超臨界CO2強化頁巖氣開采及地質(zhì)封存一體化研究進展與展望

盧義玉 周軍平 鮮學福 湯積仁 周 雷姜永東 夏彬偉 王香增 康 勇

1. 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室·重慶大學 2. 重慶大學資源與安全學院3. 陜西延長石油（集團）有限責任公司 4. 水射流理論與新技術(shù)湖北省重點實驗室·武漢大學

0 引言

頁巖氣儲層具有自生自儲、低孔隙度、低滲透率、高吸附性等特征，必須采用大規(guī)模的儲層改造工藝才能實現(xiàn)頁巖氣規(guī)模效益開發(fā)。目前，頁巖氣開采主要采用水平井＋多段水力壓裂技術(shù)[1-3]，但該技術(shù)主要存在以下問題[4-7]：①頁巖氣井單井耗水量介于1.5×104～4.0×104m3，而我國頁巖氣勘探有利區(qū)大多數(shù)處于四川盆地、鄂爾多斯盆地、塔里木盆地、吐哈盆地、松遼盆地等盆地，其中大部分區(qū)域?qū)儆谖覈攸c缺水區(qū)域，水資源匱乏成為我國頁巖氣商業(yè)化開采面臨的難題[8]；②我國頁巖氣儲層中黏土礦物含量普遍較高，水基壓裂液與頁巖黏土礦物接觸后，發(fā)生水化反應，導致黏土膨脹，對頁巖儲層造成傷害，從而降低儲層改造效果；③水基壓裂液中的化學添加劑會污染地下水、地表水[9]。因此，在頁巖氣開發(fā)過程中，如何平衡開發(fā)效益與生態(tài)保護、有限水資源之間的關(guān)系，對于頁巖氣的合理、高效開發(fā)至關(guān)重要。

當CO2溫度、壓力高于31.1 ℃、7.38 MPa時，CO2處于超臨界態(tài)（簡稱超臨界CO2），其性質(zhì)介于氣態(tài)與液態(tài)之間，具有類似氣體的高擴散性及液體的高密度與溶解能力，同時兼具低黏度、低表面張力的特性，能夠迅速滲透進入巖石微孔隙[10-12]。因此，基于超臨界CO2的物理化學性質(zhì)，結(jié)合CO2在油氣開發(fā)中的應用，筆者所在的《超臨界二氧化碳強化頁巖氣高效開發(fā)基礎(chǔ)》項目研究團隊提出了“超臨界二氧化碳強化頁巖氣高效開發(fā)及地質(zhì)封存一體化”（CO2-ESGR）構(gòu)想，即利用超臨界CO2的低界面張力和高密度特性，將其作為壓裂液及鉆采流體，對儲層具有保護作用，并且在置換頁巖氣、提高頁巖氣采收率的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)CO2地下封存[13-15]。在此構(gòu)想下，系統(tǒng)總結(jié)了超臨界CO2壓裂裂縫的擴展規(guī)律及超臨界CO2的作用機理、CO2驅(qū)替CH4熱力學與動力學原理、CO2—水—頁巖相互作用機理、CO2提高頁巖氣采收率及地質(zhì)封存機理、超臨界CO2壓裂現(xiàn)場試驗等方面取得的研究進展，并且采用全生命周期評價方法，對CO2-ESGR技術(shù)全過程CO2排放量進行了研究，針對目前制約CO2-ESGR技術(shù)工業(yè)化應用的關(guān)鍵問題，進行了深入分析，進而對CO2-ESGR技術(shù)未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 超臨界CO2壓裂機理

