Лаборатория компании «Sigra» оснащена всем необходимым для определения важных параметров, относящихся к гидродинамическим характеристикам пластов и к геомеханике.

Здесь можно проводить исследования механических свойств и прочности пород и угля с применением самых разнообразных средств и методов, включая методы одноосного, трехосного и гидростатического нагружения. Также возможно построение изотерм сорбции и определение изменений размерности углей и других пород-коллекторов, обладающих сорбционными свойствами, вследствие десорбции. Помимо этой работы проводятся стандартные исследования, в т.ч. анализ на содержание влаги и технический анализ угля.

ИЗОТЕРМЫ, ПОЛУЧАЕМЫЕ ПРИ ПОВТОРНОМ НАСЫЩЕНИИ ГАЗОМ УГЛЯ И ДРУГИХ КАРБОНАТНЫХ ПРОБ

Компания «Sigra» проводит исследования с получением в лабораторных условиях изотерм сорбции угольных образцов с применением чистых газов (обычно метана и иногда углекислого газа либо какого-либо другого газа при его наличии).

Образец может быть предоставлен заказчиком, однако обычно «Sigra» сама готовит репрезентативный образец конкретного пласта из керна, предоставленного в рамках процесса определения газоносности.

Образец разрушают, определяют содержание влаги, после чего взвешенный образец помещают в сосуд давления, из которого быстро откачивают воздух, а затем наполняют этот сосуд испытательным газом до достижения давления, превышающего пластовое. Дожидаются стабилизации давления, а затем выпускают газ и измеряют его объем. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто давление, близкое к атмосферному. Затем весь процесс можно повторить с применением другого газа. В конце аналогичным образом используют гелий, чтобы определить неэффективный объем сосуда давления. После этого сосуд открывают и фрагменты образца берут для проведения анализа на содержание влаги и технического анализа (см. ниже).

Изотерму анализируют на основе постоянных из уравнений Ленгмюра и логарифмических уравнений, полученных для суммарной массы и для беззольной массы.

Уравнения изотерм

«Sigra» составляет уравнения на основе измеренных динамических характеристик, подбора модели изотермы Ленгмюра (уравнение 1) и логарифмического соответствия (уравнение 2), где оценка погрешности основана на разности между моделированными и подобранными динамическими характеристиками. Сорбционные динамические характеристики угля иногда могут быть выражены с помощью той или иной модели. Протоколы таких исследований составляются на основе фактически полученных данных без их обработки, а также на основе беззольной массы.

(1)

(2)

где P = абсолютное давление

V = объем запасов (при STP) на единицу массы

PL = давление Ленгмюра (давление, при котором хранится ½ объема Ленгмюра)

VL = объем Ленгмюра (объем запасов при неопределенном давлении)

B = логарифм постоянной запаса

A = логарифм постоянной отношения запас / давление

Логарифмическое уравнение может очень четко демонстрировать изменение характеристик сорбции при определенном давлении, тогда как применение метода Ленгмюра не позволяет сделать таких выводов.

Пример соответствия регрессии по уравнению Ленгмюра и изотермической кривой

Тот же пример — подбор логарифмической регрессии и кривой

ИЗОТЕРМЫ ГАЗОВОЙ СМЕСИ

При необходимости «Sigra» может получать изотермы сорбции газовых смесей, состоящих из отдельных газообразных компонентов. Такие расчеты опираются на теорию идеального адсорбционного раствора (IAS).

Дутта А. 2009. Диффузия многокомпонентного газа и адсорбция в угле для улучшения дренажа метана. Кандидатская диссертация, Стэнфордский университет

Изотерма газовой смеси, полученная на основе теории IAS с помощью изотерм отдельных компонентов

ИЗОТЕРМЫ СОРБЦИИ В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

Изотермы сорбции в естественных условиях получают из керна, десорбция в котором начинается сразу после отбора пробы с использованием газовой смеси, присутствующей в естественных условиях. Поэтому при построении таких изотерм удается избежать проблем, связанных с изотермами на основе математической рекомбинации, полученными с использованием разных видов газа.

Процесс включает следующие действия: Керн отбирают прямо из колонковой трубы и помещают в сосуд давления, заполненный водой. Сосуд герметизируют и ожидают достижения равновесного состояния по давлению. Затем выпускают небольшое количество флюида (воды и газа) и измеряют его объем перед повторной герметизацией и повторным достижением равновесного давления. Этот процесс повторяют несколько раз до тех пор, пока давление не достигнет уровня, близкого к атмосферному. Готовят газовые пробы для анализа компонентного состава. Затем сосуд открывают, измеряют массу, объем угля и остаточное содержание воды, после чего угол измельчают для получения объема Q3. При этом обычно отбирают пробы для анализа на содержание влаги, карбонатов и для технического анализа угля.

