Sử dụng nitơ trong thu hồi khí mêtan và cacbon dioxit tại các vỉa than

1. Giới thiệu
Công tác dự báo hàm lượng khí và đặc tính hấp phụ - giải hấp phụ của vỉa than đã có những bước tiến quan trọng nhằm ngăn ngừa phụt khí, thu hồi mê tan và CO2. Tính toán dung lượng khí mêtan (CH4) hoặc CO2 có trong vỉa than hoặc địa tầng chứa khí được xem là bước quan trọng trong việc đánh giá mức độ nghiêm trọng tiềm ẩn về khí tại các mỏ mới hoặc các khu vực chưa khai thác tại các mỏ hiện có.
Khí có thể tồn tại trong than hoặc dưới dạng tự do có trong các khe nứt, đứt gãy, các lỗ rỗng hay lớp hấp phụ trên bề mặt bên trong của các khe nứt và lỗ rỗng. Ngoài ra, các phân tử khí cũng có thể phân tán giữa các phân tử than, do đó, sự duy trì nhờ quá trình hấp phụ và hấp thụ. Các khe nứt và đứt gãy trong than tạo thành các khe hở và rãnh phẳng, từ lớn đến nhỏ (vi mô). Kích thước, tần suất và thể tích các khe nứt phụ thuộc vào  những biến dạng mà vỉa than trải qua cũng như áp lực giới hạn cơ học lên vỉa. Những đứt gãy này có ý nghĩa rất quan trọng trong việc di chuyển khí trong khối than cũng như ảnh hưởng đến độ bền cơ học. 
Thực tế cho thấy, khối lượng khí lớn nhất có trong than kiểm soát được không phải dưới dạng khí tự do có trong khoảng không mà có trong lớp hấp phụ dọc theo thành của các lỗ rỗng. Trong trạng thái này, các phân tử khí bị nén chặt. Chính sự nén chặt các phân tử khí bị hấp phụ trên một bề mặt rộng lớn của rất nhiều lỗ rỗng cho phép một lượng lớn khí được giữ lại trong một khối than nhỏ. Quá trình hấp phụ và giải hấp phụ ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Pha khí hấp phụ và pha khí tự do thông thường ở trạng thái cân bằng với một lượng không đổi các phân tử khí, khi có một lượng phân tử khí bị hấp phụ vào bề mặt thành lỗ rỗng, thì ngay sau đó có một lượng tương ứng tồn tại dưới dạng khí tự do.
Vì mục tiêu an toàn, đã từ lâu, các nhà nghiên cứu đã triển khai nghiên cứu đặc tính hấp phụ khí (CH4 và CO2) tại các vỉa than. Hơn nữa, do việc thu hồi khí mêtan từ than (thông thường hay cưỡng bức) đã trở thành một phương pháp kinh tế trong những năm gần đây nên các nhà nghiên cứu đã chú tâm đến đặc tính hấp phụ khí CH4, CO2, N2 và các hỗn hợp của chúng có trong than. Trong phương pháp thu hồi khí mêtan truyền thống từ vỉa than CBM (Coalbed Methane), phương pháp tạo ra đứt gãy bằng thủy lực được áp dụng để nối giếng sản xuất với các hệ thống đứt gãy tự nhiên. Tuy nhiên, trong phương pháp thu hồi khí mêtan cưỡng bức từ vỉa than ECBM (Enhanced coalbed Methane), khí mêtan được thu hồi bằng cách bơm một dòng khí (khí CO2 tinh khiết, khí N2 tinh khiết hoặc cả hai) vào trong vỉa than. Trong phương pháp này, trong khi khí mêtan từ vỉa than được thu hồi, một phần khí CO2 có thể bị tách ra. Lợi ích của phương pháp ECBM đã cho phép các nhà khoa học tiến hành nghiên cứu sâu hơn do những quan ngại về hiệu ứng khí nhà kính ảnh hưởng đến môi trường.
Mặc dù đã có những nghiên cứu sâu về việc bơm khí vào để thu hồi mêtan, tuy nhiên hiện vẫn chưa có sự hiểu biết thấu đáo về phương pháp công nghệ này. Mặt khác, trong những điều kiện khác nhau về địa chất và môi trường, các kết quả thu được cũng khác nhau. Bài viết này đề cập đến những ảnh hưởng của việc bơm phụt N2, tính chất hấp phụ khí CH4 và CO2. Các thử nghiệm đã được tiến hành trong các phồng thí nghiệm nghiên cứu về khí và phụt khí tại trường đại học Wollongong, bang New South Wales, Australia. Kết quả thí nghiệm cho thấy, khi bơm phụt khí N2 sẽ tăng cường khả năng thoát khí CO2 và CH4 nhưng nó chiếm chỗ khí CO2 nhiều hơn so với khí CH4.
2. Thí nghiệm
2.1. Vật liệu
Các mẫu sử dụng trong các thí nghiệm hấp phụ được thu gom tại khoảnh khai thác N0 520 thuộc khu vực mỏ than Westcliff, Công ty BHP Billiton. Một số đặc tính cơ bản của than được giới thiệu trong bảng 1 và bảng 2. Độ thẩm thấu khe nứt tối đa của mẫu là 11,7 mD (mD là đơn vị đo độ thẩm thấu khí, 1mD = 10-15m2).
Mẫu lõi khoan cho thử nghiệm có đường kính 54mm và cao 50mm. Để dòng khí thoát dễ dàng, người ta khoan các lỗ khoan đường kính 2mm qua mẫu. Khí tinh khiết dùng trong thí nghiệm được lấy tại công ty khí Air Liquide (Wollongong), có độ tinh khiết đạt 99,99%.
Bảng 1. Một số đặc tính cơ bản của mẫu than
 
