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(qiáng)化頁巖開采與地質(zhì)封存一體化為同時(shí)解決這兩個(gè)問題提供了有希望的解決方案。頁巖儲(chǔ)層擁有低孔隙度、低滲透率和高吸附性的特征，展現(xiàn)出大規(guī)模碳封存的潛力。在SC-CO?注入過程中，頁巖氣儲(chǔ)層會(huì)經(jīng)歷一系列由CO?吸附引起的物理化學(xué)變化，包括吸附、溶解、沉淀、傳輸和潤濕性變化等多重機(jī)制的協(xié)同作用。這一機(jī)制在影響頁巖氣儲(chǔ)層的儲(chǔ)存能力的同時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致基質(zhì)膨脹、裂縫產(chǎn)生，影響封存過程中的安全性和穩(wěn)定性。

中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所油氣地下儲(chǔ)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(duì)這一系列復(fù)雜的科學(xué)問題開展深入研究。他們聚焦于二氧化碳注入和儲(chǔ)存過程中吸附所導(dǎo)致的基質(zhì)膨脹現(xiàn)象，系統(tǒng)分析了這一機(jī)制對(duì)頁巖儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)氣性能的影響。團(tuán)隊(duì)針對(duì)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(jī)械壓縮和吸附膨脹的非同步響應(yīng)導(dǎo)致在巖體中形成應(yīng)力集中區(qū)，進(jìn)而加劇結(jié)構(gòu)失效；3）通過使用棒狀幾何模型和結(jié)合線性應(yīng)變的篩選框架，評(píng)估各向異性變形對(duì)滲透性變化的影響。在各向同性膨脹假設(shè)下，滲透性損失的唯一原因被認(rèn)為是垂直吸附線性膨脹應(yīng)變；而實(shí)際中，頁巖在吸附過程中表現(xiàn)出各向異性變形，由于原位“反推”條件，一部分垂直應(yīng)變轉(zhuǎn)化為水平應(yīng)變。在原位“反推”條件下的滲透性與各向同性膨脹假設(shè)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(xué)基金項(xiàng)目(52104046)項(xiàng)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(qiáng)化頁巖開采與地質(zhì)封存一體化過程

圖2 CO2注入引起的應(yīng)變變化

圖3 減壓循環(huán)過程中的應(yīng)變情況

圖4 CO2-ESGR綜合技術(shù)下頁巖的損害機(jī)制