Generación y transporte de metano de yacimientos de carbón
(1) Producción de metano de yacimientos de carbón
Una vez enterrados los restos de la planta, se convierten en turba (etapa de peatización) bajo la acción bioquímica de microorganismos, y la turba sufre un proceso físico. y procesos químicos. Los principales procesos geológicos lo transforman en lignito, carbón bituminoso y antracita (etapa de coalización). Durante el proceso de carbonificación, los materiales que forman el carbón sufren cambios físicos y químicos complejos, el contenido volátil y el contenido de humedad disminuyen, el poder calorífico y el contenido de carbono fijo aumentan y se produce gas metano. En el proceso de conversión de carbón de lignito a carbón bituminoso, se precipitarán entre 280 y 350 m3 (o incluso más) de metano y entre 100 y 150 m3 de dióxido de carbono por tonelada de carbón.
El gas generado durante el proceso de carbonificación tiene dos procesos, a saber, el proceso biogénico y el proceso termogénico. Aunque el componente principal del gas producido es metano, también se libera agua, dióxido de carbono, humedad e hidrocarburos líquidos (Tabla 4-4).
Tabla 4-4 Gas generado durante el proceso de carbonificación (Ro=2.0 o menos)
Nota: ①scf: Pies cúbicos estándar, la abreviatura de Pies cúbicos estándar, comúnmente utilizada en el extranjero natural. Unidad 1 de la industria del gas. scf=0.0283168m3.Tscf es un billón de pies cúbicos estándar (según Scott, 1993)
El metano de las capas de carbón se puede clasificar según diferentes fuentes (fuentes biológicas y fuentes de calor) y cambios en la composición química del gas durante el proceso de carbonificación (Tabla 4-5).
Tabla 4-5 Etapas de producción de metano biogénico de yacimientos de carbón y metano termogénico de yacimientos de carbón
(Basado en Scott et al., 1994)
1.
El metano biogénico de las capas de carbón es un producto de la degradación microbiana de la materia orgánica. Es principalmente metano producido en las vetas de carbón mediante la participación o acción de bacterias en condiciones de temperatura relativamente baja (generalmente por debajo de 50 °C). gas que contiene una pequeña cantidad de otros componentes. El biogás se produce mediante dos mecanismos: reducción de dióxido de carbono y fermentación de ácidos orgánicos (generalmente ácido acético) (Law, 1993). Aunque ambos efectos ocurrieron en ambientes cercanos a la superficie, según estudios de composición, la mayoría de los antiguos agregados de biogás probablemente se originaron a partir de la reducción de dióxido de carbono. Las condiciones favorables para generar grandes cantidades de biogás en las vetas de carbón son: rápida deposición de grandes cantidades de materia orgánica, abundante espacio poroso, baja temperatura, ambiente anóxico con pH alto y bajas concentraciones de sulfato (Law, 1993). Según el tiempo de generación, el material original y las condiciones geológicas, el metano biogénico de las capas de carbón se divide en dos categorías: gas biogénico primario y gas biogénico secundario. No existe una diferencia esencial en el origen de los dos.
(1) Metano de veta de carbón biológico protista: el metano de veta de carbón biológico protista es un gas generado por carbón de bajo metamórfico (turba a lignito) en el ambiente de pantano de turba a través de una serie de procesos microbianos complejos en las primeras etapas. etapas de carbonificación. También se le llama gas de carbón biológico temprano. Desde la etapa de turba hasta lignito, la cantidad de biogás nativo que se puede generar es de aproximadamente 38m3/t.
