Zastosowanie zjawiska emisji akustycznej do badania układu węgiel kamienny-gazy kopalniane w aspekcie sekwestracji CO2 w pokładach węgla

Majewska, Z.; Majewski, S.; Ziętek, J.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Zastosowanie zjawiska emisji akustycznej do badania układu węgiel kamienny-gazy kopalniane w aspekcie sekwestracji CO2 w pokładach węgla

Autorzy

Majewska Z. , Majewski S. , Ziętek J.

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Applicability of acoustic emission techniques to the study of coal-gas system for CO2 sequestration in coals

Języki publikacji

Abstrakty

W artykule przedstawiono wyniki badań laboratoryjnych ilustrujące możliwości wykorzystania zjawiska emisji akustycznej (AE) jako narzędzia do zdalnego badania wzajemnych oddziaływań matrycy węglowej z molekułami gazów. Badania te mają ścisły związek z dwoma nadal aktualnymi problemami, a mianowicie: z pozyskiwaniem metanu z pokładów węgla jako alternatywnego źródła energii oraz z koniecznością ograniczenia emisji CO2 do atmosfery. Jedną z technologii, która uwzględnia obecne uwarunkowania ekonomiczne i środowiskowe jest zatłaczanie CO2 do pozabilansowych metanonośnych pokładów węgla z równoczesnym zintensyfikowaniem odzyskania metanu (CO2-ECBM). Poznanie wzajemnych oddziaływań w układzie węgiel kamienny-gazy kopalniane ma kluczowe znaczenie dla powodzenia tej technologii. Z przeprowadzonych, przez autorów, równoczesnych badań sejsmoakustycznych, sorpcyjnych i dylatometrycznych na kawałkowych próbkach węgla kamiennego o znanej budowie petrograficznej, uzyskano wiele cennych informacji. Eksperymenty prowadzono zarówno w reżimie pojedynczego cyklu sorpcja-desorpcja, jak również w kilku następujących po sobie cyklach, na próbkach swobodnych i skrępowanych. Do opisu AE indukowanej w węglu procesami sorpcji/desorpcji gazów (CO2, CH4 i ich mieszaniny binarne) wykorzystano tradycyjne parametry – aktywność akustyczną i intensywność wyzwolonej energii. Najważniejsze uzyskane rezultaty: – charakterystyki sejsmoakustyczne i kinetyki odkształceń wykazują istotne różnice w zależności od typu węgla i rodzaju użytego sorbatu, – zarejestrowana AE i odkształcenia objętościowe podczas kolejnych cyklów sorpcja/desorpcja gazów wskazują na przebudowę struktury badanego węgla podczas pierwszego cyklu, czyli na skutek pierwszego kontaktu węgla z sorbatem, – podczas procesu sorpcji CO2 na próbkach poddanych stałemu jednoosiowemu naprężeniu zaobserwowano indukowanie w próbce naprężenia sorpcyjnego (tzw. self-stressing), oraz redukcję AE i odkształceń objętościowych odpowiednio o 80% i 60%, – badania współzależności zjawisk AE i odkształceń objętościowych węgla w funkcji ilości sorbowanego gazu wskazują na nieliniowość tej zależności, a ponadto na jej odmienny charakter, zależny od typu węgla i rodzaju użytego sorbatu (CO2, CH4, CO2/CH4). Uzyskane nowe informacje o charakterze zmian odkształceń objętościowych węgla, a także zaobserwowane zjawisko indukowania naprężenia sorpcyjnego w węglu jako skutek sorpcji CO2, przebiegającej na węglu poddanym zewnętrznym naprężeniom, mogą mieć istotne znaczenie dla CO2 - ECBM, zarówno na etapie projektowania jak, i predykcji skutków iniekcji CO2, z punktu widzenia długotrwałego składowania tego gazu.

This paper presents the results of unique simultaneous measurements of sorption kinetics, volumetric strain and acoustic emission (AE) on solid coal samples subjected to sorption of carbon dioxide, methane and their mixture. The following conclusions can be drawn from this study: 1. sorption of CO2 and CH4 affected the two coals differently and there could be a connection between changes in the coal structure due to sorption of the gases and the character of the induced acoustic emission and strain, 2. a non-linear relationship between the volumetric strain and the amount of sorbed gas was found, 3. the AE and strain characteristics obtained indicated that some of the causes of sorption induced AE and strain are the same, 4. a set of data on strains, stress and AE indicated that the application of axial stress results in the development of internal stress within the coal and also in the reduction of both swelling and AE by about 60 % and 80 %, respectively. The AE results obtained confirmed the usefulness of the AE technique for non-invasive characterization of coal-gas systems. In addition, the AE technique should be promising for control monitoring of gas movements within the coalbed and/or surrounding strata and, ultimately, towards the surface. This is of importance in regard to environmental safety and health aspects of CO2 - ECBM/Sequestration.

