(Sucursal Langfang del Instituto de Investigación para la Exploración y el Desarrollo del Petróleo de China, Langfang 065007, Hebei)
Resumen: Rocas de carbón de bajo rango están expuestos al aire durante mucho tiempo, lo que resulta en materia orgánica y minerales. La oxidación del material y el secado excesivo hacen que el contenido de gas y la capacidad de adsorción se desvíen de los valores reales, lo que afecta la evaluación geológica y el cálculo de los recursos de metano de las capas de carbón. Para estudiar cuantitativamente los efectos de la oxidación y el secado excesivo sobre el contenido de gas y las propiedades de adsorción del carbón de bajo rango, se seleccionaron cuatro muestras de carbón fresco de bajo rango de un pozo en la cuenca de Tuha y se expusieron al aire durante 1 día. 7 días, 15 días y 30 días para pruebas. El análisis muestra que (1) cuanto mayor es el tiempo de secado de las muestras de carbón de bajo rango, mayor es la pérdida de agua y el contenido de humedad en equilibrio no puede restablecerse al estado inicial, lo que da como resultado los resultados del cálculo del contenido de kigas in situ y la densidad basal in situ es demasiado grande y se sobreestima la cantidad de recursos; (2) El secado y la oxidación excesivos conducen a la redistribución de la estructura de poros original de la roca de carbón. La proporción de mesoporos a macroporos es grande, lo que reduce la capacidad de adsorción de. roca de carbón Sin embargo, al mismo tiempo, la reducción del contenido de agua mejora la capacidad de adsorción de la roca de carbón. El efecto combinado de los dos hace que la capacidad general de adsorción de la roca de carbón sea mayor, lo que da como resultado una subestimación de la saturación de adsorción y las perspectivas de desorción por reducción de presión. Con base en esto, se presentan dos sugerencias: (1) Para cada proceso de extracción de núcleos y pruebas en la exploración de carbón de bajo rango, se deben formular estándares estrictos de procesamiento, preparación y almacenamiento de muestras para prevenir resueltamente la oxidación y el secado excesivo de las rocas de carbón (; 2) Al evaluar la geología de bajo nivel y calcular los recursos de metano de yacimientos de carbón, es necesario comprender completamente todo el proceso de pruebas de carbón y rocas, distinguir la autenticidad y confiabilidad de los datos y seleccionar los valores cuidadosamente.
Palabras clave: Prueba de roca de carbón de bajo rango, evaluación geológica de oxidación y sobresecado, cálculo de recursos de metano de yacimientos de carbón
Proyecto del fondo: Proyecto Principal Nacional de Ciencia y Tecnología No. 33 "Metano de yacimientos de carbón Investigación de enriquecimiento sobre predicción y evaluación de regularidades y bloques favorables" (Proyecto No. 2011zx05033) es el subproyecto No. 05 "Recomendaciones para la evaluación y el despliegue de exploración del metano de capas de carbón de China" (Proyecto No. 2011zx05033-005).
Sobre el autor: Deng Ze, nacido en 1982, hombre, ingeniero, nativo de Yuncheng, provincia de Shanxi, obtuvo una maestría en ingeniería geológica de la Universidad del Petróleo de China en 2008. Se dedica principalmente a la explotación de yacimientos de carbón. Evaluación geológica del metano e investigación experimental. Correo electrónico: Deng Ze@CNPC. com. cn. Número de contacto: (010) 69213353.
Incertidumbre en las pruebas de carbón de bajo rango y la evaluación de recursos: tomando como ejemplo la cuenca de Tuha
Deng Ze, Sun Fenjin, Chen Gengping, Zeng Liuping
( China Petroleum Langfang Branch Company Petroleum Exploration and Development Research Institute, Lanfang, Hebei, 065007)
Resumen: el carbón de bajo rango es más sensible al secado y la oxidación, lo que puede afectar la precisión de los resultados de las pruebas, como la aproximación. , adsorción isotérmica y pruebas de área de superficie. Esto ha dado lugar a graves malentendidos sobre los recursos de metano de las capas de carbón. Para estudiar este efecto cuantitativamente, se secaron al aire cuatro carbones de bajo rango de la cuenca de Tuha en China durante 24 h, 7 días, 65 ± 05 días y 30 días. Los resultados muestran que: (1) Cuando la pérdida de humedad del carbón de bajo rango excede el valor mínimo (humedad de equilibrio), es imposible reequilibrarlo al valor inicial, lo que resulta en un aumento en el contenido de gas in situ y en densidad in situ, y una reducción en la superficie del carbón. Análisis industrial y mayor incertidumbre en el análisis elemental. (b) Durante períodos de tiempo más prolongados sin procedimientos de conservación, se sobreestimarán los recursos y se subestimará la capacidad de desorción debido a una mayor capacidad de adsorción y estimaciones de saturación más bajas. Estos resultados nos recuerdan que se deben utilizar procedimientos estrictos de conservación del carbón en el muestreo, preparación y conservación de carbones de bajo rango, y que los datos deben seleccionarse cuidadosamente en las evaluaciones de recursos.