Diferentes estudiosos tienen diferentes planes para dividir las etapas de formación del biogás protista y el metano termogénico de yacimientos de carbón. Scott et al. utilizaron Rolt 0,3 como valor crítico del biogás protista y la generación inicial de metano termogénico de yacimientos de carbón. El valor de Ro es 0,5 (Tabla 4-5); Palmer estableció el valor crítico de Ro del metano biológico (nativo) de yacimientos de carbón y del metano termogénico de yacimientos de carbón en 0,5; Rice (1993) creía que la formación de metano termogénico de yacimientos de carbón comienza en aproximadamente 0,6. La teoría tradicional del origen del gas natural cree que el metano biogénico de las capas de carbón se forma generalmente cuando el valor de Ro es inferior a 0,3, mientras que el metano termogénico de las capas de carbón se forma cuando el valor de Ro es superior a 0,6 a 0,7, es decir, cuando el valor de Ro está entre 0,3 y 0,6. En la etapa de evolución térmica, el material parental enojado no está enojado. Sin embargo, estudios recientes han demostrado que el material original del gas todavía genera gas cuando el valor de Ro es de 0,3 a 0,6 y puede formar yacimientos de gas de escala considerable (la mayoría de los actuales son yacimientos de gas de tipo carbón). esta etapa se denomina gas de zona de transición catalítica biotérmica (Xu Yongchang, 1994), es decir, la materia orgánica es un proceso de generación continua de gas, y lo mismo debería ser cierto para el metano de yacimientos de carbón.
Debido a la baja temperatura y presión de la veta de carbón en la etapa de turba, la capacidad de adsorción del carbón es débil y, debido al gran contenido de agua de la turba, la mayor parte de la superficie de los poros del carbón está ocupada por moléculas de agua, por lo que la veta de carbón está La adsorción de gas protista es menor. La mayor parte del biogás protista y del dióxido de carbono se difunden fácilmente a la atmósfera o se disuelven en las aguas de formación y finalmente son expulsados durante la compactación y la formación de carbón (Scott, 1993), lo que dificulta que el biogás protista forme reservorios.
(2) Metano biológico secundario de lecho de carbón: la veta de carbón fue elevada y despojada por fuerzas tectónicas en la etapa posterior hasta cerca de la superficie, y las bacterias ingresaron al agua de la veta de carbón a través del agua que fluye (principalmente precipitación atmosférica). . En los carbones de rango medio y bajo, cuando las condiciones ambientales como la temperatura y la salinidad son adecuadas para la supervivencia de los microorganismos, a temperaturas relativamente bajas (generalmente inferiores a 56 °C), las bacterias utilizan la degradación y el metabolismo para convertir el agua y los n-alcanos. producido en las vetas de carbón y otros compuestos orgánicos se convierten en metano y dióxido de carbono, que son las causas biológicas secundarias del metano de los lechos de carbón.
La mayor parte del biogás en las vetas de carbón puede ser biogás secundario relacionado con el flujo de agua subterránea. El agua atmosférica introduce bacterias en las vetas de carbón a través de vetas de carbón permeables u otras rocas ricas en materia orgánica, y las actividades metabólicas de las bacterias producen metano biológico secundario en las vetas de carbón. Por lo tanto, la CMM biogénica secundaria difiere de la CBM biogénica primaria en que las bacterias ingresan a la veta de carbón después de que ésta ha sido enterrada en el margen de la cuenca, carbonificada y posteriormente levantada y desnudada (Scott, 1993).
La edad del metano biológico secundario de las capas de carbón es generalmente relativamente tardía (de decenas a millones de años). La mayor parte del metano biológico de las capas de carbón que queda en la veta de carbón es metano biológico secundario de las capas de carbón. La generación y preservación de metano biológico secundario de capas de carbón requiere las siguientes condiciones: (i) la calidad del carbón es carbón de lignito coquizable; (ii) el área donde se encuentra la veta de carbón ha experimentado elevación (iii) la veta de carbón tiene una permeabilidad adecuada; (iv) hay agua que fluye en el borde de la cuenca Recarga a la veta de carbón de la cuenca; (v) Las bacterias son transportadas a la veta de carbón (vi) La veta de carbón tiene una presión de depósito relativamente alta y condiciones de captura que pueden almacenar una gran cantidad de gas, etc. (Leyes 1993; S. Leyes 1993; Leyes 1993; Leyes 1993; Leyes 1993; Leyes 1993; Leyes 1993; Leyes 1993; Leyes 1993; Leyes 1993; Leyes 1993; Leyes 1993). Ley, 1993; Scott y otros, 1994).
