張成林,劉 嘎,萬超凡,李鵬飛

(1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 生產(chǎn)運(yùn)行部,陜西 西安 710018; 2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司 第二采氣廠,陜西 榆林 719000)

引 言

大量研究表明[1-4],相比CH4和C2H6,CO2可以在頁巖顆粒表面形成更強(qiáng)吸附層,具有更大的吸附量和更快的吸附速率。評(píng)價(jià)頁巖對(duì)CO2的吸附能力是準(zhǔn)確判斷CO2能否在頁巖中長(zhǎng)期穩(wěn)定封存的先決條件。目前,大部分計(jì)算吸附氣含量的方法主要是采用Langmuir方程擬合等溫吸附實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),但楊兆彪等[5]通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由吸附數(shù)據(jù)計(jì)算出的視吸附量并不能反映真實(shí)吸附量,由視吸附量計(jì)算的氣儲(chǔ)量遠(yuǎn)低于實(shí)際儲(chǔ)量。周來等[6]考慮煤體積變形對(duì)煤過剩吸附量的影響,提高了過剩吸附量的擬合效果,但未對(duì)絕對(duì)吸附量進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)頁巖吸附的研究主要集中在過剩吸附量上,鮮少考慮絕對(duì)吸附量與過剩吸附量的差異,且大多研究也只考慮了巖石體積變形對(duì)吸附的影響,鮮少考慮吸附相體積變化對(duì)吸附量的影響。除此之外,由于頁巖對(duì)CO2的吸附能力受儲(chǔ)層熱力學(xué)參數(shù)、巖石性質(zhì)和流體性質(zhì)等的影響,很難對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。Pan等[7]和朱陽升等[8]研究發(fā)現(xiàn),提高CO2注入壓力可以增大吸附量,但并非注入壓力越高吸附量越大,而是存在一個(gè)最佳注入限度。而關(guān)于溫度對(duì)CO2吸附的影響則存在一定爭(zhēng)議,通常,溫度升高不利于CO2吸附,但一些學(xué)者[9-10]認(rèn)為,溫度升高會(huì)導(dǎo)致壓力隨之上升,還會(huì)引發(fā)黏土礦物膨脹酥松,膠結(jié)度減弱產(chǎn)生裂縫,有利于CO2吸附。目前,大部分對(duì)影響因素的研究主要集中在壓力和溫度上,鮮有學(xué)者研究黏土礦物含量、頁巖顆粒形態(tài)和CO2注入相態(tài)類型的影響。因此,筆者在考慮CO2吸附相體積對(duì)吸附量影響的基礎(chǔ)上,建立了CO2絕對(duì)吸附量計(jì)算模型。結(jié)合重量法等溫吸附實(shí)驗(yàn)獲得了延長(zhǎng)組長(zhǎng)7頁巖樣品的CO2絕對(duì)吸附量,并分析了多因素對(duì)CO2絕對(duì)吸附量的影響,為評(píng)價(jià)目標(biāo)區(qū)頁巖CO2封存效果及埋存潛力提供了依據(jù)。

1 CO2絕對(duì)吸附量計(jì)算模型

通常在吸附實(shí)驗(yàn)中,頁巖顆粒填入高壓容器后,顆粒與顆粒間、以及顆粒與壁面之間都會(huì)存在一定的空隙。CO2在吸附過程中就會(huì)在空隙中形成吸附相和未吸附相,吸附相和未吸附相均會(huì)占據(jù)一定體積,其之間關(guān)系為

Vvoid=Vad+Vuad。

(1)

式中:Vvoid為空隙體積,cm3;Vad為CO2形成吸附相體積,cm3;Vuad為CO2未吸附相體積,cm3。

CO2吸附量分為絕對(duì)吸附量和吉布斯吸附量,其中兩種吸附量在計(jì)算方法上最大的差別主要是對(duì)未吸附CO2量的計(jì)算。吉布斯吸附量的計(jì)算方法忽略了吸附相所占體積,導(dǎo)致CO2吸附量偏低,表達(dá)式[11]為:

nGa=ntotal-nvoid;

(2)

nvoid=VvoidρCO2。

(3)

式中:nGa為吉布斯吸附摩爾數(shù),mol;ntotal為注入的CO2總摩爾數(shù),mol;nvoid為空隙中CO2的摩爾數(shù),mol;ρCO2為空隙中CO2的密度,g/cm3。