Słowa kluczowe

emisja akustyczna węgiel kamienny naprężenia sorpcja/desorpcja gazów sekwestracja CO2 w pokładach węgla

acoustic emission sorption of gases bituminous coal coal swelling CO2 sequestration in coal seans

Wydawca

Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Górnictwa

Czasopismo

Przegląd Górniczy

Rocznik

2014

Tom

T. 70, nr 7

Strony

1--11

Opis fizyczny

Bibliogr. 44 poz., tab., rys., wykr.

Twórcy

autor

Majewska Z.

AGH w Krakowie

autor

Majewski S.

AGH w Krakowie

autor

Ziętek J.

AGH w Krakowie

Bibliografia

1. Bustin M., R., Cui X., Chikatamarla, L.: Impacts of volumetric strain on CO2 sequestration in coals and enhanced CH4 recovery. AAPG Bulletin 92, 1, 2008, 15-29.
2. Ceglarska-Stefańska G., Czapliński A.: Correlation between sorption and dilatometric processes in hard coals. Fuel 72, 1993, 413-417.
3. Ceglarska-Stefańska G., Zarębska K.: Expansion and contraction of variable rank coals during the exchange sorption of CO2 and CH4. Adsorption Science & Technology 20, 2002, 49-62.
4. 4. Ceglarska-Stefańska G., Zarębska K.: Sorption of carbon dioxidemethane mixtures, International Journal of Coal Geology 62, 4, 2005, 211-222.
5. Cui X., Bustin M. R., Chikatamarla L.: Adsorption-induced coal swelling and stress: Implications for methane production and acid gas sequestration into coal seams. Journal of Geophysical Research 112, B10202, 2007, 1-16.
6. Day S., Fry R., Sakurovs R.: Swelling of Australian coals in supercritical CO2 . International Journal of Coal Geology 74, 2008, 41-52.
7. Hardy H.R., Jr.: Acoustic Emission/Microseismic Activity. Vol.1. Principles, Techniques, and Geotechnical Applications, A.A. Balkema Publishers, 2003.
8. Harpalani S., Chen G.: Estimation of changes in fracture porosity of coal with gas emission. Fuel 74, 1995, 1491-1498.
9. Harpalani S.: Gas flow characterisation of Illinois coal. ICCI Project No. 03-1/7 1B-2. Final Technical Report, 2005.
10. Hsieh S.T. and Duda J. L.: Probing coal structure with organic vapor sorption, Fuel 66, 1987, 170-178.
11. Karacan C.Ö.: Heterogeneous sorption and swelling in confined and stressed coal during CO2 injection. Energy and Fuels 17, 2003, 1595- 1608.
12. Karacan C.Ö.: Swelling-induced volumetric strains internal to a stressed coal associated with CO2 sorption. International Journal of Coal Geology 72, 2007, 209-220.
13. Keleman S.R., Kwiatek L.M.: Physical properties of dry block Argonne Premium bituminous coal related to CO2, CH4 and N2 adsorption. Paper 0711, Proceedings of the 2007 International Coalbed Methane Symposium, Tuscoloosa, Alabama, 2007.
14. Larsen J.W.: The effects of dissolved CO2 on coal structure and properties. International Journal of Coal Geology 57, 2004, 63-70.
15. Larsen J.W., Flowers R.A., Hall P.J. and Carlson G.: Structural rearrangement of strained coals, Energy and Fuels 11, 1997, 998-1002.
16. Levine J.R.: Model study of influence of matrix shrinkage on absolute permeability of coal bed reservoirs. Coalbed Methane and Coal Geology, 109. Geological Society Special Publication, 1996, 197-212.
17. Majewska Z., Marcak H.: The Relationship between Acoustic Emission and Permeability of Rock under Stress. I Mining Science and Technology. 9, 1989, 169-179.
18. Majewska Z.: Związek wysokoczęstotliwościowej emisji akustycznej górotworu z jego parametrami hydrodynamicznymi. Zeszyty Naukowe AGH, Geofizyka Stosowana 1989, z. 4.
19. Majewska Z., Majewski St., Marcak H., Mościcki W., Tomecka-Suchoń, S., Ziętek, J.: , 1994a Acoustic emission of coal induced by: gas and water flow, gas sorption or stress. Journal of Acoustic Emission 12, Nos. 3-4/July-December 1994. Published by Acoustic Emission Group, Los Angeles, CA.
20. Majewska Z., Majewski St., Mościcki W., Ziętek J., 1994b. Acoustic emission and temperature changes in hard coal during carbon-dioxide sorption-desorption. Rock Mechanics in Petroleum Engineering Proceedings of SPE/IRSM International Conference Eurock\94, Delft, Netherlands, 29-31 August 1994. A.A. Balkema, Rotterdam, Brookfield.
21. Majewska Z., Lasocki St., Ziętek J.: Spectra of acoustic emission induced in coal by gas sorption. Acta Montana, IRFM-AF-CR, series A8, No(97), 1996.
22. Majewska Z., Majewski St., Ziętek J.: Research into the origin of acoustic emission induced in hard coal by gas and water flow. In: Rockburst and Seismicity in Mines, ed. S.J. Gibowicz and St. Lasocki. A.A. Balkema Rotterdam Brookfield, 1997.
