Zur Erreichung der doppelten Ziele einer effizienten Förderung von Schiefergas und der geologischen Speicherung von CO₂ zeigt die Technologie der Verdrängung mit überkritischem CO₂ (Sc-CO₂) vielversprechende Anwendungsperspektiven. Dennoch fehlt derzeit ein systematisches Verständnis der mikroskopischen Mechanismen, mit denen Sc-CO₂ CH₄ im porösen Medium von Schiefer verdrängt, insbesondere das Verständnis der Massenübertragungsmechanismen auf Porenskalenebene. Basierend auf der nanoporösen Matrixstruktur von Schiefer wurde ein zweidimensionales Porenskalenmodell entwickelt, um systematisch die mikroskopischen Prozesse des Schiefergasausstoßes durch Sc-CO₂ (bei 40 ℃, 8 MPa) unter konvektiver, diffusiver und adsorptiver Wirkung sowie deren Einflussfaktoren zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen: ① Im Porenraum bildet Sc-CO₂ durch Konvektion-Diffusion eine vorwärtstreibende Konzentrationsfront und erzielt eine effiziente Verdrängung des freien CH₄. Im Matrixraum ersetzt Sc-CO₂ dank starker Adsorptionsaffinität schrittweise adsorbiertes CH₄, wobei die Adsorption drei Phasen „Nulladsorption – Wachstum – Sättigung“ zeigt, während die CH₄-Adsorption den Prozess „Sättigungsaufrechterhaltung – Desorption – Rückkehr auf Null“ durchläuft. ② Mit zunehmendem Diffusionskoeffizienten (D_s) verstärkt sich die Adsorption von Sc-CO₂ in der Matrix, jedoch wird die konvektiv-diffusive Wirkung in den Poren geschwächt, was zu einer Abnahme der Sc-CO₂-Konzentration und einer Zunahme der CH₄-Konzentration in den Poren führt. ③ Mit zunehmender Transportselektivität (sel) wird die Adsorption von Sc-CO₂ in der Matrix verstärkt, während die Konvektion-Diffusion in den Poren gehemmt wird, was zu einer Verringerung der Sc-CO₂-Konzentration und einer Verlängerung der Gleichgewichtszeit führt, während das Transportverhalten von CH₄ wenig von sel beeinflusst wird. ④ Die Erhöhung der Desorptionsratenkonstante (k_d) fördert deutlich die Desorption von CH₄, die Gesamt-CH₄-Konzentration in den Poren steigt; Sc-CO₂ ist aufgrund der starken Adsorption gegenüber k_d-Änderungen unempfindlich, die Adsorption und Konzentration von Sc-CO₂ bleiben stabil.

Konvektion-Diffusion-Adsorption;Massenübertragung;Porenskalensimulation;Nanomaßstab;überkritisches Kohlendioxid (Sc-CO₂);Steigerung der Ausbeute;Schiefergas