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超临界二氧化碳在页岩气开采及气页岩储层封存中的作用
The Role of Supercritical Carbon Dioxide for Recovery of Shale Gas and Sequestration in Gas Shale Reservoirs
1. 主要摘要
本文综述了超临界二氧化碳（SC-CO₂）作为页岩气开采中替代水的裂解液的潜力，并探讨其在页岩储层中进行二氧化碳地质封存的可行性。SC-CO₂相比水具备更强的破岩能力，并能够形成复杂的裂隙网络，提高渗透性。同时，一部分用于页岩气开采的CO₂可以安全封存于页岩储层中，从而减少碳排放，并获得碳税减免。然而，CO₂与页岩以及水/盐水的交互作用对储层性质有潜在影响。本研究还讨论了SC-CO₂注入对页岩气开采效率、成本及环境影响的挑战，提出了需要进一步研究的方向，以确保技术的安全应用和长期稳定性。
2. 引言
随着水力压裂和水平钻井技术的发展，页岩气的开采得到显著提升。然而，水力压裂技术消耗大量水资源，且可能造成地下水和地表水污染等环境问题。作为一种替代方案，SC-CO₂由于其独特的物理特性（如液态密度、气态粘度、无毛细力以及与烃类的良好混溶性），显示出在页岩气开采中取代水作为裂解液的潜力。本研究旨在评估SC-CO₂在页岩气开采中的应用潜力，以及CO₂在页岩储层中的封存能力。
3. 主要内容
1. SC-CO₂的页岩气开采应用
钻井：与高压水射流相比，SC-CO₂射流具有更低的岩石破碎阈值压力和切割能量要求。同时，其气态的粘度有利于在开采过程中保持井底的欠平衡条件，从而提高钻进效率。
压裂：SC-CO₂低粘度且无表面张力，使其在开裂过程中降低破裂压力，并形成更不规则的多裂隙网络。实验结果表明，SC-CO₂注入压力较水力压裂更低，并能形成更复杂的裂缝网络。
CO₂封存：页岩储层可以作为二氧化碳封存的理想场所。由于CO₂在页岩中的吸附能力强于甲烷，注入的CO₂不仅能够促进甲烷解吸，还可以实现长期碳封存，减缓碳排放。
2. SC-CO₂的注入与页岩储层的交互作用
CO₂与页岩及水/盐水的交互作用可能导致储层的物理性质变化。CO₂的吸附和扩散会影响页岩的孔隙度、渗透性和储气能力。此外，CO₂与页岩中的矿物发生反应，可能会改变储层的结构稳定性，需要通过实验和模拟进一步研究这些交互作用的长期影响。
3. SC-CO₂页岩气开采的成本与环境影响
SC-CO₂开采过程中的CO₂捕集、压缩、运输和分离会增加成本，但可以通过封存获得碳税减免来降低经济负担。与水力压裂相比，SC-CO₂减少了水资源的使用，但运输、设备需求和潜在的微震风险需要考虑和管理。
4. 主要结论
1. SC-CO₂具备作为页岩气开采的裂解液的优势，能够有效形成复杂的裂隙网络并实现CO₂封存。
2. 需要进一步研究CO₂与页岩及水/盐水的交互作用对储层特性、页岩气开采效率以及CO₂封存稳定性的影响。
3. 尽管SC-CO₂具有降低水资源消耗的优点，但其应用在经济性和环境影响方面仍存在挑战，特别是CO₂捕集和运输的高成本。
4. 未来应结合实验、模拟和现场测试，优化SC-CO₂的使用，以实现安全高效的页岩气开采和二氧化碳封存。
5. 主要结果图
6. 参考文献
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟分析水力压裂工程中的两相流动问题
一区TOP期刊《Separation and Purification Tech》—新型非对称双室电化学反应器的设计与性能评估
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟冲击波电渗析过程中的关键参数
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—PBI膜的形态调控及其在锂金属电池中的性能提升
一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal 》—COMSOL模拟煤泥微波加热过程
一区TOP期刊《Energy》—CFD-DEM耦合模拟颗粒高速自旋和热传递的规律
一区TOP期刊《Energy》—ANSYS与COMSOL电磁-热耦合模型对比分析
一区TOP期刊《Computers and Geotechnics》— 三维耦合MPM模拟隧道面在水力-机械作用下的坍塌机制
一区TOP期刊《Energy》— COMSOL模拟考虑沉积压缩效应的天然气水合物降压开采储层物理和力学特性的演变
一区TOP期刊《Energy》— VOF-DEM耦合模拟气-液-固多相流混合过程中的传质
一区TOP期刊《Energy》— CFD-DEM模拟颗粒在页岩孔隙中堵塞问题
一区TOP期刊《Energy》— 高剪切流动的 CFD-DEM 数值模拟方法
一区TOP期刊《Energy》— 超临界 CO2热泵系统扁管气体冷却器结构分析与优化
