Zur Erreichung der doppelten Ziele einer effizienten Schiefergasförderung und der geologischen CO₂-Speicherung zeigt die Technologie der Verdrängung mit überkritischem CO₂ (Sc-CO₂) vielversprechende Anwendungsperspektiven. Dennoch fehlt es derzeit an einem systematischen Verständnis des mikroskopischen Mechanismus der CH₄-Verdrängung durch Sc-CO₂ im porösen Schiefermedium, insbesondere hinsichtlich des Massentransfers auf Porenskalenebene. Basierend auf der Nanoporen-Matrix-Struktur des Schiefers wurde ein zweidimensionales Porenskalenmodell erstellt, um systematisch den mikroskopischen Prozess und Einflussfaktoren der Verdrängung von Schiefergas durch Sc-CO₂ (Temperatur 40 ℃, Druck 8 MPa) unter Konvektions-Diffusions-Adsorptionswirkung zu untersuchen. Die Forschungsergebnisse zeigen: ① Im Porenraum bildet Sc-CO₂ durch Konvektion und Diffusion eine vorstoßende Konzentrationsfront und erreicht so eine effiziente Verdrängung frei gelösten CH₄. Im Matrixraum ersetzt Sc-CO₂ durch starke Adsorptionsaffinität schrittweise adsorbiertes CH₄. Die Adsorptionsmenge zeigt drei Phasen: „Nulladsorption — Wachstum — Sättigung“, während die CH₄-Adsorptionsmenge den Prozess „Sättigungserhaltung — Desorption — Null“ durchläuft. ② Mit zunehmendem Diffusionskoeffizienten (D_s) nimmt die Adsorption von Sc-CO₂ in der Matrix zu, jedoch wird die Konvektions-Diffusionswirkung in den Poren abgeschwächt, was zu einer Verringerung der Sc-CO₂-Konzentration und einer Erhöhung der CH₄-Konzentration führt. ③ Mit zunehmender Transportspezifität (sel) verstärkt sich die Adsorption von Sc-CO₂ in der Matrix, aber die Konvektion-Diffusionswirkung in den Poren wird gehemmt, was die Sc-CO₂-Konzentration verringert und die Gleichgewichtszeit verlängert, während das Transportverhalten von CH₄ wenig vom sel beeinflusst wird. ④ Die Erhöhung der Desorptionsgeschwindigkeitskonstante (k_d) fördert deutlich die Desorption von CH₄, wodurch die Gesamt-CH₄-Konzentration in den Poren steigt; Sc-CO₂ zeigt aufgrund starker Adsorption eine geringe Empfindlichkeit gegenüber der Veränderung von k_d und dessen Adsorptionsmenge und Konzentration bleiben stabil.

Konvektion-Diffusion-Adsorption;Massentransfer;Porenskalenmodellierung;Nanomaßstab;überkritisches Kohlendioxid (Sc-CO₂);Steigerung der Rückgewinnungsrate;Schiefergas