而在絕對(duì)吸附量的計(jì)算方法中則考慮了吸附相所占體積,因而相比于吉布斯吸附量,絕對(duì)吸附量更大,且更加準(zhǔn)確,其表達(dá)式為:

nAa=ntotal-nuad;

(4)

nuad=VuadρCO2。

(5)

式中:nAa為絕對(duì)吸附摩爾數(shù),mol;nuad為未吸附相CO2的摩爾數(shù),mol;ρCO2為CO2密度,g/cm3。

注入CO2的總摩爾數(shù)可以采用

(6)

計(jì)算。式中:P0為注入泵中CO2壓力,MPa;△V為泵與容器之間的變化體積,cm3;Z0為注入壓力和溫度下CO2的壓縮系數(shù);R為氣體常數(shù),8.314 J/mol·K。

可以采用Charoensuppanimit等[12]提出的關(guān)系式

(7)

來計(jì)算吉布斯吸附中未吸附CO2的量。式中:nGuad為吉布斯吸附中未吸附CO2的摩爾數(shù),mol;P1為體系膨脹后的壓力,MPa;Z1為體系膨脹后P1壓力下CO2的壓縮系數(shù)。

根據(jù)式(7)中吉布斯未吸附CO2量,結(jié)合式(1)可以計(jì)算出吉布斯CO2吸附量,然后采用式

(8)

將吉布斯吸附量與絕對(duì)吸附量進(jìn)行聯(lián)立,進(jìn)而可以由吉布斯吸附量計(jì)算出絕對(duì)吸附量[11]。式中:ρa(bǔ)d為吸附層CO2密度,g/cm3。該值通常采用常壓沸點(diǎn)下CO2的液體密度[13]。

此外,在吸附實(shí)驗(yàn)開始前,需對(duì)高壓容器內(nèi)腔的空隙體積進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定介質(zhì)為氦氣,選擇氦氣是因?yàn)槠涠栊詺怏w,可以模擬理想氣體,且氦氣為小分子,擴(kuò)散系數(shù)大,可以穿透微小孔徑的孔隙,最重要的是頁巖對(duì)氦氣的吸附量非常小,不會(huì)影響頁巖基質(zhì)?；跔顟B(tài)方程,空隙體積的表達(dá)式為:

(9)

式中:Ph0為注入泵中氦氣初始?jí)毫?MPa;△V為泵與容器之間的變化體積,cm3;Zh0為初始?jí)毫蜏囟认潞獾膲嚎s系數(shù);Ph1和Ph2為體系膨脹前、后氦氣的壓力,MPa;Zh1和Zh2為體系膨脹前、后氦氣壓力對(duì)應(yīng)的氦氣壓縮系數(shù)。

2 CO2吸附實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

頁巖樣品取自鄂爾多斯盆地甘泉地區(qū)延長(zhǎng)組頁巖,清洗烘干后分別采用氦氣法和脈沖衰減法測(cè)定頁巖樣品的孔隙度和滲透率。并從頁巖巖心上切下2 mm切片研磨至325目大小的顆粒,采用X射線衍射實(shí)驗(yàn)分析各頁巖樣品的黏土礦物類型及含量。目標(biāo)儲(chǔ)層頁巖樣品孔隙度7.3%～10.4%,滲透率(0.001 3～0.005 6)×10-3μm2,有機(jī)碳含量(TOC)2.2%～3.2%,成熟度較高,在2.16%～3.42%之間。X射線衍射結(jié)果顯示,礦物組成以石英、長(zhǎng)石和黏土礦物為主,平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為33.7%、16.5%和36.2%,其中黏土礦物又以高嶺石和伊利石為主,平均相對(duì)含量分別達(dá)到44.6%和28.3%。吸附實(shí)驗(yàn)所用CO2純度為99.99%,氦氣純度為99.999%。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器

吸附實(shí)驗(yàn)的核心裝置為全自動(dòng)磁懸浮天平重量法高壓氣體吸附儀(RuboSORP Static-3V型,圖1),樣品桶中可容納100 g樣品,樣品最大直徑達(dá)70 mm,能夠無接觸實(shí)時(shí)測(cè)定樣品的重量變化?？蓽y(cè)溫度范圍為-196.15～200 ℃,可測(cè)壓力范圍為0.1～60 MPa,可耐酸性氣體的腐蝕。ISCO雙缸柱塞泵(260DX型),流速范圍0.001～107 mL/min,壓力范圍0～7 500 psi。此外,所需儀器還有中間容器(體積500 mL,耐壓100 MPa,耐溫200 ℃)、錘子、研缽和研杵,用以手動(dòng)研磨頁巖巖心,篩網(wǎng)(四種尺寸35、50、100和325目,分別對(duì)應(yīng)顆粒粒徑500、300、150和45 μm),壓力傳感器(精度0.001 MPa)等。