1.1 不同壓裂方式下頁巖起裂壓力

起裂壓力是影響壓裂設計的重要參數(shù)之一，目前對于不同相態(tài)CO2、水等壓裂流體致裂頁巖已開展了相關(guān)實驗研究，在相同條件下頁巖超臨界CO2壓裂起裂壓力比水低50%左右，比液態(tài)CO2低15%左右[16]。這與超臨界CO2物理性質(zhì)有關(guān)，由于其具有低黏度、低表面張力特性，能夠有效滲入巖石孔隙裂隙，增加頁巖孔隙壓力，減小地應力對裂縫擴展的制約，相比于水和液態(tài)CO2，超臨界CO2壓裂能夠降低頁巖起裂壓力[16]。此外，超臨界CO2對頁巖具有腐蝕作用，該作用會弱化頁巖力學強度，也會使起裂壓力降低。

1.2 不同壓裂方式下頁巖壓裂裂縫形態(tài)

頁巖氣儲層壓裂改造后形成的裂縫形態(tài)是影響頁巖氣井產(chǎn)氣量的主要因素，認識壓裂裂縫形態(tài)對于評價頁巖儲層壓裂改造效果意義重大。目前，對于頁巖超臨界CO2壓裂、水力壓裂裂縫形態(tài)已進行了較多研究[16-20]。通過開展壓裂室內(nèi)物理模擬實驗，以及基于熱流固多場耦合作用下頁巖氣儲層超臨界CO2壓裂三維數(shù)值模擬，結(jié)合現(xiàn)場微地震監(jiān)測[20]得到不同壓裂方式下頁巖裂縫形態(tài)如圖1所示（圖1中紅色點表示微地震信號）。從圖1可以看出，頁巖水力壓裂主要形成單一主裂縫，而超臨界CO2壓裂在產(chǎn)生主裂縫的同時會誘發(fā)二級次生裂縫的產(chǎn)生，更容易形成多條網(wǎng)狀裂縫，進而形成立體的復雜裂縫網(wǎng)絡；并且，超臨界CO2壓裂后形成的頁巖裂縫表面更加粗糙，頁巖巖樣壓裂的體積及裂縫的復雜程度均優(yōu)于水力壓裂裂縫[21-23]。

1.3 超臨界CO2壓裂機理及影響因素探討

基于前述超臨界CO2壓裂室內(nèi)物理模擬實驗、三維數(shù)值模擬及現(xiàn)場微地震監(jiān)測結(jié)果，超臨界CO2壓裂頁巖的起裂壓力比水力壓裂低，壓裂后更容易形成立體的復雜裂縫網(wǎng)絡，并且裂縫面更粗糙，裂縫寬度小，這與超臨界CO2流體特性及有效應力、熱應力、表面張力等影響裂縫擴展的力學因素有關(guān)[21-29]。由于超臨界CO2黏度極低，流動時壓力損失小，能夠快速進入頁巖微孔隙及天然裂縫中，增加孔隙壓力，降低巖石有效應力和裂縫間應力干擾，克服地應力對裂縫擴展的制約，溝通天然裂縫，從而形成體積縫網(wǎng)；并且，超臨界CO2表面張力為零，遠小于水，因此能夠進入更小的孔隙和微裂縫，降低裂縫擴展所需的縫內(nèi)凈壓力；在裂縫擴展階段，裂縫體積增大使得自由空間增大，將會引起CO2發(fā)生相變，從超臨界態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，體積急劇膨脹，從而產(chǎn)生類似于氣體爆破的沖擊效應，形成相變致裂，促進裂縫進一步延伸[14,29]；在裂縫擴展過程中，CO2體積快速膨脹，會產(chǎn)生焦耳—湯姆遜冷卻效應，CO2和頁巖之間形成的溫差誘導產(chǎn)生熱應力，在裂縫尖端形成熱沖擊，降低裂縫尖端有效正應力，促使裂縫進一步起裂與擴展[29]；CO2與頁巖之間的吸附作用與化學作用會弱化頁巖力學性質(zhì)，降低壓裂過程中裂縫擴展的臨界應力，同時，頁巖基質(zhì)產(chǎn)生的局部非均勻變形，會導致頁巖損傷，從而也會促使裂縫延伸擴展[30-31]。因此，在研究超臨界CO2壓裂機理時，需要綜合考慮多種效應的共同影響。

