近年来，超临界CO₂(水与气之间的临界压力约7.38 MPa、温度约31.1 ℃的特殊流体)因其优异的扩散和黏性特性，成为强化页岩气(页岩中的甲烷)开采的热门方向。其核心逻辑在于：注入储备的超临界CO₂不仅能压裂岩体，还能在有机质(干酪根)表面“挤走”吸附的甲烷，从而实现增产;同时，CO₂本身可永久封存于地层，有助于实现碳中和。但这条路径长期面临一个“黑箱”：水和超临界CO₂在页岩纳米孔隙中会发生“竞争吸附”，水的存在会抢夺部分吸附位点，干扰CO₂置换甲烷的效率，从而削弱增产和封存效果。然而，水在干酪根孔隙中的具体附着机制，此前一直缺乏精确的分子级解释。

近期，中国矿业大学王文龙教授团队给出了关键的突破性解答。针对上述核心科学问题，研究团队系统地开展了超临界CO₂与水在页岩干酪根孔隙中的竞争吸附行为研究。该成果于2026年4月14日发表于能源领域权威期刊 Energy。

水的作用反转：从“障碍”到“助推器”

GCMC模拟首次揭示了超临界态下水分子在干酪根孔隙中的空间排布规律。更重要的是，研究发现：在干燥的干酪根体系下注入超临界CO₂，确实需要大幅提升注射压力(约35 MPa)才能实现有效的前沿置换;然而，在满足温度的孔隙约束条件下，孔隙中预存的吸附态水或水汽，能大幅降低置换能耗，推动CO₂与甲烷置换前沿的持续迁移。

这意味着，在保障地层水不受大范围扰动及水力学安全的前提下，水体原有赋存的微量水有助于减轻注入前沿的界面张力，反而增强了甲烷脱附的流动驱动力。

 置换“能垒”破译：从隐性排斥到可量化规律

研究构建了CO₂和H₂O在纳米干酪根吸附位点的自由能竞争剖面(CMC-profile)，精确量化了水分子引发的吸附自由能抑制范围与边界效应：水占据部分原本属于甲烷的吸附位点时，可有效抑制甲烷再吸附，为新注入的scCO₂分子腾出更多“排甲烷”空间;同时，水团聚体在孔道中的成簇能量，为CO₂提供了更多可停留的亚稳态吸附过渡态，显著降低了跨层置换能量势垒。

实验段还利用傅里叶红外变换及能谱扫描证实，水的成簇水合壳层大幅增强了超临界CO₂对页岩基质中极性有机质和矿物质的润湿均质化效应，这为长期持续驱气过程中的通道畅通提供了另一层保障。

双重“催化”

该研究不仅从分子尺度“量化”了微量水分对CO₂强化页岩气开采的正向馈能，也为深层页岩气(深部含水页岩)的精准开发提供了可靠的理论工具。基于该项发现，工程层面有望在以下几个方面取得突破：

注入工艺优化：避免对超低含水层盲目的深层脱水预处理，对注入气体体系使用“调湿可控”的超临界CO₂，可以有效降低注入能耗同时提升甲烷采出效率。

通道自维持：借助水-scCO₂的协同界面效应，注采井群在中等压力波动条件下可以维持甲烷解吸与扩散路径的长期自清洁性，从而减缓裂缝导流能力衰减，延长气井经济采出周期。

当前，该项成果可进一步指导CO₂与页岩深层多场耦合微观计算嵌入宏观渗流商业软件中，为非常规资源的减碳化开发、地质高效处置提供核心模型支撑。