پژوهش مشترک دانشگاه خواجه نصیر: بازنگری در اندازه‌گیری حجم مخازن شیل

پژوهشگران دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی با همکاری محققانی از دانشگاه‌های برجسته آلمان، اسلوونی و چین، در یک تحقیق مشترک به بازنگری روش‌های متداول اندازه‌گیری حجم قابل‌دسترس در ماتریس‌های کروژنی پرداخته‌اند. این مطالعه نشان می‌دهد که روش‌های رایج مبتنی بر هلیوم‌انبساط، در برخی شرایط خاص، ممکن است منجر به برآوردهای نادرستی از فضای تخلخل در این مخازن شوند.

اهمیت این پژوهش در آن است که دقت در برآورد ظرفیت جذب گاز در مخازن شیل، نقشی حیاتی در پیش‌بینی عملکرد تولید و طراحی راهبردهای بهینه برای استخراج انرژی ایفا می‌کند. هرگونه خطا در این اندازه‌گیری‌ها می‌تواند تأثیرات قابل‌توجهی بر برنامه‌ریزی‌های آتی در صنعت نفت و گاز داشته باشد.

نقش شبیه‌سازی مولکولی در درک جذب گاز

بخش عمده‌ای از این پروژه بر مدل‌سازی رفتار جذب گاز در مقیاس اتمی متمرکز بوده است. با استفاده از ترکیبی از رویکردهای گراند کانونیکال مونت‌کارلو و دینامیک مولکولی، پارامترهای کلیدی مؤثر بر جذب سطحی مورد بررسی قرار گرفتند. این پارامترها شامل:

• فشار
• اندازه منفذ
• حجم قابل‌دسترس ساختار کروژن

این شبیه‌سازی‌ها به محققان امکان داد تا با دقت بی‌سابقه‌ای به جزئیات فرآیند جذب گاز پی ببرند.

چالش‌های روش هلیوم‌انبساط و راه‌حل‌های پیشنهادی

یافته‌های این مطالعه نشان می‌دهد که استفاده از گاز هلیوم به عنوان یک پروکسی تجربی برای اندازه‌گیری حجم قابل‌دسترس، می‌تواند به برآورد بیش از حد این پارامتر منجر شود. شبیه‌سازی‌ها آشکار کردند که حجم‌های به‌دست‌آمده از روش هلیوم‌انبساط در برخی موارد تقریباً دو برابر مقدار واقعی است. این امر یک چالش مهم برای ارزیابی داده‌های آزمایشگاهی ایجاد کرده و نیاز به بازنگری در تفسیر نتایج اندازه‌گیری‌های مبتنی بر هلیوم را ضروری می‌سازد.

برای رفع این محدودیت، پژوهشگران ضرایب تصحیحی در حدود ۰.۵ را برای داده‌های حاصل از اندازه‌گیری هلیوم پیشنهاد کرده‌اند. این ضرایب بر اساس مدل‌های کروژن با ساختار عمدتاً میکروپور استخراج شده‌اند و نشان می‌دهند که توزیع اندازه منافذ (PSD) می‌تواند اندکی بر دقت این ضریب تأثیر بگذارد. اعمال این اصلاحات می‌تواند دقت برآورد فضای خالی قابل‌دسترس را در تحلیل‌های ذخیره‌سازی گاز به طور قابل‌توجهی بهبود بخشد.

رفتار جذب گازهای مختلف در ماتریس کروژن

مطالعه شبیه‌سازی‌شده تفاوت‌های قابل‌توجهی را در رفتار جذب گازهای مختلف در ماتریس کروژن آشکار ساخته است:

• در فشارهای پایین، گازهای اتان و دی‌اکسیدکربن افزایش شدیدتری در منحنی جذب مطلق خود نشان می‌دهند که حاکی از میل ترکیبی بالاتر آن‌ها با ساختار کروژن است.
• در فشارهای بالاتر، جذب مطلق اتان به دلیل اندازه مولکولی بزرگ‌تر و اشباع سریع‌تر منافذ، نسبت به برخی گازهای دیگر کمتر گزارش شده است.

اهمیت جذب دی‌اکسیدکربن: کاهش انتشار و افزایش بازیافت

نتایج این تحقیق تأکید ویژه‌ای بر عملکرد جذب دی‌اکسیدکربن داشته است. یافته‌ها نشان می‌دهد که دی‌اکسیدکربن نسبت به سایر گازهای بررسی‌شده، میل جذب قوی‌تری در ساختار کروژن دارد. این ویژگی می‌تواند دارای دو اهمیت کلیدی باشد:

1. کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای: با جذب مؤثر دی‌اکسیدکربن، می‌توان به کاهش انتشار این گاز در جو کمک کرد.
2. افزایش بازیافت گاز از سازندهای شیل: امکان افزایش بازیافت گاز از مخازن شیل را فراهم می‌سازد.

پژوهشگران اشاره کرده‌اند که استفاده از مخازن شیل برای ذخیره‌سازی زمین‌شناسی دی‌اکسیدکربن می‌تواند به عنوان یک راهبرد مؤثر در مدیریت کربن و کاهش اثرات تغییرات اقلیمی مطرح شود.

مدل‌های ایزوترم جذب و نیاز به توسعه آینده

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 به طور کامل مقادیر جذب مطلق را با دقت کامل پیش‌بینی کنند، که این مسئله نشان‌دهنده نیاز به توسعه مدل‌های نظری پیچیده‌تر در آینده است.

اثر فشار بر چگالی جذب‌شده و چگالی فاز توده‌ای

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 نیز 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.

چشم‌انداز آینده: بررسی اثرات مکانیکی جذب گاز

مدل شبیه‌سازی پژوهش فرض کرده است که اندازه منافذ در تمام شرایط ثابت باقی می‌ماند، اما پژوهشگران تأکید کرده‌اند که فرآیند 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 به عنوان یکی از مسیرهای مهم تحقیقات آینده پیشنهاد شده است.

نتیجه‌گیری: ابزاری ارزشمند برای مدیریت منابع هیدروکربنی

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 شایانی کند.

نتایج این پروژه در قالب مقاله‌ای با عنوان «Helium expansion revisited: Effects of accessible volume on excess adsorption in kerogen matrices» منتشر شده است.