Un nuevo método de cálculo numérico para predecir el gas residual
(Sucursal Langfang del Instituto de Investigación de Exploración y Desarrollo del Petróleo de China, Langfang 065007, Hebei)
Resumen: Se encontraron los siguientes problemas en la prueba de campo del contenido de gas de la veta de carbón: ① Use lento Cuando se utiliza el método de desorción para medir el contenido de gas de las vetas de carbón de bajo rango, el pequeño contenido de gas residual puede hacer que el método convencional no obtenga resultados o cause grandes errores (2) Cuando se utiliza el método de desorción rápida para determinar el contenido de gas del metano del lecho de carbón, el método de triturar la muestra de carbón para probar el gas residual puede provocar una pequeña pérdida de metano del lecho de carbón, el resultado del gas residual es bajo. Por lo tanto, es necesario establecer un método de cálculo numérico para la predicción de gases residuales, fortalecer la comparación entre la medición real y los resultados numéricos y mejorar la precisión y confiabilidad de las pruebas del contenido de gas. Haciendo referencia a la fórmula de Langmuir que describe el proceso de adsorción, tomando la cantidad de desorción correspondiente a la cantidad de adsorción y el tiempo de desorción correspondiente a la presión de adsorción, y combinando los datos del análisis experimental, se propone un nuevo método de cálculo numérico para predecir el gas residual. Al compararlo con los datos medidos reales, se cree que este método tiene alta precisión y buena estabilidad, puede obtener con precisión resultados de gas residual en condiciones de bajo contenido de gas y mejora efectivamente la eficiencia de las pruebas de contenido de gas in situ.
Palabras clave: Método de cálculo del contenido de gas residual en vetas de carbón, método de ajuste de la curva de Langmuir
Proyecto de financiación: Evaluación y selección de bloques de metano de lechos de carbón favorables en China (Nº 2008ZX05033-005) , Proyecto principal nacional de ciencia y tecnología "Grandes campos de petróleo y gas y desarrollo de metano en capas de carbón" Proyecto 33 Subproyecto "Investigación sobre leyes de enriquecimiento de metano en capas de carbón y predicción y evaluación de bloques favorables".
Acerca del autor: Liu Pingtong, nacida en 1957, mujer, ingeniera senior, dedicada principalmente a la investigación experimental sobre metano en yacimientos de carbón. Correo electrónico: liuping69@petrochi-na.com.cn Tel: (010) 69213353.
Nuevo método de cálculo numérico para predecir el gas residual
Sun Fenjin, Chen, Deng Zegeng, Meng Zenghe
(Sucursal Langfang del Instituto de Investigación de Exploración y Desarrollo del Petróleo, Langfang, Hebei 065007)
Resumen: Se encontraron los siguientes problemas durante las pruebas in situ del contenido de gas de la veta de carbón: (1) Al medir el contenido de gas de la veta de carbón usando el método de desorción lenta, una pequeña cantidad de gas residual puede causar que los métodos convencionales no produzcan resultados o tengan grandes desviaciones (2) ) Cuando se utiliza el método de desorción rápida para determinar el contenido de gas de la veta de carbón, triturar la muestra de carbón para probar el gas residual provocará la pérdida de una pequeña cantidad; de gas de veta de carbón, lo que resulta en un bajo resultado de gas residual. Por lo tanto, se debe establecer un método de cálculo numérico para predecir el gas residual para fortalecer la comparación entre los resultados de las mediciones reales y los resultados de los cálculos numéricos, y mejorar la precisión y confiabilidad de las pruebas del contenido de gas. Basándose en la ecuación de Langmuir-Rham que describe el proceso de desorción, se propone un nuevo método de cálculo numérico para predecir el gas residual comparando la cantidad de desorción y la cantidad de adsorción, el tiempo de desorción y la presión de adsorción, y combinando datos de análisis experimentales. Mediante un análisis comparativo con datos medidos reales, se concluye que este método tiene alta precisión y buena estabilidad, y puede obtener resultados de gas residual con mayor precisión en condiciones de bajo contenido de gas, mejorando así la eficiencia del trabajo de las pruebas de contenido de gas in situ.
