Molecular simulation of the competitive adsorption of methane and carbon dioxide in the matrix and slit model of shale kerogen and the influence of water

干酪根 油页岩 甲烷 吸附 页岩气 二氧化碳 基质(化学分析) 狭缝 化学 环境科学 地质学 色谱法 有机化学 物理 古生物学 烃源岩 光学 构造盆地
作者
Decheng Zhang,Hao Tang,Yuqi Song,M.S.A. Perera,P.G. Ranjith
标识
DOI:10.1016/j.geoen.2024.213212
摘要

Carbon dioxide enhanced shale gas recovery (CO2-EGR) technology is of great significance for shale gas extraction and carbon dioxide storage in subsurface, which involves the competitive adsorption in shale nanopores. Adsorption comparisons between the kerogen matrix and slit and between the pure gas and gas mixture are conducted in this study. Kerogen matrix and slit models are built with the type II-A kerogen macromolecules and adsorptions of CH4 and CO2 are modelled. It is seen: 1) The gas absolute adsorption increases with its molar fraction while decreases with temperature. The Langmuir pressure for CO2 decreases while that for CH4 increases with their molar fractions. The adsorption selectivity of CO2 over CH4 decreases with the increase in pressure and the CO2 fraction, while it is higher in the matrix than that in the slit. Water significantly reduces the gas adsorption especially for matrix. 2) CO2 has high affinity to the Sulfur and Nitrogen functional groups, while CH4 molecules mainly adsorb on the Sulfur, Nitrogen and Carbon functional groups, While water are strongly bound to the Oxygen functional groups with water cluster formed at high contents. 3) Lower interaction energies are shown in the matrix compared with the slit due to the adsorption superposition, which results in gases preferentially adsorbed in the matrix then on the slit surface in the kerogen slit model. The water interaction energy is lowest due to the hydrogen bond, while the interaction energy of CO2 is much smaller than that of CH4 indicating its adsorption advantage.
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