页岩对CO2的绝对吸附量及其影响因素试验研究.pdf

第 45 卷第 8 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 8 2020 年8 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug. 2020 移动阅读 汤积仁,张靖,卢义玉,等. 页岩对 CO2的绝对吸附量及其影响因素试验研究[J]. 煤炭学报,2020,4582838- 2845. TANG Jiren,ZHANG Jing,LU Yiyu,et al. Absolute adsorption capacity of shale on CO2and its influencing factors[J]. Journal of China Coal Society,2020,4582838-2845. 页岩对 CO2的绝对吸附量及其影响因素试验研究 汤积仁1,2,张 靖1,2,卢义玉1,2,王相成1,2,陈侠宇1,2,周建坤1,2,陆朝晖3 1. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400030; 2. 重庆大学 复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室,重庆 400030; 3. 重庆地质矿产研究院 页岩气勘探开发国家地方联合工程研究中心,重庆 401120 摘 要为研究页岩在 CO2作用下达到吸附平衡过程中对 CO2的绝对吸附量na及其影响因素, 考虑吸附相体积和页岩体积应变两个因素对吸附系统自由空间体积的影响,基于质量守恒原理推 导了适用于“阶段平衡法”的 CO2绝对吸附量计算模型。 利用自主研发的“高温高压页岩吸附膨胀 仪”开展了 0 16 MPa CO2压力下页岩吸附-变形试验,结合试验计算结果分析了 CO2质量注入 量、吸附相体积、试件体积应变 3 个因素对 na的影响。 结果表明低 CO2压力下使用该模型计算的 na值与常规绝对吸附量经验公式计算结果较为一致,当 CO2压力高于4 MPa 时 CO2绝对吸附量的 计算值明显大于经验公式计算结果,且差值随平衡压力升高而逐渐变大;拟合结果显示na与 CO2 平衡压力满足指数函数关系。 由 CO2质量注入量因素所引起的吸附量占 na的比例随平衡压力升 高持续降低;由吸附相体积因素所引起的吸附量占 na的比例随平衡压力升高而增加,在平衡压力 高于 6 MPa 后达到 50以上,吸附相体积因素成为影响 na的主导因素;由 CO2质量注入量与吸附 相体积因素所引起的吸附量占 CO2绝对吸附量的 95以上,而页岩体积应变因素所引起的吸附量 对 na的影响较小,占 na的比例始终位于5以下,但对其他吸附质如煤而言,吸附 CO2产生的体积 变形量可达试件体积的 10,此时体积应变因素将对 na产生较为显著的影响。 关键词CO2强化页岩气开采;CO2地质封存;CO2绝对吸附量;吸附相体积;体积应变 中图分类号P618． 13 文献标志码A 文章编号0253-9993202008-2838-08 收稿日期2019-05-20 修回日期2019-09-12 责任编辑韩晋平 DOI10. 13225/ j. cnki. jccs.2019.0676 基金项目国家重大科技专项资助项目2017ZX05049-003-011;国家自然科学基金杰出青年基金资助项目51625401;重庆市自然科学基 金资助项目cstc2018jcyjAX0542 作者简介汤积仁1984,男,河南信阳人,副教授,博士生导师。 Tel023-65106640,E-mailjrtang2010163． com Absolute adsorption capacity of shale on CO2and its influencing factors TANG Jiren1,2,ZHANG Jing1,2,LU Yiyu1,2,WANG Xiangcheng1,2,CHEN Xiayu1,2,ZHOU Jiankun1,2,LU Zhaohui3 1. State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control,Chongqing University,Chongqing 400030,China; 2. National 3. National and Local Joint Engineering Research Center of Shale Gas Explora- tion