自然科学基金研究进展及成果介绍

国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目研究进展及成果介绍

低渗透储层岩石超临界CO₂压裂与三维应力场可视化实验系统（编号：51727807，负责人：鞠杨教授）

近年来，由于常规油气资源日趋紧缺，以致密气、煤层气和页岩气等为代表的非常规天然气资源引起了世界的极大关注。我国非常规天然气资源储量丰富，据公开发表的数据，中国页岩气地质资源量约为35万亿立方米，煤层气约为36.8万亿立方米，致密砂岩气约为12万亿立方米。实现非常规天然气的商业化开采，将极大弥补中国的能源缺口，对保障我国能源安全具有重要意义。与非常规天然气世界主要生产国相比，我国非常规天然气储层的赋存条件复杂多变，高构造应力、高渗透压和高地温现象十分普遍。页岩储层孔喉直径介于5~200 nm，致密气储层孔喉直径介于40~700 nm，孔隙度主体小于10%，地下渗透率小于0.1 mD。目前，为实现非常规天然气资源的商业化开采，国际上通常采用水压致裂技术对储层进行改造，形成发育裂缝网络，增加非常规储层的渗透率，提高非常规天然气的抽采率。储层压裂改造的关键在于形成发育的、互相连通的裂缝网络通道，增加压裂裂缝的有效面积，提高气体可渗透通道的数量和面积。低渗透储层水力压裂效果与储层岩石的岩性、构造、物理力学性质、地应力等地质与力学条件紧密相关。页岩储层黏土矿物含量高，传统水力压裂方法易导致黏土膨胀，堵塞气体流通的通道，进而导致裂缝网路的导流能力降低，严重影响产气量。水力压裂生产需要消耗大量的水资源，以目前所掌握的技术而言，平均每口页岩气井的耗水量约为0.75~1.5万立方米，整个页岩气田开采所需要的井数极多。据此初步测算，我国要想实现2020年页岩气10¹¹m³的年产量，压裂用水将达4×10⁸m³，与四川全省居民的年均用水相当，耗水量巨大。然而，中国非常规天然气资源的富集区域又多属于水资源匮乏的地区，实施水力压裂技术对我国水资源保护与可持续发展将是一个巨大挑战。超临界CO₂技术可以不使用水进行压裂、同时又能实现储层增透改造的目的，在世界范围内得到了越来越多的重视。