在国家“双碳”目标的战略背景下，碳封存成为国家应对气候治理的重大战略需求，而作为重要能源支柱之一的油气行业也亟需完成向低碳绿色开发转型的任务，二氧化碳捕获、利用与封存技术（Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS）正是将CO2直接加以利用或注入地层以实现CO2减排的工业过程。由于CO2不但具有常规气体的扩散性，还具有较强的溶解性、萃取性以及较低的临界点，因此，当CO2与原油接触后容易发生混溶，使得原油体积膨胀，萃取轻烃，降低黏度，改变润湿性及界面张力，增强原油的流动性，从而达到提高油藏采收率的目的，同时成CO2的地质封存。研究结果表明，油田是碳利用与碳封存的最佳场所，近40年内全球约有10亿吨CO2通过CCUS技术注入到油藏地层中，而中国大约有150亿吨的石油地质储量适合CO2的驱油与封存，驱油封存潜力巨大。另外，随着油气勘探开发的不断深入，常规油气资源越来越少，以煤层气、页岩油气、致密砂岩油气为主的非常规油气逐渐成为油气勘探开发的主战场，而其特殊的基质/裂缝双重孔隙介质模型，对CO2驱油机理与封存机制的影响不同。因此，亟需解决非常规油气储层CO2有效利用和高效封存的基础地质问题，引领碳中和在油气领域中的先导作用。
近日，地星学院谭锋奇团队以中国新疆准噶尔盆地东部的吉木萨尔凹陷芦草沟组陆相页岩为研究对象，利用真实岩心构建了基质/裂缝双重介质模型，采用CT扫描技术可视化地对比分析了裂缝/基质双重介质与单一基质介质两种渗流体系对微观孔喉原油动用规律的影响，并明确了空气和CO2两种驱替介质对提高页岩油藏采收率的差异性。整个驱油过程可以划分为三个阶段：①油多气少阶段。该阶段对应的孔隙体积倍数为0 PV-0.4PV，纯油带未被突破，出口端产油量较多，产气量较少，气油比较低，注入压差和原油采收率均以较小幅度上升，驱油效果一般。②油气共采阶段。该阶段对应的孔隙体积倍数为0.4PV-0.6PV，出口端的产油量和产气量均有所增加，注入压差和原油采收率快速升高，驱油效果最佳。③气多油少阶段。该阶段注入的孔隙体积倍数大于0.6PV，页岩微观孔隙渗流体系中已形成气驱突破，气体沿着优势渗流通道突进，产气量迅速增加，采收率提高幅度则变化不大。对于空气和CO2两种驱替介质，页岩孔喉原油的动用特征都遵循先裂缝后基质的规律，但是由于本身特殊的物理化学性质，当CO2驱先采出裂缝中的原油后，基质中赋存的原油又可以在CO2的溶解、萃取等作用下运移至裂缝，提高基质孔隙中原油的采收率，整体上驱油效果好于空气驱，最终采收率比空气驱提高5.42%。另外，裂缝的发育可以增加原油的渗流性，在前期的驱油过程中可以大幅度提高原油采收率，但随着注入气体量增多，其影响逐渐减小，最终与无裂缝页岩的采收率基本一致，达到同效开发的结果。
该项研究成果于2023年5月以“Study on the difference in CO2 and air injection in the fracture matrix dual medium of continental shale reservoirs”为题发表在美国化学学会期刊ACS Omega上。论文第一完成单位为中国科学院大学地球与行星科学学院，国科大地星学院马春苗硕士生为论文第一作者，谭锋奇副教授为通讯作者，该研究获得国家自然科学基金（41902141）、中央高校基本科研基金（E1E40403）、中石油科技创新基金（2018D-5007-0103）的联合资助。
论文链接：http://doi.org/10.1021/acsomega.3c02216
(a)页岩基质/裂缝样品制备；(b)驱油过程中CT可视化扫描；(c) CO2气体在页岩中的驱油机制与渗流模式
图1. CO2气体在陆相页岩油基质/裂缝双重介质中的驱油机制
