利用格子玻尔兹曼方法研究具有吸附/解吸行为的页岩微观模型中CO2/CH4置换过程

将气候问题变为有用工具

燃烧化石燃料会释放二氧化碳（CO2），这是气候变化的主要驱动力。与此同时，世界上大量天然气被困在致密的页岩岩层中，难以开采。本研究探讨了一种同时应对这两类问题的技术：利用CO2将甲烷（天然气的主要成分）从页岩中置换出来，同时将CO2埋存于地下。通过在十亿分之一米的尺度上观察岩石，作者展示了注入的CO2如何从岩石微小孔隙中释放出甲烷并提高采气率，同时在这一过程中可能实现CO2的长期封存。

脚下的微小孔隙中的气体

页岩中布满纳米尺度的孔隙——这些空间如此之小，以至于一根人体毛发相比显得巨大。这些孔既是甲烷的储存罐，也是CO2可能藏匿之处。在这些孔隙内，气体以两种主要形式存在：在孔隙空间中自由运动的分子，以及以薄层形式吸附在岩石表面的分子。在如此狭小的环境中，气体不会像管道中的水那样流动；相反，其运动由吸附、解吸和缓慢扩散的混合过程控制。要判断CO2在实际中是否能置换出这些孔隙中的甲烷，就必须对气体不仅如何流动，还如何竞争性地附着到并脱离孔壁进行建模。

用于气体流动的虚拟显微镜

在实验室中直接观察气体在如此微小尺度上如何在页岩中迁移极为困难，因此研究者转向了一种称为格子玻尔兹曼方法的数值工具。该方法将流体视为在网格上移动和碰撞的许多小包，从而允许计算机重建气体通过复杂孔隙网络的流动情况。研究团队首先建立了一个数学描述，刻画两种气体——CO2和甲烷（CH4）——如何在单分子层的相同表面位置上竞争。其模型涵盖了吸附（分子粘附到岩石）和解吸（分子从表面逸出）两者，以及这些过程如何响应气体浓度和压力变化。随后，他们将这一竞争模型嵌入格子玻尔兹曼模拟中，对简化但具有现实特征的类页岩孔隙结构内的气体流动和扩散进行了模拟。

观察CO2如何将甲烷推出去

利用这个虚拟岩层，作者模拟了当富CO2的气体注入到最初被甲烷饱和的孔隙系统时会发生什么。在单颗粒试验中，从一侧进入的CO2迅速吸附到颗粒的“上游”表面，吸附速率急剧上升。与此同时，已吸附在表面的甲烷被迫解吸并扩散到邻近气相，然后随流向下游迁移。随着时间推移，粒子内部的甲烷含量稳步下降至接近零，而CO2含量上升，直到吸附与解吸达到平衡。研究将这一过程分为两个阶段：早期的竞争阶段，两种气体快速互换位置；随后是更缓慢地向平衡逼近的阶段，在该平衡中CO2留在表面而甲烷大多被置换出。

注入强度与岩石结构的重要性

模拟显示，注入气体中CO2的含量强烈决定了甲烷被置换的速度与程度。在没有注入CO2的情况下，甲烷仅能慢慢解吸。随着CO2浓度的提高，甲烷释放更快，CO2在岩石表面形成的吸附层更迅速，系统也更快达到平衡。岩石的结构同样起着关键作用。在更为疏松（孔隙度更高）的多孔模型中，气体更易移动和扩散，因此CO2更快扫过孔隙网络并更有效地置换甲烷。研究还发现，孔隙网络中不同区域的流速差异显著，并且富含CO2的区域在流动气相和固体表面上通常甲烷含量较低，突显出一种清晰的一对一替代模式。

对能源与气候的意义

对非专业读者来说，结论是：这项工作提供了关于CO2如何在微观层面物理地将甲烷从页岩中置换出来的详尽图景。模型表明，在合适的页岩地层中以较高浓度注入CO2，既可提高天然气产量，又可通过将CO2结合到岩石内表面来促进CO2的长期封存。尽管真实油气藏比任何计算机模型都复杂得多，这些结果仍加强了将CO2提高采气率作为一种双重用途技术的科学依据：既开发难以开采的气资源，又有助于将二氧化碳阻止进入大气层。

引用: 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

关键词: 页岩气, 二氧化碳存储, 提高采气率, 甲烷置换, 多孔介质建模