取代吸附态甲烷动态过程的定量描述。本项目研究成果可为提高页岩气藏吸附气采出程度的注二氧化碳方法的现场应用提供科学依据和理论指导。

本项目针对涪陵焦石坝背斜区块高温高压页岩地层气体竞争吸附过程中CO2实时取代吸附态CH4的速率问题及页岩气生产过程中双组分气体在吸附态、游离态的分布及变化规律的关键科学问题，采用实验和机理分析的方法，探明注超临界CO2过程中的竞争吸附动态过程，构建了一种实时、动态、精确、定量测量气体取代进度的方法，揭示了该过程的特征参数，研究竞争吸附对CH4实时采出程度的影响规律，形成了一套基于多源信息的实时采收率预测及竞争取代进度表征方法。通过开展上述研究获得的主要结论如下：1）我国页岩气藏经济采收率低，大量吸附气滞留地下，压力衰减开发方式获得的室内实验采收率为21.3%，迫切需要寻找一种高效开发页岩气的途径。2）通过X射线衍射图谱分析、扫描电子显微镜成像、页岩比面测试分析、渗透率及孔隙度分析测试手段，精细刻画涪陵页岩岩芯微观结构。3）涪陵页岩等温吸附特性研究结果显示，甲烷和二氧化碳在页岩上的等温吸附曲线均属于典型的I型等温曲线，可采用Langmuir模型对吸附及解吸数据进行拟合：相同温度下，吸附量随着压力的升高而增大，直至达到吸附平衡；相同压力下，吸附量随着温度的升高而减小。此外，获得的二氧化碳吸附量为同等条件下甲烷吸附量的5倍。二氧化碳吸附量高于甲烷，则相同条件下页岩样品为二氧化碳提供的吸附位更多，更利于二氧化碳的吸附和甲烷分子的解吸，为CO2-CH4竞争吸附提高页岩气藏采收率的物质基础。4）二氧化碳-甲烷竞争吸附动态过程可提高页岩气藏中甲烷的采收率，在评价温度压力条件下，气体采出程度增幅可达22.3%，效果显著。5）CO2封存是注二氧化碳提高页岩气藏采收率的又一有益效益，研究结果证明，该技术在现场的广泛应用可为我国‘碳达峰’、‘碳中和’目标的实现起到重要作用。本项目研究成果可为提高页岩气藏吸附气采出程度的注二氧化碳方法的现场应用提供科学依据和理论指导。