Получение изотермы сорбции в естественных условиях — это очень длительный процесс. На достижение достаточной десорбции газовой смеси может уйти несколько месяцев. Также следует отметить, что в силу начальных потерь газа изотерма для естественных условий никогда не достигнет давления в пласте, соответствующего полной сорбции.

«Sigra» настоятельно рекомендует проводить исследования с получением изотерм сорбции в естественных условиях для всех случаев сложных газовых смесей. Этот процесс обеспечивает проверку данных по комбинации изотерм, полученных в лабораторных условиях, с применением теории идеального адсорбционного раствора (IAS).

Исследование проницаемости керна

В распоряжении «Sigra» имеется установка для испытаний на всестороннее сжатие, предназначенная для работы с кернами HQ (диаметром 63,5 мм) или HQ-3 (диаметром 60,9 мм). Осевая нагрузка на керн может создаваться независимо от радиального напряжения.

Однофазные исследования проницаемости с использованием газа, нефти или воды могут проводиться в керне, инициируя поток в трех направлениях:

  • продольном — вдоль сплошного цилиндра;
  • поперечном — поперек продольной оси керна;
  • радиальном — по радиусу от центрального отверстия в керне.
    • В последнем случае исследование можно без труда провести на керне, который использовался для измерений напряжения IST.

Исследование проницаемости керна не рекомендуется проводить для угля, поскольку его проницаемость зависит от кливажных трещин, расстояние между которыми обычно довольно велико для того, чтобы можно было получить статистически значимое количество трещин в одном исследуемом керне стандартного размера. То же самое относится ко многим сланцевым породам.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КАРБОНАТНОСТИ

Карбонатная матрица

«Sigra» определяет содержание карбонатов в пробах измельченного угля (обычно полученных после исследований десорбции угля или построения изотерм) методом кислотной реакции и титрирования. Результаты испытания выражаются в пересчете на массу удаленного эквивалентного карбоната кальция.

Трещинные карбонаты

Карбонаты, содержащиеся в кливажных трещинах, могут закупоривать их и снижать проницаемость. Если трещинные карбонаты можно удалить кислотным выщелачиванием, то количество удаленных карбонатов определяют титрированием продукта выщелачивания.

Кроме того, керн исследуют для того, чтобы определить, из каких кливажных трещин или плоскостей напластования был извлечен данный карбонат. Эту информацию можно использовать в сочетании с данными о модуле и напряжении угольного пласта, чтобы делать выводы об ожидаемой разгрузке угольного массива от напряжений, которую можно было бы достичь в результате растворения карбонатов.

carbonate
Рис. 1. Кливажные трещины в керне угля, заполненные карбонатами.

СЖАТИЕ / ВСПУЧИВАНИЕ УГЛЯ ВСЛЕДСТВИЕ ДЕСОРБЦИИ / АДСОРБЦИИ

Данное лабораторное исследование позволяет выяснить, как изменяется уголь в размерах в зависимости от адсорбции / десорбции газа. Эта информация нужна в рамках определения изменений напряжения, которому будет подвергаться угольный пласт во время дренирования. Ключевым моментом в определении вариантов изменения проницаемости угля является траектория напряжений.

Процесс исследования включает изучение керна из угольного пласта, после чего «Sigra» осуществляет десорбцию. Затем отбираются образцы, характерные для разных слоев внутри угольного пласта. Целых угольных кернов практически никогда не бывает, поэтому необходимо отбирать подходящие фрагменты. Далее проводят исследование с применением тензометрических датчиков; для этого используют два тензодатчика в виде розетки, размещаемых на лицевых поверхностях кливажных трещин, и помещают в сосуд давления, из которого потом откачивают воздух. В этот сосуд давления вводят газ и выдерживают при нескольких уровнях давления до достижения пластового давления. В исследовании используется газ одного вида, а если по составу газ представляет собой смесь, содержание хотя бы одного из компонентов которой превышает 7%, то каждый из таких компонентов газовой смеси в исследовании следует использовать отдельно, после чего результаты объединяются. Каждый раз между этапами изменения давления делают паузу для достижения равновесного состояния по размерам. По достижении максимального давления керн оставляют для десорбции, которая происходит медленно в несколько этапов с изменением давления на каждом этапе, чтобы получить подтверждение о состоянии угля с точки зрения его размеров.

Это длительный процесс, и один полный цикл адсорбции / десорбции газа может занять несколько месяцев.

Пример изменения размеров угольных проб из конкретного пласта при исследованиях с использованием метана и углекислого газа.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ И ТЕХНИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ УГЛЯ

Эти исследования проводятся в соответствии со стандартом AS 1038.4-2006. Они входят в стандартную программу работ в рамках других исследований.