超临界CO2及其水溶液对页岩渗流特性的协同作用机制与工程应用研究

针对水力压裂技术在水资源消耗和环境污染方面的局限性，研究人员通过模拟地层条件（80°C、15 MPa）开展超临界CO2（ScCO2）及其水溶液与页岩的相互作用实验。发现ScCO2+去离子水浸泡使页岩渗透率提升86倍，显著高于单一流体作用（ScCO2仅增28%），揭示了矿物溶解与孔隙结构改变的协同效应，为ScCO2无水压裂技术和碳封存提供了关键理论支撑。

　　

随着全球能源需求增长与碳中和目标推进，页岩气作为低碳能源备受关注。然而，中国页岩气开发面临地质条件复杂、水力压裂技术耗水量大、污染严重等挑战。传统压裂技术在水资源匮乏地区适用性受限，亟需寻找替代方案。超临界CO₂（ScCO₂）因其独特物理化学性质被视为理想的无水压裂介质，同时可实现CO₂地质封存。但ScCO₂与地层水共存时对页岩渗流特性的影响机制尚不明确，制约了工程应用。为此，湖南大学等机构的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表论文，系统揭示了ScCO₂及其水溶液对牛蹄塘组页岩渗流特性的差异化影响。

研究采用高温高压反应釜模拟地层条件（80°C、15 MPa），对页岩样品进行为期30天的ScCO₂、去离子水及两者混合液的浸泡实验。通过脉冲衰减渗透率测试、X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等技术，分析了矿物组成与微观结构变化。

微观结构分析显示，原始页岩结构致密，孔隙连通性差。经ScCO₂+去离子水浸泡后，SEM观察到大量溶蚀孔洞和扩大的微裂缝，平面孔隙度变化最显著，与渗透率提升86倍的结果高度吻合。

流体-页岩反应部分阐明化学机制：ScCO₂溶解于水形成碳酸（H₂CO₃），强烈溶解方解石（CaCO₃）和黏土矿物，同时长石等硅酸盐矿物发生次生沉淀。ICP-MS检测到浸泡液中Ca²⁺、Mg²⁺浓度显著升高，证实矿物溶解主导了孔隙改造。

结论指出，ScCO₂与地层水的协同作用远超单一流体效应。三种处理中，ScCO₂+去离子水使渗透率增幅达86倍，远高于单纯ScCO₂（28%）或水（10倍）的处理。该研究首次量化了地层水存在下ScCO₂对页岩渗流的增强效应，为ScCO₂压裂技术优化和碳封存安全评估提供了实验依据。

这项工作的创新性在于揭示了ScCO₂-水-页岩三元体系的动态相互作用规律。作者团队（Bingbin Xie、Qiao Lyu等）强调，在实际工程中必须重视地层水与ScCO₂的协同效应，这对预测储层改造效果和长期封存稳定性具有重要指导意义。研究成果不仅推动了无水压裂技术的发展，也为中国实现页岩气高效开发与碳中和目标提供了科学支撑。