מחקר על תהליך הסרת CH4 על ידי CO2 במודלים זעירים של שייל עם התנהגות ספיחה/התנדפות באמצעות שיטת לב-צ'בטניקוב

להפוך בעיית אקלים לכלי שימושי

שריפת דלקי מאובנים משחררת פחמן דו-חמצני (CO2), המניע העיקרי של שינוי האקלים. במקביל, רוב הגז הטבעי בעולם נמצא לכוד בסלעים צפופים הנקראים שייל, שבהם קשה להוציאו. המחקר הזה חוקר טכנולוגיה שמנסה להתמודד עם שתי הבעיות בו‑זמנית: שימוש ב‑CO2 כדי לדחוק מתאן (הרכיב העיקרי של גז טבעי) החוצה מהשייל תוך כדי לכידת ה‑CO2 מתחת לפני הקרקע. באמצעות מבט לתוך הסלע בקנה מידה של מיליארדי חלקי המטר, הכותבים מראים כיצד CO2 מוזרק יכול לשחרר מתאן מנקבוביות זעירות בסלע ולשפר את ההפקה, ובו‑זמנית לאפשר אחסון של CO2 בתהליך.

גז בנקבוביות זעירות מתחת לרגלינו

סלעי שייל מלאים בנקבוביות בקנה מידה ננו — מרחבים כה קטנים שעובי שערה אנושית ייראה עצום לעומתם. נקבוביות אלה משמשות גם כמאגרים למתאן וגם כמקומות פוטנציאליים להסתתרותו של CO2. בתוכן, הגז קיים בשתי צורות עיקריות: כמולקולות חופשיות הנעות בחללי הנקבוביות, וכמולקולות הנצמדות לפני השטח של הסלע בשכבה דקה. בתנאים הדוקים כאלה הגז אינו זורם כמו מים בצינור; במקום זאת התנועה נשלטת על ידי שילוב של הדבקה, שחרור והדיפוזיה האיטית. כדי להבין האם CO2 יכול במציאות להדיח מתאן מתוך נקבוביות אלה, חשוב למפות לא רק כיצד הגזים זורמים, אלא גם כיצד הם מתחרים על ההיצמדות וההתנתקות מקירות הנקבוביות.

מיקרוסקופ וירטואלי לזרימת גזים

צפייה ישירה בתנועת הגזים בתוך השייל בקנה מידה כה זעיר קשה מאוד במעבדה, ולכן החוקרים פנו לכלי נומרי שנקרא שיטת לב-צ'בטניקוב (lattice Boltzmann). שיטה זו מטפלת בנוזלים כחבילות קטנות רבות הנעות ומתנגשויות על רשת, ומאפשרת למחשבים לשחזר כיצד הגז זורם ברשתות נקבוביות מורכבות. הצוות בנא מודל מתמטי שמתאר כיצד שני גזים — CO2 ומתאן (CH4) — מתחרים על אותם אתרי משטח בשכבה מולקולרית אחת. המודל שלהם לוכד גם ספיחה (מולקולות הנצמדות לסלע) וגם התנדפות (מולקולות שעוזבות את המשטח), וכיצד תהליכים אלה נגיבים לריכוז וללחץ הגז. לאחר מכן הם שילבו את מודל התחרות הזה בתוך סימולציות לב-צ'בטניקוב של זרימת וגיבוש גז בתוך מבני נקבוביות מפושטות אך מציאותיות בדמיון לשייל.

צפייה ב‑CO2 דוחק את המתאן החוצה

באמצעות הסלע הוירטואלי הזה, הכותבים סימלו מה קורה כאשר גז עשיר ב‑CO2 מוזרק אל מערכת נקבוביות שרוויה בתחילה במתאן. במבחן חלקיק יחיד, CO2 הנכנס מצידה אחד נצמד במהירות לפנים "הזרם-העליון" של הגרעין, מה שמעלה בחדות את קצב הספיחה. במקביל, המתאן שכבר על המשטח נכפה לשחרור ולדיפוזיה אל הגז השכונתי, ואז נישא עם הזרם במורד. עם הזמן, תכולת המתאן בתוך החלקיק יורדת בהתמדה כמעט לאפס, בעוד שתכולת ה‑CO2 עולה עד ששיעורי הספיחה וההתנדפות מתאזנים. המחקר מזהה שתי שלבים בתהליך זה: שלב תחרותי מוקדם שבו שני הגזים מחליפים מקומות במהירות, ואחריו גישה איטית יותר לשיווי משקל שבו CO2 נשאר על המשטח והמתאן עזב ברובו.

כיצד עוצמת ההזרקה ומבנה הסלע משפיעים

הסימולציות מראות שכמות ה‑CO2 בגז המוזרק שולטת במידה רבה בקצב ובמידת ההדחה של המתאן. ללא הזרקת CO2, המתאן משתחרר רק באיטיות. ככל שריכוז ה‑CO2 עולה, המתאן משתחרר מהר יותר, שכבת ה‑CO2 נבנית מהר יותר על פני הסלע, והמערכת מגיעה לשיווי משקל מוקדם יותר. גם מבנה הסלע משחק תפקיד מרכזי. במודלים נקבוביים עם יותר מרחב פתוח (פורוזיות גבוהה יותר), הגז יכול לנוע ולהתפזר בקלות רבה יותר, ולכן CO2 חודר מהר יותר ברשת הנקבוביות ומדיח את המתאן ביעילות רבה יותר. המחקר גם מראה שמהירויות הזרימה משתנות באופן חזק בחלקים שונים של רשת הנקבוביות, ושהאזורים העשירים ב‑CO2 נוטים להיות עניים במתאן, הן בגז הנעים והן על המשטחים המוצקים, מה שמדגיש דפוס החלפה אחד‑לאחד ברור.

מה המשמעות של זה לאנרגיה ולאקלים

בעבור קוראים שאינם מומחים, המסקנה הפשוטה היא שעבודה זו מספקת תמונה מפורטת של האופן שבו CO2 יכול פיזיקלית לדחוק מתאן החוצה משייל ברמה המיקרוסקופית. המודל מציע שהזרקה של CO2 בריכוזים גבוהים יותר לתצורות שייל מתאימות יכולה גם להגביר את הפקת הגז הטבעי וגם לקדם אחסון ארוך טווח של CO2 על ידי קשירתו לפני הפנימי של הסלע. אמנם מאגרים אמיתיים מסובכים יותר מכל מודל ממוחשב, אך תוצאות אלו מחזקות את הבסיס המדעי לשימוש ב‑CO2 לשיפור הפקת גז משייל כמערכת דו‑שימושית: אחת שנוצלת משאבי גז שקשה להגיע אליהם ובו‑זמנית מסייעת להוציא פחמן דו‑חמצני מהאטמוספירה.

ציטוט: 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

מילות מפתח: גז שייל, אחסון פחמן דו-חמצני, הגברת הפקת גז, הדחת מתאן, מידול מדיוני סתימות נוזל