实验模拟场景

　　“相比水，二氧化碳可能是一种更为理想的压裂液。”这是前不久中国研究团队发表于《焦耳》杂志上的一篇研究论文的观点。

　　该工作在中国科学院战略先导专项“页岩气勘探开发基础理论与关键技术”的支持下，由来自中科院上海高等研究院、中科院武汉岩土力学研究所、中科院地质与地球物理研究所、中国石油大学（北京）的专家学者组成联合研发团队，历经近5年的研究，终于初见曙光。

　　该专项首席科学家、中科院地质与地球物理研究所研究员李晓在接受《中国科学报》采访时表示，该工作对压裂过程的机制进行了较为深入的研究，尤其是从起裂行为和缝网形成角度对比了目前成熟的水力压裂和已经引起广泛关注的二氧化碳压裂，为技术发展提供了一定的理论基础。

　　水力压裂的困境

　　压裂是一种从非常规储层中开发资源的技术。在该过程中，压裂液（通常是混有砂子、发泡剂、杀菌剂和其他化学物质的水）被注入岩层中，将岩层压裂以释放其中的资源。但是，其中约30%~50%的水在开采结束后仍留在岩层中。

　　此外，现有的水力压裂技术水耗极高。美国页岩气开采的相关数据显示，其单井水耗约为1万~3万立方米，这已经成为美国得克萨斯州、北达科他州、堪萨斯州等页岩气产地的潜在重要问题之一。另外，水基压裂液中存在增黏剂、减阻剂、除垢剂、杀菌剂等多种添加剂，在压裂施工结束后，部分压裂液无法返回地面，从而造成地下水的不可逆污染，同时反排水含盐度极高，常常携带地下放射性物种，净化难度高，从而造成严重的二次污染。

　　与之形成鲜明对比的是，已有技术评价显示二氧化碳压裂过程相比水力压裂有望降低水耗达到80%以上，如果进一步考虑该技术的碳封存效应，二氧化碳压裂过程更有望成倍地降低温室气体排放。

　　现实呼唤无水压裂

　　鉴于此，寻求一种更为科学绿色的压裂技术，成为国内外专家研究的热点。

　　“无水压裂可能是规避这些问题的一个潜在解决方案。”该研究团队牵头人、中科院上海高等研究院副院长魏伟告诉《中国科学报》。

　　更为重要的是，我国的现实情况也迫切需求一种无水压裂技术。理由是，我国页岩气多分布在缺水干旱地区，环境脆弱。

　　恰好魏伟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。将二氧化碳同时作为非常规油气资源开采过程中的压裂和驱替介质，具有多重优势。

　　虽然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。“这还是因为目前对该过程缺乏机制性认识。”论文作者之一、中科院上海高研院副研究员孙楠楠表示，二氧化碳压裂的优势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可行性）、降低储层伤害（水力压裂过程中经常发生水锁等问题），以及可以为捕获的二氧化碳提供封存场所。

　　从机制上阐释两种技术差异

　　然而，使用二氧化碳替代水作为常用压裂液的先决条件是其在增产方面更为高效。

　　为了在微观层面上研究作为压裂液的二氧化碳和水之间的差异，研究团队开展了水和二氧化碳两种介质压裂页岩的行为研究。他们发现，二氧化碳的表现优于水，形成了复杂的裂缝网络，且改造体积显著增大。

　　在历时近5年的研究工作中，团队针对裂缝形成机制的量化判定这一关键难点，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。

　　同时，基于联合团队的优势还开展了多尺度的数据收集和分析，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。

　　孙楠楠告诉《中国科学报》：“我们通过实验，量化地证明了二氧化碳比水具有更高的移动性，因此井口的注入压力可以更好地传递到地层的天然孔隙中，这改变了裂缝起裂的机制，形成了更复杂的裂缝网络，从而提高了页岩气的生产效率。”

　　大规模推广有待时日

　　尽管研究人员认为这种压裂技术具有推广性，但将二氧化碳作为现有压裂液的替代品并开展大规模应用，仍受到二氧化碳来源的限制——从排放中捕获二氧化碳的过程成本仍然高昂。

　　“目前，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够成熟，例如压裂车等专属装备、低成本绿色压裂液添加剂等。”孙楠楠表示，“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。”

　　同时，研究团队也注意到，注入地层的二氧化碳黏度非常低，其支撑剂携带能力较弱，而支撑剂有助于页岩气开采过程中保持压裂缝的开放，因此如何提高二氧化碳压裂液的黏度是当前研究人员的研究重点之一，因为现有技术还无法在保持低成本和减少环境足迹的同时做到这一点。

　　接下来，科研人员还将进一步研究二氧化碳压裂技术的局限性，以便更好地了解如何使用它。魏伟表示：“后续工作还需要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。此外，我们还将积极与生产部门合作，推进技术的现场应用。”

　　（原载于《中国科学报》 2019-06-10 第7版 能源化工)