圖1 CO2吸附實(shí)驗(yàn)裝置及流程Fig.1 CO2 adsorption experimental device and process

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)采用氦氣作為注入介質(zhì),在40 ℃恒定溫度下,測(cè)定高壓氣體吸附儀空樣品桶中氦氣在不同壓力下的天平讀數(shù),并采用線性關(guān)系擬合不同壓力下的天平讀數(shù)(△m)與氦氣密度,獲得樣品桶的質(zhì)量msc和體積Vsc;

(2)用錐子將頁巖樣品敲碎后,放入研缽中用研杵將碎裂的頁巖研磨至所需粒度,研磨過程需輕微且緩慢,以防止顆粒外濺的同時(shí)避免研磨過快造成溫度上升,對(duì)頁巖中的黏土礦物產(chǎn)生影響;

(3)分別用35、50、100和325目的篩網(wǎng)篩選出不同粒徑的頁巖顆粒(對(duì)應(yīng)),然后分別稱取約3 g的不同粒徑樣品放入樣品桶中,升溫至實(shí)驗(yàn)溫度,并從高壓吸附儀閥門處對(duì)樣品桶和樣品抽真空6 h,以充分去除水分和空氣;

(4)將氦氣再次注入樣品桶,測(cè)定步驟(1)中相同氦氣壓力下的天平讀數(shù),并采用線性關(guān)系擬合不同壓力下的天平讀數(shù)與氦氣密度,獲得樣品的質(zhì)量ms和體積Vs;

(5)對(duì)樣品桶和樣品抽真空6 h,然后注入CO2開展不同實(shí)驗(yàn)條件下的吸附實(shí)驗(yàn),并根據(jù)式

Δm=Fb/g=msc+ms+mab-(Vsc+Vs+Vab)ρg,

(10)

即

mab=Δm-msc-ms+(Vsc+Vs+Vab) ρg

(11)

計(jì)算CO2吸附質(zhì)量mab。磁懸浮天平稱量的讀數(shù)是樣品桶質(zhì)量、樣品質(zhì)量以及吸附氣質(zhì)量、樣品桶浮力、樣品浮力以及吸附氣所受浮力共同作用的結(jié)果。式中:△m為天平稱量的讀數(shù),g;Fb為天平的拉力,N;g為重力加速度,m/s2;msc為樣品桶質(zhì)量,g;ms為頁巖樣品質(zhì)量,g;mab為CO2吸附質(zhì)量(即吉布斯吸附量),g;Vsc為樣品筒體積,cm3;Vs為頁巖巖心體積,cm3;Vab為吸附相體積,cm3;ρg為不同壓力下CO2密度,g/cm3。

(6)每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)測(cè)定3次,取3次測(cè)定值的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,對(duì)樣品桶重新抽真空6 h,然后改變實(shí)驗(yàn)條件,開始下一組實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 影響因素分析

3.1.1 黏土礦物含量

為了評(píng)價(jià)頁巖中黏土礦物含量對(duì)CO2吸附量的影響,從目標(biāo)頁巖樣品中選取黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大的4塊頁巖樣品開展CO2吸附實(shí)驗(yàn)。每組實(shí)驗(yàn)所用頁巖顆粒粒徑均為150 μm,實(shí)驗(yàn)溫度40 ℃、CO2注入壓力9 MPa。圖2為CO2吸附量與黏土礦物含量的關(guān)系,從圖中可知,隨著目標(biāo)頁巖中黏土礦物含量增加,頁巖吸附能力和CO2吸附量均不斷增大,當(dāng)黏土礦物含量低于16.4%時(shí),CO2吸附量變化幅度較小,而當(dāng)黏土礦物含量大于16.4%時(shí),CO2吸附量的增加幅度較大。這是由于頁巖對(duì)CO2的吸附主要在有機(jī)碳的活性部位, 當(dāng)黏土礦物含量增加時(shí),頁巖中的有機(jī)碳含量也會(huì)相應(yīng)增大[14]。相比于其他礦物,黏土礦物具有更大的比表面積,能夠增加吸附CO2的位置,增大吸附量。此外,隨著頁巖中黏土礦物含量增加,絕對(duì)吸附量與吉布斯吸附量之間的差值也在不斷增大(3次平行實(shí)驗(yàn)的測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定性較高,誤差范圍在5%以內(nèi)),這是因?yàn)轲ね恋V物含量增加,CO2吸附相體積也隨之增大,由于吉布斯吸附量未考慮吸附相體積的影響,導(dǎo)致其與絕對(duì)吸附量的差值不斷增大。結(jié)合掃描電鏡結(jié)果(圖3)可知,目標(biāo)頁巖中黏土礦物主要以高嶺石和伊利石為主,其中在諸多頁巖樣品中觀察到層片狀高嶺石(圖3(a)),以及針葉狀和散片狀的伊利石填充于粒間孔內(nèi)(圖(3b)),導(dǎo)致頁巖總孔隙度增加的同時(shí)提高了CO2吸附表面積。