2 CO2與CH4競爭吸附機理

2.1 頁巖中CO2/CH4吸附特性

地層條件下CO2與CH4的競爭吸附行為是影響頁巖氣采收率及CO2地質(zhì)封存量的主要因素[32-36]。CO2、CH4單組分氣體及CO2、CH4混合氣體吸附實驗結(jié)果表明，頁巖對CO2的吸附能力大于CH4。不同頁巖對CO2的吸附量為CH4的2.68～19.41倍[32-33,36]。如表1所示，LMX1～3號、WF1～4號、YC號巖心樣品分別選自四川盆地長寧區(qū)塊龍馬溪組、五峰組及鄂爾多斯盆地延安地區(qū)延長組頁巖儲層，對于同一塊頁巖樣品， CO2的最大過剩吸附量和最大絕對吸附量均大于CH4，表明頁巖對CO2的吸附能力大于CH4。

表1 頁巖中CH4/CO2最大過剩吸附量與最大絕對吸附量對比表[33]

2.2 CO2置換CH4的熱力學與動力學效應

吸附熱可以間接反映吸附質(zhì)與吸附劑之間相互作用力的強弱，吸附熱越大，越有利于氣體的吸附[49]?；谖侥Ｐ蚚33,49]，進行了長寧區(qū)塊龍馬溪組、五峰組海相頁巖及延安地區(qū)延長組陸相頁巖吸附CO2與CH4的熱力學分析，發(fā)現(xiàn)頁巖中CO2吸附表面能、自由能及吸附熱均高于CH4（圖2，圖中ΔH表示吸附熱），表明頁巖對CO2的吸附能力更強，即CO2更容易被頁巖吸附。可以看出，注CO2提高頁巖氣采收率是可行的。

如圖4所示，在CO2驅(qū)替的初期階段，CH4氣體率先穿透；隨著時間延長，CO2逐漸穿透，產(chǎn)出氣中CO2比重逐漸增加[51]。CO2穿透時間與儲層滲透率、CO2注入壓力、注入速率等因素密切相關(guān)。CO2注入壓力較低時，CO2穿透曲線特別陡峭。相同的CO2注入壓力條件下，CO2在延安地區(qū)延長組頁巖中驅(qū)替吸附態(tài)CH4時，CO2穿透時間較短，穿透曲線比較平緩，表明CO2在該頁巖的彌散系數(shù)較大，傳質(zhì)區(qū)較長，使得CO2較早穿透，進而降低CO2置換CH4的效率。當CO2在長寧區(qū)塊五峰組頁巖中驅(qū)替吸附態(tài)CH4時，CO2穿透時間較長，使CO2置換CH4的效率得到提升，驅(qū)替效果優(yōu)于延長組頁巖。

因此，在注CO2提高頁巖氣采收率時，需要綜合考慮CO2驅(qū)替CH4的熱力學與動力學效應、儲層條件（溫度、壓力、滲透率等）以及CO2注入?yún)?shù)（注入壓力、速率、模式等）對頁巖氣采出和CO2封存效率的影響[52]。

3 不同相態(tài)CO2—水—頁巖相互作用機理

3.1 對頁巖礦物組分的影響

CO2與頁巖之間的相互作用會改變頁巖礦物組分,進而影響頁巖微觀結(jié)構(gòu)與力學行為[53-57]。CO2作用前后采用X射線衍射（XRD）、紅外光譜（FTIR）測試頁巖礦物組分，結(jié)果表明，不同壓力CO2作用下，頁巖無機礦物、芳香族和脂肪族官能團吸收峰位置未發(fā)生變化，但吸光度隨著CO2壓力增加呈下降趨勢，表明頁巖官能團結(jié)構(gòu)雖然無明顯改變，但其中部分有機質(zhì)和無機礦物被溶解了（圖5）[53]。

