北美頁巖油氣開發(fā)理論新進(jìn)展
——干酪根納米孔中甲烷運(yùn)移機(jī)制新模型

美國頁巖油氣開發(fā)的最大挑戰(zhàn)在于采收率實(shí)在太低，頁巖油的采收率僅10%，頁巖氣采收率也不過20%。深入了解油氣在頁巖納米孔中的運(yùn)移機(jī)制從而制定出更合理的壓裂方案成為提高北美頁巖油氣采收率的當(dāng)務(wù)之急。

近期的相關(guān)研究表明，頁巖納米孔隙吸附氣體時(shí)存在兩種現(xiàn)象：一是被吸附在頁巖干酪根納米孔中的甲烷為多層結(jié)構(gòu)，而不是業(yè)界之前普遍認(rèn)為的遵循朗格繆爾吸附曲線的單層結(jié)構(gòu)；二是其內(nèi)存在毛管凝聚機(jī)制，即孔隙毛管力降低吸附物的蒸汽壓力，使其在孔隙內(nèi)壁形成一層液態(tài)膜。學(xué)界對這兩種現(xiàn)象的物理過程都建立了模型，但直接用實(shí)驗(yàn)將之還原卻有難度。

美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室地球和環(huán)境科學(xué)部(Los Alamos National Laboratory’s Earth and Environmental Sciences Division)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)采用小角中子散射儀對馬塞勒斯頁巖樣本中的甲烷運(yùn)移開展了實(shí)驗(yàn)室研究，首次通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了頁巖中納米尺度孔隙變形的存在，并提出了高壓下減壓過程中干酪根納米孔中甲烷的運(yùn)移機(jī)制新模型。根據(jù)這個(gè)模型，干酪根吸附甲烷后導(dǎo)致孔隙基質(zhì)膨脹，對其施加3 000 psi及以下壓力時(shí)，干酪根保持相對機(jī)械彈性，孔隙基質(zhì)發(fā)生可逆形變，壓力下降時(shí)，甲烷可順利從孔喉流出；但當(dāng)施加的壓力高于3 000 psi時(shí)(實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為6 000 psi)，孔隙基質(zhì)發(fā)生不可逆變形，卸壓時(shí)孔喉收縮，甲烷被鎖死在孔隙中。

這個(gè)研究表明，對頁巖施壓強(qiáng)度與天然氣采收率并非正比關(guān)系，加壓雖可開采出頁巖中較大孔隙內(nèi)的天然氣，但對于納米級孔隙中的天然氣，適度的壓力更有利于天然氣的采出；超過一定壓力界線時(shí)，高壓反而導(dǎo)致孔隙基質(zhì)發(fā)生不可逆形變，孔喉閉鎖，大量天然氣無法采出，而這類天然氣約占頁巖納米孔隙體積的90%。該研究結(jié)論對制定更為合理的壓裂方案和施壓策略具有重要的參考意義。

相關(guān)論文2020年11月10日發(fā)表于可公開免費(fèi)訪問的《Nature》旗下雜志《Nature Communications》上：https://www.nature.com/articles/s43247-020-00047-w#code-availability