CO2饱和度和油相组分耦合作用下砂岩表面润湿性调控机制及其在提高采收率中的应用

针对CO2驱油过程中储层润湿性调控难题，研究人员通过分子动力学模拟揭示了CO2饱和度、油相组分（正癸烷/沥青质）及离子类型（Na+/Ca2+/Mg2+）对SiO2表面水润湿性的耦合影响机制，发现高CO2饱和度可穿透油膜增强氢键形成，而二价离子显著抑制润湿性，为优化CO2-EOR技术提供理论依据。

　　

在油气田开发领域，CO₂驱油技术因其兼具提高采收率和碳封存的双重效益而备受关注。然而，储层中复杂的流体-岩石相互作用导致润湿性调控成为关键瓶颈——油相组分在岩石表面形成的吸附膜会阻碍驱替流体接触，而地层水的盐度和CO₂溶解度的空间异质性更使得润湿性变化规律难以预测。传统实验手段难以捕捉纳米尺度的动态过程，而现有研究多聚焦单一因素影响，对CO₂-油相-离子多组分耦合作用机制的认识仍存在空白。

中国石油大学（北京）的研究团队通过构建CO₂-盐水-原油分子动力学模型，首次系统阐明了多因素协同作用下的润湿性演变规律。研究发现：在真空条件下，CO₂分子会与H₂O竞争吸附于SiO₂表面，抑制氢键形成；而在油相存在时，CO₂却通过降低油水界面张力促进H₂O穿透油膜直接接触岩石。更具突破性的是，团队揭示了二价离子Ca²⁺/Mg²⁺比Na⁺具有更强的润湿性抑制效应，而Mg²⁺因强水合作用形成特殊"氢键桥梁"结构。这些发现发表于《Fuel》期刊，为靶向选择低盐度、低沥青质储层实施CO₂驱提供了分子级设计准则。

研究采用三大关键技术：1) 基于Material Studio构建(101)晶面SiO₂基底模型；2) 通过LAMMPS模拟不同CO₂饱和度(0.5-5 mol/L)、油相组分(正癸烷/混合油/纯沥青质)和离子浓度(0-1M)体系；3) 采用径向分布函数和密度场分析氢键网络演变。

【分子模型】团队构建的SiO₂(101)晶面模型包含82×89×14 ?³超胞，表面羟基化处理模拟真实砂岩。油相采用正癸烷代表轻质组分，通过引入稠环芳烃模拟沥青质。

【CO₂饱和度影响】真空体系中，CO₂每增加1 mol/L会使H₂O吸附量降低12%，氢键数量减少9%；但在油相存在时，5 mol/L CO₂反而使氢键数量增加23%，证实CO₂通过扰动油水界面促进润湿性反转。

【离子效应】1M CaCl₂使接触角增大15°，而同等浓度MgCl₂仅增大8°，这与Mg²⁺形成[Mg(H₂O)₆]²⁺水合壳层有关。NaCl体系则显示浓度超过0.5M后润湿性变化趋缓。

【机理解释】CO₂在油水界面形成"分子楔"效应，其溶解使界面张力从35 mN/m降至22 mN/m，同时破坏沥青质的π-π堆积结构。二价离子通过静电屏蔽抑制SiO₂表面羟基解离，而Mg²⁺的水合层可作为质子传递媒介。

该研究首次建立多组分耦合作用下的润湿性预测模型，证实CO₂驱在低盐度(<0.3M)、低沥青质(<7%)储层中最具应用潜力。成果对指导CO₂-EOR井网优化和智能调驱剂开发具有重要价值，同时为碳封存过程中润湿性长期演化研究提供新思路。