CN111622722B - 一种利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法 - Google Patents

一种利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种利用超临界CO2和Nano‑Silica提高煤层气采收率的方法，主要包括：Ⅰ、煤样的采集与制备：选取目标煤层的煤样进行粉碎；Ⅱ、添加溶蚀剂Nano‑Silica：将实验煤样与粒径为15±5nm级的SiO2混合均匀，并放入反应釜内；Ⅲ、控制反应釜内的气体环境，进行超临界CO2处理；Ⅳ、对煤样的孔隙结构特征以及有机物分子结构进行分析。本发明利用超临界CO2对煤样进行浸泡，改变了煤体的结构，并通过在煤样中添加溶蚀剂Nano‑Silica，进一步提高了煤体孔裂隙的发育程度，不仅有利于煤体渗透率的提高，而且有利于煤层气的增产。

Description

一种利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法
技术领域
本发明涉及一种煤质改性提高煤层气采收率的方法，属于煤层气开发技术领域，具体地说是一种利用超临界CO2和Nano-Silica来改变煤体结构进而提高煤层气采收率的方法。
背景技术
煤层气是煤在变质和演化过程中的伴生生物，也是煤的伴生矿产资源，同时也是一种清洁、安全、高效的新型能源，煤层气的开采不仅能够改善能源供给结构，有效缓解化石能源供应不足的能源危机，而且能够促进煤矿的安全开采，减少温室气体的排放，具有重大经济、社会和环境意义。然而，煤层气抽采率和利用率低的现状严重制约了煤层气产业的发展。如何实现煤层气的增产成为当今煤层气开发的重要研究内容。我国煤层气在整体上渗透性都比较差，普遍属于低渗透性煤储层，具有“微孔隙、低渗透、高吸附”的特性，且随着地球浅部煤炭资源的逐步开采殆尽，煤炭资源开发不断走向地球深部，相伴而生的高温、高压和高地应力的复杂地质环境形成新的连续演化的采动应力场、裂隙场和渗流场，从而导致煤储层孔裂隙减少、闭合，煤层气抽采通道受阻，因此如何提高深部低渗透性煤层中甲烷的采收率是解决当前煤层气开发与利用的关键问题之一。
目前利用CO2驱替CH4来提高煤层抽采率的方法已被广泛使用，注入的CO2被封存在煤层中，在提高煤层气采收率的同时还达到了减少温室气体的目的。已有研究证明，当煤层埋藏深度超过800m时，原岩的温度和压力很容易使CO2达到超临界状态。而超临界CO2的扩散系数为液体的100倍，具有惊人的溶解能力，能够有效萃取复杂化合物中的有机物，注入煤体后不仅可以溶解煤基质中的部分有机质，如酯、醚、内酯类、环氧化合物等，而且可以促进吸附状态的瓦斯解吸，有效扩增煤体的孔裂隙，提高煤层的渗透性，使得孔隙和裂隙结构得到改善，更利于瓦斯的析出。因此，超临界CO2是一种有效、可行的增产煤层气的方法。
此外，近年来，纳米技术由于具有高效、环保以及价格低廉等优点，在能源领域中得到了应用，且在石油工程的几个分支领域，纳米粒子也引起了广泛的关注，给石油和天然气工业带来了革命性的变化。同时，纳米粒子也开始应用在提高采收率的过程中，其中Nano-Silica（纳米二氧化硅）作为表面活性剂抑制了原油蜡沉积，提高了原油的产量。
尽管Nano-Silica在原油领域得到了较好的应用，但在提高煤层气的采收率方面研究较少，因此将Nano-Silica应用于煤体中，研究其对煤体的改性作用，从而提高煤层气的采收率是十分必要的。
发明内容
本发明旨在提供一种利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法，本发明将超临界CO2和Nano-Silica同时作用于煤体，以对煤质进行改性，在超临界CO2增产煤层气的基础上，进一步提高煤层气的采收率。
本发明的技术构思：利用超临界CO2的高溶解能力以及Nano-Silica的溶蚀作用，来改变煤体结构，增加孔隙率，从而达到增产煤层气的目的，为解决当前煤层气的开发与利用，提高深部低渗透性煤层中甲烷的采收率提供了新的思路及建议。由于Nano-Silica独特的化学性质及活性催化作用，既类似于表面活性剂，又类似于聚合物，会使超临界CO2与煤基质之间的化学反应活性提高，有机物转化效率增强，激发煤基质中孔裂隙的连通性，进而强化煤层渗透率，达到提高煤层气采收率的目的。
