2025年1月5日，我國(guó)首口超萬(wàn)米科探井——深地塔科1井在地下10910米勝利完鉆，成為亞洲第一、世-界-第-二垂深井。同一年，我國(guó)新增深層煤層氣探明地質(zhì)儲(chǔ)量超4000億立方米。油氣勘探開(kāi)發(fā)全面邁入“深地時(shí)代”，深層、超深層已成為非常規(guī)天然氣增儲(chǔ)上產(chǎn)的主戰(zhàn)場(chǎng)。

在深層煤層氣開(kāi)發(fā)中，超臨界CO?壓裂技術(shù)正成為一條備受關(guān)注的技術(shù)路徑。

超臨界CO?壓裂，到底好在哪？

超臨界CO?壓裂，簡(jiǎn)單說(shuō)就是用處于超臨界狀態(tài)的二氧化碳來(lái)做儲(chǔ)層壓裂。

當(dāng)CO?的溫度超過(guò)31.1℃、壓力超過(guò)7.38MPa時(shí)，就會(huì)進(jìn)入超臨界狀態(tài)——密度接近液體，黏度接近氣體，表面張力近乎為零。這種“既像氣又像液”的特性，讓它可以鉆進(jìn)納米級(jí)的微小孔隙里，用更低的壓力把巖石撐開(kāi)。

跟傳統(tǒng)水力壓裂比，超臨界CO?壓裂的優(yōu)勢(shì)不止一兩個(gè)。2025年發(fā)表于《工程地質(zhì)學(xué)報(bào)》的綜述文章系統(tǒng)總結(jié)了超臨界CO?壓裂相較于水力壓裂的5種優(yōu)勢(shì)：降低巖石強(qiáng)度、保持黏土礦物穩(wěn)定、增加孔隙壓力、相變致裂和產(chǎn)生熱應(yīng)力。

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心的研究團(tuán)隊(duì)以黑龍江雞西盆地城子河組煤巖為對(duì)象，系統(tǒng)揭示了超臨界CO?浸泡對(duì)不同圍壓下煤巖的力學(xué)性質(zhì)劣化機(jī)制。研究成果在雞西盆地深層煤層氣壓裂試驗(yàn)中得到證實(shí)——利用超臨界CO?的化學(xué)物理協(xié)同劣化機(jī)制，成功降低了煤巖破裂壓力6MPa，實(shí)現(xiàn)了煤層氣日穩(wěn)定產(chǎn)量達(dá)1000m3以上。這一成果證實(shí)了超臨界CO?在深層煤層氣體積壓裂增產(chǎn)中的巨大潛力。

置換瓦斯：CO?比甲烷“搶位置”更厲害

超臨界CO?壓裂的另一個(gè)核心價(jià)值是“置換”。

煤層氣（瓦斯）超過(guò)90%以吸附態(tài)存在于煤基質(zhì)的微納米孔隙中。CO?分子對(duì)煤基質(zhì)的吸附能力是甲烷的2到10倍。注入超臨界CO?后，它會(huì)把吸附在煤表面的甲烷分子“擠下來(lái)”——甲烷脫附變成游離氣，自己占據(jù)吸附位點(diǎn)。

發(fā)表于《中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》的研究，采用在線可視化核磁共振技術(shù)開(kāi)展了超臨界CO?驅(qū)替煤層氣物理模擬試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：注入壓力從10MPa增至20MPa時(shí)，甲烷單位吸附量下降了32.6%。溫度升高導(dǎo)致甲烷吸附量降幅達(dá)30%。試驗(yàn)驗(yàn)證了超臨界CO?在深部煤層的優(yōu)先吸附特性。

簡(jiǎn)單說(shuō)：超臨界CO?一邊壓裂造縫、一邊置換采氣，還能把大部分CO?永-久封存在地下。這就是所謂的“壓裂-置換-驅(qū)替”三位一體技術(shù)。

問(wèn)題來(lái)了：效果怎么評(píng)價(jià)？

技術(shù)再好，也得知道效果怎么樣——裂縫有沒(méi)有真正打通？孔隙結(jié)構(gòu)改變了多少？置換效率高不高？

傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法有不少局限。

常規(guī)手段包括微地震監(jiān)測(cè)、施工曲線分析、巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)、掃描電鏡、壓汞法等。微地震和施工曲線只能看“外面”的信號(hào)——地層震動(dòng)、壓力變化——推斷裂縫的大致走向，但看不到孔隙內(nèi)部的真實(shí)變化。巖心驅(qū)替和掃描電鏡能做精細(xì)分析，但樣品破壞、只能看局部、無(wú)法追蹤同一塊樣品的前后變化。