Palabras clave: rango bajo; secado; oxidación; evaluación de recursos
1 Introducción
En la actualidad, el desarrollo de metano de carbón en mi país ha entrado en la comercialización a pequeña escala. Etapa experimental En la etapa de producción química, la mayor parte del trabajo de exploración y desarrollo se concentra en la cuenca de Qinshui y las áreas de nivel medio y alto de carbón en el extremo oriental de Ordos. La exploración y el desarrollo en áreas de bajo nivel de carbón aún están en su infancia. Sin embargo, las áreas de bajo contenido de carbón tienen las características de gruesas vetas de carbón, buena permeabilidad, grandes recursos y la presencia de petróleo, gas y metano de yacimientos de carbón convencionales, junto con la exitosa experiencia de exploración y desarrollo de cuencas extranjeras de bajo contenido de carbón como Fenhe. Cuenca en los Estados Unidos y la Cuenca Surat en Australia Esto hace que las perspectivas de desarrollo del metano de capas de carbón de bajo rango sean aún más amplias y se espera que se convierta en el foco del próximo paso de mi país en la exploración y el desarrollo de metano de capas de carbón [1 ~ 4].
Una comprensión correcta de las características de los yacimientos de carbón de bajo rango y de los recursos de metano de las capas de carbón es la premisa y la base para los avances en el carbón de bajo rango. Dado que las rocas de carbón de bajo rango tienen las características de baja evolución térmica, alto contenido de agua y fácil oxidación, el proceso de prueba convencional puede provocar la oxidación y el secado excesivo de la materia orgánica y los minerales, provocando que el contenido de gas y la capacidad de adsorción se desvíen de los valores reales. valores, que afectan al metano del lecho de carbón. Evaluación geológica y cálculo de recursos [5]. En la actualidad, la gente es generalmente consciente de la particularidad de las pruebas de carbón y rocas de bajo rango, pero hay pocos informes sobre la incertidumbre de los resultados de las pruebas. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de estudiar y evaluar cuantitativamente los efectos de la oxidación y el secado excesivo sobre el contenido de gas y la capacidad de adsorción de las rocas de carbón de bajo rango y, sobre esta base, establecer estrictos procedimientos y especificaciones de prueba experimentales para mejorar la precisión. de pruebas de rocas de carbón de bajo rango.
2 Experimento
2.1 Plan experimental
La muestra experimental se tomó de una muestra de desorción de un pozo en el área del lago Shaer de la cuenca de Tuha, y el rango del carbón fue lignito (ver tabla 1). Una vez completada la desorción natural, la muestra se divide en 5 partes, una de las cuales se utiliza como muestra de referencia (número de muestra: CS3A-0H) y se seca en un secador de gas inerte de laboratorio hasta que no se vea agua libre en la superficie; Otras 4 muestras se secaron al aire en el ambiente del laboratorio durante 1 día, 7 días, 15 días y 30 días (los números de muestra son CS3A-24h, CS3A-7d, CS3A-15d, CS3A-30d), y luego se realizaron carbón y Análisis de pruebas de rocas. Al comparar los resultados de las pruebas, se analizó cuantitativamente el impacto de la oxidación y el secado excesivo en parámetros clave como el contenido de gas, la densidad, la estructura de los poros, el poder calorífico y la capacidad de adsorción, proporcionando una base para establecer una prueba más completa de rocas de carbón de bajo rango. proceso y sistema.