本发明提供了一种利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法，包括以下步骤：
Ⅰ、煤样的采集与制备
收集目标煤层气田的地质资料，选取目标煤层的煤样进行采集，并将煤样进行干燥、粉碎，以供实验需要；
Ⅱ、Nano-Silica处理
在进行实验之前，首先将粒径为15±5nm级的SiO2与实验煤样混合均匀，然后煤样放入反应釜内，以对煤样进行处理，探究在超临界CO2溶浸过程中，Nano-Silica对煤体结构的影响；
Ⅲ、控制反应釜内的气体环境，进行超临界CO2处理
利用超临界CO2等温吸附装置，在反应釜内构筑超临界CO2实验环境，并通过调节CO2的流量大小来控制反应釜内的压力，通过设置等温吸附装置恒温箱的温度来控制反应釜内的温度。并在这种实验条件下，对煤样进行溶浸，以探讨超临界CO2和Nano-Silica对煤样的孔裂隙结构的影响以及对煤样的溶解、溶蚀作用；
Ⅳ、对煤样的孔隙结构特征以及有机物分子结构进行分析
实验完成后，将反应釜内的气体通过管线连接到分离釜内，通过水浴加热控制分离釜的温度，并通过分离釜进口处的阀门和气压表来控制分离釜内的压力，使分离釜内的气体环境脱离超临界状态，从而对实验中所溶解的部分有机物进行分离，4个小时后，利用CH2Cl2对分离釜内的有机物进行提取，并对这些有机物进行分子结构分析，同时对反应后的煤样进行孔隙结构分析。
所述利用超临界CO2和Nano-Silica增产煤层气采收率的方法，具体包括以下步骤：
（1）收集目标煤层气田的地质资料，选取目标煤层的煤样进行采集，并将煤样进行干燥、粉碎、制成所需的不同煤样，进行编号，并进行元素与工业分析；
（2）将煤样与Nano-Silica充分混合，并放入超临界CO2等温吸附装置的反应釜内，以对煤样进行超临界CO2环境下的溶浸实验；
（3）通过超临界CO2等温吸附装置以及气泵，设置反应釜内的压力及温度，以达到超临界的实验条件，并在该条件下对煤样进行浸泡，以溶解煤中部分有机物，改善煤层孔隙、裂隙结构；
（4）在浸泡完成后，将反应釜的出气口连接到分离釜的进气口上，使浸泡后携带有机物的CO2气流进入到分离釜中，以提取经超临界CO2和Nano-Silica处理后煤中所溶解的部分有机物，并进行有机物分子结构分析，且对反应后的煤样进行孔隙结构分析。
上述方法中，所述的Nano-Silica纯度为99.8%，分子量为60.08，粒径为15±5nm，性状为无色透明结晶或无定形粉末，且与煤样的混合比例为1:40。
上述方法中，所述的超临界CO2等温吸附装置是通过设置恒温箱的温度来控制反应釜内的实验温度，且通过气泵以及气罐的作用，通过调节CO2的流量来控制反应釜内的压力。
上述方法中，所述的反应釜内的压力设置为12MPa，且温度设置为45℃。
上述方法中，所述的溶浸时间设置为1周。
上述方法中，所述的分离装置是一种通过水浴加热来控制反应釜内的温度，从而使超临界CO2气流脱离超临界状态，并有效分离提取有机物的装置。
上述方法中，所述的有机物分子结构分析是通过气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）来实现的。
上述方法中，所述的孔隙结构分析是通过对煤样进行低压液氮吸附测试（LPNA）以及压汞测试（MIP）来实现的。
上述方法中，所述的低压液氮吸附主要是对煤样中1.7-50nm的孔隙进行分析，以获得孔体积和孔径分布。
上述方法中，所述的压汞测试主要是对煤样中孔径＞50nm的孔隙进行分析。
本发明将超临界CO2与Nano-Silica有机结合起来，对煤样进行溶浸，以分析煤样孔隙的变化规律以及煤中有机物分子结构的变化。
首先将煤样与Nano-Silica充分混合，然后将混合均匀后的煤样放入反应釜内，通过设置反应釜内的压力和温度来使其达到实验条件，使煤样在超临界CO2环境下充分作用。该方法可以有效促进煤的孔隙结构变化以及煤中有机物分子的溶解，从而提高煤层气的采收率，推动煤层气开采技术的发展。超临界CO2可以溶解煤中的部分有机物，从而增大Nano-Silica与煤样的接触面积，提高Nano-Silica与煤样的反应速率，导致煤层气采收率的增加。
本发明的有益效果：
（1）经过超临界CO2浸泡后，煤样的分子结构发生了变化，分离出的有机物种类增多，煤样的总孔体积、平均孔径以及孔隙率均提高，因此煤样的孔裂隙发育程度提高；