and Development,Chongqing Geology and Mineral Research Institute,Chongqing 401120,China AbstractIn order to study the absolute adsorption capacity na of CO2on shale and its influencing factors in the process of achieving adsorption equilibrium under the action of CO2,the calculation model of absolute adsorption ca- pacity of CO2suitable for “stage equilibrium ” was deduced based on the principle of mass conservation,con- sidering the influence of two factors of adsorption phase volume and shale volume strain on the free space volume of adsorption system. The shale adsorption-deation test under the pressure of 0-16 MPa CO2was carried out with the self-developed “high-temperature and high-pressure shale adsorption expander”. The effects of three factors on nawere analyzed,including CO2mass injection quantity,adsorption phase volume and specimen volume strain. The results show that the navalue calculated by this model under low CO2pressure is consistent with the calculation result of con- 第 8 期汤积仁等页岩对 CO2的绝对吸附量及其影响因素试验研究 ventional empirical ula of absolute adsorption amount,when the CO2pressure is higher than 4 MPa,the calculated value of absolute adsorption capacity of CO2is obviously larger than that calculated by the empirical ula,and the difference increases gradually with the increase of equilibrium pressure. The fitting results show that naand CO2bal- ance pressure satisfy the exponential function relation. The proportion of the adsorption amount of nacaused by the CO2 mass injection quantity factor continues to decrease with the increase of equilibrium pressure. The proportion of the ad- sorption amount of nacaused by the adsorption phase volume factor increases with the increase of equilibrium pres- sure. After the equilibrium pressure is higher than 6 MPa,it reaches more than 50. The adsorption phase volume be- comes the dominant factor affecting na. Adsorption caused by mass injection of CO2and volume of adsorption phase ac- counts