Исследование процесса вытеснения CO2/CH4 в микромасштабных моделях сланца с адсорбционно-десорбционным поведением методом решеточной модели Больцмана

Превращение климатической проблемы в полезный инструмент

Сжигание ископаемого топлива выделяет углекислый газ (CO2), основной фактор изменения климата. Одновременно большая часть природного газа мира заперта в плотных породах — сланцах — откуда его трудно извлечь. В этом исследовании рассматривается технология, призванная решить обе задачи одновременно: использование CO2 для вытеснения метана (основного компонента природного газа) из сланца при одновременном захоронении CO2 в недрах. Всматриваясь в породу на масштабе миллиардных долей метра, авторы показывают, как закачиваемый CO2 может освободить метан из крошечных пор и улучшить извлечение газа, потенциально при этом удерживая CO2 в породе.

Газ в крошечных порах под нашими ногами

Сланцевые породы пронизаны поровыми пространствами наноразмера — настолько маленькими, что человеческий волос в сравнении выглядел бы гигантским. Эти поры служат и резервуарами для метана, и потенциальными схронами для CO2. Внутри них газ существует в двух основных формах: как свободные молекулы, движущиеся по полостям, и как молекулы, прилипшие к поверхностям пор тонким слоем. В таких тесных условиях газ не течет как вода в трубе — движение контролируется комбинацией прилипания, отрыва и медленной диффузии. Чтобы оценить, может ли CO2 реально вытеснить метан из этих пор, важно моделировать не только поток газа, но и то, как газы конкурируют за места на стенках пор — адсорбируются и десорбируются.

Виртуальный микроскоп для изучения потоков газа

Непосредственно наблюдать движение газов внутри сланца на таком крошечном масштабе в лаборатории крайне трудно, поэтому исследователи обратились к численному инструменту — методу решеточной модели Больцмана. Этот метод рассматривает жидкость как множество небольших пакетов, движущихся и сталкивающихся на сетке, что позволяет компьютерам реконструировать течение газа через сложные сети пор. Команда сначала построила математическое описание конкуренции двух газов — CO2 и метана (CH4) — за одни и те же поверхностные участки в одномолекулярном слое. Их модель учитывает как адсорбцию (прилипание молекул к породе), так и десорбцию (отрыв молекул от поверхности), а также реакцию этих процессов на концентрацию газа и давление. Затем они встроили эту модель конкуренции в решеточные симуляции Больцмана для описания потока и диффузии газа внутри упрощенных, но реалистичных пороподобных структур сланца.

Наблюдая, как CO2 вытесняет метан

Используя эту виртуальную породу, авторы смоделировали, что происходит при закачке обогащенного CO2 газа в систему пор, изначально насыщенную метаном. В эксперименте с одной частицей CO2, входящий с одной стороны, быстро адсорбируется на «входной» поверхности зерна, резко увеличивая скорость адсорбции. Одновременно метан, уже находившийся на поверхности, вынужден отрываться и диффундировать в близлежащую газовую фазу, затем переноситься потоком вниз по течению. Со временем содержание метана внутри частицы неуклонно уменьшается почти до нуля, в то время как содержание CO2 растет, пока адсорбция и десорбция не уравновесятся. В работе выделены две стадии процесса: ранняя конкурентная стадия, когда газы быстро меняются местами, и более медленное приближение к равновесию, при котором CO2 остается на поверхности, а метан в основном уходит.

Как важны сила закачки и структура породы

Симуляции показывают, что доля CO2 в закачиваемом газе сильно определяет, насколько быстро и насколько полно будет вытеснен метан. При отсутствии закачки CO2 метан десорбируется очень медленно. По мере роста концентрации CO2 метан высвобождается быстрее, на поверхности пор быстрее накапливается слой CO2, и система достигает равновесия быстрее. Структура породы также играет ключевую роль. В моделях с большей открытой пористостью газ может легче перемещаться и диффундировать, поэтому CO2 быстрее проникает по сети пор и эффективнее вытесняет метан. Исследование также показывает, что скорости потока резко различаются в разных частях поровой сети, а области, богатые CO2, обычно бедны метаном как в подвижной газовой фазе, так и на твердой поверхности, что подчеркивает заметный одно-к-одному характер замещения.

Что это означает для энергии и климата

Для неспециалистов главное выводы таковы: работа дает подробную картину того, как CO2 физически вытесняет метан из сланца на микроскопическом уровне. Модель указывает, что закачка CO2 с более высокой концентрацией в подходящие сланцевые формации может одновременно повысить добычу природного газа и способствовать долгосрочному хранению CO2 за счет его связывания с внутренними поверхностями породы. Хотя реальные месторождения сложнее любой вычислительной модели, эти результаты укрепляют научную основу технологии повышения извлечения сланцевого газа с помощью CO2 как двойной стратегии: извлечение трудно-доступных запасов одновременно с уменьшением выбросов углекислого газа в атмосферу.

Цитирование: 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

Ключевые слова: сланцевый газ, хранение углекислого газа, повышенное извлечение газа, вытеснение метана, моделирование пористой среды