若頁巖層有水存在，CO2溶于水后形成酸性溶液，從而促進頁巖礦物與CO2之間的物理化學反應[58-59]。CO2—水—頁巖相互作用后，頁巖黏土礦物被溶蝕，其含量減少，而石英含量有所增加，這是由于高嶺石與碳酸鹽礦物反應后會生成石英和白云石。CO2—頁巖礦化反應會改變頁巖微觀結(jié)構(gòu)、力學性質(zhì)、孔隙度及滲透率，進而影響CO2在頁巖儲層中的封存機制，由于頁巖礦物的復雜性，礦化反應對于CO2封存潛力的影響尚需進一步研究。

3.2 對頁巖微觀結(jié)構(gòu)的影響

采用掃描電鏡（SEM）、核磁共振、低溫氮氣吸附法等多種測試手段得到頁巖在注入不同相態(tài)CO2前后的微觀結(jié)構(gòu)[53,60]，注入超臨界CO2后頁巖孔隙體積增加，頁巖總比表面積有所減小，微孔的比表面積、孔容及其所占比重均呈減小的趨勢[圖6，縱坐標符號中V表示吸附氣（氮氣）體積，cm3/g，w表示被測頁巖樣品孔徑，nm]，這與超臨界CO2對頁巖部分礦物的溶蝕與萃取效應有關(guān)[53]。

超臨界CO2作用對頁巖微觀結(jié)構(gòu)的改變主要受到頁巖吸附超臨界CO2引起的膨脹效應及超臨界CO2對頁巖礦物的溶蝕效應兩個方面的影響[53]。在超臨界CO2注入前后，針對頁巖樣品相同位置進行電鏡掃描，由圖7中圓形區(qū)域a可以看出，經(jīng)過超臨界CO2作用后，頁巖吸附CO2產(chǎn)生非均勻膨脹變形，大孔和微裂縫發(fā)生閉合[61-62]；由圖7中矩形區(qū)域b、c可以看出，經(jīng)過超臨界CO2作用后頁巖表面有部分物質(zhì)消失，主要原因在于超臨界CO2具有較強的溶解和萃取能力，能溶解頁巖中非極性脂肪烴、多環(huán)芳烴及部分無機質(zhì)礦物[55,63-64]。在CO2驅(qū)氣過程，頁巖礦物的溶解或沉淀均會影響頁巖孔隙結(jié)構(gòu)[65]，礦物的溶解將產(chǎn)生新的孔隙或微裂縫，而礦物的沉淀則會降低裂縫開度，從而影響流體運移。

3.3 頁巖力學特性及變形規(guī)律

CO2浸泡后與頁巖之間的相互作用對頁巖力學性質(zhì)有顯著影響，并且影響程度與CO2相態(tài)和壓力密切相關(guān)[66]。相比于CO2作用前的頁巖樣品，CO2作用后頁巖單軸抗壓強度（UCS）和彈性模量（E）均有不同程度的降低，并且超臨界CO2作用下頁巖UCS的降幅比氣態(tài)CO2更明顯。氣態(tài)CO2與頁巖之間的相互作用使得頁巖強度降低主要是由吸附效應引起，CO2吸附降低了頁巖表面能，引起頁巖非均質(zhì)膨脹變形，從而降低了頁巖強度。而超臨界CO2除了CO2吸附效應影響外，其對頁巖有機質(zhì)及部分礦物的溶解作用，還會增大頁巖孔隙度，造成頁巖損傷，因而對頁巖力學性質(zhì)的影響更大。不同相態(tài)CO2作用下頁巖UCS與E的變化如圖8所示[66]，并且與頁巖微觀結(jié)構(gòu)變化也具有一致性，微觀結(jié)構(gòu)變化是引起頁巖宏觀力學行為變化的主要原因[67-73]。

基于熱力學原理，可以得到吸附氣體后頁巖強度變化與表面能之間的關(guān)系式，有

式中σc表示吸附氣體后頁巖強度，MPa；σ0表示吸附氣體前頁巖強度，MPa；R表示氣體常數(shù)，通常取值為8.314 J/(mol·K)；T表示溫度，K；VM表示氣體摩爾體積，cm3/mol；S表示頁巖孔隙比表面積，cm2/g；γ0表示頁巖未吸附氣體時的表面能，J；a表示頁巖中裂縫長度，cm；p表示氣體壓力，MPa；V表示吸附氣體積，cm3/g。

