综述：沉积岩中CO2封存的毛细管钉扎机制：术语、机理与研究前沿

这篇综述系统阐述了CO2地质封存中的第五种关键机制——毛细管钉扎（capillary pinning），即当上升CO2压力低于上覆孔隙喉道毛细管进入压力时，CO2在毛细管屏障处的固定化现象。文章梳理了该机制与结构封存、溶解封存等传统方式的差异，指出术语混乱（如与滞后效应trapping混淆）和储层模型低估现状，强调通过表征小尺度地质非均质性（如交叉层理）可提升封存安全性（CCS）和容量评估准确性。

　　

毛细管钉扎：CO₂封存中被忽视的关键机制

背景
碳捕集与封存（CCS）是实现气候目标的核心技术，但当前年封存量需提升百倍才能满足205年前每年千兆吨级CO₂移除需求。传统封存机制包括结构封存（依赖盖层）、溶解封存（CO₂溶于地层水）等，但毛细管钉扎作为第五种机制长期被低估。当CO₂的浮升压力低于上覆岩石孔隙喉道的毛细管进入压力（P_C）时，CO₂会被"钉"在毛细管屏障下方，形成局部高饱和度聚集。

毛细管作用与两种捕集类型
毛细管压力（P_C）由Young-Laplace方程定义，与界面张力（γ）、润湿角（θ）和喉道直径（d）相关。CO₂捕集分为两种：

1. 断裂捕集（snap-off）：CO₂被盐水重新侵入孔隙时断裂成孤立气泡，形成残余饱和度。
2. 毛细管钉扎：CO₂以连续相态被固定，饱和度可达残余饱和度的2-5倍。实验证明，交叉层理等毫米级非均质性即可引发显著钉扎效应，在缺乏传统盖层的海相沉积中尤为重要。

实验验证与术语争议
Krevor等通过岩心驱替实验发现，毛细管钉扎可使CO₂饱和度突破残余极限。但术语混乱导致研究难以整合——"局部毛细管捕集"等12种命名被使用（见表2），部分研究错误将其归入残余捕集范畴。值得注意的是，毛细管钉扎与结构封存存在本质差异：前者依赖毛细管力平衡，后者需要连续盖层；前者作用于储层单元内部，后者作用于储层-盖层界面。

非均质性表征挑战
沉积岩的非均质性从微观（矿物润湿性差异）到宏观（地层倾角）尺度均影响钉扎效应。例如：

• 地层倾角：5°倾角即可使CO₂沿地层走向侧向迁移而非垂向突破。
• 交叉层理：前积纹层与上覆纹层的P_C差异可捕获69%的CO₂，其各向异性比绝对渗透率更关键。

建模瓶颈与解决方案
传统REV（代表单元体）方法难以捕捉毛细管异质性效应。动态升尺度技术通过耦合精细模拟与地质标准算法（Geologic Criteria Algorithm）改进预测：

1. 识别P_C超过阈值的网格作为屏障；
2. 定位被屏障包围的非屏障区域即为钉扎发生区。

未来方向
需重点研究矿物润湿性时空演变、亚地震级非均质性量化方法，以及CO₂-盐水-矿物三相界面行为的分子模拟。这些突破将优化封存场地选择，减少当前3%-100%的钉扎量评估误差，为CCS规模化提供科学基础。