23. Majewska Z., Majewski St., Ziętek J.: Acoustic emission and volumetric sorption expansion of coal. Proceedings of The Sixth Conference on AE/MA in Geological Structures and Materials. Penn State Univ., USA, June 11-13 Trans. Tech. Publ, 1998.
24. Majewska Z., Mortimer Z.: Fractal description of acoustic emission produced in systems: coal - gas and coal- water. In: Progress in Acoustic Emission IX. Proc. of 14th International Acoustic Emission Symposium and 5th Acoustic Emission World Meeting. August 9-14, Hawaii, USA, 1998.
25. Majewska Z., Ziętek J.: Acoustic emission generated in systems: coal -carbon dioxide and coal-methane. Archives of Mining Sciences 44, 2, 1999, 245-254.
26. Majewska Z., Mortimer Z.: Studies of the non-linear dynamics of acoustic emission generated in rocks. Journal of Acoustic Emission 18,1-7, Published by Acoustic Emission Group, Los Angeles, CA, USA, 2000.
27. Majewska Z., Mortimer Z.: Chaotic behavior of acoustic emission generated in materials under stress. In: Rockburst and Seismicity in Mines-RaSiM5. South African Institute of Mining and Metallurgy, 2001, 181-190.
28. Majewska Z., Mortimer Z.: Chaotic behavior of acoustic emission induced in hard coal by gas sorption-desorption, Acta Geophysica 54, 1, 2006, 50-59.
29. Majewska Z., Ziętek J., 2007a. Changes of acoustic emission and strain in hard coal during gas sorption-desorption cycles. International Journal of Coal Geology 70, 4, 305-312.
30. Majewska Z., Ziętek J., 2007b. Acoustic emission and sorptive deformation induced in coals of various rank by the sorption-desorption of gas. Acta Geophysica 55, 3, 324-343.
31. Majewska Z., Ziętek J., 2008. Acoustic emission and volumetric strain induced in coal by the displacement sorption of methane and carbon dioxide. Acta Geophysica 56, 2, 372-390.
32. Majewska Z., Ceglarska-Stefańska G., Majewski S., Ziętek J., Czerw K.: Differential swelling of coal. Accepted for presentation at 25th Annual International Pittsburgh Coal Conference, September 29 - October 2, 2008, Pittsburgh, PA USA, 2008.
33. Majewska Z., Ceglarska-Stefańska G., Majewski S., Ziętek J.: Binary gas sorption/desorption experiments on bituminous C coal: Simultaneous measurements of sorption kinetics, volumetric strain and acoustic emission. International Journal of Coal Geology 77, 2009, 90-102.
34. Majewska Z., Majewski S., Ziętek J., Ceglarska-Stefańska G.: 2010a. Volumetric strain induced in medium-rank coal by sorption of carbon dioxide, methane and their mixture Chapter 4 In: ”Carbon Sequestration: Methods, Modeling and Impacts” Editor: Elke Hoch and Siegbert Grunwald, Nova Publishers, New York.
35. Majewska Z., Majewski S., Ziętek J.: 2010 b. Swelling of coal induced by cyclic sorption/desorption of gas: Experimental observations indicating changes in coal structure due to sorption of CO2 and CH4 . International Journal of Coal Geology 83.
36. Majewska Z., Majewski S., Ziętek J.: Acoustic emission In rocks induced by various stimuli. In: Theory and uses of acoustic emission. Ed. Justin K. Burnett, Nova Publishers, New York 2012.
37. Majewska Z., Majewski S., Ziętek J.: Swelling and acoustic emission behavior of unconfined and confined coal during sorption of CO2 . International Journal of Coal Geology 116-117, 2013, 17-25.
38. Milewska-Duda J.: The coal-sorbate system in the light of the theory of polymer solutions, Fuel 72, 1993, 419-425.
39. Pan Z., and L.D. Connell: A theoretical model for gas adsorptioninduced coal swelling, International Journal of Coal Geology 69, 2007, 243-252.
40. Pekot L.J., Reeves S.R.: Modeling coal matrix shrinkage and differential swelling with CO2 injection for enhanced coalbed methane recovery and carbon sequestration applications. Topical report, Contract No. DE-FC26-00NT40924, U.S. DOE, Washington, DC, 14, 17, 2002.
41. Reucroft P.J., Patel H.: Gas induced swelling in coal. Fuel 65, 1986, 816-820.
42. Robertson E.P., Christiansen R.L.: Measurements of sorption - induced strain, Presented at the 2005 International Coalbed Methane Symposium, Tuscaloosa, Alabama, 17-19 May. Paper 0532, 2005.
43. Walker P.L, Verma S.K.,Rivera-Utrill J., Davis A.: Densities, porosities and surface areas of coalmaurals as measured by their interactions with gases, vapours and liquids . Fuel 67, 1988, 1615.
44. Zuberek W.: Wykorzystanie efektu emisji sejsmoakustycznej w geotechnice. Publ. of the Inst. Geoph. Pol. Acad. Sc., M-11 (214), PWN, Warszawa, Łódź 1988.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-00da952e-f444-4898-bf39-24aeb8fdfbf6