Độ ẩm (%)    Chất bốc (%)    Cacbon cố định (%)    Độ tro (%)    Mật độ (g/cm3)      
1,3    21,7    71,4    5,6    1,43     
 Bảng 2. Thành phần thạch học của mẫu than
 
Độảạ     Độ thấm ướt (%)      
     Vitrinit    Liptinit    Inertinit    Khoáng vật      
1,28    41,6    0,1    55,3    3,0     
Để đo sự thay đổi thể tích trong quá trình thử nghiệm, người ta lắp các biến dạng kế lên các mẫu theo đường tròn và hướng tâm trước mỗi lần thử nghiệm. Cần lưu ý rằng các biến dạng theo đường tròn và hướng tâm sẽ được biểu hiện như các biến dạng song song và vuông góc (liên quan đến mặt phân lớp than).
2.2. Thiết bị và biện pháp thử nghiệm
Các thiết bị thử nghiệm bao gồm các bình nén khí, máy cảm biến tải trọng, biến dạng kế để đo dịch chuyển ngang và thẳng đứng, áp kế, lưu lượng kế để đo các lưu lượng khí, máy tính và một máy sắc ký khí HP Quad. Buồng đo áp suất khí là một khối lăng trụ hình chữ nhật bằng gang có kích thước 110mm x 110mm x 140mm. Hình 1 và 2 giới thiệu sơ đồ mạch nối các thiết bị và buồng đo áp suất khí.
 
Hình 1. Sơ đồ nối mạch các thiết bị
 
Hình 2. Buồng đo áp suất khí
Trong nghiên cứu này, người ta đa tiến hành năm thử nghiệm. Hai thử nghiệm đầu tập trung vào việc phân tích các đặc tính hấp phụ - giải hấp phụ của khí CH4 và CO2 (test 1 và 2). Các thử nghiệm 3, 4 và 5 nhằm đánh giá ảnh hưởng việc phun khí N2­ để thu hồi CO2 và CH4 và hỗn hợp của chúng. Bảng 3 giới thiệu các điều kiện đối với mỗi thử nghiệm được tiến hành.
Bảng 3. Điều kiện thử nghiệm
 
