近日，上海交通大学中英国际低碳学院助理教授侯磊在能源领域著名学术期刊《Renewable and Sustainable Energy Reviews》（IF=15.9）上发表了题为“Feasibility and prospects of symbiotic storage of CO₂ and H₂ in shale reservoirs”的研究论文。该文章探讨了在页岩储层中封存CO2耦合H2存储的可行性和前景。通过对国内外现场测试和室内研究结果的跨尺度综合分析，揭示了页岩储层对CO2和H2的可泵注性、密封性和存储机理，讨论了页岩储层“封碳储氢”耦合概念的可行性。

文章摘要

利用地下储层空间封存捕集的CO₂是目前最有效、消纳规模最大的技术手段，与此同时，CO₂也常作为垫底气用于H2的地质存储，通过填充孔隙、提高地层压力，改善H₂的采收率。从这一CO₂和H₂地质共存的场景出发，本文以页岩储层为地质存储的目标选址，在不同的空间和时间尺度上，对页岩CO₂注入的现场试验和实验室研究进行了交叉分析，证明了页岩储层具有适当的可泵注性和安全的密封能力。与常规储层的孔隙系统不同，人工和天然裂缝系统为页岩提供了主要的储集空间，这种存储机制的差异导致评价页岩存储空间时，常规的基于多孔介质的方法不适用，容易高估页岩的存储容量，此外，基于页岩基质纳米孔隙的超低渗透性，本文进一步讨论了页岩中“封碳储氢”耦合技术的可行性以及提高页岩封存潜力的方法。

图文导读

本文整理了中国、北美以及欧洲最具代表性的页岩储层封存CO₂施工案例和运行中的H₂地质存储项目，对比分析了地面CO₂泵注压力、临井压力监测、注入CO₂的返排等数据，综合实验室尺度和模拟时间（数百、千年）尺度下的CO₂与页岩相互作用以及页岩储层H₂的采收率研究成果，通过交叉分析和验证（如图1所示），揭示了人工和天然裂缝系统为页岩储层可注入性和封存潜力提供了主要的地质空间，同时，页岩基质的超低渗透性为CO₂和H₂的存储提供了可靠的密封性。

图1 基于多时、空尺度的现场测试和室内研究交叉分析框架

本研究揭示的页岩裂缝系统封存空间与常规储层（常规油气藏、盐水层等）的多孔介质系统存在机理上的差异。如图2所示，传统的多孔介质存储理论一般将裂缝作为CO₂/H₂的流动通道，将基质中的微米级孔隙作为封存的主要空间，与之不同的是，非常规页岩基质的纳米级孔隙抑制了CO₂/H₂的渗透，在页岩裂缝系统中储存CO₂/H₂比在基质中更加经济可行，因此，裂缝系统成为页岩储层的主要地质存储空间。相应地，目前采用多孔介质封存理论评估出的页岩封存潜力，其实际的可行性可能存在数量级的偏差。

图2（a）常规（裂缝和基质）和（b）非常规（裂缝） 储层中不同CO2储存和渗流机理

研究通过CO₂返排率的对比发现，采用高压泵注的CO₂压裂技术，利用超临界态CO₂的高扩散性、零界面张力等特性，能够进入更小的微裂缝，从而激活更大的存储空间，同时返排率降低~90%，有助于提高单井的碳封存潜力和封存效率。此外，使用CO₂作为H₂储存的垫底气，通过CO₂吸附作用使页岩基质膨胀，压实边缘裂缝，补足亏空的地层压力，从而增强 H₂ 储存的密封性和周期性的采收率，是一项极具潜力的降碳和氢能转型系统工程。

图3 页岩储层“封碳储氢”耦合概念

作者简介

侯磊，上海交通大学中英国际低碳学院助理教授，博士生导师。研究方向包括CO₂地质利用与封存、超临界CO₂多相流、机器学习与工程数据挖掘、深地空间评价与非常规资源开发等。已发表论文30余篇，授权发明专利30余项，先后主持国家自然科学基金面上项目、欧盟H2020国际项目、中石化重点研发项目等，入选欧盟委员会Marie Curie Individual Fellowship和上海市领军人才（海外）计划，任Carbon Neutrality和Rock Mechanics Bulletin期刊青年编委。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.rser.2023.113878