for more than 95 of absolute adsorption of CO2,while the adsorption amount caused by shale volume strain has little influence on naand the proportion of nais always below 5,but for other adsorbents such as coal,the volume deation of CO2adsorption could reach 10 of the sample volume. At this time,the volume strain factor will have a significant impact on na. Key wordsCO2enhanced shale gas production;CO2geological storage;absolute adsorption capacity of CO2;adsorp- tion phase volume;volume strain 随着对全球气候变暖课题的持续研究[1],CO2捕 集与埋存技术CCS被认为是实现 CO2减排,控制 全球气候变暖的主要途径[2]。 页岩气储层渗透率极 低,对 CO2拥有较强的吸附能力[3],同时又能促进 CH4的解吸提高页岩气采收率[4],是进行 CO2封存 的较理想盖层[5-6]。 吸附态气体占页岩储层气体总 储量的 20 85 [7],页岩储层对 CO 2 的吸附能力 是决定 CO2能否长期稳定封存的重要因素之一,因 此开展页岩储层对 CO2吸附能力的研究势在必行。 2013 年,美国能源部部署 7 个“区域碳封存伙伴 关系RSCPs”研究和发展 CO2封存技术[8-9]。 国内 外学者研究得出 CO2在页岩储层中有 3 种存在形 式[1,10-11]① 自由状态处于孔隙、裂隙中;② 溶解状 态处于岩层流体中;③ 吸附状态存在于有机质孔隙、 黏土矿物中。 本文主要研究以状态③ 存在于页岩中 的 CO2含量。 JONATHAN S 等[12]研究指出,页岩层存封 CO2 能力与地层厚度、 孔隙度、 有基质丰度等相 关。 KANG S M 等[13]对页岩进行三维孔隙建模,将进入 页岩孔隙网络的 CO2分为吸附状态和自由状态两部 分,模拟得出在页岩有基质孔隙中,吸附状态的 CO2 占 97 以上, 页岩对 CO2吸附能力与平衡压力 呈 Langmuir 关系。 MICHAEL 等[14]对美国 Marcel- lus Shale 储层 CO2封存能力进行模拟计算得出吸附 状态的 CO2封存能力达 0． 92 Mt/ km2,但未从 Gibbs 吸附的角度分析其吸附行为。 周来等[15]考虑煤的体 积变形对煤过剩吸附量的影响,提高了过剩吸附量的 拟合效果,但未对绝对吸附量进行研究。 周尚文 等[16]阐明了页岩吸附 CH4过剩吸附量与绝对吸附量 的差异,且考虑吸附相体积对绝对吸附量的影响并对 其进行了校正,但忽略了页岩的体积应变对绝对吸附 量的影响。 故国内外研究以过剩吸附量为主,对绝对 吸附量研究较少,且只考虑了吸附相体积对绝对吸附 量的影响,因此为了准确计算页岩对 CO2的绝对吸 附量,应综合考虑多方面因素对绝对吸附量的影响。 基于上述,笔者从 Gibbs 吸附的角度分析,研究 页岩对 CO2吸附能力,在前人研究基础上,综合考虑 吸附相体积和试件体积变形量对吸附系统自由空间 体积的影响,推导绝对吸附量计算模型,研究页岩对 CO2的绝对吸附量并对影响其绝对吸附量的因素进 行分析,并对深入探索 CO2提高页岩气采收率CO2- EGR技术提供参考。 1 试验样品特征 试验页岩样品取自四川宜宾市下志留统龙马溪 组页岩,已测得 5 组样品平均有机碳含量TOC、镜 质组反射率Ro和孔隙率分别为 3． 45,2． 54 和 3． 91,均满足我国页岩气储层核心评价标准[17]。 已测得页岩样品矿物分析结果见表 1,孔隙特征如图 1 所示。 表 1 样品矿物分析结果 Table 1 Composition and properties of shale 黄铁矿斜长石方解石黏土矿物白云石石英 3． 103． 8511． 8016． 8224． 3240． 11 2 试验设备及方案 2． 1 试验设备及方案 试验设备为重庆大学自主研发的“高温高压页 9382 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 1 页岩试件平均孔径分布 Fig． 