（2）在超临界CO2浸泡环境下，在煤样中加入Nano-Silica后发现，煤样分离出的有机物种类更多，煤样的孔裂隙发育程度进一步提高，溶蚀效果更好，相较于未加Nano-Silica的煤样来说，Nano-Silica提高了煤样的萃取能力，改变了煤样的孔裂隙结构，增大了煤体的渗透率，更有利于增强煤层气的采收率。
附图说明
图1为1号煤样的总离子流图。
图2为2号煤样的总离子流图。
图3为3号煤样的总离子流图。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法
本发明提供了一种利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法，该方法的具体步骤如下：
Ⅰ、煤样的采集与制备
收集目标煤层气田地质资料，选取目标煤层的煤样进行采集，首先将采集的煤样粉碎成10-20目的煤颗粒，其次考虑到Nano-Silica对煤结构的影响，选择了三种不同的煤样，1号煤样为150g的原煤颗粒，不经过任何处理，2号煤样为150g的经过超临界CO2处理后的煤颗粒，3号煤样则是将150g的煤与3.75g的Nano-Silica充分混合后，再经过超临界CO2处理的煤颗粒；
Ⅱ、Nano-Silica处理
制备好煤样，在进行实验之前，首先将150g煤样放入反应釜内，然后将3.75g粒径为15±5nm级的SiO2与实验煤样混合均匀。
Ⅲ、控制反应釜内的气体环境，进行超临界CO2处理
利用超临界CO2等温吸附装置，在反应釜内构筑超临界CO2实验环境，并通过调节CO2的流量大小来控制反应釜内的压力为12MPa，通过设置等温吸附装置恒温箱的温度来控制反应釜内的温度为45℃，并在这种实验条件下，对煤样进行溶浸，溶浸时间为1周，以分析超临界CO2和Nano-Silica对煤样的孔裂隙结构的影响以及对煤样的溶解、剥蚀作用。
Ⅳ、对煤样的孔隙结构特征以及有机物分子结构进行分析
实验完成后，利用分离装置对所溶解的部分有机物进行提取，将反应釜的出气口连接到分离釜的进气口上，使浸泡后携带有有机物的CO2气流进入到分离釜中，并通过水浴加热来控制分离釜内的温度为24℃，且分离时间为4h。在该温度下，CO2气流脱离超临界态，经超临界CO2和Nano-Silica处理后煤中所溶解的部分有机物被提取出来，并对其进行有机物分子结构分析，所采用的仪器设备为气相色谱-质谱联用仪（GC-MS），此外对反应后的煤体进行孔隙结构分析，其中利用低压液氮吸附仪对煤样中1.7-50nm的孔隙进行分析，以获得孔体积和孔径分布，利用压汞仪是对煤样中孔径＞50nm之间的孔隙进行分析。
表1：各煤样的压汞测试结果
Figure DEST_PATH_IMAGE002
图1-3表示出了各煤样的总离子流图。从图1中可以看出，1号煤样分离出的有机物有4种，从图2中可以看出2号煤样分离出的有机物有6种，因此相较于未经过浸泡的原煤来说，浸泡后分离出的有机物种类增多，且从表1中可以看出煤样的总孔体积、平均孔径以及孔隙率均提高，因此煤样的孔裂隙发育程度提高，进一步验证了超临界CO2对煤的有效萃取能力。
从图3中可以看出，在超临界CO2浸泡环境下，在煤样中加入Nano-Silica后发现，3号煤样分离出的有机物有9种，其分离出的有机物种类更多，且从表1中可以看出，3号煤样的孔裂隙发育程度进一步提高，溶蚀效果更好，相较于未加Nano-Silica的煤样来说，Nano-Silica提高了煤样的萃取能力，改变了煤样的孔裂隙结构，增大了煤体的渗透率，更有利于增强煤层气的采收率。

Claims (9)

1. 一种利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法，其特征在于包括以下步骤：首先将煤样与Nano-Silica充分混合，然后将混合均匀后的煤样放入反应釜内，将超临界CO2与Nano-Silica有机结合起来，对煤样进行溶浸，以分析煤样孔隙的变化规律以及煤中有机物分子结构的变化；通过设置反应釜内的压力和温度来使其达到实验条件，使煤样在超临界CO2环境下充分作用；所述的利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法，包括以下步骤：
Ⅰ、煤样的采集与制备