更關(guān)鍵的是，傳統(tǒng)方法大多只能測(cè)“壓前”和“壓后”兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)，中間的過(guò)程是盲區(qū)。對(duì)于深層、超深層儲(chǔ)層，壓裂成本動(dòng)輒數(shù)千萬(wàn)元，一旦效果不佳，調(diào)整空間極其有限。

低場(chǎng)核磁：直接“看”儲(chǔ)層內(nèi)部的變化

低場(chǎng)核磁共振技術(shù)（LF-NMR）的思路完-全不同。它不破壞樣品，能連續(xù)追蹤同一塊巖心在壓裂前、壓裂中、壓裂后的變化。

原理不復(fù)雜。低場(chǎng)核磁檢測(cè)的是煤巖孔隙中流體的氫質(zhì)子信號(hào)。不同大小的孔隙里，氫質(zhì)子的弛豫速度不一樣——小孔隙里流體與孔壁作用強(qiáng)，弛豫快（橫向弛豫時(shí)間T?短）；大孔隙里弛豫慢（T?長(zhǎng)）。通過(guò)測(cè)量T?弛豫時(shí)間譜，就能無(wú)損、定量地“看見(jiàn)”巖樣內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)、流體分布和賦存狀態(tài)。

低場(chǎng)核磁能做什么？三個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用

第一，定量評(píng)價(jià)壓裂對(duì)孔隙的改造效果。

2023年發(fā)表于《Energy》期刊（IF 9.0）的一項(xiàng)研究，利用低場(chǎng)核磁共振技術(shù)對(duì)比分析了真三軸超臨界CO?壓裂前后高階煤樣的孔隙滲透率特征。結(jié)果令人印象深刻：孔隙度增加59.85%，孔容增加60%，孔喉體積增加56%，滲透率增加47.5%。研究還發(fā)現(xiàn)，在相同注入速度和固定溫度下，較高的應(yīng)力差更有利于大孔隙的改造和連通。

這些數(shù)據(jù)說(shuō)明，低場(chǎng)核磁可以精確量化壓裂對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的改造程度——不只是“有沒(méi)有裂縫”，而是“孔隙增了多少、滲透率提了多少”。

第二，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)CO?置換CH?的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

低場(chǎng)核磁有一個(gè)特殊的優(yōu)勢(shì)：甲烷里的氫原子能產(chǎn)生核磁信號(hào)，而二氧化碳不能。利用這個(gè)特性，研究人員可以在驅(qū)替過(guò)程中實(shí)時(shí)觀測(cè)甲烷信號(hào)的減弱，從而判斷CO?的置換進(jìn)度和效果。

2025年發(fā)表于《中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》的研究正是采用在線可視化核磁共振技術(shù)，系統(tǒng)分析了壓力、溫度、注入量、含水飽和度及孔隙特征對(duì)甲烷解吸及置換的影響。這種“邊驅(qū)替邊看”的能力，是傳統(tǒng)方法做不到的。

第三，評(píng)估不同注入方式的增產(chǎn)效果。

有研究利用低場(chǎng)核磁和單軸壓縮測(cè)試，分析了不同超臨界CO?注入方式（循環(huán)注入和連續(xù)注入）對(duì)煤體孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的影響。通過(guò)對(duì)比不同注入方式下T?譜的變化，可以判斷哪種方式對(duì)孔隙改造更有效、對(duì)力學(xué)性能影響更小。

低場(chǎng)核磁的獨(dú)特-價(jià)值

跟傳統(tǒng)方法比，低場(chǎng)核磁有幾個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：

無(wú)損——同一塊巖心可以測(cè)壓前、壓中、壓后，數(shù)據(jù)可比性強(qiáng)。

定量——不是“有沒(méi)有”裂縫的定性判斷，而是孔隙度、孔容、滲透率的具體數(shù)值。

實(shí)時(shí)——可以追蹤置換過(guò)程中甲烷信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化，不是只看起點(diǎn)和終點(diǎn)。

原位——可以模擬儲(chǔ)層溫壓條件進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果更貼近真實(shí)情況。

從1500米的深層到10910米的超深層，深層煤層氣開(kāi)發(fā)的難度是指數(shù)級(jí)上升的。深地塔科1井從地表到萬(wàn)米用時(shí)279天，而從萬(wàn)米到10910米卻耗時(shí)300多天。萬(wàn)米深處最高溫達(dá)220攝氏度，壓力高達(dá)145兆帕。在這種環(huán)境下，超臨界CO?壓裂/置換瓦斯研究，核心問(wèn)題始終是那三個(gè)——“壓沒(méi)壓開(kāi)、換沒(méi)換掉、效果怎么樣”。

低場(chǎng)核磁技術(shù)通過(guò)T?弛豫譜的變化和甲烷信號(hào)的實(shí)時(shí)追蹤，讓這些問(wèn)題有了直觀的答案——不靠猜、不靠等，直接看數(shù)據(jù)。