圖2 CO2吸附量與黏土礦物質(zhì)量含量的關(guān)系Fig.2 Relationship between CO2 adsorption capacity and clay mineral content of shale

圖3 掃描電鏡下頁巖黏土礦物類型及形態(tài)Fig.3 Types and morphology of clay minerals in shale under scanning electron microscope

3.1.2 CO2注入壓力

圖4為5種不同注入壓力下CO2吸附量對(duì)比,每組實(shí)驗(yàn)所用頁巖顆粒粒徑均為150 μm,黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.1%,實(shí)驗(yàn)溫度40 ℃。從圖中可以看出,3次平行實(shí)驗(yàn)的測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定性較高,誤差小于3%。隨著CO2注入壓力的升高,CO2吸附量不斷增大,當(dāng)注入壓力由6 MPa升高至9 MPa時(shí),絕對(duì)吸附量由1.43 cm3/g增大至2.38 cm3/g,提高幅度達(dá)66.4%。當(dāng)注入壓力由9 MPa依次增至12 MPa和15 MPa時(shí),CO2絕對(duì)吸附量的提高幅度僅為11.7%和5.8%。這是由于隨著注入壓力的增加,CO2分子的壓縮性增加,自由相CO2密度快速增加,使CO2在頁巖顆粒表面的吸附由單層吸附快速過渡到多分子層吸附,導(dǎo)致吸附量增加。而當(dāng)注入壓力大于9 MPa后,CO2分子之間的排斥力逐漸增強(qiáng),導(dǎo)致吸附量增幅開始逐漸降低。

此外,當(dāng)注入壓力小于12 MPa時(shí),由于CO2吸附相體積隨注入壓力的增加而增大,主體相體積快速減小,造成絕對(duì)吸附量與吉布斯吸附量的差值不斷增大。而當(dāng)注入壓力由12 MPa增至15 MPa時(shí),絕對(duì)吸附量與吉布斯吸附量的差值開始減小,這是因?yàn)殡m然注入壓力增加,CO2注入量增大,但由于分子間排斥力增強(qiáng),并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位,導(dǎo)致吸附相體積增幅減小,造成絕對(duì)吸附量與吉布斯吸附量的差值不斷減小。綜上可知,注入壓力主要是通過改變吸附相體積,壓縮主體相體積來影響CO2絕對(duì)吸附量。

3.1.3 注入CO2相態(tài)類型

由于礦場(chǎng)實(shí)施注CO2時(shí),受到諸多條件限制,CO2注入的溫度和壓力均存在很大的波動(dòng),而在不同溫度和壓力條件下,CO2的相態(tài)類型和性質(zhì)也存在明顯差異,進(jìn)而對(duì)CO2吸附能力產(chǎn)生影響。分別選取氣態(tài)(40 ℃、3 MPa)、液態(tài)(25 ℃、9 MPa)和超臨界態(tài)(40 ℃、9 MPa)的CO2作為注入介質(zhì),對(duì)比不同相態(tài)類型對(duì)CO2吸附量的影響(圖5)。每組實(shí)驗(yàn)所用頁巖顆粒粒徑均為150 μm,黏土礦物含量為36.1%。3次平行實(shí)驗(yàn)的測(cè)定結(jié)果差異很小,誤差小于3%。從圖中可以看出,氣態(tài)CO2的絕對(duì)吸附量最低,僅為1.18 cm3/g,其次為超臨界態(tài),而液態(tài)CO2狀態(tài)下的絕對(duì)吸附量最大,達(dá)到2.54 cm3/g。此外,CO2在液態(tài)、超臨界態(tài)和氣態(tài)的絕對(duì)吸附量與吉布斯吸附量之間的差值分別為0.14、0.11和0.04 cm3/g,呈降低趨勢(shì),這一方面是由于CO2在不同相態(tài)下的注入壓力不同,另一方面由于CO2在液態(tài)、超臨界態(tài)和氣態(tài)的密度分別為0.823、0.651和0.192 g/cm3,當(dāng)CO2密度增大時(shí),將會(huì)有很多的CO2被吸附到頁巖表面,導(dǎo)致CO2吸附相體積和絕對(duì)吸附量增加。

