頁岩ガスの効率的な開発とCO₂の地質封じ込めという二重の目的を達成するために、超臨界CO₂（Sc-CO₂）置換技術は良好な適用展望を示している。しかし現時点では、頁岩多孔質媒体中におけるSc-CO₂によるCH₄の置換の微視的メカニズムについて体系的な認識が不足しており、特に孔隙スケールレベルでの物質移動メカニズムの理解が十分でない。頁岩のナノ孔隙-マトリックス構造に基づき、二次元孔隙スケールモデルを構築し、対流・拡散・吸着作用下でのSc-CO₂（温度40 ℃、圧力8 MPa）による頁岩ガス置換の微観過程とその影響因子を体系的に研究した。研究結果は次の通りである：①孔隙空間において、Sc-CO₂は対流・拡散作用により推進型の濃度前線を形成し、遊離CH₄の高効率駆替を実現する。マトリックス空間においては、Sc-CO₂は強い吸着親和力により吸着状態のCH₄を逐次置換し、その吸着量は「無吸着—増加—飽和」の三段階特性を示し、一方CH₄の吸着量は対応して「飽和維持—脱着—ゼロ化」の過程を経る。②拡散係数（D_s）の増大に伴い、基質中でのSc-CO₂の吸着作用は強化されるが、孔隙内の対流-拡散作用は減弱し、孔隙内のSc-CO₂濃度は低下しCH₄濃度は上昇する。③輸送選択性（sel）の増加に伴い、基質中でのSc-CO₂の吸着は強化されるが、孔隙内の対流‑拡散作用は抑制され、Sc-CO₂濃度は低下し、平衡時間は延長されるが、CH₄の移動挙動はselの影響をほとんど受けない。④脱着速度定数（k_d）の増加はCH₄の脱着を著しく促進し、孔隙中の総CH₄濃度は上昇する。一方で、強い吸着作用を持つSc-CO₂はk_dの変化に鈍感であり、Sc-CO₂の吸着量および濃度は安定している。

対流-拡散-吸着;物質移動;孔隙スケールシミュレーション;ナノスケール;超臨界二酸化炭素（Sc-CO₂）;回収率向上;頁岩ガス