همکاری بین‌المللی ایران برای دقت‌بخشی به سنجش جذب گاز در شیل‌ها

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما ، پژوهشگران دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی با همکاری محققانی از دانشگاه‌های کریستین- آلبرشت کیل کشور آلمان، مؤسسه یوزف استفان کشور اسلوونی، دانشگاه نفت شمال‌شرق چین و دانشگاه یانگ‌تسه چین در پژوهشی مشترک به بازنگری روش اندازه‌گیری حجم قابل دسترس در ماتریس‌های کروژنی پرداخته‌اند و نشان داده‌اند که روش‌های متداول هلیوم‌انبساط ممکن است در برخی شرایط منجر به برآورد نادرست فضای تخلخل شوند.

بخش نانویی و شبیه‌سازی مولکولی این پروژه در حوزه مدل‌سازی رفتار جذب گاز در مقیاس اتمی متمرکز بوده و با استفاده از رویکرد ترکیبی گراند کانونیکال مونت‌کارلو و دینامیک مولکولی، پارامتر‌های مؤثر بر جذب سطحی، از جمله فشار، اندازه منفذ و حجم قابل‌دسترس ساختار کروژن، مورد بررسی قرار گرفته است. اهمیت این پژوهش در آن است که برآورد دقیق ظرفیت جذب گاز در مخازن شیل، نقشی کلیدی در پیش‌بینی عملکرد تولید و طراحی راهبرد‌های استخراج ایفا می‌کند.

بر اساس یافته‌های این مطالعه، اندازه‌گیری حجم قابل‌دسترس با استفاده از گاز هلیوم به‌عنوان پروکسی تجربی می‌تواند منجر به برآورد بیش‌ازحد این پارامتر شود. شبیه‌سازی‌ها نشان داده است که حجم‌های به‌دست‌آمده از روش هلیوم‌انبساط در برخی موارد تقریباً دو برابر مقدار واقعی است. این موضوع چالش مهمی برای ارزیابی داده‌های آزمایشگاهی ایجاد می‌کند و ضرورت بازنگری در تفسیر نتایج اندازه‌گیری‌های مبتنی بر هلیوم را مطرح می‌سازد.

پژوهشگران برای رفع این محدودیت، ضریب‌های تصحیحی در حدود ۰.۵ برای داده‌های حاصل از اندازه‌گیری هلیوم پیشنهاد کرده‌اند. این ضرایب بر اساس مدل‌های کروژن دارای ساختار عمدتاً میکروپور استخراج شده و نشان می‌دهد که توزیع اندازه منافذ (PSD) می‌تواند اندکی بر مقدار دقیق این ضریب اثر بگذارد. استفاده از این اصلاحات می‌تواند دقت برآورد فضای خالی قابل‌دسترس را در تحلیل‌های ذخیره‌سازی گاز بهبود دهد.

مطالعه شبیه‌سازی‌شده نشان داده است که رفتار جذب گاز‌های مختلف در ماتریس کروژن تفاوت قابل‌توجهی دارد. در فشار‌های پایین، گاز‌های اتان و دی‌اکسیدکربن افزایش شدیدتری در منحنی جذب مطلق خود نشان می‌دهند که بیانگر میل ترکیبی بالاتر آنها با ساختار کروژن است. با این حال، در فشار‌های بالاتر، جذب مطلق اتان به دلیل اندازه مولکولی بزرگ‌تر و اشباع سریع‌تر منافذ، نسبت به برخی گاز‌های دیگر کمتر گزارش شده است.

نتایج این تحقیق تأکید ویژه‌ای بر عملکرد جذب دی‌اکسیدکربن داشته است. یافته‌ها نشان می‌دهد که دی اکسیدکربن نسبت به سایر گاز‌های بررسی‌شده، میل جذب قوی‌تری در ساختار کروژن دارد. این ویژگی می‌تواند اهمیت دوگانه‌ای داشته باشد؛ از یک سو به کاهش انتشار گاز‌های گلخانه‌ای کمک می‌کند و از سوی دیگر امکان افزایش بازیافت گاز از سازند‌های شیل را فراهم می‌سازد. پژوهشگران اشاره کرده‌اند که استفاده از مخازن شیل برای ذخیره‌سازی زمین‌شناسی دی‌اکسیدکربن می‌تواند به‌عنوان راهبردی در مدیریت کربن و کاهش اثرات تغییرات اقلیمی مطرح شود.

در مقایسه میان مدل‌های ایزوترم جذب، مدل‌های پیشرفته‌تر نظیر Brunauer-Emmett-Teller فوق‌بحرانی و Dubinin-Radushkevich فوق‌بحرانی عملکرد بهتری نسبت به مدل کلاسیک لانگمویر در پیش‌بینی جذب مطلق نشان داده‌اند. با این حال، هیچ‌یک از مدل‌های بررسی‌شده نتوانسته‌اند به‌طور کامل مقادیر جذب مطلق را با دقت کامل پیش‌بینی کنند که این مسئله نشان‌دهنده نیاز به توسعه مدل‌های نظری پیچیده‌تر در آینده است.

یکی از نکات مهم این پژوهش، بررسی اثر فشار بر تفاوت میان چگالی جذب‌شده و چگالی فاز توده‌ای گاز‌ها بوده است. در فشار‌های بالا، اختلاف این دو مقدار کاهش یافته و در نتیجه میزان جذب اضافی کاهش می‌یابد. همچنین مشخص شده است که استفاده از روش‌های هلیوم‌محور برای تخمین حجم منفذ ممکن است در برخی شرایط منجر به مشاهده مقادیر جذب اضافی منفی شود که تفسیر آن باید با احتیاط انجام گیرد.

مدل شبیه‌سازی پژوهش فرض کرده است که اندازه منافذ در تمام شرایط ثابت باقی می‌ماند، اما پژوهشگران تأکید کرده‌اند که فرایند جذب گاز می‌تواند موجب تورم و تغییر شکل ماتریس کروژن شود. چنین پدیده‌ای ممکن است حجم قابل‌دسترس و ظرفیت جذب را تغییر دهد. از این‌رو بررسی اثرات مکانیکی و ساختاری جذب گاز بر شبکه کروژنی به‌عنوان یکی از مسیر‌های مهم تحقیقات آینده پیشنهاد شده است.

نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که شبیه‌سازی‌های مولکولی می‌توانند ابزار ارزشمندی برای اصلاح داده‌های تجربی و افزایش دقت تحلیل‌های مخازن شیل باشند. به اعتقاد محققان، ترکیب روش‌های محاسباتی پیشرفته با آزمایش‌های میدانی می‌تواند به بهبود مدیریت منابع هیدروکربنی، توسعه فناوری جذب و ذخیره‌سازی کربن و ارتقای کارایی استخراج انرژی کمک کند.

به نقل از ستاد نانو، نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای با عنوان Helium expansion revisited: Effects of accessible volume on excess adsorption in kerogen matrices منتشر شده است.