圖5 不同CO2相態(tài)類型下吸附量對(duì)比Fig.5 Adsorption capacity of shale to CO2 of different phase states

3.1.4 儲(chǔ)層溫度

溫度是頁巖儲(chǔ)集層的固有性質(zhì),是實(shí)際埋存中無法調(diào)整的因素,但研究溫度對(duì)CO2吸附的影響對(duì)優(yōu)選和評(píng)價(jià)CO2驅(qū)油及埋存試驗(yàn)區(qū)具有重要意義。圖6為4種不同溫度(其中60 ℃為目標(biāo)儲(chǔ)層溫度)下CO2吸附量對(duì)比,每組實(shí)驗(yàn)所用頁巖顆粒粒徑均為150 μm,黏土礦物含量為36.1%,注入壓力9 MPa。3次平行實(shí)驗(yàn)的測(cè)定結(jié)果穩(wěn)定性較高,誤差小于5%。圖中可知,溫度升高不利于CO2吸附,CO2吸附能力與溫度呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。同時(shí),隨著溫度的降低,絕對(duì)吸附量與吉布斯吸附量之間的差值依次在減小,分別為:0.13,0.11,0.10,0.08,這主要是因?yàn)闅怏w吸附相密度和表面覆蓋度隨溫度增加而降低,在低溫條件下CO2分子具有的能量低,CO2分子無法擺脫分子與分子間形成的作用力,且低溫下CO2密度相對(duì)較大。而當(dāng)溫度升高后,CO2分子的熱運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng),一方面導(dǎo)致分子間作用力無法鎖住CO2分子,另一方面不利于CO2分子進(jìn)入孔徑尺寸較小的微孔?？梢钥闯龅蜏貎?chǔ)層更有利于進(jìn)行CO2吸附和埋存,但低溫對(duì)絕對(duì)吸附量的影響更大。

圖6 不同儲(chǔ)層溫度下CO2吸附量對(duì)比Fig.6 CO2 adsorption capacity of shale at different reservoir temperatures

3.1.5 頁巖顆粒粒徑

在吸附實(shí)驗(yàn)中,粉碎研磨后的小顆粒能否代表頁巖巖心是評(píng)價(jià)目標(biāo)儲(chǔ)層頁巖吸附效果的一個(gè)關(guān)鍵因素。圖7為4種不同顆粒粒徑頁巖CO2吸附量對(duì)比,每組實(shí)驗(yàn)所用頁巖質(zhì)量為5.73 cm3,黏土礦物含量為36.1%,實(shí)驗(yàn)溫度40 ℃、注入壓力9 MPa。3次平行實(shí)驗(yàn)的測(cè)定結(jié)果差異性很小,誤差小于2%。從圖7可以看出,隨著顆粒粒徑的增大,CO2絕對(duì)吸附量整體上呈不斷下降趨勢(shì),但實(shí)際上4種粒徑顆粒的CO2絕對(duì)吸附量相差很小,說明頁巖顆粒的粒徑對(duì)CO2吸附量影響較小,研磨后的頁巖顆粒可以代表整塊頁巖巖心的吸附能力。這主要是由于頁巖顆粒粒徑減小,導(dǎo)致孔隙體積減小,但顆粒的比表面積卻大幅增大,雖然CO2的吸附面積增大,但吸附層厚度在變薄,最終導(dǎo)致吸附量變化較小。然而對(duì)比發(fā)現(xiàn),絕對(duì)吸附量與吉布斯吸附量之間的差值卻隨粒徑的減小而減小。LIU和WILCOX[15]研究表明,微小孔內(nèi)CO2分子以單層吸附為主,呈體積填充形態(tài),而較大孔隙內(nèi)CO2分子則以多分子層吸附為主,呈表面覆蓋的形態(tài)。說明較大孔隙內(nèi)CO2的絕對(duì)吸附量受吸附相厚度和密度的影響更大。此外,在實(shí)驗(yàn)過程中筆者還發(fā)現(xiàn),頁巖顆粒粒徑的大小會(huì)影響達(dá)到吸附平衡時(shí)所需的時(shí)間,顆粒粒徑越小,所需平衡時(shí)間越長(zhǎng)。

