CO2封存盖层完整性研究：Opalinus Clay水力-力学-化学耦合效应与流动特性分析

本研究针对地质碳封存中盖层密封完整性评估难题，由伊利诺伊大学团队通过实验室尺度实验，系统研究了Opalinus Clay在CO2长期周期性注入（CO2LPIE）背景下的水力-力学-化学耦合行为及多相流特性。研究量化了不同岩相的孔隙黏弹性及传输参数，揭示了时间依赖性压实导致的渗透率指数衰减规律，并证实CO2-富水注入下渗透率相对稳定。该工作为现场尺度盖层完整性评估提供了关键实验室依据，对推进碳捕获、利用与封存（CCUS）技术安全部署具有重要意义。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，减少大气中的二氧化碳（CO₂）浓度已成为当务之急。碳捕获、利用与封存（CCUS）技术作为一种关键解决方案，通过将CO₂注入深部地质构造（如咸水层或枯竭的油气藏）来实现长期封存。然而，确保封存安全的核心挑战在于上覆盖层的密封完整性。盖层，通常是泥岩、页岩等低渗透性岩层，需要有效阻止CO₂向上运移。其中，Opalinus Clay（欧泊泥灰岩）作为一种潜在的盖层岩石，其在水力、力学和化学耦合条件下的长期性能尚需深入研究。特别是在实际的CO₂注入过程中，盖层会经历周期性压力波动、化学流体相互作用以及时间依赖性变形（蠕变）等复杂过程，这些都可能影响其密封能力。为了解决这些问题，并为正在进行的CO₂长期周期性注入实验（CO₂LPIE）提供支持，研究人员开展了一项系统的实验室尺度研究。

为了深入探究Opalinus Clay的密封潜力，研究人员综合运用了多种关键技术方法。研究材料取自瑞士蒙泰奇地下岩石实验室（Mont Terri Underground Rock Laboratory）CO₂LPIE实验现场的Opalinus Clay岩心，包括砂质相和页岩相两种主要岩相。关键技术手段包括：利用水银侵入孔隙度测定法（MIP）和氮气吸附法进行孔隙尺度表征，以获取孔隙度、孔径分布和比表面积；通过静水压缩实验结合应变花测量，量化了岩石的排水体积模量（K）、非夹套体积模量（K_s'）和斯肯普顿B系数（B）等孔隙弹性参数；采用基于无排水孔隙压力积聚的间接方法测定了表征时间依赖性变形的体积粘度（η_?）；利用岩心驱替装置，在稳态条件下测量了单相（水或CO₂-富水）和两相（水与液态CO₂）渗透率，并应用Brooks-Corey模型拟合相对渗透率曲线；此外，还进行了长期（持续数周至数月）流体注入实验，以研究时间依赖性和化学效应，并结合孔隙黏弹性模型和幂律孔隙度-渗透率关系对结果进行了解释。

4.1. 孔隙黏弹性行为和应力依赖性渗透率

通过静水压缩实验，研究人员量化了Opalinus Clay两种岩相的力学性质。页岩相的排水体积模量（K = 2.6 GPa）和非夹套体积模量（K_s' = 8.9 GPa）在测试应力范围内保持恒定，而砂质相的排水体积模量则随平均应力增加呈非线性增长，渐近至3.8 GPa，这表明了微裂缝的闭合过程。砂质相表现出更高的模量值，归因于其石英等强硬矿物含量更高。斯肯普顿B系数随有效平均应力增加呈指数下降。通过监测恒定应力下的无排水孔隙压力积聚，研究人员发现两种岩相的体积粘度（η_? ~ 10¹⁵ Pa?s）对应力状态敏感，但对岩相差异不敏感。渗透率测量显示，两种岩相的渗透率均随有效平均应力（P'）增加呈指数下降（例如，砂质相从7.6×10^?20 m²降至2.4×10^?20 m²），砂质相渗透率比页岩相高5-6倍，但均低于有效盖层的临界阈值（? 10^?18 m²）。通过幂律关系（k/k₀ = (?/?₀)ⁿ）将渗透率与基于孔隙弹性理论估算的孔隙度关联，发现砂质相（n = 17.6）比页岩相（n = 16.6）具有更高的敏感性指数，表明其孔隙结构非均质性强，微小孔隙度变化对渗透率影响极大。