Palabras clave: contenido de metano en capas de carbón; gas residual; método de cálculo; método de ajuste de la curva de Langmuir
Introducción
El contenido de metano en capas de carbón es una caracterización del almacenamiento de metano en capas de carbón. Los parámetros clave de las características de las capas y la obtención precisa del contenido de metano de los yacimientos de carbón son de gran importancia para la exploración y el desarrollo de los recursos de metano de los yacimientos de carbón y la prevención y el control de los desastres causados por el gas de las minas de carbón. Durante la prueba, el contenido de gas en la veta de carbón se dividió en tres partes: gas perdido, gas desorbido y gas residual. El volumen de gas perdido se calcula mediante regresión numérica, y el volumen de gas desorbido y el volumen de gas residual se obtienen mediante experimentos de desorción reales (Qian Kai et al., 1996, Wu Xiyan et al., 2005). Generalmente, el gas residual se puede obtener seleccionando y desorbiendo muestras residuales y triturándolas, pero en casos especiales, las pruebas directas no pueden cumplir con los requisitos de las pruebas de gases residuales. En respuesta a los problemas anteriores, este artículo discutirá en detalle las razones de esta situación especial y propondrá por primera vez un nuevo método para la predicción del gas restante basado en la fórmula de Langmuir.
1 Cuestiones especiales en las pruebas de gases residuales
Los académicos nacionales han investigado mucho sobre los métodos de medición y cálculo del contenido de gas de las vetas de carbón. Zhou y Xu Chengfa (1995, 2002 y 2005) encontraron a través de experimentos de simulación de desorción que la curva característica de desorción de las muestras de carbón durante todo el proceso tenía forma de S asimétrica. Creían que la cantidad de desorción de gas en la etapa inicial de desorción tiene una forma lineal. Se requiere corrección. Zhang Qun et al. (2009) encontraron que la pérdida de gas simulada medida era mucho mayor que la pérdida de gas estimada por el método directo de la Oficina de Minas de EE. UU.
Deng Ze et al. (2008) propusieron un método de ajuste de curvas para calcular el volumen de gas perdido analizando los efectos de la temperatura de desorción y el tiempo de pérdida en el experimento. Gao et al. (1999), Fu et al. (1999), Dong Hong et al (2001), et al. (2010), basándose en la respuesta física de registro de las vetas de carbón que contienen gas. de rocas de carbón que contienen gas y la densidad, gamma y diferencia de tiempo acústico. Con base en estadísticas de registro de pozos, Zhang Qun et al (1999) realizaron muchos análisis e investigaciones sobre el gas residual y creyeron que la proporción de gas residual en. El metano de las capas de carbón varía mucho, oscilando entre el 15% y el 30%. Afectado por factores como el rango del carbón, el contenido de cenizas y el tamaño de las partículas de la muestra de carbón, cuanto mayor sea el rango del carbón y el contenido de cenizas, mayor será el contenido de gas residual. Liu Honglin et al (2000) señalaron que parámetros como el rango del carbón, el contenido de cenizas, la temperatura, el tipo de componente microscópico, el grado de desarrollo de la escisión y el tamaño de las partículas de la muestra de carbón son factores importantes que afectan el tiempo de adsorción y determinan la proporción de gas residual. . Investigaciones anteriores se centraron principalmente en el cálculo de simulación del gas perdido, la predicción directa o indirecta del contenido total de gas y el análisis de factores que afectan la gravedad específica del gas residual, sin discutir en detalle el método de cálculo del gas residual.