3.2 不同頁巖CO2吸附能力對(duì)比

為進(jìn)一步評(píng)估目標(biāo)區(qū)頁巖開展CO2吸附及埋存的可行性,分別對(duì)比了公開文獻(xiàn)中已成功實(shí)施CO2封存頁巖區(qū)塊的絕對(duì)CO2吸附量(已將文獻(xiàn)中的吉布斯吸附量通過式(8)換算成絕對(duì)吸附量,見表1)。從表中可知,與實(shí)際頁巖相比,純材料的活性炭和沸石具有非常好的吸附能力,其中活性炭對(duì)CO2的吸附能力達(dá)到50 cm3/g以上,這說明黏土礦物以外的某些礦物也具有極高的吸附能力,倘若頁巖中含有這類物質(zhì),將會(huì)顯著提高頁巖的吸附能力。此外,與國(guó)內(nèi)外其他區(qū)塊頁巖吸附能力相比(由于吸附量受溫度和壓力影響,只做了近似比較),目標(biāo)區(qū)頁巖CO2吸附能力與法國(guó)中南部的上托阿爾階頁巖吸附能力均較高且較為相近,40 ℃、5～6 MPa下CO2吸附量分別為1.43和1.75 cm3/g,25 ℃、5 MPa下的CO2吸附量均能達(dá)到2 cm3/g以上。其次為國(guó)內(nèi)的樺甸頁巖和龍馬溪組頁巖,吸附量均有所降低。美國(guó)woodford頁巖的CO2吸附能力最差。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[18-21]可知,對(duì)比區(qū)塊頁巖吸附CO2能力的差異主要與有機(jī)質(zhì)含量和礦物組成及含量有關(guān),其中上托阿爾階頁巖中黏土礦物平均含量達(dá)到40%以上,以伊利石和綠泥石為主,與目標(biāo)區(qū)頁巖中黏土礦物含量最為接近。通過對(duì)比國(guó)內(nèi)外區(qū)塊頁巖的CO2吸附能力,不但能夠驗(yàn)證本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果,還能便于我們參考已成功實(shí)施CO2封存的頁巖區(qū)塊的CO2吸附和埋存情況,為目標(biāo)區(qū)頁巖的CO2埋存提供參考。對(duì)比結(jié)果顯示,研究區(qū)目標(biāo)頁巖是一個(gè)極具潛力的CO2儲(chǔ)存場(chǎng)地。

表1 國(guó)內(nèi)外不同頁巖CO2吸附量對(duì)比Tab.1 Comparison of CO2 adsorption capacity of different shale at home and abroad

4 結(jié) 論

(1)基于質(zhì)量守恒原理,在考慮吸附相體積對(duì)吸附系統(tǒng)自由空間體積影響的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了絕對(duì)吸附量與吉布斯吸附量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式,建立了頁巖CO2絕對(duì)吸附量計(jì)算模型。

(2)液態(tài)CO2比氣態(tài)和超臨界態(tài)具有更高的吸附量,CO2吸附量隨注入壓力的增加先快速增大后趨于穩(wěn)定,隨溫度的升高而降低。但受顆粒粒徑尺寸的影響較小,說明研磨后各種粒徑尺寸的頁巖顆粒均可代表頁巖巖心進(jìn)行吸附模擬實(shí)驗(yàn)。

(3)CO2絕對(duì)吸附量大于吉布斯吸附量,兩者的差值與多種影響因素有關(guān),隨頁巖黏土礦物含量和頁巖顆粒粒徑的增加而增大,隨儲(chǔ)層溫度的降低而降低,隨CO2注入壓力的增加先增大后減小。當(dāng)CO2為液態(tài)時(shí)兩者差值最大,其次為超臨界和氣態(tài)。

(4)目標(biāo)區(qū)頁巖CO2吸附能力與已成功實(shí)施封存的法國(guó)上托阿爾階頁巖吸附能力相近且吸附量較高,是一個(gè)極具潛力的CO2儲(chǔ)存場(chǎng)地。