1 Distribution of shale specimen’s pore size 岩吸附膨胀仪”。 主要由恒温水浴系统、主体试验系 统、应变测量系统、数据采集系统 4 部分组成,系统原 理图如图2 所示。 恒温水浴系统控温在5 95 ℃,控 温精度0． 5 ℃,内设循环水泵保证整个水浴温度的 均匀和平稳。 主体试验系统置于恒温水浴中,主要由 参考室、吸附室、温度传感器美国 Omega 公司 PR- 21 系列,精度0． 15 ℃、压力传感器美国 Omega 公 司 PX-409 系列,量程 0 24． 13 MPa,精度为满量程 的 0． 03等构成。 利用此设备可实现不同温度条 件下单组分气体煤岩粉末等温吸附试验、多组分 混合气体煤岩粉末等温吸附试验、块状煤岩吸附- 解吸及变形试验等。 图 2 试验系统示意 Fig． 2 Schematic diagram of test equipment 试验过程中,试验气体通过增压泵美国 Tele- dyne ISCO 公司 260D 系列注入参考室,待气体温度 稳定至设定温度后打开参考室与吸附室间的阀门,气 体进入吸附室。 应变测量系统通过应变仪东华 DH3818 型, 量程 19 999 10 -6 , 准确度为示值的 0． 5实时采集电阻应变片应变数据。 研究 表 明, 我 国 页 岩 气 储 层 平 均 埋 深 约 为 3 000 m[18],地层温度、压力条件能够达到 CO2临 界状态31． 04 ℃,7． 38 MPa。 因此本文所有试验均 在 35 ℃恒温条件下完成。 笔者使用 CO2气体对 3 组页岩试样进行等温吸 附-变形试验,试验流程如图 3 所示。 实验过程中受 试验设备精度影响,确定以 0． 3 h 内应变值保持稳定 为变形达到平衡的标志,以 1． 0 h 内气体压力下降值 小于压力传感器精度0． 007 MPa为吸附平衡标志, 即认为此时吸附速度和脱附速度相等,表观吸附速度 为 0,达到吸附平衡。 图 3 吸附试验流程 Fig． 3 Procedure of adorption test 2． 2 试验过程 2． 2． 1 试件制备 从同一块页岩垂直层理方向取 ϕ50 mm100 mm 圆柱试件。 在打磨机上将其两端磨平,依次用 180, 600,1 000,2 000 目的砂纸将试件表面打磨光滑,放 入恒温箱中干燥 24 h。 测量试件尺寸、质量电子天 平 FA 2004 型后将试件放入密封袋中保存备用,经 打磨处理后的试样如图 4 所示。 图 4 试验样品 Fig． 4 Test samples 2． 2． 2 试验准备 检查试验装置气密性。 向参考室、吸附室中注入 17 MPa 氦气,恒温状态下保压 12． 0 h,平均 1． 0 h 内 压降不超过压力传感器的精度240． 03 MPa视 为气密性良好。 用 He 气两阶段压力平衡法标定吸 附室体积。 2． 2． 3 试验过程 1从密封袋取出试样,沿径向、轴向用胶水各 贴两片应变片,待胶水凝固后将应变片连接至应变采 0482 第 8 期汤积仁等页岩对 CO2的绝对吸附量及其影响因素试验研究 集仪。 将装入试样的吸附室密封后放入35 ℃恒温水 浴中,接好各气体管路。 对吸附系统抽真空至相对真 空度稳定至-0． 098 MPa。 2静置 24 h 使主体试验系统和吸附室中样品 充分受热。 3先向参考室充入一定量的 CO2气体,压力稳 定后打开参考室与吸附室间的阀门,进行等温吸附试 验,直至吸附平衡。 4陆续升高 CO2气体压力,重复步骤2,3 直至平衡压力达 16 MPa。 3 试验结果及分析 3． 1 页岩绝对吸附量计算模型 MASTER K J 等[19]根据吉布斯吸附相的定义,提 出气体绝对吸附量计算式为 na∫ Vaρardr 1 式中,na为绝对吸附量;Va为吸附相体积;ρa为吸附 相密度;r 为吸附相与固体相表面的距离。 将吸附相密度取平均值 ρad后式1可化简为 na n ap/ 1 - ρg ρad 2 式中,nap为过剩吸附量;ρg为不同压力点下实验气体 的密度。 式2为计算绝对吸附量经验公式,这种计算方 法未考虑吸附相体积和试件体积变形对吸附系统自 由空间体积的影响。 现在考虑吸附相体积,及试件体积变形对自由空 间体积的影响,对页岩绝对吸附量推导如下。 基本参数CO2物质的量为 M,页岩样品质量 为 m,体积为 V,吸附室、参考室体积为 Vx,Vc。 设第 i-1i≥2次吸附平衡时,主体相压力为 Pi-1,吸附室 内主体相密度为 ρi-1,CO2吸附相体积为 Vai-1,试件 体积应变为 εi-1;再次注入 CO2后达到第 i 次吸附平 衡时,参考室密度为 ρci,吸附平衡后主体相压力为 Pi,密度为 ρi,吸附相体积为 Vai,试件体积应变为 εi,吸附量为 nai。 