二氧化碳压裂，让能源开采更高效绿色丨CellPress对话科学家

 

压裂是一种从非常规储层中开发资源的技术。传统的水力压裂技术，是将混有砂子、发泡剂、杀菌剂和其他化学物质的水注入岩层中，将岩层压裂以释放其中的资源。每次压裂，大约要注入700万~1500万升水，开采结束后其中的30%~50%仍会留在岩层中。高耗水量、环境风险和频繁发生的生产问题，引发了行业专家和环境保护人士对水力压裂技术“副作用”的担忧。

5月30日发表于Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule（《焦耳》）的一篇研究论文中，来自中国科学院和中国石油大学（北京）的科研工作者们指出，相比水，二氧化碳可能是一种更为理想的压裂液。这一发现有助于催生更加生态友好的压裂技术，同时也为二氧化碳封存找到了新途径。

（长按下方二维码阅读全文）

为了在微观层面上研究二氧化碳和水在作为压裂液时的差异，研究团队收集了重庆的页岩露头，并用水和二氧化碳两种压裂液对其进行压裂。他们发现，二氧化碳的表现优于水，形成了更为复杂的裂缝网络，且改造体积显著增大。而同时，二氧化碳压裂的优势还包括大大降低了过程水耗（从而提高了压裂技术在干旱地区的实用性），以及降低储层伤害（水力压裂过程中经常发生水锁等问题）等。

论文图形摘要

就二氧化碳压裂技术的研究过程、应用前景，以及亟待突破的科研瓶颈问题，Cell Press专访了论文通讯作者之一——中国科学院上海高等研究院魏伟研究员团队的孙楠楠副研究员。

作者专访

Cell Press：用二氧化碳压裂替代水力压裂，是一个新思路。最初，是什么启发您所在的团队产生了这一想法？

孙楠楠博士：水力压裂技术是北美页岩气取得巨大成功的重要技术保障之一，但该技术水耗巨大，且会对环境产生不利影响。我国页岩气多分布在缺水干旱地区，环境脆弱，对无水压裂技术的需求较为显著。本文作者所在的中国科学院上海高等研究院魏伟研究员团队一直开展二氧化碳捕获、利用和封存的相关研究，而驱采地下资源是一类重要的二氧化碳利用途径。二氧化碳压裂技术本身已经在北美和我国开展了一些现场实验，但其有效性并不稳定，我们认为这还是因为目前对该过程缺乏机制性认识。因此我们结合自身的研究经验，开展了这项研究工作。

Cell Press：整个研究的过程顺利吗？期间遇到了哪些难题，是如何解决的？

孙楠楠博士：这项研究主要得到了中国科学院先导专项“页岩气勘探开发基础理论与关键技术”的支持。我们联合中科院武汉岩土所、中科院地质与地球物理研究所、中国石油大学（北京）组成项目团队，开展了多尺度的研究工作。在历时近五年的工作中遇到的最大难题是：如何基于实验数据对裂缝形成机制进行量化判定。为解决这一问题，我们在考虑了试样尺寸和数据采集精度的基础上，专门设计和研制了“深部条件模拟-压裂-原位声发射采集”一体化实验平台，并结合地震领域的矩张量分析方法和判据，量化研究了裂缝形成机制，并基于联合团队的优势开展了广泛的数据收集和分析，从而证实了二氧化碳和水作为压裂介质时，裂缝形成的微观机制是不同的，这也造成了两种技术在宏观上缝网和改造体积方面的巨大差异。

Cell Press：从长远看二氧化碳压裂技术的应用前景如何？经济性如何？

孙楠楠博士：应该说二氧化碳压裂技术在一定的场景下有较好的应用前景，例如干旱地区、水敏储层的非常规油气资源开采等，这在中国尤为重要。另一方面，在全球气候变化和强制碳减排的大趋势下，二氧化碳压裂驱采非常规油气资源作为一种二氧化碳的地质利用途径，目前已经受到了产业部门的广泛关注。目前该技术的成本还是高于水力压裂的，这主要是受限于从工业排放源中分离二氧化碳的高成本以及二氧化碳的压缩、输运等。当然，这些也是大多二氧化碳减排技术都面临的瓶颈问题。

Cell Press：您此前在接受Cell Press采访时也曾提到，二氧化碳压裂技术依然存在很多局限性。您认为这些问题未来有望解决吗？

孙楠楠博士：除了刚才提到的二氧化碳来源，我们认为二氧化碳压裂技术还面临两个问题：一方面，对该技术的适用性范围和环境效应的全生命周期评估不足，这需要在区域和行业层面积累一定的数据，并开展客观的评价研究；另一方面，二氧化碳压裂过程的配套技术还不算成熟，例如压裂车等专属装备、低成本绿色压裂液添加剂等。由于该技术具有显著的应用需求，我们相信未来会有不断完善的解决方案不断涌现。

Cell Press：请介绍一下您所在的团队围绕“二氧化碳压裂”这一课题下一步的研究计划。

孙楠楠博士：在后续工作中，我们将重点关注二氧化碳压裂技术的局限性，以便更好地识别技术边界，例如储层类型、地质力学性质和条件、地层的二氧化碳敏感性等对二氧化碳压裂过程的影响规律。另一方面，我们还将积极与生产部门合作，推进技术的现场应用。

通讯作者 孙楠楠 研究员

孙楠楠， 2005年在武汉大学获得学士学位，于2011年在中科院山西煤炭化学研究获得博士学位并留所工作，2012-2014年在英国诺丁汉大学进行博士后研究，自2013年12月起在中国科学院上海高等研究院任副研究员。主要从事二氧化碳捕获、利用、和封存（CCUS）过程中的关键材料和技术研究，参与编写《中国二氧化碳利用技术评估报告》，已在SCI收录的国际刊物上发表论文30余篇。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下能源类旗舰期刊Joule上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Fracturing with Carbon Dioxide: From Microscopic Mechanism to Reservoir Application

论文网址：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30216-8 

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.05.004

推荐阅读

点击“阅读原文”，查看论文原文