2.2 Resultados experimentales
(1) Humedad de equilibrio Em (humedad interna máxima)
Humedad de equilibrio Em (humedad interna máxima) se refiere a la muestra de carbón a una La temperatura de La humedad interna mantenida en equilibrio con la atmósfera ambiente a 30°C y una humedad relativa de 96 es la clave para convertir los resultados de los datos de prueba bajo otros puntos de referencia en puntos de referencia in situ [6, 7]. La alta porosidad, el alto contenido de agua y la irreversibilidad de la pérdida de agua y el reequilibrio del carbón de bajo rango determinan la sensibilidad e inestabilidad de la prueba de equilibrio del agua. Como se muestra en la Figura 1, la humedad de equilibrio Em está correlacionada negativamente con el tiempo de secado. En comparación con la muestra de referencia, a medida que se extiende el tiempo de secado continuo al aire, los resultados de la prueba Em de humedad de equilibrio son gradualmente más bajos que el valor teórico y la tasa de cambio, es decir, el error de la prueba experimental es 5,07 ~ 18,82.
Tabla 1 Parámetros detallados de CS3A-0h
* ad: base seca al aire; Daf: base seca sin cenizas; Mmmf: base libre de minerales que contiene agua; grupo in situ.
Figura 1 Efecto de la oxidación y el secado excesivo sobre la humedad interna máxima
(2) Contenido de gas
Los datos sobre el contenido de gas son uno de los datos básicos del carbón Prueba de metano en lecho, La determinación del contenido de gas del metano en lecho de carbón se obtiene mediante perforación, extracción de muestras de carbón con cuerda o pruebas de registro de recortes de carbón. Los métodos de prueba se pueden dividir en dos categorías: métodos directos y métodos indirectos. Esta prueba utiliza el método directo USBM propuesto por la Oficina de Minas de los Estados Unidos. La incertidumbre de los efectos de la oxidación y el secado excesivo sobre el contenido de gas se refleja principalmente en los cambios en la calidad de la muestra de carbón bajo la acción combinada de la evaporación del agua y el agua interna máxima saturada. Puede verse en la Figura 2 que cuanto mayor sea el tiempo de secado al aire, mayor será el contenido de aire de la base secada al aire y de la base in situ. La tasa de cambio del contenido de gas in situ es 1,36 ~ 5,03, lo que muestra una tendencia rápida primero y luego lenta, lo que indica que el contenido de gas cambia mucho en la etapa inicial del secado al aire y el error aumenta rápidamente. El tiempo inicial de secado al aire puede mejorar eficazmente la precisión de los datos.
(3) Densidad aparente verdadera
Según los diferentes métodos de medición, la densidad se puede dividir en dos formas: densidad aparente y densidad verdadera. Al medir la densidad aparente, el volumen incluye los volúmenes del capilar interno y de la hendidura, mientras que ocurre lo contrario con la densidad real. En el trabajo práctico, la densidad aparente se usa ampliamente. Por ejemplo, este parámetro debe usarse al calcular las reservas de carbón y metano de las capas de carbón. La ecuación (1) se puede utilizar para convertir la densidad base seca al aire en densidad base de campo. Como se muestra en la Figura 3,
Los efectos de la oxidación y el secado excesivo en diferentes contenidos de gas de referencia.
Progreso en la tecnología de metano de capas de carbón de China: Actas del Simposio académico sobre metano de capas de carbón de 2011.
Entre ellos, ρ in situ es la densidad básica de ρ in situ, g/cm3; ρad es la densidad básica del secado al aire, g/cm3 es la humedad base del secado al aire; humedad de equilibrio.
Como se puede observar en la Figura 3, cuanto mayor es el tiempo de secado al aire, menor es la densidad aparente del secado al aire debido a la evaporación continua del agua, mientras que mayor es la densidad aparente del secado al aire in situ. secado al aire Esto se debe principalmente al hecho de que la base de secado al aire es causada por la diferencia creciente entre el agua y el agua de equilibrio Em. La tasa de cambio de la densidad aparente básica in situ es de 1,70 ~ 4,23, lo que muestra una tendencia de crecimiento logarítmico.
Figura 3 Efectos de la oxidación y el secado excesivo sobre la densidad
(4) Recursos in situ
El método volumétrico se utiliza para calcular la cantidad de recursos in situ recursos La fórmula es la siguiente:
Progreso de la tecnología de metano de lecho de carbón de China: Actas del Simposio académico de metano de lecho de carbón de 2011.