En la actualidad, los métodos de prueba de contenido de gas comúnmente utilizados incluyen el método de desorción lenta y el método de desorción rápida. Existen algunos problemas en las operaciones de campo y las pruebas de gas residual, principalmente los siguientes: (1) Al medir el contenido de gas de vetas de carbón de bajo rango utilizando el método de desorción lenta, dado que el contenido de gas es generalmente pequeño y el gas residual es bajo, Es posible que los métodos convencionales no puedan medirlo directamente. El gas residual, o un valor de medición demasiado bajo puede aumentar el error. (2) Cuando se utiliza el método de desorción rápida para determinar el contenido de gas del metano del lecho de carbón, debido a la terminación artificial del gas natural; desorción y trituración de muestras de carbón para probar el gas residual, se puede perder una pequeña cantidad de metano del lecho de carbón, lo que resulta en gas residual. El resultado de la prueba es menor que el valor real y el contenido total de gas es menor. Por otro lado, debido al pequeño número de registros de desorción, la ley de desorción del carbón y la roca no se puede reflejar correctamente y no se pueden obtener parámetros clave como el tiempo de adsorción y la capacidad de difusión. En respuesta a los problemas anteriores, este artículo propone un nuevo método de cálculo numérico para el gas residual, a saber, el método de ajuste de la curva de Langmuir, en un intento de explorar el gas residual desde la perspectiva del cálculo numérico y resolver los problemas existentes.
Se proponen los factores que influyen en la gravedad específica del gas residual y el método de ajuste de la curva de Langmuir
2.1 Características de la curva de desorción de metano en capas de carbón
La Figura 1 muestra la curva de orden superior y de bajo orden La curva de desorción de la muestra. En la figura se puede ver que la cantidad de gas desorbido de las dos muestras aumenta con el tiempo, mostrando una forma de curva que es pronunciada al principio y luego se ralentiza. El punto de partida del registro de desorción es el momento en que la muestra de carbón se sella en el tanque de desorción. En este momento, dado que la presión de desorción es la presión atmosférica (mucho más baja que la presión crítica), el metano del lecho de carbón adsorbido en la superficie de los poros grandes y medianos se desorbe primero a través de un camino favorable, lo que resulta en una curva de desorción inicial pronunciada. Sin embargo, después del tiempo de adsorción (63,2%), a medida que avanza la prueba de desorción convencional, la concentración de gas en la matriz de carbón disminuye gradualmente y la fuerza impulsora para la difusión, es decir, el gradiente de concentración, también disminuye. Cada vez más gas no puede superar la resistencia a la difusión causada por los microporos y no puede ser desorbido del carbón (Zhou, 2002), y la curva gradualmente se vuelve plana. El metano desorbido del lecho de carbón en este momento es principalmente el gas que queda en la superficie microporosa de la matriz de carbón.
Figura 65438 Curvas de desorción +0 de carbón de rango alto (a) y bajo (b)
2.2 Análisis de los factores que influyen en la gravedad específica del gas residual
Residual gravedad específica del gas Se refiere al porcentaje de gas residual en el contenido total de gas. Los factores que influyen son principalmente el rango del carbón, el tamaño de las partículas de la muestra de carbón y el contenido de cenizas. Las diferentes filas de carbón tienen diferentes estructuras de brechas de roca. El carbón de bajo rango está dominado por poros grandes y medianos, lo que favorece la desorción y la difusión. Al mismo tiempo, la proporción de microporos es pequeña y la capacidad de retener gas residual es limitada, es decir, la gravedad específica del gas residual es pequeña. Por el contrario, los microporos del carbón de alto rango se desarrollan y el gas necesita superar una mayor resistencia a la difusión, lo que da como resultado que quede relativamente más metano en el lecho de carbón al final de la desorción natural; el carbón medio se encuentra en algún punto intermedio. El tamaño de las partículas de la muestra de carbón tiene un cierto impacto en la tasa de desorción. En términos generales, las tasas de desorción del carbón pulverizado, los recortes de carbón (recortes de perforación) y los núcleos de carbón (bloques) disminuyen en secuencia, el tiempo de adsorción aumenta y la retención de gas residual aumenta (Xu Chengfa et al., 2005). Cuanto más rota esté la muestra de carbón, más corta será la distancia de desorción y menor será la resistencia a la difusión, de modo que algunos gases que no se pueden desorber en las muestras de carbón en forma de columnas y grumos se desorben. Por lo tanto, cuanto menor sea el tamaño de partícula de la muestra de carbón, menor será la gravedad específica del gas residual. Además, a medida que aumenta el contenido de cenizas en el carbón, el contenido de gas residual aumenta gradualmente y existe una buena correlación positiva entre ambos. A través del estudio de la petrología del carbón y la microscopía electrónica de barrido, inicialmente se cree que esto se debe a que los minerales finos como los minerales arcillosos del carbón llenan los poros del carbón, lo que dificulta los canales de migración del gas en diversos grados y debilita la difusión y difusión de gas en el carbón. La capacidad de migración no favorece la desorción del gas del carbón. Además, la composición de la roca de carbón, la temperatura de prueba, etc. también tienen un cierto impacto en la gravedad específica del gas residual.
