Научная группа из МФТИ совместно с китайскими и португальскими коллегами впервые проследила, как закачка углекислого газа изменяет фрактальную структуру нанопор в углях в режиме реального времени. Использование метода синхротронного малоуглового рентгеновского рассеяния позволило ученым обнаружить, что поры размером от 10 до 70 нанометров ведут себя по-разному в зависимости от их величины, что важно для повышения эффективности добычи метана и разработки технологий безопасного захоронения CO₂. Результаты исследования опубликованы в одном из ведущих (импакт-фактор 13.2) научных журналов Chemical Engineering Journal.
Добыча метана из угольных пластов — одна из сложнейших задач в горном деле. Уголь обладает сложной, неоднородной структурой: его поровое пространство состоит из множества каналов размером от единиц нанометров до мм трещин. Исследовать сразу все эти уровни структуры невозможно, наиболее сложна для исследования наноструктура.
Для повышения газоотдачи в пласты можно закачивать углекислый газ. При этом структура пор начинает меняться — одни сжимаются, другие расширяются, третьи заполняются газом. До сих пор ученые не могли в реальном времени проследить, как именно происходит эта перестройка и как она влияет на способность пласта отдавать метан. Без этого понимания технологии закачки CO₂ остаются в значительной степени «эмпирическими», а эффективность извлечения газа — труднопрогнозируемой.
Ученые провели эксперименты на образцах антрацита из бассейна Циньшуй (Китай). Испытания проходили на установке синхротронного излучения в Пекине (BSRF). Это позволило наблюдать за структурой пор непрерывно в процессе насыщения угля CO₂.
В результате обнаружилось, что поры разного размера по-разному реагируют на закачку газа. Мелкие поры работают как губка: молекулы углекислого газа заполняют все неровности и микротрещины на их стенках, делая поверхность более гладкой. Крупные поры ведут себя иначе: под давлением газа они меняют свою форму, соединяются друг с другом, перестраивая внутреннюю структуру.
«Одним из ключевых открытий стало разделение нанопор на две категории в зависимости от их реакции на закачку газа. Малые поры (10–40 нм) продемонстрировали поверхностные фрактальные характеристики. Под давлением молекулы CO₂ заполняют неровности и микротрещины, сглаживая стенки пор. Это приводит к снижению поверхностной фрактальной размерности, что означает уменьшение шероховатости и, как следствие, изменение сорбционной способности материала. Крупные поры (40–70 нм) проявили поровые фрактальные характеристики. Здесь воздействие газа вызывает деформацию и перестройку самого пространства пор (их формы и связности), что ученые связывают с эффектом “сжатия“ и “переформирования” структуры под действием адсорбционного напряжения», — рассказал Кирилл Герке, один из авторов работы, старший научный сотрудник Центра вычислительной физики МФТИ.
Наиболее чувствительными к изменению давления оказались поры размером 60–70 нм. При этом все изменения, вызванные адсорбцией CO₂, оказались частично необратимыми: после сброса давления структура угля не вернулась в исходное состояние, что указывает на пластическую деформацию материала.
Полученные данные имеют значение для двух перспективных направлений энергетики. Во-первых, это технология CO₂-EOR (повышение газоотдачи угольных пластов), когда закачка углекислоты позволяет извлечь трудноизвлекаемый метан. Во-вторых, это разработка методов геологического хранения (секвестрации) CO₂ — одного из ключевых инструментов борьбы с парниковыми газами.
«Понимание того, как на наноуровне ведут себя разные фракции пор под давлением, позволяет точнее прогнозировать проницаемость пластов и управлять процессами закачки газа. Использованный метод *in-situ* синхротронного рассеяния считается “золотым стандартом” для неразрушающего анализа закрытых нанопор, которые недоступны для изучения традиционными методами (такими как рентгеновская томография или порометрия, ввиду экспериментальных сложностей или же лимита разрешения). Хотя в данном исследовании рассматривали именно закачку CO2, синхротронные методы и подходы к многомасштабному моделированию, которые разрабатываются в Центре вычислительной физики МФТИ позволяют отвечать и на вопросы угольной промышленности России», — поясняет Кирилл Герке.
В исследовании принимали участие сотрудники МФТИ, Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, Китайского университета горного дела и технологий и Университета Лиссабона (Португалия).
