[論文レビュー] Investigation of methane adsorption and its effect on gas transport in shale matrix through microscale and mesoscale simulations

Zhongzhen Li, Ting Min+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 25, 2015

Hydrocarbon exploration and reservoir analysis参考文献 38被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、マイクロスケールの分子動力学（MD）とメソスケールの格子ボルツマン（LB）シミュレーションを組み合わせることで、頁岩マトリックス内のメタン吸着およびそのガス輸送への影響を調査している。圧力に依存する吸着層の厚さとスリップ効果が顕著に影響を与え、低透水性頁岩系では非単調な透水率の傾向を示す、競合するメカニズムが顕在する。

ABSTRACT

Methane adsorption and its effect on fluid flow in shale matrix are investigated through multi-scale simulation scheme by using molecular dynamics (MD) and lattice Boltzmann (LB) methods. Equilibrium MD simulations are conducted to study methane adsorption on the organic and inorganic walls of nanopores in shale matrix with different pore sizes and pressures. Density and pressure distributions within the adsorbed layer and the free gas region are discussed. The illumination of the MD results on larger scale LB simulations is presented. Pressure-dependent thickness of adsorbed layer should be adopted and the transport of adsorbed layer should be properly considered in LB simulations. LB simulations, which are based on a generalized Navier-Stokes equation for flow through low-permeability porous media with slippage, are conducted by taking into consideration the effects of adsorbed layer. It is found that competitive effects of slippage and adsorbed layer exist on the permeability of shale matrix, leading to different changing trends of the apparent permeability.

研究の動機と目的

• 異なる圧力および孔径条件下での頁岩マトリックスのナノポーラ内におけるメタン吸着挙動を理解すること。
• 有機および無機質の孔壁面上の吸着メタン層の厚さおよび密度分布を定量すること。
• MDシミュレーションの結果をLBシミュレーションに統合することで、マイクロスケールの吸着効果とメソスケールのガス輸送を橋渡しすること。
• 低透水性頁岩における吸着層の動的挙動とスリップフローが顕在透水率に与える影響を評価すること。
• 吸着と流れの相互作用を正確に捉えることのできるマルチスケールシミュレーションフレームワークの構築

提案手法

• 有機および無機ナノポーラ表面におけるメタン吸着を調査するため、平衡状態の分子動力学（MD）シミュレーションを実施する。
• 異なる孔径および圧力条件下における吸着層内および自由ガス領域内の密度および圧力分布を分析する。
• MDから得たパラメータ（特に圧力に依存する吸着層の厚さ）を、メソスケールの格子ボルツマン（LB）シミュレーションの入力として使用する。
• 低透水性多孔質媒体における流れをスリップ境界条件を含めてモデル化するため、一般化されたナビエ＝ストークス方程式をLBシミュレーションに導入する。
• スリップ効果と吸着層抵抗の両方の影響をLBモデルに組み込み、顕在透水率をシミュレートする。
• マイクロスケールの吸着データとメソスケールの流れ予測の整合性を確認することで、マルチスケール手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 頁岩ナノポーラ内におけるメタン吸着は、孔径および圧力にどのように依存するか？
• RQ2 有機および無機表面における吸着メタン層の圧力依存性の厚さおよび密度プロファイルは何か？
• RQ3 スリップと吸着層抵抗が、頁岩マトリックス内のガス輸送にどのように共同で影響を与えるか？
• RQ4 圧力および孔径条件の変化に伴い、顕在透水率にどのような傾向が現れるか？
• RQ5 マイクロスケールの吸着データを効果的にアップスケーリングし、メソスケールの流れシミュレーションに影響を与えるにはどうすればよいか？

主な発見

• メタン吸着層の厚さは圧力に伴い増加し、この圧力依存性はメソスケールのシミュレーションで明示的にモデル化する必要がある。
• 吸着層は非一様な密度および圧力分布を示し、孔壁に近い領域で密度が高く、自由ガス領域に向かって減少する。
• 孔壁でのスリップは流れを促進するが、吸着層の存在は透水率を低下させるため、競合的な効果が生じる。
• スリップと吸着層の両方の影響が組み合わさることで、圧力の上昇に伴い顕在透水率に非単調な変化が生じる。
• 頁岩内のガス輸送を正確にシミュレートするには、動的変化する吸着層の厚さとスリップ効果を両方ともメソスケールモデルに組み込む必要がある。
• マルチスケールフレームワークは、マイクロスケールのMD結果とメソスケールのLBシミュレーションを的確に結びつけ、頁岩ガス輸送の予測精度を向上させた。