Estudio experimental de la relación entre tamaño de partícula y la capacidad de absorción del metano en la pizarra
August 2nd, 2018
Utilizamos un aparato de adsorción isotérmica, el analizador de adsorción gravimétrico, para probar la capacidad de adsorción de distintas granulometrías de pizarra, con el fin de averiguar la relación entre tamaño de partícula y la capacidad de adsorción de pizarra.
Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo del gas de esquisto sobre la relación entre el tamaño de las partículas y la capacidad de adsorción del esquisto. La principal ventaja de esta técnica es que el método gravimétrico requiere menos parámetros y produce mejores resultados en términos de precisión y simulación de estructura subterránea real. Primero, encienda la computadora de equilibrio de suspensión magnética e inicie el controlador de acoplamiento de suspensión magnética.
Abra el cilindro de helio de gas dos y ajústelo aproximadamente a la presión de salida adecuada con la válvula de control. A continuación, confirme que la perilla del controlador de acoplamiento de suspensión magnética esté en la posición Apagado. A continuación, encienda el controlador de temperatura del instrumento, el calentador del baño de aceite y la bomba de vacío.
Cambie el controlador de acoplamiento a la posición de punto cero, espere uno o dos minutos y confirme que las lecturas sean normales y estables. Compruebe las posiciones de los puntos de medición de la misma manera. A continuación, coloque el controlador en la posición de punto cero.
Inicie el software de control del sistema. Seleccione el programa Medición en blanco y abra la ventana de configuración. Asigne un nombre a la medición, seleccione el gas dos para usar gas helio, seleccione otro fluido y seleccione el baño de fluido.
Ajuste la presión máxima a 70 bares con siete pasos de presión, la rampa de presión a dos bares por minuto y la temperatura del baño de aceite a 50 grados centígrados. Ejecute el programa y calcule la masa y el volumen del recipiente de muestra vacío. Una vez finalizada la prueba en blanco, ajuste el punto de ajuste de presión de helio de gas dos a un bar.
Inicie la dosificación de gas para llenar el baño de muestras con helio hasta que esté cerca de la presión atmosférica. Luego, detenga la dosificación de gases. A continuación, baje el sensor de temperatura.
Desmonte la chaqueta aislante de algodón y el termostato de doble pared. Sostenga el termostato de doble pared cuando se retire el último tornillo. Descargue el termostato de doble pared, teniendo cuidado de no golpear el tubo transversal del sensor con la llave.
A continuación, desmonte el pool de muestras quitando los seis tornillos de forma simétrica. Abra con cuidado el bote de muestras. A continuación, compruebe si el marco de equilibrio del instrumento está nivelado.
Para ajustar el marco de equilibrio, gire la perilla del controlador de acoplamiento magnético a la posición de apagado y suba o baje con cuidado los pies y los tornillos de soporte. Una vez que el sistema esté equilibrado, saque el recipiente de muestra y cargue una muestra de roca de esquisto limpia y triturada en el contenedor de muestra. Instale el recipiente de muestra y, a continuación, coloque el acoplamiento en la posición adecuada.
Luego, vuelva a instalar el grupo de muestras, teniendo cuidado de mantener los bordes dentro de la brida. Instale los tornillos simétricamente y gírelos con una fuerza suave y uniforme. Después de instalar la piscina de muestra, intente instalar el termostato de doble pared para asegurarse de que se pueda instalar sin problemas en la medición de flotabilidad posterior.
Una vez que se haya confirmado, retire el termostato de doble pared. A continuación, gire la perilla del controlador de acoplamiento a cada posición para verificar el equilibrio. Inserte el sensor de temperatura e instale la cubierta de calefacción eléctrica y la cubierta aislante.
Conecte la fuente de alimentación de calefacción eléctrica y encienda la alimentación. A continuación, seleccione el programa de pretratamiento en el software del instrumento y abra el menú de configuración. Asigne un nombre a la medición, elija la fuente de vacío y seleccione la calefacción eléctrica.
