Research progress on isotopic fractionation in the process of shale gas/coalbed methane migration

The research progress of isotopic fractionation in the process of shale gas/coalbed methane migration has been reviewed from three aspects: characteristics and influencing factors, mechanism and quantitative characterization model, and geological application. It is found that the isotopic fractionation during the complete production of shale gas/coalbed methane shows a four-stage characteristic of “stable-lighter-heavier-lighter again”, which is related to the complex gas migration modes in the pores of shale/coal. The gas migration mechanisms in shale/coal include seepage, diffusion, and adsorption/desorption. Among them, seepage driven by pressure difference does not induce isotopic fractionation, while diffusion and adsorption/desorption lead to significant isotope fractionation. The existing characterization models of isotopic fractionation include diffusion fractionation model, diffusion-adsorption/desorption coupled model, and multi-scale and multi-mechanism coupled model. Results of model calculations show that the isotopic fractionation during natural gas migration is mainly controlled by pore structure, adsorption capacity, and initial/boundary conditions of the reservoir rock. So far, the isotope fractionation model has been successfully used to evaluate critical parameters, such as gas-in-place content and ratio of adsorbed/free gas in shale/coal etc. Furthermore, it has shown promising application potential in production status identification and decline trend prediction of gas well. Future research should focus on:(1) the co-evolution of carbon and hydrogen isotopes of different components during natural gas migration,(2) the characterization of isotopic fractionation during the whole process of gas generation-expulsion-migration-accumulation-dispersion, and(3) quantitative characterization of isotopic fractionation during natural gas migration in complex pore-fracture systems and its application.

分形界面吸附行为初探

煤层气吸附解吸机理研究是揭示煤层气成藏机理及高效开发煤层气的基础。已有研究表明,煤储层孔隙结构非常复杂且具有分形特征,煤层气在孔-固界面的吸附行为明显受到煤孔隙结构特征的影响。对比分析几种常用气-固界面上的吸附模型,总结这些模型的特点和适用条件,指出当前吸附模型在分形界面吸附行为的描述和应用上均未摆脱吸附选择性的平稳假设,尚未考虑吸附厚度的尺度不变特征。而分形拓扑理论可以有效标定分形对象的尺度不变属性,为分形界面的等效表征提供了理论支撑。因此,结合上述模型对气-固界面吸附行为的描述,借助分形拓扑理论提出煤储层孔-固界面上分形吸附行为的相关假设及其控制机理,构建基于吸附拓扑的单层吸附模型。在此基础上,通过设置不同的吸附拓扑参数组合获取其等温吸附曲线,分析得出,随着吸附压力的升高,吸附覆盖率表现出指数、线性和对数3种不同的增长趋势,而吸附热表现为对数减小趋势。结果显示,不同的吸附拓扑参数组合会得到不同类型的等温吸附曲线,在一定程度上弥补了Langmuir方程只能描述单一类型等温吸附线的不足。为了验证吸附模型的适用性,结合沁水盆地武乡区块富有机质泥页岩的液氮吸附实验数据,对比了实际等温吸附曲线与模拟吸附曲线的差异。结果表明,通过调整各吸附拓扑参数之间的组合关系,可以使等温吸附模拟曲线与实际吸附曲线的趋势始终保持一致。最后,探讨了吸附解吸机理的研究方向,类比电子层提出了吸附层的概念,指出发展分形动力学描述模型是解释煤层气吸附解吸规律的关键。

煤层气扩散理论及控制因素研究进展

煤层气扩散特征研究对提高煤层气产量和减少矿井瓦斯灾害具有重要意义。基于国内外学者在煤层气扩散领域取得的成果,从煤层气扩散模型、扩散实验和扩散控制因素等3方面进行系统研究。结果表明:基于Fick定律的单孔扩散模型不能描述吸附/解吸扩散全过程,双孔扩散模型、多孔扩散模型和基于时间变化的动态扩散模型能更好解释扩散特征;测压法和质量法用来获取吸附扩散系数,体积法用来获取解吸扩散系数,选择合适的扩散模型拟合实验数据是获取扩散系数的关键;煤层气扩散特征主要受控于煤阶、孔隙结构、煤岩水分、温度、压力和粒径。探寻扩散系数随时间变化规律,定量不同孔径扩散模型,明确扩散渗流联合机制,是该研究领域的发展趋势。

煤的等温吸附-解吸实验及其精确拟合

针对当前产业界面临的对煤层气解吸机理研究不足的现状,开展了6组煤样的甲烷气体的等温吸附/解吸实验。结果表明,煤层气的解吸过程略微滞后于吸附过程,同一煤样的等温解吸曲线与等温吸附曲线存在一个匮乏压力下的残余吸附量;通过对实验数据的分析,建立了降压条件下煤层气解吸作用的精确拟合方程。

煤对超临界甲烷的吸附与解吸特性研究

研究了晋城和潞安煤对超临界 CH4的吸附与解吸特性 ,利用 SPSS软件对 Lang-muir,BET,D- R和 D- A四个模型对煤 CH4吸附和解吸实验数据进行拟合 ,并分别检验了实验数据的拟合程度 .结果表明 :煤吸附和解吸过程并不可逆 ,煤解吸 CH4时的吸附量要比煤吸附 CH4时的吸附量高 ;这些模型对煤吸附和解吸过程中的吸附 CH4实验数据都具有较好的拟合 ,D- A提供了最好的拟合 ,Langmuir的拟合度最差 ;各模型对解吸数据的拟合度要比吸附数据的拟合度好 .

煤中甲烷等温吸附模型的研究

利用SPSS软件对Langmuir,Freundlich,Langmuir Freundlich,Toth,扩展Langmuir,BET,D-R,D-A等8个模型以及3个曲线回归方程对晋城和潞安二煤CH4吸附实验数据进行拟合,并分别检验了实验数据的拟合程度.结果表明:这些模型和方程对煤吸附CH4实验数据都拟合较好,模型或方程的参数越多拟合程度越高;Langmuir模型对煤吸附CH4等温线拟合程度并不很高,D-A提供了最好的拟合;3参数BET模型中的超临界饱和蒸气压可用经验公式估算.

注气驱替煤层气的三维多组分流动模型

中国煤层气具有低压、低渗和低饱和的特点,采用常规技术开发效果不理想,注气增产法可使采收率达到90%以上,单井产量提高5倍以上,是一种具有发展前途的增产技术。指出注气后煤层中存在多元气体的相互作用,用常规的二相流动方程不能有效地模拟煤层气注气(N2,CO2)开采过程,这个过程需要煤层气多组分流动方程来描述;在注气驱替过程中还会发生新气体组分的出现和原有组分消失,当注入储层中不存在的气体组分时,新的气体组分就会出现,原先存在于煤层中的某些气体组分可能被完全分离出来而消失。在研究煤层气渗流机理的基础上并考虑这些因素,建立了一个注气驱替煤层气的三维、两相、双孔、全隐式、多组分流动模型。

煤层气─固界面作用与吸附模型

按照毛细管模型与单分子层作用模型 ,推导了煤层气—固界面作用与煤层渗透性的关系 ;根据煤层气吸附实验资料 ,运用非线性回归方法 ,分别按Langmuir吸附理论和BET吸附理论计算了煤层气吸附规律。实例分析表明 :煤层气—固界面作用的强弱与煤层介质的渗透率平方根或煤层介质的孔径大小成反比 ,它揭示了低渗透煤层气解吸困难、开采难度较大的机理 ;BET吸附模型比Langmuir吸附模型能更好地描述煤层气的吸附规律。