非常規(guī)儲層CO2壓裂及埋存巖石力學(xué)基礎(chǔ)

本書是以CO2流體作用下的巖石為主要研究對象，涉及溫度-流體-應(yīng)力-化學(xué)-多場耦合作用下巖石微觀結(jié)構(gòu)及物性、巖石力學(xué)性質(zhì)研究成果的總結(jié)，重點圍繞CO2作用下儲層巖石黏彈塑性力學(xué)性質(zhì)、孔隙彈性性質(zhì)、斷裂力學(xué)性質(zhì)、裂縫擴展特征、斷層滑移特征、CO2埋存特征展開，揭示儲層條件下CO2流體-巖石多場耦合作用機理，提出CO2影響巖石力學(xué)性質(zhì)的作用機制，為CO2壓裂及埋存技術(shù)應(yīng)用提供了巖石力學(xué)方面的基礎(chǔ)認識。

全球溫室氣體效應(yīng)日益嚴(yán)重，預(yù)計在2050～2055 年全球CO2 總排放量將會超過臨界值3.67萬億t，屆時全球平均溫度上升約2℃，嚴(yán)重威脅全球氣候安全。隨著碳捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)受到國內(nèi)外能源行業(yè)的普遍關(guān)注，我國積極開展CCUS 與非常規(guī)油氣開發(fā)技術(shù)的融合研究，形成了CO2 驅(qū)油、CO2 壓裂、廢棄油藏埋存CO2 等技術(shù)，既提高了油氣產(chǎn)量，又對CO2 進行了埋存。CO2-巖石多場耦合作用影響地層巖石物性、力學(xué)性質(zhì)、孔壓場、應(yīng)力場等，引起CO2 注入能力降低、地層抬升、蓋層封閉性降低等問題。

碳捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)是一種以減少碳排放為目的，實現(xiàn)化石能源近零排放的技術(shù)體系，受到國際社會的重視。目前，人們除了利用新能源(如太陽能、核能、氫能等)或清潔能源(天然氣、地?zé)岬?來降低CO2 排放量外，還積極探索CCUS 技術(shù)與非常規(guī)油氣開發(fā)技術(shù)的融合，即CO2 提高采收率(CO2-EOR)、CO2 壓裂、廢棄油藏埋存CO2 等。

非常規(guī)油氣是指采用傳統(tǒng)技術(shù)無法獲得自然工業(yè)產(chǎn)量，需要新技術(shù)改善儲層滲透率、流體黏度等才能經(jīng)濟開采油氣，包含油砂、油頁巖、致密油氣、頁巖油氣、煤層氣、天然氣水合物和天然瀝青等。非常規(guī)油氣資源在世界范圍內(nèi)廣泛分布，尤其在北美、中國和澳大利亞等國家或地區(qū)。截至2018年，美國利用水平井鉆井及水力壓裂技術(shù)，頁巖油產(chǎn)量達3.29億t，頁巖氣產(chǎn)量達6072億m3。目前，我國相繼在鄂爾多斯盆地、濟陽凹陷、松遼盆地、準(zhǔn)格爾盆地等發(fā)現(xiàn)了儲量巨大的陸相頁巖油油藏，截至2022年，已探明頁巖油儲量約500億t，位居世界第三位，僅次于加拿大和美國，但我國頁巖油效益開發(fā)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。水力壓裂技術(shù)是有效改造低滲非常規(guī)油氣藏的主要手段，但存在用水量大、儲層傷害嚴(yán)重、水敏性強等缺點。

針對以上問題，無水壓裂技術(shù)(CO2、液氮、液化天然氣、推進劑、等離子體壓裂等)具有無水相、無殘留等特點，成為替代水基壓裂液的最佳方案之一。CO2 壓裂技術(shù)可充分利用CO2 擴散能力強、儲層配伍性好、儲層增能等特點，有效降低儲層傷害、改善儲層物性、增加裂縫復(fù)雜度、降低原油黏度和解吸附，具有提高油氣產(chǎn)量、保護環(huán)境、節(jié)約水資源、埋存CO2 的優(yōu)點，已成功應(yīng)用于非常規(guī)油氣儲層增產(chǎn)開發(fā)。

現(xiàn)場CO2 壓裂

CO2 壓裂過程中存在的基礎(chǔ)問題及解決辦法

不同

Pe

Da

從左到右Pe逐漸增大，從下往上Da逐漸增大

水力壓裂和SC-CO2 壓裂的試件中間剖切面上的裂縫形態(tài)

非常規(guī)儲層CO2壓裂及埋存巖石力學(xué)基礎(chǔ)

張廣清 周大偉 趙建林 彭 巖 著

北京 : 科學(xué)出版社 , 2025. 11

ISBN 978-7-03-081526-2

全書共 8 章：

• 第 1 章主要介紹了CO2 相態(tài)及物理化學(xué)性質(zhì)，簡述了CO2 壓裂技術(shù)分類及現(xiàn)場應(yīng)用概況，以及CO2 壓裂與埋存機理；

• 第 2 章從孔隙尺度上探索復(fù)雜孔隙結(jié)構(gòu)中的CO2 滲流過程，分析巖石微觀結(jié)構(gòu)特征及滲透率等物性變化規(guī)律；

• 第 3 章基于CO2-水-巖反應(yīng)理論，分析巖石微觀結(jié)構(gòu)特征及滲透率等物性變化規(guī)律；

• 第 4 章主要研究CO2 多場耦合作用對巖石強度、彈性模量、動態(tài)力學(xué)參數(shù)、蠕變性質(zhì)等的影響；

• 第 5 章主要介紹畢奧(Biot)有效應(yīng)力原理與試驗測試方法，以及其在CO2 壓裂及埋存中的應(yīng)用；

• 第 6 章主要研究CO2 基本特性、熱應(yīng)力、CO2相變對裂縫擴展特征及規(guī)律的影響，提出了SC-CO2 壓裂裂縫多場耦合機制；

• 第 7 章主要研究CO2埋存過程中斷層不穩(wěn)定滑動形成的力學(xué)條件；

• 第8章考慮結(jié)構(gòu)埋存、殘余埋存和溶解埋存3 種機理，建立了數(shù)值模擬幾何模型評價CO2 地質(zhì)埋存安全性、埋存量。

本書在青年科學(xué)基金項目（A類）(51925405)、國家自然科學(xué)基金項目(52104050)、中國博士后基金特別資助(2022T150725)等支持下完成。

本文摘編自《 非常規(guī)儲層CO2壓裂及埋存巖石力學(xué)基礎(chǔ)》（張廣清 周大偉 趙建林 彭 巖 著. 北京 : 科學(xué)出版社 , 2025. 11 ）一書“前言”“緒論”，有刪減修改，標(biāo)題為編者所加。

本書可為與CO2 增產(chǎn)及埋存技術(shù)相關(guān)的巖石力學(xué)研究人員、工程技術(shù)人員和高等院校師生提供參考。

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