Estudio sobre el proceso de desplazamiento CO2/CH4 en modelos a microescala de esquisto con comportamiento de adsorción/desorción mediante el método de Boltzmann en red

Convertir un problema climático en una herramienta útil

La combustión de combustibles fósiles libera dióxido de carbono (CO2), el principal impulsor del cambio climático. Al mismo tiempo, gran parte del gas natural del mundo está atrapado en rocas densas llamadas esquistos, donde resulta difícil extraerlo. Este estudio explora una tecnología que intenta abordar ambos problemas a la vez: usar CO2 para expulsar metano (el componente principal del gas natural) del esquisto mientras se almacena el CO2 bajo tierra. Al observar la roca a escala de milmillonésimas de metro, los autores muestran cómo el CO2 inyectado puede liberar metano de los diminutos poros de la roca y mejorar la recuperación de gas, al tiempo que potencialmente almacena CO2 en el proceso.

Gas en poros diminutos bajo nuestros pies

Las rocas esquistosas están llenas de poros a escala nanométrica—espacios tan pequeños que un cabello humano parecería enorme en comparación. Estos poros actúan tanto como depósitos de metano como posibles escondites para el CO2. En su interior, el gas existe en dos formas principales: como moléculas libres que se desplazan por los espacios porosos y como moléculas que se adhieren a las superficies de la roca formando una capa delgada. En condiciones tan estrechas, el gas no fluye como el agua en una tubería; en su lugar, el movimiento está controlado por una mezcla de adhesión, desadhesión y difusión lenta. Para entender si el CO2 puede desplazar de forma realista al metano de estos poros, es esencial modelar no solo cómo fluyen los gases, sino también cómo compiten por adherirse y desprenderse de las paredes de los poros.

Un microscopio virtual para el flujo de gas

Observar directamente cómo se mueven los gases dentro del esquisto a esta escala tan pequeña es extremadamente difícil en el laboratorio, por lo que los investigadores recurrieron a una herramienta numérica llamada método de Boltzmann en red. Este método trata los fluidos como muchos pequeños paquetes que se mueven y colisionan en una malla, lo que permite a los ordenadores reconstruir cómo fluye el gas a través de redes complejas de poros. El equipo primero construyó una descripción matemática de cómo dos gases—CO2 y metano (CH4)—compiten por los mismos sitios superficiales en una sola capa molecular. Su modelo captura tanto la adsorción (moléculas que se adhieren a la roca) como la desorción (moléculas que abandonan la superficie), y cómo estos procesos responden a la concentración y la presión del gas. Luego integraron este modelo de competencia en simulaciones por Boltzmann en red del flujo y la difusión del gas dentro de estructuras porosas simplificadas pero realistas similares al esquisto.

Observando cómo el CO2 empuja al metano

Usando esta roca virtual, los autores simularon lo que ocurre cuando se inyecta un gas rico en CO2 en un sistema de poros inicialmente saturado de metano. En un caso de prueba de partícula única, el CO2 que entra por un lado se adhiere rápidamente a la cara “aguas arriba” del grano, aumentando bruscamente su tasa de adsorción. Al mismo tiempo, el metano ya presente en la superficie se ve obligado a soltarse y difundirse al gas cercano, para luego desplazarse corriente abajo con el flujo. Con el tiempo, el contenido de metano dentro de la partícula disminuye de forma constante hasta casi cero, mientras que el contenido de CO2 aumenta hasta que la adsorción y la desorción se equilibran. El estudio identifica dos etapas en este proceso: una etapa competitiva temprana en la que ambos gases intercambian plazas rápidamente, seguida de una aproximación más lenta a un equilibrio donde el CO2 permanece en la superficie y el metano se ha ido en gran medida.

Cómo influyen la intensidad de la inyección y la estructura de la roca

Las simulaciones muestran que la cantidad de CO2 en el gas inyectado controla de manera clara la rapidez y la completitud con que se desplaza el metano. Sin inyección de CO2, el metano se desorbe solo de forma lenta. A medida que aumenta la concentración de CO2, el metano se libera más rápido, la capa de CO2 se acumula antes en la roca y el sistema alcanza el equilibrio más pronto. La estructura de la roca también desempeña un papel clave. En modelos porosos con más espacio abierto (mayor porosidad), el gas puede moverse y difundirse con más facilidad, por lo que el CO2 barrerá la red de poros más rápido y desplazará al metano con mayor eficiencia. El estudio también encuentra que las velocidades de flujo varían bruscamente en distintas partes de la red de poros, y que las regiones ricas en CO2 tienden a ser pobres en metano, tanto en el gas en movimiento como en las superficies sólidas, destacando un claro patrón de reemplazo uno a uno.

Qué significa esto para la energía y el clima

Para quienes no son especialistas, la conclusión es que este trabajo ofrece una imagen detallada de cómo el CO2 puede expulsar físicamente al metano del esquisto a nivel microscópico. El modelo sugiere que inyectar CO2 a mayores concentraciones en formaciones de esquisto adecuadas podría tanto aumentar la producción de gas natural como favorecer el almacenamiento a largo plazo de CO2 al ligarlo a las superficies internas de la roca. Aunque los yacimientos reales son más complejos que cualquier modelo por computador, estos resultados refuerzan la base científica de la recuperación mejorada de gas de esquisto con CO2 como una tecnología de doble propósito: que explota recursos de gas de difícil acceso mientras ayuda a mantener el dióxido de carbono fuera de la atmósfera.

Cita: 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

Palabras clave: gas de esquisto, almacenamiento de dióxido de carbono, recuperación mejorada de gas, desplazamiento de metano, modelado de medios porosos