Si la carbonificación, el levantamiento regional y el metano biogénico secundario de los yacimientos de carbón quedan enterrados y las vetas de carbón se carbonifican aún más, o si los movimientos tectónicos cambian las condiciones hidrodinámicas de la cuenca, la firma química e isotópica del metano biogénico secundario de los yacimientos de carbón desaparecerá. (Gould y Smith, 1979).
2. Metano de lecho de carbón térmico
El metano de lecho de carbón térmico es una serie de cambios físicos y químicos en la materia orgánica del carbón bajo la acción de la temperatura (gt; 50 ℃) y Carbón Se liberan grandes cantidades de sustancias volátiles ricas en hidrógeno y oxígeno, principalmente en forma de metano, dióxido de carbono y agua. A temperaturas más altas, la descarboxilación de ácidos orgánicos también puede producir metano y dióxido de carbono (Ayers et al.)
A medida que aumenta la profundidad del enterramiento del lignito y la temperatura, el carbón se deteriora cada vez más, produciendo grandes cantidades de metano y otros gases. Este proceso metamórfico conduce a la continua desoxigenación, deshidrogenación y enriquecimiento en carbono de la materia orgánica. El tipo de gas producido depende del grado de metamorfismo del carbón (Figura 4-1). Meissner (1984) creía que cuando la reflectividad (Ro, máx) del grupo de espejos es mayor que 0,73 y el contenido volátil de la base seca sin cenizas es mayor que 37,8, comenzará a generarse una gran cantidad de metano térmico en capas de carbón.
Law (1985) creía que la temperatura del metano de las capas de carbón es de 88 ~ 93 ℃, y Ro,max es 0,80. Rightmire et al (1984) creían que cuando Ro,max es 0,60, la fracción volátil es 40,24, lo que es equivalente. Al carbón bituminoso C altamente volátil (equivalente a la etapa de lignito de carbón de llama larga en mi país), comienza a generarse metano termogénico de lecho de carbón y la generación máxima de gas es de alrededor de 150 ° C, equivalente a materia volátil media. La generación es de alrededor de 150°C, equivalente a materia medianamente volátil. Alrededor de 150 ℃, equivalente a carbón bituminoso de volatilidad media, carbón bituminoso de volatilidad baja y semiantracita (equivalente a la etapa de carbón pobre en carbón coquizable en mi país). Zhang Xinmin et al. (1991) utilizaron Ro, maxgt; 1,90 como límite y dividieron la etapa madura de 0,50 lt; Ro, maxgt = 1,90 en la etapa de gas de pirólisis y la etapa sobremadura con Ro, maxgt; en la etapa de gas de craqueo. Dado que el carbón está hecho de caseína húmica (caseína tipo III), no existe un proceso obvio de hidrocarburos líquidos en el proceso de formación de rocas y de carbón, por lo que la división entre gas de pirólisis y gas de craqueo no es muy estricta.
Según la investigación de Hunt (1979), en la etapa inicial de la carbonificación (temperatura del estrato lt; 120°C), el gas generado es principalmente dióxido de carbono en la unión del carbón bituminoso altamente volátil y. El carbón bituminoso de volatilidad media (equivalente a la etapa de fertilizante químico de mi país) produce más del doble de dióxido de carbono que metano. Después de eso, la producción de gas metano aumentó rápidamente, alcanzando el pico de producción de gas en la unión del carbón bituminoso de volatilidad media y el carbón bituminoso de baja volatilidad (equivalente a 150°C). En este momento, la reflectividad del grupo de espejos alcanza aproximadamente 1,8 y la cantidad de gas generado representa aproximadamente el 70% del gas total desde lignito hasta antracita. Después de eso, el gas continúa emitiéndose hasta alcanzar la antracita 2 (la reflectividad del grupo de espejos es superior a 4,0) y detiene gradualmente el proceso de evaporación.