Entre ellos: GIP es el recurso in situ, 108 m3; a es el área, km2h es el espesor de la veta de carbón, m es la densidad aparente promedio, g/cm3 es el contenido promedio de gas; , m3/t
Cabe señalar que cada parámetro de la fórmula (2) debe seleccionarse o convertirse en datos de prueba en las mismas condiciones de referencia, como base seca al aire, base seca sin cenizas o base seca sin cenizas. base in situ. Para facilitar la comparación, se seleccionan datos de campo para participar en el cálculo. Se puede ver en la Figura 4 que la oxidación seca tiene un mayor impacto en el cálculo de los recursos de metano de capas de carbón de bajo rango, y la tasa de cambio de recursos muestra una tendencia de crecimiento logarítmico. Suponiendo que el área del bloque es de 1000 km2, el espesor de la veta de carbón es de 20 m, la densidad y el contenido de gas son los anteriores, el rango de variación de recursos calculado es 3,65, 438 0 ~ 9,5, que es esencialmente una combinación de incertidumbre en la densidad y el contenido de gas.
Figura 4 El impacto de la oxidación y el secado excesivo en los recursos.
(5) Características de adsorción
Las isotermas de adsorción de carbón y roca son la base para evaluar la capacidad de adsorción, la saturación de adsorción y la presión crítica de desorción. Suele caracterizarse por el modelo de Langmuir, cuyos principales factores de influencia incluyen las características de calidad del carbón, componentes microscópicos, estructura de poros, temperatura y presión. El secado excesivo y la oxidación de las rocas de carbón de bajo rango discutidas en este artículo afectan principalmente las características de adsorción de las rocas de carbón al cambiar el contenido de humedad en equilibrio y la estructura de los poros. Como se muestra en la Figura 5, cuanto mayor es el tiempo de oxidación excesiva, mayor es la cantidad de adsorción, con una tasa de cambio de 12 a 72. La saturación de adsorción correspondiente disminuye, con una tasa de cambio de 7 a 22; la presión crítica de desorción disminuye, con una tasa de cambio de 11 a 22.
Figura 5 Efectos de la oxidación y el secado excesivo sobre la capacidad de adsorción
3 Discusión
3.1 El secado excesivo es el principal factor que afecta la medición del rango bajo rocas de carbón, seguido de oxidación.
Las rocas de carbón de bajo rango expuestas al aire durante mucho tiempo se oxidarán y se secarán en exceso, lo que provocará grandes errores en los resultados de las pruebas. Entre ellos, el secado excesivo es el principal factor que influye, y la oxidación sólo tiene un mayor impacto en los resultados del análisis elemental. El carbón de bajo rango está dominado por mesoporos y macroporos, y una gran cantidad de microporos pueden adsorber y condensar alta humedad. Cuanto más largo sea el tiempo de secado al aire, mayor será la evaporación del agua y mayor será la desviación entre el valor medido real de la humedad de equilibrio y el valor teórico, lo que dará como resultado los resultados de las pruebas de densidad y contenido de aire del in- La base in situ es demasiado grande y los resultados del contenido de aire calculado son demasiado optimistas.
Las rocas de carbón de bajo rango reaccionan fácilmente con el oxígeno del aire. Un gran número de experimentos químicos han confirmado que la estructura no aromática de las moléculas de carbón se destruye por primera vez durante el contacto entre el carbón y el oxígeno. Las estructuras no aromáticas incluyen principalmente enlaces puente y cadenas laterales, además de cicloalcanos y heterociclos. Según la teoría de la química orgánica, el análisis de la estructura no aromática de las moléculas de carbón muestra que los cicloalcanos y los compuestos heterocíclicos son químicamente estables y no reaccionan fácilmente con el oxígeno del aire a temperaturas y presiones normales. Las cadenas laterales son más susceptibles a la oxidación que los enlaces puente porque los enlaces puente se ven muy afectados por los anillos aromáticos y otros grupos o estructuras. Se especula que la oxidación tiene un mayor impacto en los componentes microscópicos y el poder calorífico del carbón de bajo rango. Sin embargo, el impacto de la oxidación como factor único no estuvo involucrado en este estudio y aún debe estudiarse más en el futuro.