Establezca la temperatura de la muestra en 105 grados Celsius, la temperatura de acoplamiento en 20 grados Celsius y la duración en 600 minutos. A continuación, ejecute el programa de pretratamiento. Luego, apague la calefacción eléctrica y desconecte la fuente de alimentación.
Retire la funda de calefacción eléctrica, inserte el sensor de temperatura e instale el termostato de doble pared. Envuelva el termostato con una cubierta aislante adhesiva. A continuación, en el software, seleccione el programa de medición de flotabilidad y abra la ventana de configuración.
Ajuste la temperatura del baño de aceite a 50 grados centígrados. Establezca la presión máxima en 70 bar, la rampa de presión en dos bares por minuto y el número de pasos de presión en siete. A continuación, ejecute el proceso, que suele tardar de cinco a ocho horas.
Después de eso, seleccione el programa de medición de sorción. Si se evaluará la desorción, mantenga el baño de aceite a 50 grados centígrados y establezca 19 puntos de presión, aumentando de cero bares a 250 bares y de nuevo a cero bares. A continuación, elija el gas uno en lugar del gas dos para el gas experimental y ejecute el programa.
Utilice una bomba presurizada si es necesario para aumentar manualmente la presión del gas experimental hasta el valor objetivo. Deje que el proceso termine antes de quitar cualquier componente del instrumento. Se trituraron dos especímenes de esquisto y se dividieron por tamaño de partícula.
Para todas las muestras, la capacidad absoluta de adsorción de metano aumentó linealmente con una presión entre cero y 60 bares. Después de eso, la capacidad absoluta de adsorción se estabilizó gradualmente. El exceso de capacidad de adsorción siguió una tendencia similar a presiones más bajas, alcanzó un máximo de aproximadamente 80 a 100 bares y luego disminuyó con el aumento de la presión.
Lasmuestras de esquisto con tamaños de partícula de aproximadamente 250 micrómetros generalmente tenían la capacidad de adsorción absoluta máxima y excesiva más alta. Esto se atribuyó a que la roca se trituró en partículas más pequeñas y a que los microporos y mesoporos se conectaron para formar mesoporos y macroporos, disminuyendo el área superficial específica total del esquisto. La primera vez que tuvimos esta idea para este método fue cuando consideramos cómo se debían usar las partículas grandes para los experimentos de adsorción isotérmica de esquisto en diferentes regiones.
Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en 24 horas si se realiza correctamente.
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Visión general
Este estudio utiliza un analizador de sorción gravimétrico para investigar la capacidad de adsorción del esquisto a través de diferentes tamaños de partícula. El objetivo es dilucidar la relación entre el tamaño de la partícula y la capacidad de adsorción, que es crucial para entender la extracción de gas de esquisto.
Componentes clave del estudio
Área de la ciencia
- Neurociencia
- Biología
- Ciencia de materiales
Antecedentes
- La extracción de gas de esquisto es un área significativa de investigación.
- Entender la capacidad de adsorción es vital para optimizar los métodos de extracción.
- El tamaño de la partícula puede influir en la eficiencia de la adsorción de gas.
- Los métodos gravimétricos proporcionan mediciones precisas con menos parámetros.
Propósito del estudio
- Determinar cómo el tamaño de la partícula afecta la capacidad de adsorción del esquisto.
- Mejorar la comprensión del comportamiento del gas de esquisto en diversas condiciones.
- Mejorar la precisión de las mediciones en la investigación del gas de esquisto.
Métodos utilizados
- Utilización de un analizador de sorción gravimétrico.
- Prueba de diferentes tamaños de partícula de esquisto.
- Medición de la capacidad de adsorción bajo condiciones controladas.
- Análisis de resultados para establecer relaciones entre variables.
Principales resultados
- Identificaron tendencias en la capacidad de adsorción en relación con el tamaño de la partícula.
