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二氧化碳和氦气对煤润湿性的影响研究

时间:2019-9-20 编辑:Rubin

【土木专栏】二氧化碳和氦气对煤润湿性的影响研究

  煤的润湿性是研究煤储层的重要物化参数,煤的润湿性研究除在煤化工、煤矿开采及安全生产中的应用外,在煤层气开采中也具有重要意义。

  何谓润湿性?

  润湿性是指一种流体在有其他非混相流体存在时,其在固体表面流动和优先粘附或者润湿的能力。其基本原理是界面附近流体与固体、流体与流体分子间的相互作用。因此,在开采过程中准确快速判断煤的润湿性,对煤层气的增产有重要的指导意义。

  测定煤润湿性方法

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  煤润湿性常用测定方法

  上述各测定方法均存在一定的局限性,对于低孔低渗的煤样,通常以驱替为基础的离心泵法和Amott法,但驱替效果并不明显,且测量费时;另外,大多数方法针对的是液体的润湿性,而并不适用于气体的润湿性。这就需要一种新型、快速、无损的方法来弥补上述方法的不足。LF-NMR技术无疑为不二之选,可以通过观察核磁共振T2图谱中吸附水、毛管束缚水和自由水的状态之间相互转化,进而可以判断其润湿性的改变程度。

  核心观点:为研究煤对水、CO2和He气的相对润湿性,利用LF-NMR技术分析不同条件下的湿煤粉饱和水过程,同时采用不同性质的气体对饱和水煤粉进行气驱水试验,进一步探讨不同性质的气体对煤-水体系润湿性的影响。

  试验方法

  1.样品制作与试验过程

  选取低阶煤,镜质组最大反射率为0.81%。试验前,将煤样磨制呈200~250μm,放入110℃的空气干燥箱内干燥直至恒重,完成样品的预处理。具体实验流程如下图所示。

二氧化碳和氦气对煤润湿性的影响研究

  2.试验主要设备

  试验所采用的仪器为全直径岩心核磁共振成像分析系统,该仪器装置中的密封罐( 盛装湿煤粉) 以及高压样品罐( 盛装CO2和煤-水反应)均为无磁材料研制而成。试验具体参数设置详见文献。

  试验结果

  1.煤润湿性特征

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图1 湿煤粉自然饱和水过程中T2谱的变化曲线

   从图1中可以看出,随着煤粉吸水饱和时间的增加,毛管束缚水峰值向左偏移,峰面积逐渐减少,而吸附水峰面积则逐渐增大。
  从图1中可以看出,随着煤粉吸水饱和时间的增加,毛管束缚水峰值向左偏移,峰面积逐渐减少,而吸附水峰面积则逐渐增大。

  2.不同气体对煤润湿性的影响

二氧化碳和氦气对煤润湿性的影响研究

图2 湿煤粉在4MPa压力CO2条件下饱和水的T2谱变化曲线

  从上图可以看出,核磁共振T2谱为双峰结构,随着吸水时间的增加,吸附水峰的面积逐渐增加,毛管束缚水峰向左缓慢移动,峰面积有所降低,但不明显。

二氧化碳和氦气对煤润湿性的影响研究

  图3 湿煤粉在4MPa压力He条件下饱和水的T2谱变化曲线

  分析上图可知,在初始时刻为双峰结构,随着吸水时间的增加,吸附水峰面积逐渐增大,而毛管束缚水峰也向左缓慢移动,最后大部分消失转变为吸附水峰。

  不同条件下各相态水分含量之间是如何转变,及转变的程度如何,T2时间又是如何变化的,请看下图

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  图4 不同条件下各相态水质量分数和T2随时间变化

  3.饱和水煤粉的气驱替水试验-CO2气体驱替

二氧化碳和氦气对煤润湿性的影响研究

  图5 饱和水煤粉的CO2驱替试验的T2谱变化特征

  分析上图可知,当饱和水煤粉浸没在不同压力的CO2中时,煤粉的核磁共振T2谱图由初始饱和水的单峰结构变为明显的双峰结构。随着CO2气体压力增大,吸附水峰面积减小,同时形成一个新的毛管束缚水峰,并逐渐向右偏移,即煤中吸附水转变为毛管束缚水。当煤粉含水量增高,吸附水达到饱和的极限,多余的水则停留在毛管孔隙成为毛管束缚水。

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  图6 饱和水煤粉CO2驱替过程中吸附水和毛管束缚水质量分数和T2变化

  3.饱和水煤粉的气驱替水试验-He气体驱替

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  图7 He气驱替试验的T2谱特征曲线

  从上图可以看出,充入不同压力的He,饱和水煤粉的核磁共振T2谱基本不变。这表明,He气为一种非吸附性气体,不具备与水分子竞争吸附的能力,对煤的润湿性没有影响。

  5.实验结论

  (1)在水湿煤样中,CO2具有改变煤的水润湿性的作用,且在试验压力范围内随着CO2注入压力的增大,其作用增强。而氦气不具有改变煤水润湿性的能力。
  (2)不同性质的气体对煤的水润湿性改变的程度不同,主要是因为煤对不同气体的吸附能力不同造成的。
  (3)注入CO2气体会降低煤对水的润湿性,有利于煤储层水相渗透率的改善,对于提高煤层气采收率具有重要的实际意义。

  参考文献:

  陈基瑜,姚艳斌,孙晓晓,谢松彬,郭威.二氧化碳和氦气对低煤阶煤煤润湿性的影响研究[J].煤炭科学技术,2015,43(11):129-134.

  纽迈小编:小K.欢迎留言,索取原文!


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