对比学者们对吸附相密度的研究[14,20-21],笔者 采用 Van der Waals 气体状态方程中体积修正项 b 值 计算单组分气体吸附相密度值 ρad M b RTc 8Pc 3 式中,Tc为气体临界温度;Pc为气体临界压力;R 为 气体状态常数,取 8． 314。 得到 CO2吸附相密度 ρad为 1 028 kg/ m3。 第 i 次吸附平衡过程中注入的 CO2气体质量 Δmi V cρci - ρ i-1 吸附过程开始前系统主体相和吸附相的总质量 Mi-1 ρ i-1[Vx V c - V1 εi-1 - Vai-1] ρadVai-1 吸附达到平衡后系统主体相和吸附相的总质量 Mi ρ i[Vx V c - V1 εi - Vai] ρadVai 由质量守恒原理有 Mi M i-1 Δmi 联立得到压力 Pi处吸附相体积 Vai Δmi- ρi - ρ i-1ΔV ρad - ρ i ρad - ρ i-1 ρad - ρ i Vai-1 ρiεi - ρ i-1εi-1 ρad - ρ i V4 其中, ΔV Vx V c - V。 则压力 Pi处 CO2绝对吸附 量 nai为 nai Vaiρad Mm 5 将式4代入式5,得到 Pi处页岩绝对吸附量 计算式 nai ρad Mmρad - ρ i {[Δmi- ρi - ρ i-1ΔV] ρad - ρ i-1Vai-1 [ρiεi- ρi-1εi-1V]} 6 运用式4可迭代计算各平衡压力下页岩吸附 相体积,将式4结果代入式5得到各平衡压力下 页岩对 CO2的绝对吸附量计算模型式6。 观察发现式6由 3 部分构成,分别体现了新注 入气体质量 Δm因素 1,压力点 Pi-1处吸附相体积 Va因素 2,以及试件体积应变 ε因素 3对压力 Pi 处绝对吸附量 nai的影响。 3． 2 绝对吸附量与 CO2压力关系 试验测得应变与压力和时间的关系如图 5 所示。 由图 5 可以看出,页岩在不同 CO2压力的作用下具 有相似的变形趋势,即变形大致可以分为 3 个变形阶 段短暂压缩阶段,缓慢膨胀阶段,变形稳定阶段。 为探讨各压力条件下达到吸附平衡所需要的时 间,测得 3 组页岩试件吸附平衡实验结果如图 6 所 示,在 CO2压力为 0． 86 9． 43 MPa,页岩的吸附平衡 时间为 8． 4 22． 8 h。 页岩对 CO2吸附平衡时间随 CO2平衡压力升高呈现吸附平衡时间在 0． 86 6． 27 MPa 内随着平衡压力升高而增加;当 CO2平衡 压力达到临界压力附近时,平衡时间急剧减小, 7． 36 MPa 时平衡时间最短,为 9． 3 h;继续升高平衡 压力,吸附平衡时间再次增加。 由 3． 1 节式6可知,计算页岩对 CO2绝对吸附 1482 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 5 页岩吸附 CO2的线应变与压力和时间的关系曲线 Fig． 5 CO2-induced linear strain on shale as function of time and pressure 图 6 吸附平衡时间-CO2压力关系曲线 Fig． 6 Relationship between adsorption equilibrium time and CO2pressure 量 na需要的参数有页岩试样基本物理参数、各平衡 压力下 CO2密度、及各平衡压力下体积变形量 ε。 CO2密度 ρci,ρi-1,ρi为压力和温度的函数,采用 国际标准技术研究所NIST提供的方法计算。 试件 体积变形量 ε 由平行层理、垂直层理方向线应变 εx, εy计算,采用文献[22]的计算方法,有 ε 2εx ε y 7 其中,ε 为体积应变;εx为轴向应变;εy为径向应变。 膨胀变形值为正,压缩变形值为负。 但是受页岩基质非均质性,应变片未严格按垂 直、平行层理方向布置等因素影响,页岩应变测量值 εx,εy存在一定误差。 为使页岩体积应变计算结果 更具代表性,运用敖翔等[23]对页岩体积应变与 CO2 密度满足 SDR 模型的研究成果,将 3 个试件体积应 变、CO2密度数据代入 SDR 模型进行拟合,并采用拟 合值对体应变测量值进行修正,使体积应变数据更接 近实际值。 SDR 模型如式8所示,经拟合发现试验 数据与模型有较高拟合度,拟合结果如图 7 和表 2 所 示,具体拟合参数见表 2,R2为相关系数,表征试验数 据与拟合函数之间的吻合程度;D 代表页岩吸附 CO2 的膨胀系数;K 为 CO2在页岩上的可溶解度。 