- Demostraron la efectividad del método gravimétrico.
- Proveeron ideas sobre las condiciones óptimas para la extracción de gas de esquisto.
- Contribuyeron a la comprensión de las propiedades del material de esquisto.
Conclusiones
- El estudio confirma que el tamaño de la partícula impacta significativamente la capacidad de adsorción.
- Los métodos gravimétricos son confiables para estudiar las propiedades del esquisto.
- Los hallazgos pueden informar futuras investigaciones y técnicas de extracción.
Preguntas frecuentes
Executive Industry Relevance
Understanding the relationship between particle size and methane sorption capacity in shale is critical for optimizing resource evaluation and extraction efficiency in unconventional gas reservoirs. This study provides quantitative insights into how particle size influences adsorption behavior, supporting more accurate reservoir characterization and informing decisions in early-stage asset evaluation. The gravimetric sorption method described offers a reliable, parameter-efficient approach for measuring gas adsorption under controlled conditions, enhancing data consistency for subsurface modeling.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of material properties that influence gas-solid interactions, supporting hypothesis testing in energy material systems.
- Operational Value: Provides a standardized gravimetric protocol for reproducible measurement of adsorption capacity across variable particle sizes.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative adsorption isotherms that serve as benchmark outputs for comparing shale samples under controlled pressure and temperature conditions.
- Operational Value: Establishes a scalable sample preparation workflow involving crushing, sieving, and loading for high-throughput sorption analysis.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Links particle-scale adsorption behavior to macroscale reservoir performance, supporting translational modeling of gas transport in fractured shale.
- Operational Value: Delivers repeatable buoyancy and sorption measurement protocols that ensure cross-lab consistency in shale characterization studies.
Pipeline & Workflow Integration
The gravimetric sorption technique fits within the early discovery phase of energy material evaluation, where understanding intrinsic adsorption properties precedes reservoir simulation and extraction design. It supports go/no-go decisions by providing reliable data on shale gas storage potential, which directly impacts asset valuation and development prioritization.
- Discovery Biology: Not applicable; this method addresses physicochemical properties of inorganic shale matrices rather than biological systems.
- Screening: Enables standardized assessment of methane adsorption capacity across particle size fractions, supporting comparative screening of geological samples.
- Analytics: Produces absolute and excess adsorption measurements as a function of pressure, enabling quantitative comparison of sorption behavior under reservoir-relevant conditions.
- Translational Research: Connects lab-scale adsorption data to field-scale extraction efficiency by identifying optimal particle size ranges for maximizing gas storage in fractured shale.
- Enterprise Reuse: The gravimetric sorption analyzer represents a reusable platform capability for characterizing adsorption properties in diverse unconventional reservoirs, reducing dependency on outsourced testing.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Improves predictive confidence in reservoir models by delivering accurate, low-parameter adsorption measurements that reflect actual sorption behavior.
- Operational Value: Enhances reproducibility through standardized blank, pretreatment, buoyancy, and sorption measurement steps, minimizing operator-induced variability.
- Strategic Value: Supports risk-adjusted investment decisions by clarifying the relationship between particle preparation and gas storage capacity, reducing uncertainty in resource estimates.
- Portfolio Impact: Enables data-driven prioritization of shale assets based on measurable adsorption performance, aligning exploration efforts with high-potential zones.
Implementation Considerations
- Requires expertise in gravimetric analysis, vacuum systems, and high-pressure gas handling to ensure measurement integrity.
- Dependence on a magnetic suspension balance (MSB) and temperature-controlled oil bath for precise mass and buoyancy detection.
- Necessitates cross-team standardization of sample preparation (crushing, sieving, loading) to maintain consistency across particle size fractions.
- Involves adaptation considerations when extending the method to other shale formations or adsorbate gases beyond methane.
- Limited by the time-intensive nature of the full measurement cycle (blank, pretreatment, buoyancy, sorption), which can exceed 24 hours per sample under optimal conditions.
