页岩CO2地质封存中水-二氧化碳-有机/无机矿物界面相互作用的扩展DLVO理论解析

针对页岩CO2封存中水膜稳定性与润湿性调控难题，研究人员基于扩展DLVO理论，揭示了孔隙几何（裂隙/圆柱孔）、矿物类型（有机/无机）及离子强度对水膜厚度(h)和毛细凝聚的调控机制，发现小孔隙优先充水、SiO2体系疏水性增强等规律，为优化封存效率提供理论支撑。

　　

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。页岩气藏因其低渗透性和高吸附能力，被视为CO₂封存的理想场所。然而，注入的超临界CO₂(scCO₂)与页岩中水、矿物的微观界面相互作用机制尚不明确，直接影响封存效率和长期稳定性。例如，水膜在矿物表面的动态行为如何受孔隙尺寸、矿物亲疏水性调控？scCO₂/CH₄混合体系下界面力如何变化？这些问题亟待理论突破。

中国石油大学（北京）的研究团队在《Journal of Hydrology》发表论文，通过扩展Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（DLVO）理论框架，结合裂隙和圆柱孔模型，系统分析了页岩中固体-水-CO₂三相界面的相互作用。研究首次量化了孔隙几何、矿物类型和离子强度对水膜稳定性的影响，并揭示了scCO₂/CH₄混合体系的吸附特性，为页岩CO₂封存设计提供了微观理论依据。

关键技术方法
研究采用扩展DLVO理论模型，整合范德华力、双电层(EDL)和结构力，建立裂隙和圆柱孔两种几何模型；通过水蒸气吸附(WVA)实验验证理论预测；结合Young-Laplace方程分析润湿性变化；利用分子模拟评估scCO₂/CH₄混合体系的界面吸附特性。

研究结果

1. 水膜厚度与孔隙几何的关系
相对湿度(RH)<0.6时，水膜厚度(h)与孔隙尺寸呈负相关，而RH>0.6时大孔隙更易形成厚水膜，导致小孔隙优先充水。圆柱孔比裂隙更易引发毛细凝聚，有机质裂隙<10 nm时，毛细凝聚需更高临界RH。

2. 矿物类型的影响
无机矿物（如SiO₂）表面水膜受离子强度显著影响，盐度升高增强疏水性；有机质表面因亲和力差异，更利于scCO₂吸附，促进CH₄置换和CO₂封存。

3. scCO₂/CH₄混合体系
CO₂摩尔分数增加会强化有机质界面吸引力，优化页岩气开采与CO₂封存协同效应。

结论与意义
该研究通过扩展DLVO理论，阐明了页岩CO₂封存中水膜动态的微观机制：孔隙几何决定毛细凝聚阈值，矿物类型调控润湿性，离子强度改变界面能。成果为预测封存层位稳定性、优化注入参数提供了理论工具，尤其对混合气体体系的设计具有指导价值。未来需结合页岩非均质性深化模型，推动CCS技术工业化应用。