[논문 리뷰] Investigation of methane adsorption and its effect on gas transport in shale matrix through microscale and mesoscale simulations

Zhongzhen Li, Ting Min외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 25.

Hydrocarbon exploration and reservoir analysis참고 문헌 38인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 연성 매트릭스에서 메탄 흡착 및 기체 확산에 영향을 미치는 것을 다루며, 마이크로스케일 분자 동역학(MD)과 메조스케일 격자 뜨개질(Boltzmann, LB) 시뮬레이션을 통합한 방법을 사용한다. 압력에 따라 변하는 흡착층 두께와 슬립 효과가 명백한 투과도에 결정적인 영향을 미치며, 이로 인해 저투과도 석탄층 시스템에서 비단조화적인 투과도 경향이 발생한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다양한 압력과 구멍 크기 조건에서 석탄 매트릭스의 나노구멍에서 메탄 흡착 거동을 이해하기 위해.
• 유기 및 무기 구멍 벽면에 흡착된 메탄 층의 두께와 밀도 분포를 정량화하기 위해.
• MD 결과를 LB 시뮬레이션에 통합하여 마이크로스케일 흡착 효과와 메조스케일 기체 확산을 연결하기 위해.
• 저투과도 석탄층에서 흡착층 역학과 슬립 유량이 명백한 투과도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 흡착과 유량 간의 상호작용을 정확히 포착하는 다중스케일 시뮬레이션 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 유기 및 무기 나노구멍 표면에서의 메탄 흡착을 연구하기 위해 평형 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 수행한다.
• 다양한 구멍 크기와 압력 조건에서 흡착층 내 및 자유 기체 영역의 밀도 및 압력 분포를 분석한다.
• MD에서 유도된 매개변수—특히 압력에 따라 변하는 흡착층 두께—를 메조스케일 격자 뜨개질(LB) 시뮬레이션의 입력으로 사용한다.
• 저투과도 다공성 매체에서 슬립 경계 조건을 고려한 일반화된 나비에-스토크스 방정식을 LB 시뮬레이션에 구현한다.
• 슬립 효과와 흡착층 저항 효과를 모두 LB 모델에 통합하여 명백한 투과도를 시뮬레이션한다.
• 마이크로스케일 흡착 데이터와 메조스케일 유량 예측 간 일관성을 확보하여 다중스케일 접근법을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 석탄 나노구멍에서 메탄 흡착은 구멍 크기와 압력에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 유기 및 무기 표면에서 메탄 흡착층의 두께와 밀도 프로파일은 압력에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ3 슬립과 흡착층 저항이 석탄 매트릭스 내 기체 확산에 공동으로 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 다양한 압력과 구멍 크기 조건에서 명백한 투과도의 변화 경향은 어떠한가?
• RQ5 마이크로스케일 흡착 데이터는 어떻게 효과적으로 메조스케일 유량 시뮬레이션에 스케일업할 수 있는가?

주요 결과

• 메탄 흡착 두께는 압력 증가에 따라 증가하며, 이 압력 의존성은 메조스케일 시뮬레이션에서 명시적으로 모델링되어야 한다.
• 흡착층은 비균일한 밀도 및 압력 분포를 보이며, 구멍 벽면 근처에서 밀도가 높고 자유 기체 영역으로 갈수록 감소한다.
• 구멍 벽면에서의 슬립은 유량을 향상시키지만, 흡착층 존재로 인해 투과도가 감소하여 경쟁적 영향을 미친다.
• 슬립과 흡착층의 공통적 영향으로 인해 압력 증가에 따라 명백한 투과도가 비단조화적인 변화를 보인다.
• 석탄층 내 기체 확산을 정확히 시뮬레이션하기 위해서는 동적 흡착층 두께와 슬립 효과를 모두 메조스케일 모델에 통합해야 한다.
• 다중스케일 프레임워크는 마이크로스케일 MD 결과와 메조스케일 LB 시뮬레이션을 성공적으로 연결하여 석탄가스 확산에 대한 예측 정확도를 향상시켰다.