ε εmaxe -D[lnρad/ ρi]2 - Kρi 8 其中,εmax为理想状态下的最大变形量。 为研究 CO2 绝对吸附量与平衡压力的关系,将上述计算结果代入 式6,得到 3 个试件在各 CO2平衡压力下的 CO2绝 对吸附量 nai。 分别使用多项式函数、Langmuir 函数、 指数函数对 CO2绝对吸附量数据拟合,结果见表3。 图 7 页岩体积变形量拟合 Fig． 7 Fitting of volume deation curve 表 2 三试样体积应变拟合结果 Table 2 Volume strain fitting results of three samples 样品εmaxDK/10 -4 R2 试件 12． 098 10． 042 82． 656 80． 997 9 试件 22． 059 50． 043 83． 547 80． 988 4 试件 31． 909 50． 035 32． 477 60． 982 6 表 3 CO2绝对吸附量与平衡压力 P 关系 Table 3 Functions between CO2absolute adsorption capacity and equilibrium pressure 函数类别函数式R2 指数函数na-0． 3630． 363expP/13． 2250． 974 8 二次函数na0． 029 3P0． 001 63P20． 946 3 一次函数na0． 1170． 056 1P0． 934 1 Langmuir na2 0822． 19410 -5 P / 12． 19410 -5 P 0． 890 9 对比表 3 分析可知,在测压范围内,用指数函数 表达 CO2绝对吸附量与平衡压力关系时 R2达到 0． 974 8,相对较为合理,拟合结果如图 8 所示。 3． 3 CO2绝对吸附量影响因素分析 为进一步分析页岩对 CO2绝对吸附量的构成及 影响因素,根据式6的结构特点将 nai分解为由注 入系统 CO2质量增量因素因素1、压力 Pi-1处吸附 相体积因素因素 2、试件体积应变因素因素 33 者引起的 CO2吸附量叠加而成。 对本次试验的 3 组 试样,分别计算这 3 个因素所引起的吸附量,和 CO2 视吸附量,并将试验实测数据代入学者 MASTER K J 提出的式2计算 CO2绝对吸附量,与本文计算结果 进行对比,结果如图 9 所示。 2482 第 8 期汤积仁等页岩对 CO2的绝对吸附量及其影响因素试验研究 图 8 CO2绝对吸附量与平衡压力关系拟合 Fig． 8 Fitting curve between absolute adsorption of shale and the pressure of CO2 由图 9 可知,使用学者 MASTER K J 提出的方法 计算出的 CO2绝对吸附量,在数值上与因素 1 所引 起的吸附量十分接近,而 MASTER K J 的计算方法正 是未考虑吸附相体积和试件体积变形两个因素对吸 附系统自由空间体积的影响而得出的,这印证了本文 在只考虑因素 1 时而得到的 CO2绝对吸附量的准确 性。 吸附达到平衡过程中 CO2吸附相体积的增加, 页岩试件的体积膨胀变形都将导致吸附系统中主体 相的体积自由空间减小,因此忽略因素 2、因素 3 的影响而计算出的 CO2的绝对吸附量仅在吸附相体 积 Va和试件变形量 ε 均十分微小的低压阶段较准 确,在 Va和 ε 对主体相体积影响较大的高压阶段将 产生较大误差。 由图 9 可以看出,本文的绝对吸附量 计算结果,CO2视吸附量以及 MASTER K J 计算结 果,3 者在 CO2压力低于 4 MPa 时较接近,3 者差值 随平衡压力升高而逐渐变大。 使用本文推导的公式 计算 CO2绝对吸附量时对 3 个影响因素进行了全面 考虑,更接近绝对吸附量的真实值。 图 9 页岩 CO2绝对吸附量组成结构 Fig． 9 Components of absolute adsorption of CO2on shale samples 试件在压力 Pi-1处达到吸附平衡后,要在更高压 力 Pi处达到新的吸附平衡,在 35 ℃恒温条件下,只 有向吸附系统注入新的 CO2气体才能实现主体相升 压,进一步发生吸附作用,可见因素 1 是绝对吸附量 增加的根本动力。 吸附相体积因素 2和试件体积 应变量因素3随 CO2平衡压力的升高而不断变化, 直接引起主体相体积改变,间接导致 CO2绝对吸附 量的改变。 