Étude du processus de déplacement CO2/CH4 dans des modèles microscopiques de shale avec comportement d’adsorption/désorption par la méthode de Boltzmann sur réseau

Transformer un problème climatique en outil utile

La combustion des combustibles fossiles libère du dioxyde de carbone (CO2), principal moteur du changement climatique. Parallèlement, une grande partie du gaz naturel mondial est enfermée dans des roches denses appelées schistes, où il est difficile à extraire. Cette étude explore une technologie qui tente de s’attaquer aux deux problèmes simultanément : utiliser le CO2 pour chasser le méthane (principal composant du gaz naturel) hors du schiste tout en piégeant le CO2 sous terre. En sondant la roche à l’échelle du milliardième de mètre, les auteurs montrent comment le CO2 injecté peut libérer le méthane des minuscules pores de la roche et améliorer la récupération du gaz, tout en stockant potentiellement du CO2.

Du gaz dans des pores microscopiques sous nos pieds

Les roches de schiste foisonnent de pores à l’échelle nanométrique — des espaces si petits qu’un cheveu humain paraîtrait énorme en comparaison. Ces pores jouent à la fois le rôle de réservoirs pour le méthane et de cachettes potentielles pour le CO2. À l’intérieur, le gaz existe sous deux formes principales : comme molécules libres se déplaçant dans les espaces poreux, et comme molécules qui adhèrent aux surfaces de la roche en une fine couche. Dans de telles conditions confinées, le gaz ne s’écoule pas comme de l’eau dans un tuyau ; le mouvement est gouverné par un mélange d’adhérence, de détachement et de diffusion lente. Pour savoir si le CO2 peut réellement remplacer le méthane dans ces pores, il est essentiel de modéliser non seulement l’écoulement des gaz, mais aussi la compétition pour l’attachement et le détachement aux parois des pores.

Un microscope virtuel pour l’écoulement des gaz

Observer directement en laboratoire comment les gaz se déplacent dans le schiste à cette échelle est extrêmement difficile, les chercheurs ont donc recours à un outil numérique appelé méthode de Boltzmann sur réseau. Cette méthode traite les fluides comme de nombreux paquets minuscules se déplaçant et entrant en collision sur une grille, permettant aux ordinateurs de reconstruire l’écoulement du gaz à travers des réseaux de pores complexes. L’équipe a d’abord construit une description mathématique de la façon dont deux gaz — le CO2 et le méthane (CH4) — se disputent les mêmes sites de surface en une seule couche moléculaire. Leur modèle capture à la fois l’adsorption (les molécules qui adhèrent à la roche) et la désorption (les molécules qui quittent la surface), et la façon dont ces processus réagissent à la concentration et à la pression du gaz. Ils ont ensuite intégré ce modèle de compétition dans des simulations de Boltzmann sur réseau de l’écoulement et de la diffusion des gaz à l’intérieur de structures de pores simplifiées mais réalistes, proches du schiste.

Observer le CO2 chasser le méthane

À l’aide de cette roche virtuelle, les auteurs ont simulé ce qui se passe lorsque du gaz riche en CO2 est injecté dans un système de pores initialement saturé de méthane. Dans un cas test à particule unique, le CO2 entrant par un côté s’attache rapidement à la face « amont » du grain, augmentant fortement son taux d’adsorption. En même temps, le méthane déjà présent à la surface est contraint de se détacher et de diffuser vers le gaz voisin, puis de dériver en aval avec l’écoulement. Au fil du temps, la teneur en méthane à l’intérieur de la particule décroît régulièrement jusqu’à presque zéro, tandis que la teneur en CO2 augmente jusqu’à ce que l’adsorption et la désorption s’équilibrent. L’étude identifie deux étapes dans ce processus : une phase compétitive précoce durant laquelle les deux gaz échangent rapidement leurs places, suivie d’une approche plus lente vers un équilibre où le CO2 reste à la surface et le méthane s’est largement retiré.

Comment la force d’injection et la structure de la roche influent

Les simulations montrent que la quantité de CO2 dans le gaz injecté contrôle fortement la rapidité et l’exhaustivité du déplacement du méthane. En l’absence d’injection de CO2, la désorption du méthane est lente. À mesure que la concentration de CO2 augmente, le méthane est libéré plus rapidement, la couche de CO2 se forme plus vite sur la roche et le système atteint l’équilibre plus tôt. La structure de la roche joue également un rôle clé. Dans des modèles poreux avec plus d’espace ouvert (porosité plus élevée), le gaz peut se déplacer et diffuser plus facilement, de sorte que le CO2 balaie plus vite le réseau de pores et déloge le méthane de manière plus efficace. L’étude montre aussi que les vitesses d’écoulement varient fortement selon les zones du réseau de pores, et que les régions riches en CO2 tendent à être pauvres en méthane, tant dans le gaz en mouvement que sur les surfaces solides, mettant en évidence un schéma clair de remplacement un pour un.

Ce que cela implique pour l’énergie et le climat

Pour les non-spécialistes, l’essentiel est que ce travail fournit une image détaillée de la façon dont le CO2 peut physiquement chasser le méthane hors du schiste au niveau microscopique. Le modèle suggère que l’injection de CO2 à des concentrations plus élevées dans des formations de schiste appropriées pourrait à la fois stimuler la production de gaz naturel et favoriser le stockage à long terme du CO2 en le liant aux surfaces internes de la roche. Si les réservoirs réels sont plus complexes que n’importe quel modèle informatique, ces résultats renforcent la base scientifique de la récupération assistée de gaz de schiste par CO2 comme technologie à double usage : une approche qui exploite des ressources gazières difficiles d’accès tout en contribuant à empêcher le dioxyde de carbone de s’échapper dans l’atmosphère.

Citation: 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

Mots-clés: gaz de schiste, stockage du dioxyde de carbone, récupération améliorée de gaz, déplacement du méthane, modélisation des milieux poreux