當“無形之力”遇見“微觀之眼”：超臨界二氧化碳壓裂如何革新油氣開采？

在能源需求持續增長與“雙碳”目標雙重驅動的今天，如何高效、清潔地開采深藏于地下巖層中的油氣資源，已成為全-球能源行業的焦點。一種名為 超臨界二氧化碳壓裂 的技術，正以其顛-覆性的潛力，引-領著一場油氣增產技術的綠色革命。而揭示其奧秘、評價其效果的關鍵“微觀之眼”，則是低場核磁共振技術。本文將深入淺出地解析這場技術聯姻背后的科學原理與巨大價值。

背景：為什么需要超臨界二氧化碳壓裂？

隨著易開采的常規油氣資源日益枯竭，頁巖油、致密氣等非常規油氣資源成為接替主力。然而，這些資源儲存在如同“磨刀石”般致密、低滲透的巖石中，必須通過水力壓裂等技術，人工制造裂縫網絡，才能讓油氣“流”出來。

傳統的壓裂技術主要依賴大量水和砂子（支撐劑）的混合物。但這種方式存在顯著痛點，尤其在缺水地區、環境敏感區以及深層/超深層油氣藏中。于是，科學家將目光投向了超臨界二氧化碳。

超臨界二氧化碳是當溫度和壓力超過其臨界點（31.1°C， 7.38 MPa）時，形成的一種獨特流體。它兼具氣體的高擴散性、低粘度和液體的高密度特性。將其用于壓裂，不僅旨在解決傳統方式的弊端，更帶來了獨特的提高采收率機理。

傳統水力壓裂的缺點與挑戰

巨大的水資源消耗與污染風險：一次大規模水力壓裂需消耗數萬噸水，在干旱地區矛盾突出。同時，返排的壓裂液可能含有化學添加劑和地層有害物質，處理不當會污染地下水和地表環境。

地層傷害嚴重：水相流體進入儲層，可能與黏土礦物發生水化膨脹，堵塞微細孔道；產生水鎖效應，阻礙油氣流動。這對于本就孔喉細小的非常規儲層傷害尤為致命。

能量效率與適用范圍局限：水的粘度較高，在造縫和攜砂過程中摩阻大，對泵送設備要求高。在深層高溫高壓條件下，其性能表現也面臨挑戰。

碳排放問題：整個壓裂、返排、處理流程間接產生可觀碳排放。

超臨界二氧化碳壓裂：機理與優勢

超臨界二氧化碳壓裂，正是為了克服上述缺點而生，其提高采收率的機理多元而高效：

高效造縫與攜砂：超臨界CO?粘度極低（接近氣體），能高效穿透巖石微小孔隙，在儲層中形成更復雜、更廣泛的裂縫網絡。同時，其低粘度特性對支撐劑的攜帶能力是一大挑戰，但也激勵了新型壓裂工藝（如增稠、泡沫化）的發展。

零水相傷害：從根本上消除了水敏、水鎖傷害，特別適用于水敏性強的儲層，保護了儲層的原始滲透能力。

強效置換與萃取：超臨界CO?對原油中的輕質組分有極-強的溶解和萃取能力，能顯著降低原油粘度，使其流動性大幅提升。同時，它能有效置換吸附在巖壁上的甲烷，提高氣體采收率。

碳封存潛力：壓裂注入的大量CO?可被封存在地下油氣藏或不可采煤層中，實現地質封存，兼具了“負碳”環保效益。

降低地層壓力：相比水，CO?的壓縮性更強，有助于更安全地管理地層壓力。

效果評價的“微觀之眼”：低場核磁共振技術

技術雖好，如何精準評價其效果？裂縫形態是否理想？油氣究竟從哪些孔喉中被驅替出來？這需要一雙能“看透”巖石內部流體分布的“眼睛”。低場核磁共振技術正是這樣一把利器。

基本原理：
核磁共振技術利用原子核（如油氣水中的氫核）在磁場中的特性進行探測。在恒定磁場中，氫核會發生能級分裂，吸收特定頻率的射頻能量后發生共振，當射頻脈沖撤去后，氫核會釋放能量并恢復到初始狀態，這個過程稱為“弛豫”。巖石孔隙中流體的弛豫時間（T1， T2）與其所處的孔隙大小、流體性質緊密相關。

T2譜（橫向弛豫時間分布）：是低場核磁在巖心分析中最核心的應用。T2值與孔隙半徑成正比。

通過測量巖心樣品中流體的T2譜，可以無損、定量地獲得：

孔隙度信息：譜曲線下面積對應總流體量，即有效孔隙度。

孔徑分布：T2值大小直接反映孔隙大小，譜形展示出從微孔到大孔的完整分布。

流體識別與飽和度：結合不同流體（油、水、氣）在巖石中的弛豫特性差異，可以區分并計算它們的相對含量。

在評價超臨界CO?壓裂效果中的獨特優勢：

全過程動態可視化：可以對同一塊巖心，在壓裂前、壓裂中、驅替后進行多次重復掃描，直觀呈現CO?如何進入不同大小的孔隙、如何驅替原油、裂縫形成前后孔隙流體分布的動態變化過程。這是傳統依靠最終采收率數據所無法提供的微觀視角。

揭示微觀動用機理：通過分析驅替前后T2譜的變化，可以明確回答：超臨界CO?主要驅替了哪一部分孔徑的原油？（是大孔道還是中小孔道？）不同注入壓力下的驅替效率有何不同？這為優化壓裂和注入參數提供了直接依據。

定量評價裂縫網絡與改造效果：壓裂產生的微裂縫在T2譜上會表現為弛豫時間極長的特征信號。通過分析該信號，可以評估裂縫的發育程度及其對孔隙連通性的改善作用。

無損、快速、精準：無需破壞巖心樣品，測試后樣品可繼續用于其他實驗，數據重復性好，精度高。

應用案例：核磁法表征超臨界二氧化碳在致密礫巖中的流動行為特征

超臨界二氧化碳壓裂與低場核磁共振評價技術的結合，代表了非常規油氣開發向高效、清潔、智能化邁進的重要方向。前者如同一位巧奪天工的“地下工程師”，以無形的超臨界流體高效改造儲層；后者則如同一位明察秋毫的“地下偵-探”，用無損的微觀成像技術揭示改造的每一個細節。

這一“機理研究”與“效果評價”的閉環，不僅深化了我們對超臨界CO?與巖石-流體復雜作用的認識，更將推動該技術從實驗室走向更廣闊的現場應用，為保障國家能源安全、踐行綠色低碳發展提供強有力的科技支撐。未來，隨著技術的不斷成熟和成本的進一步降低，這場由超臨界CO?引-領的“黑色黃金”綠色開采革命，前景可期。