使用集成Plackett-Burman和Box-Behnken设计方法快速评估埋藏丘陵地区裂缝凝析油储层中二氧化碳（CO?）及产出气体注入效率

《Geoenergy Science and Engineering》：Rapid Evaluation of CO 2 and Produced Gas Injection Efficiency in Fractured Condensate Reservoirs of Buried Hills Using Integrated Plackett-Burman and Box-Behnken Designs

碳酸盐水注入在超临界CO2条件下可诱发wormhole形成，枯竭储层中残余油饱和度导致wormhole发展延迟且局部化，孔隙体积突破（PVBT）增加，岩石机械强度损失显著。

　　碳化水注入（Carbonated Water Injection, CWI）在超临界二氧化碳（Supercritical CO?, ScCO?）条件下被认为是一种提升二氧化碳封存效率的可行方法。研究者们普遍关注的是，如何在深层盐水层和枯竭的油气藏中实现高效的二氧化碳储存。这些地质构造因其广泛的分布和已验证的封存能力，成为长期储存的首选对象。然而，尽管已有研究揭示了在碳酸盐岩中碳化盐水注入过程中形成的虫洞结构，但对碳化海水在枯竭储层条件下的反应行为仍缺乏深入探讨。

为了解决这一研究空白，本研究选取了四块印第安纳石灰岩岩心样本，其中两块模拟了深层盐水层的条件，另外两块则通过残留油饱和度（Residual Oil Saturation, ROS）的条件来模拟枯竭油气藏的状态。研究过程中，所有岩心样本均在ScCO?条件下（60°C和2000 psi）以1 ml/min的流速进行碳化海水注入实验。实验结果通过压力监测、孔隙度测量、微CT成像以及机械测试（如杨氏模量）进行了综合评估。实验结果显示，在所有样本中均观察到了虫洞结构的形成，但残留油饱和度较高的岩心样本表现出更迟缓且更局部化的虫洞发展现象。同时，残留油饱和度岩心样本的孔隙体积突破（Pore Volume to Breakthrough, PVBT）值略高于未饱和样本，分别为36.9和33.1 PV，而未饱和样本的PVBT值为27.4和30.1 PV。这一现象表明，残留油的存在对虫洞的形成和扩展产生了显著影响。

通过微CT成像技术获取的虫洞体积分数与未饱和样本的孔隙度变化高度吻合，但与残留油饱和度样本的孔隙度变化则存在一定的差异。这表明，使用整体孔隙度来衡量局部溶解效果可能存在局限性。此外，实验还评估了注入后的杨氏模量变化，发现所有样本均出现了杨氏模量的下降，但残留油饱和度样本的模量损失更为明显，分别为27.7%和28.6%，而未饱和样本的模量损失则为20.7%和18.5%。这一结果进一步说明，残留油的存在对碳酸盐岩的机械性能产生了更大的削弱作用，导致岩体结构的稳定性下降。

综上所述，研究结果表明，在ScCO?条件下注入碳化海水可以同时引发碳酸盐岩的化学溶解和结构退化，这种现象不仅影响二氧化碳的注入能力，还可能对储存效率和储层稳定性产生深远影响。因此，深入了解碳化海水在不同储层条件下的反应机制，对于优化二氧化碳封存策略、确保长期封存安全具有重要意义。

二氧化碳封存是应对气候变化的关键策略之一，其核心目标是通过捕捉和储存工业排放的二氧化碳，减少其在大气中的积累，从而缓解全球变暖的进程。这一过程对生态系统的保护、环境可持续性的提升以及全球气候治理框架的完善具有深远影响。当前，二氧化碳封存技术主要分为地质、海洋和陆地三类。其中，地质封存因其较高的储存潜力和相对较高的安全性，成为最受关注的方向之一。地质封存包括多种方式，如枯竭的油气藏、深层盐水层以及不可开采的煤层等。这些储层中，枯竭的油气藏因其长期的封闭性、明确的地质特征以及已验证的储油能力，被认为是极具成本效益和理想的封存场所。

然而，地质封存的有效性和安全性受到多种因素的影响，包括储层的物理和化学特性、注入条件以及封存过程中的流体-岩石相互作用。在这些因素中，储层的结构稳定性尤为重要。二氧化碳注入储层后，其与残留流体和岩石基质之间的化学反应可能改变储层的物理结构，进而影响封存效果。例如，盐水的蒸发可能引发盐类的析出，从而影响二氧化碳的储存效率。此外，二氧化碳的溶解过程可能通过形成虫洞结构改变储层的渗透性，进而影响封存的长期安全性。

为了评估二氧化碳封存过程中可能发生的结构变化，本研究采用了岩心实验的方法。通过模拟不同储层条件，研究者能够观察到二氧化碳注入对岩心样本的影响。实验中，研究团队特别关注了残留油饱和度（ROS）对虫洞形成和储层稳定性的影响。残留油饱和度是指在储层中残留的原油体积占孔隙体积的比例，通常与储层的生产历史和流体动力学条件密切相关。在枯竭储层中，残留油的存在可能改变二氧化碳与岩石之间的反应路径，从而影响虫洞的形成速度和分布范围。

研究发现，残留油饱和度较高的岩心样本在注入碳化海水后，虫洞的形成过程较为迟缓，且主要集中在局部区域。这一现象可能与残留油对流体流动的阻碍作用有关。残留油在孔隙中的分布可能形成局部的流动阻力，从而减缓二氧化碳与岩石的接触和反应。此外，残留油的存在可能改变储层的化学环境，影响二氧化碳的溶解能力和反应速率。这些因素共同作用，使得残留油饱和度样本的虫洞发展呈现出不同于未饱和样本的特征。

在评估储层稳定性方面，研究团队通过测量杨氏模量的变化来分析岩心样本的机械性能。杨氏模量是衡量材料刚度的指标，其变化可以反映岩石结构的退化程度。实验结果显示，所有样本在注入碳化海水后均出现了杨氏模量的下降，但残留油饱和度样本的模量损失更为显著。这一结果表明，残留油的存在可能加剧储层的机械削弱，进而影响封存的长期安全性。因此，在进行二氧化碳封存时，需要综合考虑储层的化学反应和机械性能变化，以确保封存过程的稳定性和有效性。

此外，研究还探讨了碳化海水在不同条件下对储层的影响。例如，盐度和温度的变化可能对虫洞的形成和扩展产生显著影响。较低的盐度和温度条件可能促进二氧化碳的溶解，从而加速虫洞的形成。然而，较高的盐度和温度可能延长流体与岩石的相互作用时间，导致更严重的结构退化。这些发现对于优化二氧化碳封存策略、选择合适的储层条件以及评估封存风险具有重要指导意义。

本研究采用的实际海水和原油样本进一步提高了实验结果的现场代表性。与以往使用模型流体和合成海水的研究相比，实际样本能够更真实地反映复杂流体-岩石相互作用的实际情况。这一方法不仅有助于更准确地评估二氧化碳封存的潜在影响，还为未来的大规模封存项目提供了重要的实验依据。

总体而言，本研究揭示了在ScCO?条件下注入碳化海水对碳酸盐岩储层的化学和机械影响。研究结果表明，残留油的存在可能改变虫洞的形成模式，并对储层的稳定性产生更大的影响。这些发现对于理解二氧化碳封存过程中的结构变化、优化封存技术以及确保封存安全具有重要意义。未来的研究可以进一步探讨不同残留油饱和度条件下虫洞形成的机理，以及如何通过调整注入参数来最小化储层的机械削弱，从而提高二氧化碳封存的效率和安全性。