全球能源失衡带来了巨大的挑战和环境后果，超临界二氧化碳强化页岩开采与地质封存一体化为同时解决这两个问题提供了有希望的解决方案。页岩储层拥有低孔隙度、低渗透率和高吸附性的特征，展现出大规模碳封存的潜力。在SC-CO₂注入过程中，页岩气储层会经历一系列由CO₂吸附引起的物理化学变化，包括吸附、溶解、沉淀、传输和润湿性变化等多重机制的协同作用。这一机制在影响页岩气储层的储存能力的同时，可能会导致基质膨胀、裂缝产生，影响封存过程中的安全性和稳定性。

中国科学院武汉岩土力学研究所油气地下储备与开发研究中心助理研究员常鑫和博士研究生林双双针对这一系列复杂的科学问题开展深入研究。他们聚焦于二氧化碳注入和储存过程中吸附所导致的基质膨胀现象，系统分析了这一机制对页岩储层结构和储气性能的影响。团队针对主要研究成果如下：1）CO₂吸附诱发页岩显著膨胀，垂直于层理面的方向上比平行方向上更容易发生变形；2）机械压缩和吸附膨胀的非同步响应导致在岩体中形成应力集中区，进而加剧结构失效；3）通过使用棒状几何模型和结合线性应变的筛选框架，评估各向异性变形对渗透性变化的影响。在各向同性膨胀假设下，渗透性损失的唯一原因被认为是垂直吸附线性膨胀应变；而实际中，页岩在吸附过程中表现出各向异性变形，由于原位“反推”条件，一部分垂直应变转化为水平应变。在原位“反推”条件下的渗透性与各向同性膨胀假设下的渗透性存在显著差异。

研究成果发表于《Gas Science and Engineering》《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》等行业TOP期刊。研究工作得到了国家自然科学基金项目(52104046)项目资助。

图1 二氧化碳强化页岩开采与地质封存一体化过程

图2 CO2注入引起的应变变化

图3 减压循环过程中的应变情况

图4 CO2-ESGR综合技术下页岩的损害机制