将刺激技术与二氧化碳储存结合应用于天然气水合物储层：二氧化碳泡沫压裂及水合物自密封过程的可视化研究

《Journal of Cleaner Production》：Integrating stimulation and CO2 storage in natural gas hydrate reservoirs: visualization of CO2-foam fracturing and hydrate self-sealing

　　

Kunlin Ma|Jingsheng Lu|Zhibin Sha|Dongliang Li|Decai Lin|Xiaoya Zang|Deqing Liang

摘要

天然气水合物储层（NGHRs）长期以来一直面临生产瓶颈，原因是其渗透率低且胶结作用较弱；而传统的水力压裂技术则受到严重漏失和粘性耗散的限制。本研究利用可视化蓝宝石反应器首次实现了对NGHRs中CO₂泡沫压裂过程的原位观测，记录了裂缝的起始、扩展和闭合过程。我们阐明了在耦合的水热地质力学条件下，控制漏失和促进裂缝形成的机制。这一过程受到瞬态超压、Jamin效应以及裂缝附近CO₂水合物自密封作用的协同影响，这些因素共同抑制了漏失并提高了裂缝形成效率。裂缝响应显著依赖于含水合物沉积物（HBS）的类型：细粒沉积物（粉砂和粘土质粉砂）形成的裂缝更大且更稳定，而中粒砂沉积物形成的裂缝则不然。在2 MPa的垂直应力下，粘土质粉砂中的裂缝长度是中粒砂的2.74倍，是粉砂的1.70倍；相应的裂缝面积也分别大了8.60倍和1.84倍。较高的水合物饱和度提高了压裂效果，使裂缝形态从单一的水平裂缝转变为具有垂直分支的T形结构。较低的垂直应力有利于形成垂直连通的网络，而较高的垂直应力则使水平裂缝更加稳定。在操作参数中，较高的初始压裂压力和优化的液体体积分数有助于扩大裂缝形态。总体而言，CO₂泡沫压裂技术通过结合机械刺激和水合物介导的漏失控制，为天然气水合物的开采及碳捕获与封存（CCUS）提供了一条新途径。