Lần thử nghiệm    Khí hấp phụ    Thời gian hấp phụ (ngày)    Khí được bơm vào      
1    CO2/CO4 (0,52/0,48)    5    -      
2    CO2/CO4 (0,52/0,48)    24,2    -      
    CO2    10,8    N2      
    CO4    4    N2      
    CO2/CO4 (0,52/0,48)    5,8    N2     
Thủ tục chung đối với các thử nghiệm như sau:
a. Mẫu được đặt trong một buồng chứa khí áp suất cao;
b. Các biến dạng kế được đặt trên mẫu, nối với hệ thống thu nhận dữ liệu, sau đó, buồng được hàn kín.
c. Sử dụng một bơm chân không để cách ly mẫu.
d. Tải trọng hướng trục đặt ở mức yêu cầu.
e. Khí heli được sử dụng trong hệ thống trong 24 giờ nhằm tạo ra một môi trường khí trơ trước mỗi thử nghiệm. Cần lưu ý rằng, than không hấp phụ khí heli dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất hiện có.
f. Sử dụng một loại khí cụ thể (CH4, CO2 hoặc hỗn hợp của chúng) trong buồng để toàn bộ mẫu hấp phụ.
g. Áp suất khí trong buồng được nâng lên mức 3,2MPa để tạo ra một môi trường hãm.
h. Cần quan trắc liên tục sự sụt giảm áp suất trong thời gian mẫu hấp phụ khí.
i. Sau khi nhận thấy mẫu đã hấp phụ (sự thay đổi áp suất trong buồng rất nhỏ), tiến hành mở van áp suất và đo hàm lượng khí bằng máy sắc ký khí (GC).
Đối với những thử nghiệm bơm phụt khí, các bước từ a đến h nêu trên đây được lặp lại đối với mỗi thử nghiệm. Tuy nhiên, các thử nghiệm bơm phụt khí gồm hai giai đoạn (A và B). Trong giai đoạn A, ngay sau khi mẫu đã hấp phụ đầy đủ khí (bão hòa), van áp suất được mở. Trong khi đó, N2 được bơm vào trong buồng nên áp suất bên trong buồng được duy trì ở mức yêu cầu (3,0 MPa cho nghiên cứu này). Trong giai đoạn B, khi nồng độ khí bơm phụt vào đạt mức xấp xỉ 100% trong hỗn hợp thì dừng bơm phụt. Hình 3 giới thiệu một ví dụ trong các thử nghiệm bơm phụt khí giai đoạn A và B.
 
Hình 3. Các giai đoạn trong thử nghiệm bơm phụt khí
3. Kết quả và nhận xét
3.1. Đặc tính hấp phụ - giải hấp phụ của hỗn hợp khí CO2/CH4
Hai thử nghiệm được tiến hành (test 1 và 2) với hỗn hợp khí CO2/CH4 (0,52/0,48) nhằm mô tả đặc điểm đặc tính hấp phụ - giải hấp phụ của các mẫu than. Các thử nghiệm 1 và 2 khác nhau về thời gian hấp phụ. Thời gian hấp phụ của thử nghiệm 1 là 5 ngày và của thử nghiệm 2 là 24,2 ngày (hình 4 và 5).
 
Hình 4. Biến thiên áp suất hấp phụ trong thử nghiệm 1

 
Hình 5. Biến thiên áp suất hấp phụ trong thử nghiệm 2
Trong đồ thị hình 4, các dao động trong biên dạng áp suất tương ứng với sự hấp phụ chọn lọc CH4 và CO2. Điều này cũng được thể hiện trong thử nghiệm 2. Tuy nhiên, các dao động trong hình 5 dường như là do những thay đổi trong nhiệt độ môi trường.
 Hình 6 và 7 giới thiệu sự biến thiên trong thành phần khí đối với thử nghiệm 1 và 2, trong đó, các đường nét đứt thể hiện nồng độ ban đầu của CO2 và CH4, lần lượt là 52% và 48%.
 
