Улучшение перспектив добычи топлива и секвестрации углерода

Углекислый газ при повышении давления выше критического значения неожиданно переходит от быстрого связывания с поверхностью слоистого глинистого минерала каолинита к её покиданию. К такому выводу пришли учёные Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL). Когда давление CO₂ достаточно, чтобы повысить его плотность до 0,40 грамма на кубический сантиметр, газ становится более подвижным и десорбирует с поверхности каолинита. При более низком давлении CO₂ активно взаимодействует с глиной, как отмечалось в других исследованиях. Задачей было выяснить, почему поведение CO₂ столь резко меняется при достижении этого уровня плотности. Совместив эксперименты и компьютерное моделирование, команда обнаружила, что с ростом давления для CO₂ становится энергетически выгоднее переходить в жидкоподобную сверхкритическую фазу, а не оставаться в виде связанной плёнки на поверхности глины.

Результаты исследования были опубликованы в февральском выпуске журнала Environmental Science & Technology Letters и отмечены на обложке издания.

Это фундаментальное исследование на молекулярном уровне, но оно даёт жизненно важную информацию для инженеров-нефтяников, стремящихся извлекать метан и на постоянной основе хранить CO₂ в сланцевых формациях. Поведение углекислого газа с глинистыми минералами критически важно для технологии улавливания и геологического хранения углерода, когда CO₂, полученный при сжигании топлива, закачивается под землю в виде сверхкритической жидкости.

PNNL исследует методы, при которых CO₂ можно использовать для вытеснения природного газа (метана) из сланцевых пластов, обеспечивая больше отечественной энергии. Сланец предпочитает CO₂ метану, поэтому высвобождает метан и связывается с CO₂.

«Наши результаты — ключевые строительные блоки для прогнозирования оптимальных условий хранения углекислого газа в истощённых сланцевых газовых формациях с одновременной добычей дополнительного природного газа, — пояснил геохимик PNNL Тодд Шеф. — В сланцевом коллекторе нам нужно знать наилучшие условия для прикрепления CO₂ к минералам, таким как каолинит. Если создать избыточное давление, углекислый газ не прикрепится».

Исследование началось с каолинита — широко распространённого глинистого минерала, который выступил в роли модельной системы. Учёные использовали кварцевый микровесы для измерения количества CO₂, сорбированного на поверхности минерала. Когда механизмы взаимодействия оставались не до конца ясны, они смоделировали их с помощью расчётов метода функционала плотности (DFT). Эксперименты и симуляции были выполнены с использованием ресурсов Молекулярно-научной лаборатории экологических исследований (EMSL) Министерства энергетики США (DOE).

«Углекислый газ — хорошо изученная молекула, у которой всё ещё есть секреты, — отметил Тодд Шеф. — Мы и многие другие работали с CO₂ и различными минеральными системами годами, но никто не объяснил его странное адсорбционное поведение, пока мы не спросили "почему?"».

Следующими шагами станут исследования поведения CO₂ с другими минералами, например, набухающими глинами, которые также являются компонентом сланца. Учёные определят, происходит ли поведение, наблюдаемое на каолините, на других материалах. Также необходимо начать процесс интеграции результатов молекулярного моделирования в модели пластового масштаба для тестирования новых идей по закачке CO₂ для повышения добычи метана.