图 10 为平衡压力下由因素 1、因素 2、因素 3 所 引起的吸附量占总 CO2绝对吸附量的百分比。 可以 看出,因素 1 对绝对吸附量 na的影响随平衡压力的 升高而不断减小,因素 2 对 na的影响随平衡压力升 高不断增加,因素 3 对 na的影响随平衡压力升高先 增大后减小。 图 10 各因素引起的吸附量占 CO2绝对吸附量比例 Fig． 10 Ratio in CO2absolute adsorption amount of each factor 3482 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 因素 1 是导致页岩对 CO2绝对吸附量 na增加的 根本动力,CO2注入系统后首先使主体相压力升高, 促使 CO2分子进入页岩深部孔隙发生吸附作用,观 察图 11 可知,CO2注入量与因素 1 引起的吸附量增 加量随平衡压力升高呈现出相似的变化规律,且 na 增加量与 CO2注入量间呈线性相关。 CO2注入量在 8 10 MPa 急剧增加是由于 CO2密度在此压力范围 内急剧升高所致。 图 11 CO2注入量与吸附量增量关系 Fig． 11 Relationship between CO2injection and adsorption capacity increment 为比较因素 1、因素 2 对 CO2绝对吸附量的影响 程度,将各平衡压力下由因素 1 和因素 2 所引起的吸 附量增量进行对比,如图 12 所示。 由图 12 可知, CO2吸附相体积随平衡压力升高快速增加,主体相体 积快速减小,造成 CO2绝对吸附量 na增加。 综合比 较可印证图10 中因素2 对 CO2绝对吸附量的影响在 Pi6 MPa 后将逐渐处于主导地位。 因素 2,3 均是通过“压缩”主体相体积的原理来 影响绝对吸附量的,因此可对比吸附相体积与页岩体 积变形量来分析 2 者对 CO2绝对吸附量 na的影响程 度。 页岩吸附相体积、体积应变与平衡压力关系如图 13 所示。 吸附相体积随平衡压力升高不断增大,在 Pi10 MPa 时可达页岩试件体积的 3． 5 以上;而页 岩体积应变最大不足页岩试件体积的 0． 2,相同平 衡压力下 CO2吸附相体积是页岩体积变形量的 4 30 倍,导致因素 3 所引起的吸附量占 CO2绝对吸附 量的比例不足 5。 但对其他吸附质如煤而言,吸附 图 12 因素 1,2 引起的 CO2吸附量增量对比 Fig． 12 Effects on CO2adsorption increment of factor one/ two 图 13 因素 2,3 对主体相体积影响对比 Fig． 13 Effects on CO2main phase volume of factor two/ three CO2产生的体积变形量可达试件体积的 10,此时 因素 3 将对 CO2绝对吸附量 na产生较为显著的影 响。 这为进一步准确计算 CO2绝对吸附量从而评价 CO2地质埋存能力提供重要参考。 4 结 论 1考虑吸附相体积和试件体积应变对吸附系统 自由空间的影响,推导了适应于“阶段平衡法”的 CO2 绝对吸附量计算模型。 模型显示页岩对 CO2的绝对吸 附量主要由3 部分构成,分别受注入系统的 CO2质量 Δmi因素1,压力 Pi处吸附相体积 Vai因素2和试 件体积应变量 ε因素33 个因素影响。 2平衡压力低于 4 MPa 时,页岩对 CO2绝对吸 附量与 CO2视吸附量相差较小,压力高于 4 MPa 后 页岩对 CO2的绝对吸附量远高于 CO2视吸附量;使 用多种函数对 CO2绝对吸附量与平衡压力关系进行 拟合,结果显示,页岩对 CO2绝对吸附量与平衡压力 间 呈 良 好 的 指 数 函 数 关 系 na- 0． 363 0． 363expP/13． 225,R2 0． 974 8。 4482 第 8 期汤积仁等页岩对 CO2的绝对吸附量及其影响因素试验研究 3由因素 1、因素 2 引起的吸附量占 CO2绝对 吸附量的 95 以上,由因素 3 引起的吸附量占 CO2 绝对吸附量比例不足 5。 随 CO2平衡压力升高,因 素 1 所引起的吸附量占 na的比值呈下降趋势,其对 CO2绝对吸附量的影响逐渐减弱;吸附相体积的快速 增长使得因素 2 逐渐成为影响 na的主导因素;由于 页岩体积应变量十分微小,最大不足页岩试件体积的 2． 0‰,因此因素 3 对 na的影响较小。 参考文献References [1] KEITH DAVID W. 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