根據(jù)莫爾—庫侖強度準則，σc由內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角共同決定，有

式中c表示初始狀態(tài)未吸附氣體時的頁巖內(nèi)聚力，MPa；φ表示內(nèi)摩擦角，（°）。

假定氣體吸附對內(nèi)摩擦角的影響可以忽略，則吸附對頁巖內(nèi)聚力的影響為：

式中c'表示吸附氣體后頁巖的內(nèi)聚力，MPa。

CO2在頁巖上吸附會導致頁巖表面能降低，根據(jù)式（2）、（4），頁巖吸附CO2后頁巖強度和內(nèi)聚力會降低。此外，超臨界CO2作用后頁巖比表面積會明顯降低[53]，根據(jù)式（2）、（4），頁巖孔隙比表面積降低也會使得頁巖強度和內(nèi)聚力降低，因此，頁巖孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化與頁巖宏觀力學強度的變化具有較好的一致性。

在儲層中存在地層水的條件下，相比于僅有CO2或者水存在的單一環(huán)境，CO2—水共同作用對頁巖力學性質(zhì)的弱化更顯著（圖9）[73]，這與CO2遇水后形成酸性溶液對頁巖礦物的溶解、溶蝕能力更強有關(guān)，在酸性環(huán)境下，礦物溶解、溶蝕后對頁巖進一步造成損傷，從而使其強度降幅更大[74]。

3.4 超臨界CO2注入頁巖后氣—固—液界面潤濕性變化規(guī)律

CO2注入并且與頁巖接觸后發(fā)生一系列物理化學反應，會改變頁巖礦物組成、孔隙結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)，從而引起頁巖潤濕性變化[55,75]。頁巖潤濕性的變化與CO2壓力、溫度及接觸時間密切相關(guān)。如圖10所示，CO2作用后頁巖—水接觸角有不同程度增加，表明頁巖表面親水性減弱[55]。其中，隨著CO2作用時間、壓力增加，頁巖—水接觸角明顯增大（圖10-a、b），而隨著CO2溫度增加，頁巖—水接觸角增幅較小（圖10-c）。

CO2作用后頁巖潤濕性變化與其表面性質(zhì)及礦物組分的變化密切相關(guān)[75]。頁巖中Si—OH鍵對頁巖潤濕性起主導作用，Si—OH鍵與水結(jié)合易形成羥基鍵，增加頁巖親水性。CO2作用后，頁巖化學基團中Si—OH鍵比重減小，親水性—OH 基團變少，Si—OH鍵與水形成的羥基鍵也相應減小，從而使得頁巖親水性變?nèi)酢Ｍ瑫r，CO2作用后，頁巖礦物中具有親水性的方解石、白云石及黏土礦物含量降低，也是頁巖親水性變?nèi)醯脑騕75]。頁巖潤濕性的改變會影響氣體在頁巖孔隙中的吸附聚集狀態(tài)及吸附取向，而頁巖親水性的減弱則有利于頁巖氣產(chǎn)出及CO2吸附[76-78]。因此，在CO2-ESGR實施過程中，可以添加相關(guān)化學劑來改變頁巖潤濕性，以期提高頁巖氣采收率和CO2地質(zhì)封存量。

