近井地带CO2流动阻塞机制：淡水刺激对盐析效应的抑制研究

针对CO2注入咸水层时盐析效应导致的近井渗透率下降问题，研究人员通过建立径向储层模型，首次提出临界毛细数(Cacr)概念，揭示毛细驱动回流会放大表皮系数(skin factor)并导致孔隙完全堵塞。研究表明淡水预处理仅能延缓堵塞，而维持超临界注入速率可避免流动阻塞，为CCS（碳捕集与封存）项目井筒优化提供理论依据。

　　

随着全球气候变化加剧，碳捕集与封存(CCS)技术成为缓解温室效应的关键手段。然而在CO₂注入高盐度含水层时，盐析效应引发的近井地带堵塞严重制约注入效率。当干燥的CO₂与地层水接触时，水分蒸发导致盐类结晶沉积，这种被称为"盐析"(salting-out)的现象会显著降低储层渗透率。更复杂的是，毛细压力驱动的逆向水流会加剧盐沉积的局部化，最终可能引发井筒完全堵塞。尽管淡水预处理被提出作为解决方案，但其实际效果与作用机制仍不明确。

俄罗斯科学基金会支持的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表的研究中，通过建立三组分(CO₂-H₂O-NaCl)三相流径向模型，首次量化了毛细压力对盐沉积的影响。研究采用数值模拟方法，结合改进的表皮系数计算模型，系统分析了淡水刺激前后近井地带的流动特性。通过引入无量纲临界毛细数(Ca_cr)，成功区分了两种截然不同的注入工况：当实际毛细数(Ca)大于临界值时，井筒可长期维持注入；反之则会在有限时间内发生完全堵塞。

关键技术包括：1) 建立考虑毛细压力的径向流动数学模型；2) 开发三组分三相流耦合求解算法；3) 通过敏感性分析确定关键参数影响权重；4) 基于无量纲分析提出临界毛细数判据。研究选取典型咸水层参数作为基准案例，系统考察了温度、压力、盐度等因素的影响。

研究结果
临界毛细数的发现：模拟显示表皮系数演化存在明显分界现象，当Ca>Ca_cr时表皮系数增长受限，而Ca<>_cr时会出现指数级增长直至流动中断。通过大量算例拟合，确定基准案例中Ca_cr=2.3×10^-4。

参数敏感性：储层压力升高会提高Ca_cr，而温度增加则降低临界值。盐度每增加50g/L，Ca_cr下降约18%，表明高盐环境更易发生堵塞。相对渗透率曲线端点值的影响最为显著，气相端点渗透率降低20%可使Ca_cr提高35%。

淡水刺激的局限性：预处理虽能推迟堵塞发生时间，但无法改变Ca_cr的临界特性。模拟表明注入1倍井筒体积的淡水仅能获得有限时间（约30天）的改善效果。

工程启示：研究提出"最小安全注入速率"概念，指出任何CCS项目都应确保实际Ca维持在Ca_cr以上。对于典型条件，维持5kg/s的CO₂注入速率可有效避免堵塞风险。

结论与意义
该研究首次揭示了毛细力在CO₂注入过程中的双重作用：既通过逆向流动加剧盐沉积，又可通过维持高注入速率抑制堵塞。提出的临界毛细数为CCS项目提供了明确的工程设计准则，解决了长期以来关于"淡水预处理是否足够"的争议。实践表明，单纯增加淡水注入量并非经济有效的解决方案，而通过调节注入速率控制毛细数才是关键。这些发现对优化碳封存井网布置、降低运营风险具有重要指导价值，为大规模CCS项目实施提供了理论支撑。