4.2. 水-CO₂相对渗透率

两相流实验旨在评估CO₂突破后的运移行为。结果表明，在排水过程中（水饱和度S_w降低），页岩相的水相相对渗透率下降更陡峭（Brooks-Corey模型中水相指数δ_w = 6.8），而砂质相（δ_w = 3.4）则相对平缓。单相CO₂注入后的端点水饱和度在砂质相（S_w = 0.42）低于页岩相（S_w = 0.52），表明CO₂在砂质相中驱替水更有效，这与其更大的主导孔径和更高连通性有关。值得注意的是，CO₂相相对渗透率对岩相差异不敏感（δ_c值相近），这意味着CO₂的运移行为在不同岩相中可能具有较好的可预测性。

5.1. 周期性CO₂-富水注入

为了模拟CO₂LPIE现场的周期性注入，研究人员对砂质相进行了正弦孔隙压力振荡下的CO₂-富水注入实验。结果表明，流体运移由对流和扩散共同控制，其中对流占主导地位（佩克莱特数P_e ≈ 3.5-4.9）。在达到水力学-化学平衡后，渗透率稳定在约2.6×10^?20 m²，与相同应力条件下水注入测得的渗透率一致。短期（约一个月）的周期性CO₂-富水暴露并未引起渗透率的可测量变化或微观结构退化，渗透率的轻微降低更可能归因于先期水注入实验引起的黏弹性压实。

5.2. 水和CO₂-富水注入下的长期渗透率演化

长期注入实验揭示了时间依赖性压实的关键作用。在28天的水注入过程中，砂质相渗透率呈现指数衰减（从2.9×10^?20 m²降至0.9×10^?20 m²）。结合孔隙黏弹性模型（η_? = 2.8×10¹⁵ Pa?s）和幂律孔隙度-渗透率关系（n = 17.6），可以高度准确地预测这一趋势（R² = 0.96）。相比之下，在长期CO₂-富水注入下，渗透率下降速率明显更慢。通过模型反演，其对应的体积粘度更高（η_? = 7.1×10¹⁵ Pa?s），表明时间依赖性压实减弱。这种现象主要归因于孔隙流体化学变化和随之产生的电化学效应，例如溶解CO₂导致pH值降低，减少了粘土矿物表面的双电层厚度，增强了颗粒间的吸引力，从而稳定了微观结构，而非显著的地球化学反应（因实验时间短、孔隙体积交换有限）。后续的56天水再注入实验表明，渗透率初期因流体化学性质恢复和连续水通道重建而有所上升，但随后仍因黏弹性压实而下降，最终稳定值（1.9×10^?20 m²）未超过暴露前水平，表明没有发生显著的永久性微观结构损伤或渗透性增强。再注入后测得的体积粘度（η_? = 3.2×10¹⁵ Pa?s）和略低的斯肯普顿B系数（0.70 vs 0.73）暗示了CO₂-富水暴露对岩石性质产生了轻微且不可逆的影响。

本研究通过系统的实验室实验，深入揭示了Opalinus Clay作为CO₂地质封存盖层的关键特性。研究表明，尽管存在岩相异质性，砂质相和页岩相Opalinus Clay均具备极低的固有渗透率（~10^?20 m²）和较高的CO₂突破压力（2-4 MPa），满足有效盖层的基本要求。渗透率对应力状态和加载时间高度敏感，其指数衰减规律可通过孔隙黏弹性模型结合幂律孔隙度-渗透率关系有效描述。短期CO₂-富水暴露不会引起显著的渗透率变化或化学降解，显示了其化学稳定性。两相流特性表明，CO₂在砂质相中驱替效率更高，但其相对渗透率对岩相差异不敏感，有利于预测CO₂突破后的运移行为。这些发现为CO₂LPIE现场实验提供了关键的参数化和模型验证基础，强调了在评估盖层长期密封性时，必须综合考虑水力-力学-化学耦合过程、时间效应和岩相非均质性。尽管实验室研究存在尺度、应力条件和流体化学等方面的局限性，但其结果为建立可靠的数值模型、预测场尺度盖层行为以及安全部署大规模CCUS项目提供了不可或缺的科学依据。未来的工作应进一步结合CO₂LPIE的现场监测数据，并考虑各向异性、热效应和更长期的地球化学过程，以不断完善对盖层密封完整性的评估。