4 超臨界CO2壓裂現(xiàn)場試驗

2017年，在延長石油（集團）有限責任公司（以下簡稱延長石油）延安國家級陸相頁巖氣示范區(qū)（簡稱延安頁巖氣示范區(qū)）進行了2口井的超臨界CO2壓裂現(xiàn)場試驗。其中，第一口井井深為2 940 m，該井首先采用常規(guī)水力噴射方式進行開窗，然后更換超臨界CO2流體進行壓裂,累計注入386 m3液態(tài)CO2。在整個試驗過程中井下CO2溫度均在CO2臨界溫度以上，滿足CO2超臨界態(tài)所需的條件[20]。截至2020年底，延長石油在延安頁巖氣示范區(qū)共進行了10余口井超臨界CO2壓裂現(xiàn)場試驗，均取得了較好的壓裂效果，頁巖氣井增產(chǎn)幅度達50%以上。并且，產(chǎn)出氣中CO2濃度小于2%，與原生頁巖氣中CO2濃度相當，證實注入的CO2得到了有效封存（圖11）。

5 CO2-ESGR技術(shù)全生命周期碳排放分析

采用全生命周期評價方法，計算CO2捕集、運輸、注入（鉆井、壓裂、驅(qū)替）以及頁巖氣利用全過程CO2排放量、頁巖氣儲層CO2封存量，對CO2-ESGR技術(shù)全過程CO2排放量進行了系統(tǒng)分析，證實了超臨界CO2強化頁巖氣開采及地質(zhì)封存一體化技術(shù)在實現(xiàn)碳中和及碳負排放的可行性。

對于CO2-ESGR，能否實現(xiàn)CO2零排放甚至負排放取決于兩個方面：①頁巖氣儲層封存CO2的潛力；②CO2-ESGR各個環(huán)節(jié)的CO2排放量。將頁巖氣儲層封存CO2的潛力減去各個階段CO2排放量的總和，則可以得到CO2-ESGR全生命周期CO2凈排放量計算式，即

ECi計算式為：

式中Eh、Ee分別表示單位熱能、單位電能的CO2排放因子，即消耗1 kJ熱或電排放的CO2量，kg/kJ；Uih、Uie分別表示各個階段熱能與電能的消耗量，kJ；Ds表示頁巖氣終端消費產(chǎn)生的CO2直接排放量，kg。

在僅考慮CO2吸附與游離態(tài)封存方式的情形下，頁巖氣儲層CO2理論封存潛力計算式為：

因此，在選擇合適的儲層并且對CO2-ESGR全生命周期系統(tǒng)進行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，頁巖氣儲層CO2封存量可以有效抵消頁巖氣開發(fā)與利用全生命周期的CO2排放量，從而實現(xiàn)頁巖氣開發(fā)利用全過程CO2零排放甚至負排放。

6 討論與建議

超臨界CO2壓裂更有助于形成復雜的體積裂縫網(wǎng)絡，對于干熱巖地熱資源開發(fā)也十分有利，能夠滿足干熱巖人工熱儲對大尺度、多裂縫、連通性好的復雜裂縫網(wǎng)絡的需求，因此，采用CO2作為干熱巖儲層改造與熱傳遞介質(zhì)開發(fā)地熱也是未來的發(fā)展方向。CO2-ESGR技術(shù)應用前景廣闊，可為我國非常規(guī)油氣、地熱資源開發(fā)提供借鑒，助力我國碳中和目標的實現(xiàn)。但超臨界CO2低黏特性影響其攜砂能力是制約該技術(shù)推廣應用的主要原因之一，研發(fā)綠色、環(huán)保、廉價的CO2增稠劑或者物理增黏手段是解決該問題的主要途徑。在壓裂機理方面，需要進一步開展大型物理模擬實驗，發(fā)展數(shù)值模擬方法。同時，需要考慮CO2與頁巖之間長時間反應對頁巖裂縫的影響，CO2與頁巖礦物之間的化學反應會改變巖石體積及應力狀態(tài)，引起巖體局部發(fā)生體積膨脹，產(chǎn)生非均勻應力，從而誘發(fā)巖石破裂[82-83]。另外，頁巖中不同礦物與CO2之間的反應速率差異較大，因此，需要考慮不同時間尺度下CO2—頁巖礦物反應動力學，基于力學—化學耦合作用探討頁巖長期變形規(guī)律及時效致裂機理。

