Dynamics of CO2 in Coal as a Reservoir

Proefschrift van Saikat Mazumder, 29 maart 2007

Samenvatting

Het is belangrijk dat de mechanismen waarmee steenkool gas sorbeert, vasthoudt en opslaat, worden begrepen. Dit proefschrift presenteert experimentele resultaten die inzicht geven in de dynamiek van CO2 en andere rookgascomponenten in steenkool.

Het netwerk van scheuren (cleats) geeft de meest belangrijke permeabiliteit voor stroming van gassen en vloeistof door steenkool. Het is dus noodzakelijk om de eigenschappen van deze scheursystemen te begrijpen en hun bijdrage te kunnen voorspellen bij het maken van een goed stromingsmodel. Hiervoor wordt een methodiek voorgesteld, die voor de bepaling van de afstand tussen cleats gebruik maakt van de Gaussische punt spreiding functie. De grootte van de opening van de scheuren werd bepaald met behulp van CT scans. Daarnaast werd er een methode ontwikkeld om met dezelfde CT-scans de oriëntatie van en de afstand tussen de scheuren te meten. Configuratie afhankelijke ruimtelijke verdelingen zijn waargenomen voor zowel de oriëntatie van de scheuren als de afstand tussen de scheuren. Deze resultaten kunnen worden gebruikt voor het modelleren van breuken tot 1 m schaalgrootte, met behulp van de twee verschillende technieken en geeft een beter begrip van het netwerk van scheuren. Het opschalen van dit model naar steenkool laag grootte is niet onderzocht. De gecombineerde procedure bewijst ook dat het mogelijk is de ‘face cleat’, ‘butt cleat’ en de gelaagdheid te onderscheiden. Echter, metingen op subpixelgrootte zijn nooit exact, ook deze niet. Deze methode kan in het gunstigste geval de fouten in de benaderingen verkleinen.

Experimenten met rookgas en pure CO2 zijn uitgevoerd om de sorptie capaciteit van enkel- en multi-component gas te bepalen. In vergelijking met CH4 is CO2, in zowel natte als droge experimenten, de meest geadsorbeerde component en CH4 wordt geproduceerd. In dit soort sorptie-experimenetn toont CO2 de grootste vermindering in concentratie aan het eind van adsorptie experimenten en de grootste toename aan het eind van de extratie stappen (preferente desorptie). Deze preferentie neemt af als een water-gesatureerde steenkool wordt gebruikt. Dus een behoorlijke hoeveelheid CO2 kan worden verwijderd uit het schoorsteengas door het te laten sorberen aan steenkool bij hoge drukken. Dus injectie van rookgas in steenkoollagen kan worden gebruikt om op industriële schaal CO¬2 te filteren en achter te houden en grote hoeveelheden rookgas direct op te slaan in steenkool. In vergelijkbare laboratorium experimenten met behulp van rookgas adsorptie is geen verbetering van de CH4 productie gemeten.Voor het eerst zijn dichtheidbepalingen van rookgas succesvol uitgevoerd. Deze bepalingen tonen een grote gelijkenis met de dichtheid van puur N2.

Een deel van dit proefschrift bestaat uit een verkennend onderzoek naar de afname van porositeit en permeabiliteit als gevolg van zwelling van steenkool. Deze zwelling wordt veroorzaakt door de injectie van CO2. De afname in permeabiliteit kan in de buurt van de put ernstige injectie-problemen veroorzaken. De mate van zwelling van de steenkool is afhankelijk van de type steenkool en een belangrijke conclusie van het onderzoek is de grote overeenkomst tussen de struktuur van steenkool en die van  glazige polymeren. Uit experimenteel onderzoek blijkt dat de uitzonderlijke zwelling, ook wel “excess strain” of “differential swelling” genoemd, wordt veroorzaakt door de absorptie van CO2. Het syteem is gemodelleerd met behulp van een extended Langmuir formulatie gekoppeld aan een Palmer Mansoori vergelijking voor uniaxiale strain condities. De uitkomsten van het model komen voor een groot deel overen met de experimentele resultaten. De geconstateerde afwijking tussen het model en de experiment wordt mogelijk veroorzaakt door plastificatie van de steenkool.

Abnormale diffusie is waargenomen bij zwelling van bitumineuze steenkool in CO2. Het effect van plastificatie van steenkool, als gevolg van diffussie processen, is gemodelleerd, waarbij een theorie voor abnormale difusie is geintroduceerd. Deze theorie verklaart het proces in termen van het verschil in de diffusie coëfficienten en viscositeit van geexpandeerde steenkool met de oorspronkelijke steenkool. Deze theorie wordt bevestigd met behulp van de experimentele bepaling van de diffusie coëfficienten en suggereert een abnormaal diffusie-proces. Het model is afgeleid van een welke conservatie wet en gecombineerd met concentratie en stress gradiënten gedreven massa transport. De afleiding van het model gebruikt verder een proportioneel verband tussen stress en de massa flux, een typisch resultaat van uitgebreide niet-evenwicht thermodynamica (extended non-equilibrium thermodynamics). Als resultaat is er een schatting van de parameters voor het CO2 diffusie model uitgevoerd. De met deze parameters gesimuleerde resultaten tonen een scherp concentratie front, wat overeenkomt met de theorie van Case II diffusion.

Onder reservoir condities zijn doorspoel-experimenten op CH4¬-gesatureerde kolenkernen uitgevoeerd, waarbij CO2, N2 en rookgas zijn gebruikt als geïnjecteerd gas. De CO2-condities van deze experimenten variëren van subkritisch tot superkritisch. De kernen variëren van droog tot deels water gesatureerd. De stijging in de methaan productie van droge kernen wordt veroorzaakt door de preferente desorptie van methaan in de aanweziheid van CO2. De droge experimenten tonen aan dat de hoeveelheid gedesorbeerde CH4 onder in-situ condities marginaal groter is dan de desorptie van methaan door de reductie van de partiële druk van methaan. In experimenten met water gesatureerde kernen was van productie van aan steenkool gesorbeerde CH4 nauwelijks sprake. Het water functioneert als een barrière en hindert het uitwisselingsproces de hechtingsplekken (‘sites’) te blokkeren en/of door de diffusiviteit met (minstens) twee ordes van grootte te verlagen. De experimenten laten duidelijk zien dat op porie-schaal CO2 beter adsorbeert dan CH4. Een klasse van poriën was niet beschikbaar voor methaan sorptie, maar wel beschikbaar voor physische sorptie van andere gassoorten (bij voorkeur CO¬2¬), ook al was de kern met CH4 gesatureerd. Doorspoel-experimenten met rookgas resulteren onder vergelijkbare condities in een lagere ‘sweep efficiëntie’ dan experimenten met CO2. Er is nauwelijks productie van aan steenkool geadsorbeerde methaan. De schoorsteengas experimenten kunnen beschouwd worden als N2 ‘stripping’ experimenten. Een numeriek model van een enkele cleat is ontwikkeld om de fysische processen te begrijpen. De resultaten van het numerieke model geven duidelijk aan wat de effecten van de vloeistof zijn.