全球能源失衡帶來了巨大的挑戰(zhàn)和環(huán)境后果，超臨界二氧化碳強化頁巖開采與地質封存一體化為同時解決這兩個問題提供了有希望的解決方案。頁巖儲層擁有低孔隙度、低滲透率和高吸附性的特征，展現出大規(guī)模碳封存的潛力。在SC-CO?注入過程中，頁巖氣儲層會經歷一系列由CO?吸附引起的物理化學變化，包括吸附、溶解、沉淀、傳輸和潤濕性變化等多重機制的協同作用。這一機制在影響頁巖氣儲層的儲存能力的同時，可能會導致基質膨脹、裂縫產生，影響封存過程中的安全性和穩(wěn)定性。

中國科學院武漢巖土力學研究所油氣地下儲備與開發(fā)研究中心助理研究員常鑫和博士研究生林雙雙針對這一系列復雜的科學問題開展深入研究。他們聚焦于二氧化碳注入和儲存過程中吸附所導致的基質膨脹現象，系統分析了這一機制對頁巖儲層結構和儲氣性能的影響。團隊針對主要研究成果如下：1）CO?吸附誘發(fā)頁巖顯著膨脹，垂直于層理面的方向上比平行方向上更容易發(fā)生變形；2）機械壓縮和吸附膨脹的非同步響應導致在巖體中形成應力集中區(qū)，進而加劇結構失效；3）通過使用棒狀幾何模型和結合線性應變的篩選框架，評估各向異性變形對滲透性變化的影響。在各向同性膨脹假設下，滲透性損失的唯一原因被認為是垂直吸附線性膨脹應變；而實際中，頁巖在吸附過程中表現出各向異性變形，由于原位“反推”條件，一部分垂直應變轉化為水平應變。在原位“反推”條件下的滲透性與各向同性膨脹假設下的滲透性存在顯著差異。

研究成果發(fā)表于《Gas Science and Engineering》《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》等行業(yè)TOP期刊。研究工作得到了國家自然科學基金項目(52104046)項目資助。

論文鏈接：

???? https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2024.09.018

???? https://doi.org/10.1016/j.jgsce.2024.205317

圖1?二氧化碳強化頁巖開采與地質封存一體化過程

圖2 CO2注入引起的應變變化

圖3 減壓循環(huán)過程中的應變情況

圖4 CO2-ESGR綜合技術下頁巖的損害機制