孔隙尺度下CO2封存驱替动力学：盐度与润湿性对咸水层封存效率的影响机制

【编辑推荐】为解决CO2地质封存中孔隙尺度驱替效率的优化难题，印度理工学院马德拉斯分校团队通过微流控实验和VOF（Volume of Fluid）模拟，揭示了高盐度卤水与低润湿性条件下CO2相饱和度提升但界面接触减少的矛盾效应，提出界面张力从73.5 mN/m降至31.5 mN/m可使接触长度倍增，为咸水层选址和注入策略设计提供了关键理论依据。

　　

全球气候变暖已成为人类面临的重大挑战，而二氧化碳（CO₂）作为最主要的温室气体，其年排放量高达37.79吉吨。地下咸水层因其巨大的存储潜力和广泛分布性，被视为规模化封存CO₂的理想场所。然而，孔隙尺度下CO₂-卤水两相流的复杂相互作用，尤其是盐度、润湿性和界面张力（IFT）对封存效率的影响机制尚未明确，这直接关系到封存安全性和长期稳定性。

印度理工学院马德拉斯分校的Sangwai Jitendra和Rajat Dehury团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表的研究，通过创新性结合微流控实验与计算流体动力学（CFD）模拟，首次系统揭示了孔隙尺度驱替动力学与多因素耦合作用规律。研究采用真实海水（30 ppt盐度）制备卤水，在高温高压（最高343 K、25 MPa）条件下模拟咸水层环境，利用体积流体法（VOF）捕捉两相界面演化过程，为优化封存策略提供了微观尺度理论支撑。

关键技术方法包括：1）基于真实孔隙结构的微流控芯片设计；2）高压高温条件下CO₂驱替实验；3）VOF多相流模拟；4）图像分析量化相饱和度和界面接触长度。

【微流体实验设置与程序】
研究团队从印度钦奈海岸采集海水，通过双级过滤制备实验用卤水。微流控芯片采用玻璃基底蚀刻技术构建复杂孔隙网络，模拟实际储层非均质性。在15-25 MPa压力范围和323-343 K温度条件下，观测CO₂突破时间、相分布等参数，发现高盐度（>30 ppt）使突破时间延长17%，但独立CO₂相数量减少40%。

【结果与讨论】

1. 盐度效应：盐度升高导致CO₂相饱和度瞬态增加，但降低归一化界面接触长度（减少28%），这源于电解质溶液对界面张力的调控作用。
2. 润湿性影响：水湿条件（接触角<90°）下CO₂相连通性降低，促进毛细管捕集，而CO₂湿条件更易形成连续气相通道，增加泄漏风险。
3. 界面张力关键作用：IFT从73.5 mN/m降至31.5 mN/m时，界面接触长度近乎翻倍，显著增强溶解捕集（solubility trapping）和矿物反应活性。

【结论】
该研究证实储层流体性质（盐度、IFT）与岩石表面特性（润湿性）共同控制CO₂封存效率。高盐度虽延缓突破时间但不利于长期稳定性，而适度降低IFT可平衡存储量与安全性。这一发现为咸水层筛选标准提供了量化指标：优先选择中等盐度（20-25 ppt）、强水湿性（接触角<60°）且具备低IFT（<40 mN/m）的储层。研究建立的孔隙尺度预测模型，为从微观机制到场地尺度（field-scale）的预测搭建了重要桥梁。

这项工作的创新性在于首次将微流控可视化技术与VOF模拟相结合，揭示了传统岩心驱替实验无法捕捉的瞬态界面演化规律。其成果不仅适用于CO₂封存，对氢气地下存储、非常规油气开发等涉及多相孔隙流动的领域均有重要借鉴意义。