3.2 Los cambios en la humedad de equilibrio son los principales factores que afectan a su capacidad de adsorción, seguidos de la estructura de los poros.
En general, se cree que, sin considerar otros factores, la capacidad de adsorción de la roca de carbón es inversamente proporcional al contenido de humedad de equilibrio y directamente proporcional a la superficie específica. Durante el proceso de secado y oxidación, el efecto sinérgico de la pérdida de agua en los poros y la reacción de oxidación cambia la estructura de los poros y la morfología de la roca de carbón, provocando que la superficie específica disminuya continuamente.
Tabla 2 Resultados de pruebas de superficie específicas de muestras comparativas
Figura 6 Efectos de la oxidación y el secado excesivo en la distribución del tamaño de los poros
4 Conclusión
El secado excesivo y la oxidación tienen un gran impacto en el contenido de gas y la capacidad de adsorción del carbón de bajo rango, que se manifiesta principalmente en los siguientes aspectos: (1) Algunos grupos alquilo con estructuras no aromáticas en las moléculas de la superficie del carbón. Cadenas laterales, enlaces puente y Los grupos funcionales que contienen oxígeno pueden generar fácilmente calor de oxidación con el oxígeno del aire, destruir la estructura original de las moléculas de carbón y cambiar las características de calidad del carbón y las características de los poros del carbón.
(2) Cuanto mayor sea el tiempo de secado de las muestras de carbón de bajo rango, mayor será la pérdida de agua, lo que dará como resultado mayores resultados de cálculo del contenido de gas base in situ y de la densidad base in situ, y el recurso la cantidad está sobreestimada.
(3) El secado y la oxidación excesivos conducen a la redistribución de la estructura de poros original de la roca de carbón. La proporción de mesoporos y macroporos es grande, lo que reduce la capacidad de adsorción de la roca de carbón. Al mismo tiempo, la reducción del contenido de agua mejora la capacidad de adsorción de la roca de carbón. El efecto combinado de los dos hace que la capacidad general de adsorción de la roca de carbón sea mayor, lo que da como resultado una subestimación de la saturación de adsorción y las perspectivas de desorción por reducción de presión.
Para mejorar la precisión de las pruebas de carbón y roca de bajo rango, se recomienda lo siguiente:
(1) Para cada proceso de extracción de núcleos y pruebas en la exploración de carbón de bajo rango , se deben formular procedimientos estrictos. El manejo, la preparación y el almacenamiento de muestras deben estandarizarse para evitar la oxidación y el secado excesivo de las rocas de carbón.
(2) Al evaluar la geología de bajo nivel y calcular los recursos de metano de yacimientos de carbón, es necesario comprender completamente todo el proceso de prueba de carbón y roca, distinguir la autenticidad y confiabilidad de los datos y seleccionar valores. cuidadosamente.
Referencia
Qian Kai, Lin, Zhang Guangwu. 2009. Proceso de industrialización del metano en capas de carbón de China y sugerencias de desarrollo [J]. Geociencia del gas natural (06)
[2] Wang Hongyan, Liu Honglin, Zhao Qingbo, etc. 2005. Reglas de agregación y enriquecimiento de metano en capas de carbón [M]. Beijing: Petroleum Industry Press.
, Chen Chunfang, Jiang, Deng Hucheng,. 2009. Características geológicas y últimos avances del metano de capas de carbón de bajo rango en China [J]. Ciencia y tecnología del carbón, (08)
Zhao Qingbo et al. Geología de metano de lechos de carbón y tecnología de exploración y desarrollo. Beijing: Petroleum Industry Press[M]
[5] Diamond W.P y Levine J.r. Determinación directa del contenido de gas en carbón: Procedimiento y resultados. Informe de investigación 8515, Departamento del Interior de EE. UU., Oficina de Minas, Washington, DC.
[6] Mavor M J, Pratt T J y Britton R N1994. . Métodos mejorados para determinar el contenido total de gas, Volumen 1, Resumen de datos de desorción de gas en tanques, Informe del Instituto de Investigación de Gas No. GRI-93/0410, Chicago, IL, mayo de 2005.
[7] Testa SM y Pratt TJ 2003. Preparación de muestras para la evaluación de recursos de carbón y gas de esquisto; documento 0356, 2003 Simposio internacional sobre metano de lechos de carbón, Tuscaloosa, AL, 12 p