Um die doppelte Zielsetzung einer effizienten Schiefergasförderung und der geologischen CO₂-Speicherung zu erreichen, zeigt die Verdrängungstechnologie mit überkritischem CO₂ (Sc-CO₂) vielversprechende Anwendungsperspektiven. Dennoch fehlt derzeit ein systematisches Verständnis der mikroskopischen Mechanismen der Verdrängung von CH₄ durch Sc-CO₂ im porösen Medium von Schiefer, insbesondere in Bezug auf die Massentransportmechanismen auf Porenskalenebene. Basierend auf der Nanoporen-Matrix-Struktur des Schiefers wurde ein zweidimensionales Porenskalenmodell erstellt, um den mikroskopischen Prozess und die Einflussfaktoren der Verdrängung von Schiefergas durch Sc-CO₂ (Temperatur 40 ℃, Druck 8 MPa) unter Konvektions-Diffusions-Adsorptionswirkung systematisch zu untersuchen. Die Forschungsergebnisse zeigen: ① Im Porenraum bildet Sc-CO₂ durch Konvektions-Diffusionswirkung eine vordere Konzentrationsfront und verdrängt effektiv freies CH₄. Im Matrizenzwischenraum verdrängt Sc-CO₂ aufgrund seiner starken Adsorptionsaffinität schrittweise adsorbiertes CH₄. Die Adsorptionsmenge zeigt drei Stadien: „Nulladsorption — Wachstum — Sättigung“, während die CH₄-Adsorptionsmenge den Prozess „Sättigungserhalt — Desorption — Rückgang auf Null“ durchläuft. ② Mit zunehmendem Diffusionskoeffizienten (D_s) verstärkt sich die Adsorption von Sc-CO₂ in der Matrix, aber die Konvektions-Diffusionswirkung in den Poren wird geschwächt, was zu einer Abnahme der Konzentration von Sc-CO₂ und einer Erhöhung der Konzentration von CH₄ in den Poren führt. ③ Mit zunehmender Transportselektivität (sel) wird die Adsorption von Sc-CO₂ in der Matrix verstärkt, aber die Konvektions-Diffusionswirkung in den Poren gehemmt, was zu einer Abnahme der Sc-CO₂-Konzentration und einer Verlängerung der Gleichgewichtszeit führt, während das Transportsverhalten von CH₄ wenig durch sel beeinflusst wird. ④ Die Erhöhung der Desorptionsgeschwindigkeitskonstante (k_d) fördert signifikant die Desorption von CH₄ und führt zu einem Anstieg der Gesamt-CH₄-Konzentration in den Poren; Sc-CO₂ zeigt aufgrund seiner starken Adsorption keine Empfindlichkeit gegenüber Änderungen von k_d, wodurch Menge und Konzentration von Sc-CO₂ stabil bleiben.

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