Ces dernières années, le CO₂ supercritique (un fluide spécial dont la pression critique se situe autour de 7,38 MPa et la température autour de 31,1 °C, à la frontière entre l'eau et le gaz) est devenu une voie prometteuse pour améliorer l'extraction du gaz de schiste (méthane présent dans le schiste), en raison de ses excellentes propriétés de diffusion et de viscosité. La logique fondamentale est la suivante : l'injection de CO₂ supercritique pré-stocké permet non seulement de fracturer la roche, mais aussi de « déloger » le méthane adsorbé à la surface de la matière organique (kérogène), augmentant ainsi la production ; simultanément, le CO₂ lui-même peut être stocké de manière permanente dans le sous-sol, contribuant à la neutralité carbone. Cependant, cette approche se heurte depuis longtemps à une « boîte noire » : l'eau et le CO₂ supercritique entrent en compétition d'adsorption dans les nanopores du schiste. La présence d'eau s'empare de certains sites d'adsorption, interférant avec l'efficacité de la substitution du méthane par le CO₂, ce qui réduit les bénéfices en termes d'augmentation de production et de stockage. Le mécanisme précis par lequel l'eau se fixe dans les pores du kérogène manquait jusqu'à présent d'une explication à l'échelle moléculaire.
Récemment, l'équipe du professeur Wang Wenlong de l'Université des Mines et de la Technologie de Chine a apporté une réponse clé et révolutionnaire. Pour répondre à ce problème scientifique central, l'équipe de recherche a systématiquement étudié le comportement concurrentiel de l'adsorption du CO₂ supercritique et de l'eau dans les pores du kérogène des schistes. Ces résultats ont été publiés le 14 avril 2026 dans la revue de référence du secteur de l'énergie, Energy.
Rôle inversé de l’eau : d’« obstacle » à « accélérateur »
Les simulations GCMC (Monte Carlo Grand Canonique) ont pour la première fois révélé la disposition spatiale des molécules d'eau à l'état supercritique dans les pores du kérogène. Plus important encore, l'étude montre que : dans un système de kérogène sec, l'injection de CO₂ supercritique nécessite effectivement une augmentation significative de la pression d'injection (environ 35 MPa) pour réaliser un déplacement frontal efficace. Cependant, dans des conditions de confinement des pores satisfaisant la température, l'eau adsorbée préexistante ou la vapeur d'eau dans les pores peut réduire considérablement l'énergie nécessaire à la substitution, favorisant ainsi la migration continue du front entre le CO₂ et la substitution du méthane.
Cela signifie que, sous réserve de garantir que l'eau de la formation ne soit pas perturbée à grande échelle et la sécurité hydraulique, la présence de traces d'eau initiale dans le réservoir contribue à réduire la tension interfaciale du front d'injection, renforçant ainsi la force motrice de l'écoulement pour la désorption du méthane.
Décryptage de la « barrière énergétique » de substitution : de l'exclusion implicite à une loi quantifiable
L'étude a construit un profil de compétition d'énergie libre (CMC-profile) de CO₂ et H₂O sur les sites d'adsorption du kérogène à l’échelle nanométrique, quantifiant avec précision la plage d'inhibition de l'énergie libre d'adsorption et les effets de bord provoqués par les molécules d'eau : lorsque l'eau occupe certains sites d'adsorption normalement destinés au méthane, elle peut effectivement inhiber la réadsorption du méthane, libérant ainsi plus d'espace pour « expulser le méthane » pour les molécules de CO₂ supercritiques nouvellement injectées. Parallèlement, l'énergie d'agrégation des amas d'eau dans les canaux poreux fournit davantage d'états de transition d'adsorption métastables où le CO₂ peut stationner, réduisant significativement la barrière énergétique pour la substitution inter-couche.
La partie expérimentale a également utilisé la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et la microscopie électronique à balayage avec spectroscopie de dispersion d'énergie pour confirmer que les couches d'hydratation regroupées de l'eau renforcent considérablement l'effet de mouillage et d'homogénéisation du CO₂ supercritique sur la matière organique polaire et les minéraux de la matrice du schiste, offrant ainsi une garantie supplémentaire pour le maintien de la continuité des canaux lors du processus de drainage prolongé du gaz.
Double « catalyse »
Cette étude ne se contente pas de « quantifier » à l'échelle moléculaire l'apport énergétique positif de l'humidité résiduelle à l'extraction renforcée du gaz de schiste par CO₂, mais fournit également un outil théorique fiable pour le développement précis du gaz de schiste en profondeur (schiste aquifère profond). Sur la base de cette découverte, des avancées en ingénierie sont possibles dans plusieurs domaines :
Optimisation du processus d'injection : éviter les prétraitements de déshydratation profonde inutiles des formations à très faible teneur en eau, et utiliser un CO₂ supercritique « à humidité contrôlée » pour le système de gaz injecté peut réduire efficacement la consommation d'énergie d'injection tout en améliorant l'efficacité de récupération du méthane.
Auto-maintien des canaux : grâce à l'effet interfacial synergique eau-scCO₂, les puits d'injection et de production peuvent maintenir un auto-nettoyage à long terme des voies de désorption et de diffusion du méthane dans des conditions de fluctuations de pression modérées, ralentissant ainsi la diminution de la conductivité des fractures et prolongeant la période d'extraction économique du puits.
Actuellement, ces résultats peuvent servir à intégrer les calculs microscopiques de couplage multifactoriel (CO₂, schiste en profondeur) dans les logiciels commerciaux de simulation d'écoulement macroscopique, fournissant ainsi un modèle central pour le développement décarboné des ressources non conventionnelles et la gestion efficace géologique.