Hình 6. Biến thiên thành phần khí trong thử nghiệm 1 sau khi thoát khí

 
Hình 7. Biến thiên thành phần khí trong thử nghiệm 2 sau khi thoát khí
 Như trong hình 6, khi bắt đầu phân tích bằng GC, nồng độ CH4 (48,93%) đã cao hơn một chút so với nồng độ ban đầu, trong khi đó, nồng độ khí CO2 (51,09%) lại tương đối thấp. Điều này được cho là do sự hấp phụ ưu tiên của than đối với khí CO2 trong các điều kiện thử nghiệm hiện tại. Hình 7 cho thấy ảnh hưởng của thời gian hấp phụ. Không như trong thử nghiệm 1, nồng độ khí CO2 và CH4 trong thử nghiệm 2 trước khi thoát khí gần như bằng nhau (lần lượt là 50,1% và 49,9%). Như vậy, thời gian hấp phụ trong thử nghiệm 2 lớn hơn (24,2 ngày) dẫn đến hấp phụ khí CO2 nhiều hơn (gần 5 lần so với thử nghiệm 1). Do đó, cần nhiều thời gian hơn cho việc hấp phụ khí trong thử nghiệm 2. Nói cách khác, thời gian được xem là yếu tố quyết định trong quá trình thử nghiệm.
3.2. Thử nghiệm bơm phụt khí
Các thử nghiệm 3, 4 và 5 được tiến hành để khảo sát ảnh hưởng của việc bơm phụt khí N2 nhằm thu hồi khí do than hấp phụ. Trước khi thể hiện các kết quả với hỗn hợp khí CO2 và CH4 (thử nghiệm 5), cần thiết phải phân tích các kết quả thu được từ thử nghiệm 3 và 4, trong đó, các mẫu than được hấp phụ lần lượt với khí CO2 và CH4. Hình 8 cho thấy sự biến thiên trong thành phần khí và áp suất buồng thử nghiệm trong thử nghiệm 3. Trong thử nghiệm này, các mẫu than được hấp thụ khí CO2 trong gần 11 ngày. Như trong hình, ngay sau khi khí N2 được bơm phụt (giai đoạn A), người ta nhận thấy nồng độ khí N2 tăng mạnh trong khi nồng độ khí CO2 giảm mạnh. Ở đầu giai đoạn B, nồng độ khí CO2 được thu hồi và đạt mức 50% trong 20 phút và vào cuối thử nghiệm đạt 75%. Kết quả của thử nghiệm này cho thấy, việc bơm phụt khí N2 có ảnh hưởng quan trọng đến sự đổi chỗ khí CO2.

 
Hình 8. Biến thiên thành phần khí và áp suất buồng thử nghiệm trong giai đoạn A và B
của thử nghiệm 3
Tuy nhiên, đối với khí CH4 thì việc bơm phụt khí N2 lại không có ảnh hưởng tích cực như vậy. Hình 9 cho thấy sự biến thiên thành phần khí và áp suất buồng thử nghiệm trong thử nghiệm 4, trong đó, mẫu than chỉ hấp phụ khí CH4 trong vòng 4 ngày. Giai đoạn A của thử nghiệm 5 tương tự như trong thử nghiệm 4, nồng độ khí N2 tăng mạnh trong khi nồng độ CH4 giảm mạnh.
 
Hình 9. Biến thiên thành phần khí và áp suất buồng thử nghiệm
tại thử nghiệm 4
Tuy nhiên, tại giai đoạn B, nồng độ khí N2 bắt đầu giảm khi nồng độ CH4 đang tăng. Nồng độ khí CH4 có thể đạt mức 20% vào cuối thử nghiệm. So sánh với các kết quả của thử nghiệm 3 có thể thấy, việc bơm phụt khí N2 không thúc đẩy quá trình thu hồi khí CH4 như đối với CO2 được tiến hành trong cùng một điều kiện thử nghiệm. Lượng khí CO2 thu hồi trong thử nghiệm 3 gần gấp 4 lần so với lượng khí CH4 trong thử nghiệm 4.
Hình 10 giới thiệu sự biến thiên thành phần khí trong thử nghiệm 3. Theo đó, ngay khi khí N2 được bơm vào buồng, nhờ dung lượng lớn, nó bắt đầu tràn ngập và hòa loãng hỗn hợp khí có trong buồng. Sau khi bơm phụt 30 phút, nồng độ khí N2 trong buồng đạt mức cao nhất, gần 100%, trong khi đó, nồng độ khí CH4 và CO2 gần bằng không. Đó cùng là thời điểm dừng việc bơm phụt khí N2 và bắt đầu giai đoạn B. Trong giai đoạn này, nồng độ khí CO2 và CH4 bắt đầu tăng, trong khi nồng độ N2 giảm. Nồng độ của khí CO2 và CH4 gần như bằng nhau sau 10 phút trong giai đoạn B. Sau đó, các thành phần của chúng bắt đầu khác đi trong khi nồng độ khí N2 bắt đầu giảm dần. Dường như nồng độ khí CH4 ổn định ở mức 20% sau 20 phút và kéo dài đến cuối thử nghiệm. Tuy nhiên, nồng độ khí CO2 lại đạt mức 40% vào cuối thử nghiệm.
 