收集目标煤层气田的地质资料，选取目标煤层的煤样进行采集，并将煤样进行干燥、粉碎，以供实验需要；
Ⅱ、Nano-Silica处理
在进行实验之前，首先将粒径为15±5nm级的SiO2与实验煤样混合均匀，然后煤样放入反应釜内，以对煤样进行处理，探究在超临界CO2溶浸过程中，Nano-Silica对煤体结构的影响；
Ⅲ、控制反应釜内的气体环境，进行超临界CO2处理
利用超临界CO2等温吸附装置，在反应釜内构筑超临界CO2实验环境，并通过调节CO2的流量大小来控制反应釜内的压力，通过设置等温吸附装置恒温箱的温度来控制反应釜内的温度；并在这种实验条件下，对煤样进行溶浸，研究超临界CO2和Nano-Silica对煤样的孔裂隙结构的影响以及对煤样的溶解、溶蚀作用；
Ⅳ、对煤样的孔隙结构特征以及有机物分子结构进行分析
实验完成后，将反应釜内的气体通过管线连接到分离釜内，通过水浴加热控制分离釜的温度，并通过分离釜进口处的阀门和气压表来控制分离釜内的压力，使分离釜内的气体环境脱离超临界状态，从而对实验中所溶解的部分有机物进行分离，4个小时后，利用CH2Cl2对分离釜内的有机物进行提取，并对这些有机物进行分子结构分析，同时对反应后的煤样进行孔隙结构分析。
2.根据权利要求1所述的利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法，其特征在于具体包括以下步骤：
（1）收集目标煤层气田的地质资料，选取目标煤层的煤样进行采集，并将煤样进行干燥、粉碎、制成所需的不同煤样，进行编号，并进行元素与工业分析；
（2）将煤样与Nano-Silica充分混合，并放入超临界CO2等温吸附装置的反应釜内，以对煤样进行超临界CO2环境下的溶浸实验；
（3）通过超临界CO2等温吸附装置以及气泵，设置反应釜内的压力及温度，以达到超临界的实验条件，并在该条件下对煤样进行浸泡，以溶解煤中部分有机物，改善煤层孔隙、裂隙结构；
（4）在浸泡完成后，将反应釜的出气口连接到分离釜的进气口上，使浸泡后携带有机物的CO2气流进入到分离釜中，以提取经超临界CO2和Nano-Silica处理后煤中所溶解的部分有机物，并进行有机物分子结构分析，且对反应后的煤样进行孔隙结构分析。
3.根据权利要求2所述的利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法，其特征在于：所述的Nano-Silica纯度为99.8%，分子量为60.08，粒径为15±5nm，性状为无色透明结晶或无定形粉末，且与煤样的混合比例为1:40。
4.根据权利要求2所述的利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法，其特征在于：所述的超临界CO2等温吸附装置是通过设置恒温箱的温度来控制反应釜内的实验温度，且通过气泵以及气罐的作用，通过调节CO2的流量来控制反应釜内的压力。
5.根据权利要求4所述的利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法，其特征在于：所述的反应釜内的压力设置为12MPa，且温度设置为45℃。
6.根据权利要求2所述的利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法，其特征在于：溶浸时间设置为1周。
7.根据权利要求2所述的利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法，其特征在于：通过水浴加热来控制反应釜内的温度，从而使超临界CO2气流脱离超临界状态，并有效分离提取有机物。
8.根据权利要求2所述的利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法，其特征在于：所述的有机物分子结构分析采用气相色谱-质谱联用仪；所述的孔隙结构分析是对煤样进行低压液氮吸附测试以及压汞测试。
9.根据权利要求8所述的利用超临界CO2和Nano-Silica提高煤层气采收率的方法，其特征在于：所述的低压液氮吸附主要是对煤样中1.7-50nm的孔隙进行分析，以获得孔体积和孔径分布；所述的压汞测试主要是对煤样中孔径＞50nm的孔隙进行分析。
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