超临界二氧化碳作用下水岩的吸附与变形行为

《Energy & Fuels》：Adsorption and Deformation Behavior of Shale under the Action of Supercritical Carbon Dioxide

页岩气吸附特性及变形机制研究。采用称重法对四川盆地长兴组深层页岩开展0-35MPa多温吸附实验，结合氦气吸附实验分析变形特征，发现修正Langmuir模型最佳描述CO2吸附行为，吸附量随温度升高和压力增大而降低，高压下变形趋近零，但压裂裂缝尖端因局部低温低压产生显著变形。

　　

传统的吸附理论在超临界条件下失效，尤其是在描述超临界二氧化碳（CO₂）压裂过程中的CO₂吸附行为时。对四川盆地龙马溪组（Longmaxi Formation）页岩的研究发现，不同实验条件下的吸附模型存在差异，同时关于吸附变形的研究也较为有限。因此，本研究采用重量法，利用龙马溪组深部页岩的岩样在不同温度下进行吸附实验。通过空白实验和浮力校正，确定了样品容器的体积和质量以及样品的真实体积。随后，在0–35 MPa的压力范围内对CO₂的吸附行为进行了测量。记录了平衡后的压力、温度和重量变化，以得出CO₂吸附等温线。实验数据通过多种吸附模型进行拟合和分析，最终建立了一个适用于该地区的吸附模型。其中，改进后的朗缪尔（Langmuir）模型在描述目标区域的CO₂吸附行为方面表现出更高的准确性。同时，还使用微重力方法在等温和等压条件下对目标页岩样品进行了氦气吸附实验。通过将这些吸附实验中的重量变化数据转换为体积变化，确定了二氧化碳在页岩中的吸附引起的变形。结果表明，吸附量随温度降低而减少，在高温（120°C）和高压（35 MPa）条件下接近零。当压力低于10 MPa时，吸附变形随温度升高而增加；而在较高压力下，吸附变形受到温度和压力的共同影响。当压力升至35 MPa时，高温下的吸附变形几乎为零。尽管在高温高压条件下吸附变形可以忽略不计，但在CO₂压裂过程中，裂缝尖端由于形成局部低温低压区域，吸附变形变得显著。这些发现增强了我们对页岩吸附特性的理解，揭示了超临界CO₂的吸附行为和变形规律，有助于未来的气体开采和储存项目。