2.3 Método de ajuste de la curva de Langmuir
La fórmula de Langmuir se basa en el principio de equilibrio dinámico de vaporización y condensación. Su ecuación es sencilla y práctica, y ha sido ampliamente utilizada en la adsorción de gases por carbón y otros adsorbentes. Al mismo tiempo, basándose en el supuesto de equilibrio dinámico, esta ecuación también puede describir el proceso de desorción del metano de las capas de carbón. La adsorción y desorción de metano en capas de carbón generalmente se considera un proceso reversible, pero merece estudio si la fórmula de Langmuir adecuada para la adsorción de metano en capas de carbón puede describir bien la forma de su curva de desorción. Por lo tanto, basándose en la fórmula de Langmuir y mediante la transformación del significado de los parámetros, se propone un nuevo método para predecir el contenido de gas residual, y si es adecuado para el proceso de desorción se juzga mediante experimentos de ajuste.
La fórmula estándar de Langmuir es
Progreso de la tecnología de metano de lecho de carbón de China: Actas del Simposio académico de metano de lecho de carbón de 2011.
En la fórmula: V es la capacidad de adsorción, m3/t; p es la presión de adsorción, MPaVL es el volumen de Langmuir, es decir, la capacidad de adsorción máxima teórica, m3/t; presión, es decir, el volumen Al alcanzar 0,5 VL, la presión de adsorción correspondiente, MPa. Se puede observar que la cantidad de adsorción aumenta con el aumento de la presión. Cuando la presión se acerca al infinito, la cantidad de adsorción está infinitamente cerca de la cantidad máxima de adsorción, y la cantidad de desorción también aumenta con el aumento del tiempo de desorción. Cuando el tiempo de desorción se acerca al infinito, el volumen de gas desorbido también se acerca al valor máximo y tiende a ser estable, mostrando una curva similar a la curva de adsorción. Por tanto, el significado de las letras en la fórmula de Lang-Muir cambia, la cantidad de desorción corresponde a la cantidad de adsorción y el tiempo de desorción corresponde a la presión de adsorción, es decir, según las curvas de adsorción y desorción.
Progreso de la tecnología del metano de capas de carbón de China: Actas del Simposio académico sobre metano de capas de carbón de 2011.
En la fórmula: g es el volumen de desorción medido, m3/t; t es el tiempo de desorción medido, h; GL es el volumen límite de succión de la solución, m3/t es el volumen de desorción que alcanza 0,5; GL, h El tiempo de desorción medido se convierte en la fórmula (2) para obtener
Progreso de la tecnología de metano de lecho de carbón de China: Actas del Simposio académico de metano de lecho de carbón de 2011.