La termogénesis del metano se puede dividir aproximadamente en tres etapas:
(1) Desde la etapa de lignito hasta la etapa de carbón de llama larga: se genera más gas y el componente principal es CO2 ( 72 ~92); hidrocarburos lt; 20, principalmente metano, gases de hidrocarburos pesados lt;
(2) Desde el carbón de llama larga hasta la etapa de carbón coquizable: los gases de hidrocarburos aumentan rápidamente (representando del 70 al 80%) y el CO2 cae a aproximadamente el 10%. Los gases de hidrocarburos son principalmente CH4, pero contienen más hidrocarburos pesados. En el caso del carbón graso y del carbón coquizable, los hidrocarburos pesados pueden representar entre un 10 y un 20%. Esta etapa es la etapa principal de producción de petróleo. Si el contenido del grupo quitina en el carbón es alto, el contenido de aceite y agua también será alto.
(3) Del carbón pobre a la antracita: los gases de hidrocarburos representan el 70%, de los cuales el CH4 es absolutamente dominante (97-99), y casi no hay hidrocarburos pesados.
La calidad del carbón y la naturaleza de la materia orgánica son diferentes, y la producción de gas también es muy diferente. Cuanto mayor sea la calidad del carbón, más gas similar al carbón se generará. Según informes de la antigua Unión Soviética, 1 tonelada de lignito puede producir de 38 a 68 m3 de gas, y 1 tonelada de carbón de llama larga puede producir de 138 a 168 m3 de gas. En consecuencia, 1 tonelada de carbón gaseoso, carbón graso, El carbón coquizable, el carbón pobre, el carbón pobre y la antracita pueden producir de 182 a 182 m3 de gas, respectivamente. y 346~422m3. Puede producir 182~212m3, 199~230m3, 240~270m3, 257~287m3, 295~330m3, 346~422m3 de gas respectivamente. Los diferentes microcomponentes tienen diferentes contribuciones a la formación de gas. Los resultados de la simulación térmica de Wang Shaochang et al. (1985) en microcomponentes de carbón de bajo rango mostraron que la relación de eficiencia final de los hidrocarburos del grupo quitina, el grupo espejo y el grupo inerte es aproximadamente 3,3: 1.0:0.8. Fu Jiamu et al. (1990) creían que en las mismas condiciones para la evolución del grupo inerte, la tasa de producción de gas del grupo inerte es la más baja. La tasa de producción de gas del grupo espejo es 4,3 veces mayor que la del grupo inerte. La tasa de producción de gas del grupo quitina es mayor que la del grupo inerte. La tasa de producción de gas del grupo inerte es menor que la del grupo inerte, y la tasa de producción de gas de. el grupo de quitina fue mayor que el del grupo inerte. La tasa de producción de gas del grupo inerte es 11 veces mayor y se producen más hidrocarburos líquidos.
(2) Transporte de metano de yacimientos de carbón
La mayoría de las vetas de carbón son autogeneradas y autoalmacenadas.
Sin embargo, los yacimientos de carbón pueden contener gas, biogás o mezclas de gases autigénicos o termogénicos transportados (Rice, 1993; Scott et al., 1994). En algunos casos, la veta de carbón es a la vez la roca madre y el depósito de metano de la veta de carbón térmico, y no es necesario transportar el gas en la veta de carbón. Pero en otros casos, el gas se produce cuando las vetas de carbón capturan (adsorben) el gas transportado desde otras rocas generadoras, o cuando las vetas de carbón absorben el gas producido por microorganismos (biogás secundario) en la interfaz entre las fracturas de las vetas de carbón y el suministro de agua.
La presión del yacimiento mantiene el metano del lecho de carbón dentro de la microestructura del carbón. Debido a la reducción de la presión de la veta de carbón causada por razones naturales o actividades creadas por el hombre, la desorción y difusión del gas eventualmente fluyen en forma de gas libre, lo que resulta en el transporte de gas. El método natural de descompresión es principalmente el desmonte ascendente, que generalmente ocurre en los márgenes de la cuenca pero también puede ocurrir en áreas más grandes. La extracción de carbón o la extracción de gas de pozos de gas también pueden hacer que disminuya la presión de las vetas de carbón. El carbón está mayoritariamente saturado de agua y el drenaje de las vetas de carbón también reducirá la presión. Los procesos de desorción y difusión de gas en la microestructura de la veta de carbón liberan el gas, que luego comienza a migrar, lo que resulta en cambios en la composición del metano de la veta de carbón.