Hình 10. Biến thiên thành phần khí và áp suất buồng thử nghiệm
trong thử nghiệm 5
Cần lưu ý rằng, nồng độ CH4 đạt được vào cuối thử nghiệm 4 và 5 xấp xỉ bằng nhau, là 19,34% và 21,39%. Điều này có thể hiểu rằng, các phân tử khí CH4 đang giải hấp phụ từ than với tốc độ ổn định do hầu hết các phân tử này được lưu giữ trong lớp đá kẹp. Trái lại, hầu hết các phân tử khí CO2 lại được xem là bị lưu giữ trong các khe hở vĩ mô (các thớ nứt, đứt gãy rất nhỏ). Điều này có thể giải thích cho việc thay thế chỗ các phân tử khí CO2 dễ dàng hơn khi bơm phụt N2. Bảng 4 cho thấy những thay đổi trong thành phần khí tại giai đoạn đầu và cuối các quá trình giải hấp phụ trong mọi thử nghiệm.
Bảng 4. Thay đổi thành phần khí trong các thử nghiệm giải hấp phụ
 
% giải hấp      
Thử nghiệm    Bắt đầu thử nghiệm    Kết thúc thử nghiệm      
    CO2    CH4    N2    CO2    CH4    N2      
1    51,09    48,93    -    56,01    43,88    -      
2    50,08    49,88    -    54,82    44,85    -      
3    93,83    -    4,68    74,95    -    40,41      
4    -    89,50    7,67    -    21,39    73,65      
5    41,74    43,21    12,95    39,41    19,34    40,41      
5 (N2 tự do)    47,95    49,64    -    65,97    32,46    -     
Các biên dạng biến dạng ghi nhận được trong thử nghiệm 5 chỉ ra rằng việc bơm phụt khí N2 đã gây ra sự nới lỏng trong cấu trúc mẫu (hình 11). Trong giai đoạn A của thử nghiệm, cả hai dạng biến dạng vuông góc và song song hiển thị một xu hưởng giảm dần, cho thấy mẫu co lại đến điểm 8580 phút, thời điểm dừng việc bơm phụt khí N2. Sau điểm này, sẽ xảy ra một sự gia tăng không đáng kể trong biến dạng vuông góc và một sự gia tăng tương đối cao hơn trong biến dạng song song trong vòng 20 phút. Sự gia tăng trong biến dạng song song hầu như do sự sụt giảm bất ngờ của áp suất buồng thử nghiệm, có khả năng cho phép mẫu phục hồi lại dạng ban đầu. Theo sau những gia tăng này, cả hai biên dạng biến dạng đã hiển thị các xu hướng giảm dần do quá trình giải hấp phụ xảy ra.
 
Hình 11. Biến dạng thành phần khí và các biến dạng vuông góc
và song song trong thử nghiệm bơm phụt
4. Kết luận
Nghiên cứu trên được tiến hành nhằm xác định những ảnh hưởng của việc bơm phụt khí N2 để thu hồi khí CH4 và CO2 hấp phụ trong khe nứt của than và đất đá.
Có thể nhận thấy rằng, than hấp phụ khí CO2 nhiều hơn so với khí CH4. Tuy nhiên, thời gian hấp phụ CH4 lại dài hơn. Vì vậy, thời gian cần được xem là yếu tố quyết định trong các nghiên cứu hấp phụ đối với than.
Các biên dạng biến dạng cho thấy, việc bơm phụt khí N2 gây ra sự nới lỏng trong cấu trúc mẫu than, vì thế, thúc đẩy quá trình thu hồi khí. Tuy nhiên, việc thu hồi khí CO2 dường như cao hơn nhiều so với khí CH4. Có thể là do các phân tử CO2 hầu như đã có sẵn trong các khe nứt, đứt gãy và các lỗ rỗng dưới dạng tự nhiên nên nó dễ dàng thay thế chỗ hơn.
Có thể đánh giá rằng, công tác bơm phụt khí N2 dường như kém hiệu quả trong việc thu hồi khí CH4 trong điều kiện thử nghiệm hiện tại do hầu hết các phân tử CH4 đang được lưu giữ trong các khe nứt của than. Tuy nhiên, nó lại giúp cho việc thu hồi khí CO2 hiệu quả hơn./.  
Quốc Trung (biên dịch)



 

Số lượt đọc: 4161 - Cập nhật lần cuối: 02:51 | 10/05/2013
Về trang trước Bản in Gửi mail Trang chủ