美國頁巖油氣開發(fā)的最大挑戰(zhàn)在于采收率實在太低，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移機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務之急。

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

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室地球和環(huán)境科學部(Los Alamos National Laboratory’s Earth and Environmental Sciences Division)的一個研究團隊采用小角中子散射儀對馬塞勒斯頁巖樣本中的甲烷運移開展了實驗室研究，首次通過實驗證實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移機制新模型。根據(jù)這個模型，干酪根吸附甲烷后導致孔隙基質膨脹，對其施加3 000 psi及以下壓力時，干酪根保持相對機械彈性，孔隙基質發(fā)生可逆形變，壓力下降時，甲烷可順利從孔喉流出；但當施加的壓力高于3 000 psi時(實驗設計為6 000 psi)，孔隙基質發(fā)生不可逆變形，卸壓時孔喉收縮，甲烷被鎖死在孔隙中。

這個研究表明，對頁巖施壓強度與天然氣采收率并非正比關系，加壓雖可開采出頁巖中較大孔隙內的天然氣，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，高壓反而導致孔隙基質發(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。

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