Abstract The adsorption of carbon dioxide and methane binary mixture in shale kerogen nanopores and the underlying mechanism significantly affect the supercritical carbon dioxide enhanced shale gas development project. In this study, we investigated the adsorption properties of carbon dioxide and methane in shale kerogen using grand canonical Monte Carlo (GCMC) method. Shale kerogen was fabricated based on Ungerer molecular model and its parameters were validated. The effects of temperature, pressure, mole fraction on the adsorption isotherms, average isosteric heat, potential energy distribution, and adsorption selectivity of binary mixture were discussed. The results show that the absolute adsorption capacity of methane in binary mixture decreases as temperature increases, but increases as mole fraction increases. Compared with methane, carbon dioxide is in lower energy absorption sites, which indicates the adsorption capacity of carbon dioxide in shale kerogen is stronger than that of methane. The adsorption selectivity of carbon dioxide over methane first decreases as pressure increases until pressure reaches critical pressure (7.38 MPa for carbon dioxide), and then stays at around 3.8 as pressure continues to rise. Adsorption selectivity and desorption quantity are used to reveal that the optimal injection depth for supercritical carbon dioxide enhanced shale gas development project is 1000–2500 m. This study will reveal the mechanism of the adsorption of methane in kerogen and provide some fundamental data for supercritical carbon dioxide enhanced shale gas development project.

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超临界二氧化碳和甲烷二元混合物在页岩干酪根纳米孔中的选择性吸附

摘要 二氧化碳和甲烷二元混合物在页岩干酪根纳米孔中的吸附及其潜在机理对超临界二氧化碳强化页岩气开发项目具有重要影响。在这项研究中，我们使用大正则蒙特卡罗 (GCMC) 方法研究了二氧化碳和甲烷在页岩干酪根中的吸附特性。基于Ungerer分子模型制备页岩干酪根并对其参数进行验证。讨论了温度、压力、摩尔分数对二元混合物吸附等温线、平均等量热、势能分布和吸附选择性的影响。结果表明，甲烷在二元混合物中的绝对吸附容量随着温度的升高而降低，但随着摩尔分数的增加而增加。与甲烷相比，二氧化碳处于较低的能量吸收位点，说明二氧化碳在页岩干酪根中的吸附能力强于甲烷。二氧化碳对甲烷的吸附选择性首先随着压力的增加而下降，直到压力达到临界压力（二氧化碳为 7.38 MPa），然后随着压力的继续上升保持在 3.8 左右。通过吸附选择性和解吸量得出超临界二氧化碳强化页岩气开发项目的最佳注入深度为1000～2500 m。本研究将揭示干酪根吸附甲烷的机理，为超临界二氧化碳强化页岩气开发项目提供基础数据。说明页岩干酪根对二氧化碳的吸附能力强于甲烷。二氧化碳对甲烷的吸附选择性首先随着压力的增加而下降，直到压力达到临界压力（二氧化碳为 7.38 MPa），然后随着压力的继续上升保持在 3.8 左右。通过吸附选择性和解吸量得出超临界二氧化碳强化页岩气开发项目的最佳注入深度为1000～2500 m。本研究将揭示干酪根吸附甲烷的机理，为超临界二氧化碳强化页岩气开发项目提供基础数据。说明页岩干酪根对二氧化碳的吸附能力强于甲烷。二氧化碳对甲烷的吸附选择性首先随着压力的增加而下降，直到压力达到临界压力（二氧化碳为 7.38 MPa），然后随着压力的继续上升保持在 3.8 左右。通过吸附选择性和解吸量得出超临界二氧化碳强化页岩气开发项目的最佳注入深度为1000～2500 m。本研究将揭示干酪根吸附甲烷的机理，为超临界二氧化碳强化页岩气开发项目提供基础数据。二氧化碳对甲烷的吸附选择性首先随着压力的增加而下降，直到压力达到临界压力（二氧化碳为 7.38 MPa），然后随着压力的继续上升保持在 3.8 左右。通过吸附选择性和解吸量得出超临界二氧化碳强化页岩气开发项目的最佳注入深度为1000～2500 m。本研究将揭示干酪根吸附甲烷的机理，为超临界二氧化碳强化页岩气开发项目提供基础数据。二氧化碳对甲烷的吸附选择性首先随着压力的增加而下降，直到压力达到临界压力（二氧化碳为 7.38 MPa），然后随着压力的继续上升保持在 3.8 左右。通过吸附选择性和解吸量得出超临界二氧化碳强化页岩气开发项目的最佳注入深度为1000～2500 m。本研究将揭示干酪根吸附甲烷的机理，为超临界二氧化碳强化页岩气开发项目提供基础数据。利用吸附选择性和解吸量得出超临界二氧化碳强化页岩气开发项目的最佳注入深度为1000～2500 m。本研究将揭示干酪根吸附甲烷的机理，为超临界二氧化碳强化页岩气开发项目提供基础数据。通过吸附选择性和解吸量得出超临界二氧化碳强化页岩气开发项目的最佳注入深度为1000～2500 m。本研究将揭示干酪根吸附甲烷的机理，为超临界二氧化碳强化页岩气开发项目提供基础数据。