دراسة عملية إزاحة CO2/CH4 في نماذج ميكروسكوبية للصخر الزيتي مع سلوك الامتزاز/الطرح بواسطة طريقة بولتزمان الشبكية

تحويل مشكلة مناخية إلى أداة مفيدة

احتراق الوقود الأحفوري يطلق ثاني أكسيد الكربون (CO2)، المحرك الرئيسي لتغير المناخ. وفي الوقت نفسه، يوجد جزء كبير من الغاز الطبيعي في الصخور الكثيفة المسماة الصخر الزيتي، حيث يصعب استخراجه. تستكشف هذه الدراسة تقنية تحاول معالجة القضيتين معاً: استخدام CO2 لدفع الميثان (المكون الرئيسي للغاز الطبيعي) خارج الصخر الزيتي مع احتجاز CO2 تحت الأرض. من خلال النظر إلى داخل الصخر على مقياس مليارات الأجزاء من المتر، يوضح المؤلفون كيف يمكن للـ CO2 المحقون أن يحرر الميثان من المسام الدقيقة للصخر ويحسن استرداد الغاز، مع إمكانية تخزين CO2 في العملية.

غاز في مسام دقيقة تحت أقدامنا

الصخور الزيتيّة مليئة بالمسام النانوية — فراغات صغيرة جداً حتى إن شعرة الإنسان تبدو هائلة بالمقارنة. تعمل هذه المسام كخزانات للميثان ومخادع محتملة لـ CO2. داخلها، يوجد الغاز بحالتين رئيسيتين: جزيئات حرة تتحرك عبر مساحات المسام، وجزيئات تلتصق بسطوح الصخر على شكل طبقة رقيقة. في مثل هذه الظروف الضيقة، لا يتدفق الغاز كما الماء في أنبوب؛ بل يتحكم في حركته مزيج من الالتصاق والانفصال والانتشار البطيء. لفهم ما إذا كان بإمكان CO2 إزاحة الميثان من هذه المسام بصورة واقعية، من الضروري نمذجة ليس فقط كيفية تدفق الغازات، بل أيضاً كيف تتنافس على الالتصاق والابتعاد عن جدران المسام.

مِجهر افتراضي لتدفق الغاز

مراقبة حركة الغازات داخل الصخر على هذا المقياس الصغير صعبة جداً في المختبر، لذلك لجأ الباحثون إلى أداة عددية تسمى طريقة بولتزمان الشبكية. تعامل هذه الطريقة السوائل كحزم صغيرة كثيرة تتحرك وتتصادم على شبكة، مما يتيح لأجهزة الحاسوب إعادة بناء كيفية تدفق الغاز عبر شبكات مسامية معقدة. بنى الفريق أولاً وصفاً رياضياً لكيفية تنافس غازين — CO2 والميثان (CH4) — على نفس نقاط السطح في طبقة جزيئية واحدة. يلتقط نموذجهم كلاً من الامتزاز (التصاق الجزيئات بالصخر) والطرح (مغادرة الجزيئات للسطح)، وكيف تستجيب هذه العمليات لتركيز الغاز والضغط. ثم دمجوا نموذج التنافس هذا في محاكاة بولتزمان الشبكية لتدفق الغاز والانتشار داخل هياكل مسامية مبسطة لكنها واقعية تشبه الصخر الزيتي.

رؤية CO2 يدفع الميثان للخروج

باستخدام هذا الصخر الافتراضي، حاكى المؤلفون ما يحدث عندما يُحقن غاز غني بـ CO2 في نظام مسامي مشبع أصلاً بالميثان. في حالة اختبار جسيم واحد، يلتصق CO2 الداخل من جهة بسرعة بوجه الحبيبة «المتجه إلى المنبع»، مما يزيد معدل امتزازه بشكل حاد. في الوقت نفسه، يُجبر الميثان الموجود بالفعل على السطح على التحرر والانتشار إلى الغاز القريب، ثم الانجراف مع التدفق إلى الأسفل. مع مرور الوقت، ينخفض محتوى الميثان داخل الجسيم باستمرار إلى ما يقرب من الصفر، بينما يرتفع محتوى CO2 حتى تتوازن معدلات الامتزاز والطرح. تحدد الدراسة مرحلتين في هذه العملية: مرحلة تنافسية مبكرة عندما يتبادل الغازان الأماكن بسرعة، تليها مرحلة أبطأ للوصول إلى توازن حيث يبقى CO2 على السطح وقد رحل الميثان إلى حد كبير.

كيف يؤثر قوة الحقن وبنية الصخر

تُظهر المحاكاة أن كمية CO2 في الغاز المحقون تتحكم بقوة في مدى سرعة واكتمال إزاحة الميثان. من دون حقن CO2، يطرح الميثان ببطء فقط. مع ارتفاع تركيز CO2، يتحرر الميثان أسرع، وتتشكل طبقة CO2 على الصخر بسرعة أكبر، ويصل النظام إلى التوازن في وقت أقصر. كما تلعب بنية الصخر دوراً رئيسياً. في النماذج المسامية ذات المساحة المفتوحة الأكبر (مسامية أعلى)، يمكن للغاز أن يتحرك وينتشر بسهولة أكبر، لذا يجتاح CO2 شبكة المسام أسرع ويزيح الميثان بكفاءة أكبر. كما تجد الدراسة أن سرعات التدفق تختلف بشكل حاد في أجزاء مختلفة من شبكة المسام، وأن المناطق الغنية بـ CO2 تميل لأن تكون فقيرة بالميثان، سواء في الغاز المتدفق أو على الأسطح الصلبة، مما يبرز نمط استبدال واضح واحد مقابل واحد.

ماذا يعني ذلك للطاقة والمناخ

بالنسبة لغير المتخصصين، الخلاصة أن هذا العمل يقدم صورة مفصّلة لكيفية قدرة CO2 على دفع الميثان خارج الصخر الزيتي على المستوى المجهري. يقترح النموذج أن حقن CO2 بتركيزات أعلى في تكوينات صخر زيتي مناسبة يمكن أن يعزز إنتاج الغاز الطبيعي ويعزز التخزين طويل الأمد لـ CO2 من خلال ارتباطه بسطوح الصخر الداخلية. ومع أن الخزانات الحقيقية أكثر تعقيداً من أي نموذج حاسوبي، فإن هذه النتائج تعزز الأساس العلمي لتقنية استعادة غاز الصخر الزيتي المعززة بالـ CO2 كحل ذو غرضين: استخراج موارد الغاز صعبة الوصول والمساهمة في إبقاء ثاني أكسيد الكربون خارج الغلاف الجوي.

الاستشهاد: Zhang, Y., Xu, Y., Chen, X. et al. Study on CO₂/CH₄ displacement process in shale microscale models with adsorption/desorption behavior by lattice Boltzmann method. Sci Rep 16, 5033 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35062-y

الكلمات المفتاحية: غاز الصخر الزيتي, تخزين ثاني أكسيد الكربون, استعادة الغاز المعزز, إزاحة الميثان, نمذجة الوسائط المسامية