超临界CO2 作用下页岩微孔隙结构与多尺度分形特征研究——以鄂尔多斯盆地长73 亚段为例

为解决页岩储层在CO2 增强油气采收率（CO2 -EOR）和碳封存（CCUS）中的关键科学问题，研究人员针对鄂尔多斯盆地长73 亚段页岩，通过有机地球化学分析、低温气体吸附实验和核磁共振（NMR）技术，结合多尺度分形理论，系统研究了超临界CO2 （ScCO2 ）处理对页岩微孔隙结构的影响。结果表明，ScCO2 作用后页岩总有机碳（TOC）含量降低，石英含量增加，黏土矿物和长石减少，且孔隙结构复杂性显著下降。该研究为页岩储层优化和CCUS技术应用提供了重要理论依据。

　　

页岩储层作为非常规油气资源的重要载体，其低孔隙度和低渗透率的特性一直是高效开发的瓶颈。同时，二氧化碳（CO₂
）地质封存与页岩油气开发的结合（即CCUS技术）被视为实现碳中和目标的关键路径。然而，超临界CO₂
（ScCO₂
）与页岩的相互作用机制复杂，尤其是其对微观孔隙结构的改造效应尚不明确。这一问题直接关系到CO₂
的封存效率和油气采收率提升。

针对这一挑战，中国石油大学的研究团队以鄂尔多斯盆地长7₃
亚段页岩为研究对象，通过系统的实验与理论分析，揭示了ScCO₂
作用下页岩孔隙演化的内在规律。研究论文发表在《Journal of Natural Gas Geoscience》，为页岩储层改造和CCUS技术优化提供了科学依据。

研究团队综合运用了以下关键技术：1）有机地球化学分析（TOC和Rock-Eval）与X射线衍射（XRD）表征矿物组成；2）低温CO₂
/N₂
吸附实验（ASAP-2460分析仪）测定孔隙分布；3）核磁共振（NMR）扫描（RCA 2 MH分析仪）量化孔隙流体分布；4）基于V-S模型和FHH模型的多尺度分形理论计算孔隙复杂度。

有机地球化学与矿物组成变化
ScCO₂
处理后，页岩TOC含量下降1.69%至1.45%，石英含量从19.5%增至25.0%，黏土矿物从55.7%降至52.6%。压力对TOC的影响比温度更显著，而温度对矿物组成的改变更明显。

孔隙结构特征
低温气体吸附实验显示，ScCO₂
使微孔（<2 nm）比表面积减少23.83%，介孔（2-50 nm）和宏孔（>50 nm）体积分别增加22.22%和163.10%。核磁共振证实，T₂
谱向右偏移，有效孔隙度从4.85%升至5.37%，表明小孔隙向大孔隙转化。

多尺度分形特性
分形维度分析表明，微孔分形维度D_M
（2.9534→2.7181）高于介孔D_L1
（2.4514→2.3444）和宏孔D_L2
（2.5389→2.5010）。ScCO₂
处理后各尺度分形维度均下降，反映孔隙结构简化。微孔复杂度与TOC呈强正相关，而介孔和宏孔分形维度受石英和黏土矿物调控。

讨论与意义
该研究首次阐明了ScCO₂
通过溶解有机质、溶蚀无机矿物和引发黏土膨胀三重机制协同改造页岩孔隙的规律。温度通过促进有机质提取和矿物溶解主导微孔变化，而压力通过增强溶蚀效应更显著影响宏孔发育。这一发现为CCUS目标层优选提供了量化标准：高TOC和黏土含量的页岩更适合CO₂
吸附封存，而高石英含量储层更利于长期稳定性。研究建立的"矿物组成-孔隙参数-分形维度"关联模型，为页岩储层数字化评价提供了新范式。