De acuerdo con los datos de desorción medidos, consulte la fórmula (3) para obtener el diagrama de relación correspondiente entre T/G y T, y obtenga el contenido límite de gas de desorción GL mediante ajuste. Debido a que GL es la suma de la cantidad medida de gas desorbido Q2 y la cantidad de gas residual Q3, la cantidad de gas residual se puede obtener mediante la siguiente fórmula.
Progreso de la tecnología del metano de capas de carbón de China: Actas del Simposio académico sobre metano de capas de carbón de 2011.
3 Aplicación de campo
El método de ajuste de la curva de Langmuir para calcular el gas residual se basa principalmente en datos de desorción in situ, y la confiabilidad de los resultados está limitada principalmente por el tiempo de desorción. Como se muestra en la Figura 2, cuanto mayor sea el tiempo de desorción, más suave será la curva de desorción y más confiable será el valor de predicción.
Durante las pruebas de un pozo de metano en una capa de carbón en la cuenca de Tuha, se descubrió que una gran cantidad de muestras de carbón de bajo rango tenían volúmenes de gas residual que eran demasiado bajos para ser medidos directamente o el error era demasiado grande. . Tomando la muestra A como ejemplo, se utilizó el método de ajuste de la curva de Langmuir propuesto en este artículo para calcular el gas residual en vetas de carbón de bajo rango y se lograron resultados satisfactorios. Como se muestra en la Figura 3, el volumen límite de gas de desorción previsto es 1,26 m3/t. Según la desorción medida Q2 = 1,24 m3/t, el volumen de gas residual es 0,02 m3/t y el coeficiente de correlación es superior a 0,99. Al mismo tiempo se obtuvo el diagrama de distribución de la gravedad específica del gas residual en la zona (Figura 4). La gravedad específica del gas residual osciló entre 0,10% y 4,35%, con un valor promedio de 0,94%.
En vista del posible aumento en el error de medición del gas residual en condiciones de desorción rápida, se utilizó el método de ajuste de la curva de Langmuir para ajustar y analizar los datos de desorción de 10 muestras en un pozo dentro de 48 horas, y se concluyó que el valor del gas residual. Como puede verse en la Tabla 1 y la Figura 5, los valores predichos son generalmente más altos que los valores medidos, con un promedio de 16% más altos. Esto muestra que en el método de desorción rápida in situ, las regulaciones para ingresar a la etapa de prueba de gas residual después de 48 horas son inapropiadas, lo que resulta en la pérdida de parte del metano de la capa de carbón durante este período, lo que tiene un cierto impacto en la pérdida de gas. volumen Q1 e incluso el contenido total de gas. Se recomienda extender el tiempo de desorción hasta que la curva de desorción sea plana o el aumento diario del volumen de desorción no supere el 10%. Además, el segundo muestreo también afectará la precisión de la prueba de gas residual. Se recomienda intentar tomar muestras de manera uniforme en el sitio, repetir la prueba al menos dos veces y tomar el promedio de dos conjuntos de datos similares como gas residual final.
Fig. 2 Curva de desorción medida de la muestra a
Fig. 3 Curva ajustada de la muestra a
Fig. 4 Distribución de gravedad específica del gas residual
Tabla 1 Resultados de medición de muestras de pozo
Continuación
Figura 5 Comparación de resultados de gas residual
4 Conclusión
(1 ) El principal problema existente en la prueba de gas residual es que, basándose en la ley de reversibilidad del proceso de adsorción y desorción de metano en capas de carbón, se propuso por primera vez un método de predicción de gas residual similar a la fórmula de Langmuir. Verificado mediante datos medidos in situ, este método tiene un alto grado de ajuste y un cierto grado de fiabilidad.
(2) En condiciones de desorción rápida, el valor de medición del gas residual es generalmente bajo. Se recomienda extender el tiempo de desorción hasta que la curva de desorción sea plana o el volumen de desorción diario no exceda el 10%, y Para mantener un muestreo uniforme y repetir la prueba al menos dos veces, tome el promedio de dos conjuntos de datos similares como valor residual final.
Referencia
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