CO2注入后，頁巖儲層溫度場、流體壓力變化、CO2吸附導致的基質(zhì)膨脹變形、CO2對頁巖礦物的溶蝕與溶解效應及礦物沉淀均會影響頁巖孔隙、裂縫結(jié)構(gòu)及滲透性，從而影響CO2在地層中的運移和時空分布[36,84-88]。因此，需要綜合考慮溫度場—滲流場—應力場—化學場多場耦合效應，探索CO2注入—運移—封存全過程儲層、蓋層孔隙度—滲透率變化規(guī)律，建立多場耦合作用下多尺度、多組分、多相滲流理論，研究地層應力場、流體壓力變化規(guī)律，從而評估CO2長期封存的安全性。盡管頁巖具有低孔隙度、低滲透特性，對于CO2長期封存十分有利。但當CO2注入后，CO2—水—頁巖長期作用下頁巖儲層、蓋層力學穩(wěn)定性問題仍需要予以關(guān)注，加強CO2聚集壓力下頁巖蓋層突破壓力變化規(guī)律、蓋層時效損傷變形規(guī)律及漸進式破壞機理的研究。在進行儲層壓裂改造時，也需要對地層壓力進行精準控制，避免產(chǎn)生的裂縫貫穿蓋層，造成蓋層封閉失效。

針對CO2封存，頁巖氣儲層對CO2的封存潛力預測必須基于對CO2封存機制的清楚認識，而目前大多數(shù)研究僅考慮吸附態(tài)和游離態(tài)兩種氣體賦存方式對CO2封存潛力的貢獻。已有的研究結(jié)果表明，CO2與頁巖之間的礦化反應也是重要的封存方式[53-54]。另外，有研究發(fā)現(xiàn)CO2在頁巖礦物上的最大吸附量遠超其比表面積能夠容納的吸附能力，認為這與CO2嵌入非膨脹型黏土礦物（伊利石）夾層有關(guān)，突破了傳統(tǒng)上認為僅膨脹型黏土礦物（如蒙脫石）夾層才能吸附CO2的觀點[89-90]，因此，在進行CO2封存潛力預測時對這一個新的封存機制也應予以考慮。由于頁巖礦物十分復雜，并且黏土礦物通常以伊蒙混層為主，因此，需要進一步明確CO2在頁巖儲層中的多重物理、化學封存機制，定量評價不同封存機制（吸附、溶解、殘余氣及礦化反應、CO2嵌入黏土夾層等）對CO2封存潛力的貢獻，同時考慮地質(zhì)條件（地應力、地層溫度與壓力等）、工程因素（CO2注入速率、注入壓力、注入模式等）對CO2波及范圍及封存量的影響，建立CO2封存潛力預測模型。

7 結(jié)論

1）超臨界CO2壓裂在頁巖氣儲層中起裂壓力更低，能夠形成更復雜的裂縫網(wǎng)絡。

2）CO2在頁巖中的吸附能力和吸附有序性遠高于CH4，可以有效置換出CH4，進而提高頁巖氣的采收率。

3）頁巖儲層具備規(guī)?；獯鍯O2的巨大潛力，封存機理主要包括吸附和礦化反應封存，選擇合適的儲層，CO2封存量可以抵消頁巖氣開發(fā)與利用全生命周期的CO2排放量，從而實現(xiàn)頁巖氣開發(fā)與利用全過程CO2零排放甚至負排放。

4）今后還需研發(fā)綠色環(huán)保的CO2增稠劑或者CO2物理增黏技術(shù)，以提高CO2攜砂能力，進一步揭示CO2在頁巖儲層中的物理、化學封存機制，同時推進CO2-ESGR技術(shù)在煤層氣、地熱等其他非常規(guī)能源高效開發(fā)及CO2封存領(lǐng)域的應用。

5）CO2-ESGR技術(shù)為我國非常規(guī)油氣、地熱資源綠色高效開發(fā)開辟了一條新途徑，該技術(shù)能夠助力我國2030年碳達峰和2060年碳中和戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)。