頁岩氣綠色高效開發中關鍵理論問題的研究

《頁岩氣綠色高效開發中關鍵理論問題的研究》是依託山東大學，由李英擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：頁岩氣綠色高效開發中關鍵理論問題的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李英
• 依託單位：山東大學

中文摘要

頁岩氣作為新一代戰略能源，其勘探開發的重要性毋庸置疑，但頁岩氣圈捕在僅為納米尺度的孔隙中，開採難度大，高效開發需要新的有針對性的理論研究和技術突破。本項目以分子模擬和實驗技術相結合，研究頁岩納米尺度孔隙中甲烷的吸附狀態和分子行為，探索溫度、壓力、孔吼特性以及添加劑對甲烷分子行為和微觀相態的影響，研究儲層條件下甲烷納米氣泡的形成、穩定、聚並以及在納米尺寸孔道和微米寬度裂縫中的運移規律和微觀流體動力學；在以上研究的基礎上，優選表面活性劑和活性聚合物提高甲烷在頁岩孔隙中的解吸附效率並調控流體的流變性質，設計具有支撐、攜岩、造縫多種效能的微細泡沫低密度壓裂液提高頁岩氣開採效率。本項目對緻密頁岩納米孔隙中的微觀相平衡以及微觀流體動力學的研究填補理論空白，理論意義非常重大；採用綠色添加劑構成多效低密度壓裂液提高頁岩氣開採效率並確保對環境無污染，經濟、技術、環境意義均十分重大。

結題摘要

國內外關於頁岩氣藏的研究大都停留在巨觀層面，對於氣體在頁岩納米孔隙中的微觀行為規律的認識較為缺乏，並且由於頁岩組成的複雜性以及頁岩氣開採過程中複雜的作業環境，很難從巨觀或表觀層面從實驗研究中得到準確的理論認識，因此嚴重製約了對頁岩氣開採技術的創新和有效套用。本項目運用分子動力學（molecular dynamics, MD）、巨正則蒙特卡洛（grand canonical Monte Carlo, GCMC）等分子模擬方法，結合密度泛函理論（density functional theory, DFT），深入探究了CH4與CO2氣體在乾酪根、石英、蒙脫石、方解石等典型頁岩組分組成的單一或混合納米孔隙中的微觀狀態及分子行為規律，通過系統考察孔隙結構、尺寸及孔隙表面親疏水性變化等對孔隙中氣體的微觀行為和吸附特性的影響，發現和證實了CO2/CH4競爭吸附的普遍存在性，為提出運用CO2提高頁岩CH4採收率的技術創新路線提供了確鑿的理論依據。通過系統考察CO2對多種頁岩納米孔隙中殘留CH4的驅替效率、微觀機制及影響因素，證實CO2-EGR技術不僅能夠實現頁岩氣的增產，同時還能實現對CO2的埋存，實現經濟效益和環境效益雙贏。 根據已有的認識，壓裂造縫是頁岩氣藏的有效開採方式，其中水力壓裂是目前套用最廣的技術，雖然取得了較好的效果，但帶來水資源浪費、環境污染等諸多問題，且無法很好地套用於水敏性地層。基於項目研究取得的理論認識，本項目提出了採用二氧化碳泡沫壓裂提高頁岩氣採收率的創新技術路線。探究了不同氣體形成的泡沫的穩定機制，深入研究了表面活性劑、聚合物及複合體系的泡沫性能以及加和增效機制，設計出了具有優異穩定性的二氧化碳泡沫體系，探索了納米氣泡的形成、穩定和運移機制，並選取SiO2納米顆粒及陶粒作為支撐劑代表物考察了泡沫體系的攜砂能力。研究表明設計的CO2泡沫體系性能優異，在頁岩氣藏的壓裂增產方面具有良好套用前景，為CO2-EGR技術的套用打下了堅實的基礎。本項目研究充分揭示了二氧化碳強化頁岩氣開採的重要意義和套用前景，此外還探究了採用瀝青、方解石等天然礦物構建納米孔隙捕集煙道氣中CO2的機制和效果，為自煙道氣捕集二氧化碳技術的發展提供一定的理論指導，對本項目採用二氧化碳提高頁岩氣開採技術的套用提供必要的保障，因此也具有重要的意義。