基于核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）技术，对低渗透性砂岩中的双相位移行为及碳储存特性进行研究

《Geoenergy Science and Engineering》：Study on two-phase displacement behavior and carbon storage in low-permeability sandstone based on NMR and MRI

两相位移机理及孔隙结构对深层咸水层CO?封存效率的影响分析，采用排水-吸水联合实验和NMR/MRI可视化技术，揭示了低渗透砂岩中孔隙异质性和尺寸分布对CO?与水相迁移行为的调控机制，阐明了微/中/大孔结构在封存效率与稳定性间的权衡关系。

　　本研究聚焦于深层盐水含水层中二氧化碳（CO?）封存的潜力，以及在自然岩石中两相驱替机制的影响。深层盐水含水层因其独特的地质条件和高封存能力，成为当前全球范围内最具前景的CO?地质封存场地之一。为了实现高效且安全的CO?封存，深入理解两相驱替过程在不同孔隙结构和岩石异质性下的表现，对于优化封存策略和评估封存安全性至关重要。本文通过实验和可视化技术，系统地探讨了驱替模式、驱替效率、封存效率和封存安全之间的内在联系，为CO?地质封存提供了理论支持。

随着全球气候变暖问题的日益严峻，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术正逐渐成为减少温室气体排放的关键手段之一。CCUS技术不仅能够有效降低工业排放的碳足迹，还能够促进可再生能源的发展和碳中和目标的实现。在这一技术体系中，碳地质封存（CGS）占据着核心地位，其主要依赖于将CO?注入地下深层含水层，使其以超临界状态存在并长期稳定。超临界CO?（scCO?）具有独特的物理化学性质，能够在高压力和温度条件下与地下水发生复杂的相互作用，从而实现安全封存。然而，这种封存过程并非完全无风险，其安全性高度依赖于岩石的物理特性、孔隙结构以及驱替机制的稳定性。

本文的研究重点在于低渗透性砂岩核心中的两相驱替过程，通过结合排水和吸水的实验，模拟了CO?注入后的流动行为和后续地下水回流过程。实验过程中，采用了核磁共振（NMR）和磁共振成像（MRI）技术，对驱替过程进行了实时监测和可视化分析。这些非侵入性技术能够准确捕捉CO?和水在岩石孔隙中的分布和迁移特征，为理解封存机制提供了直观的数据支持。研究结果表明，岩石的孔隙结构对两相驱替行为和CO?封存效率具有显著影响。其中，中孔和大孔在驱替过程中表现出更高的效率和更稳定的模式，而微孔则由于CO?和水相之间的驱替难度较大，导致驱替模式不够稳定，但封存效率相对较高。

此外，研究还发现，岩石的渗透性和孔隙尺寸分布是影响驱替模式稳定性的重要因素。具有较高渗透性和较为均匀孔隙尺寸分布的岩石，通常能够实现更稳定的驱替模式。然而，超临界CO?在驱替过程中更容易受到岩石异质性的影响，导致其在吸水阶段的迁移行为不如水相稳定。因此，在封存过程中，超临界CO?的分布和迁移模式可能更加复杂，需要更加细致的分析和调控。同时，研究指出，岩石中大孔的比例虽然有助于提高排水阶段的驱替效率，但可能在吸水阶段导致较低的封存效率。相反，微孔比例较高的岩石则表现出更高的最终封存效率和更好的封存安全性。

在实验过程中，研究团队选取了来自中国鄂尔多斯盆地深层盐水含水层的三组天然砂岩核心样本。这些样本具有不同的孔隙结构和异质性，能够全面反映深层含水层的地质特征。通过进行排水和吸水结合的驱替实验，研究团队观察到CO?在不同孔隙类型中的迁移行为存在显著差异。例如，在排水阶段，CO?倾向于优先占据大孔和中孔区域，而在吸水阶段，部分CO?可能被困在微孔中，形成孤立的残留气相，从而实现长期封存。这种现象被称为毛细管滞留，是CO?封存安全性的重要保障之一。

为了更深入地理解两相驱替行为，研究团队利用NMR和MRI技术对驱替过程进行了可视化分析。这些技术不仅能够提供CO?和水在岩石中的分布信息，还能够揭示驱替过程中发生的微观现象，如驱替前沿的形成、CO?的滞留行为等。通过这些可视化数据，研究团队能够系统地分析不同孔隙结构对驱替模式的影响，并进一步探讨驱替效率与封存效率之间的关系。研究发现，岩石的异质性在驱替过程中起到了关键作用，尤其是在吸水阶段，岩石内部的不均匀性可能导致CO?的迁移路径更加复杂，从而影响封存效果。

从实验结果来看，CO?在不同孔隙结构中的驱替行为存在明显的差异。大孔和中孔由于其较大的尺寸，能够提供更多的流动通道，使得CO?在排水阶段更容易迁移，同时减少了与水相的相互作用，从而提高了驱替效率。然而，这些孔隙在吸水阶段可能无法有效捕获CO?，导致封存效率较低。相比之下，微孔由于其较小的尺寸，使得CO?和水相之间的相互作用更加频繁，从而增加了CO?的滞留可能性。这种滞留行为不仅有助于提高封存效率，还能够增强封存的安全性，因为残留的CO?更容易被毛细管力捕获，难以发生迁移。

值得注意的是，研究还发现，驱替模式的稳定性在很大程度上取决于岩石的渗透性和孔隙分布。在排水阶段，具有较高渗透性和均匀孔隙分布的岩石能够实现更稳定的驱替模式，而异质性较高的岩石则可能导致驱替过程中的不稳定现象，如驱替前沿的突变或CO?的局部滞留。这些现象可能会对封存效果产生负面影响，因此需要通过优化岩石的物理特性来提高封存效率和安全性。此外，研究还表明，scCO?在驱替过程中对岩石异质性的敏感度高于水相，这可能意味着在实际封存过程中，需要更加关注岩石的异质性对CO?迁移的影响。

在实际应用中，深层盐水含水层的封存潜力不仅取决于其孔隙结构和异质性，还受到多种地质和工程因素的影响。例如，含水层的矿物组成、孔隙连通性、地层压力以及注入速率等，都会对CO?的封存效果产生重要影响。因此，在进行CO?封存工程设计时，需要综合考虑这些因素，以确保封存过程的高效性和安全性。同时，研究还指出，通过调控scCO?的粘度，可以有效改善其在岩石中的驱替行为，从而提高封存效率。例如，添加一定比例的增稠剂可以显著降低scCO?的流动阻力，延长驱替前沿的形成时间，减少残留水饱和度，从而提高CO?的封存能力。

综上所述，本研究通过实验和可视化技术，揭示了深层盐水含水层中CO?封存的驱替机制和封存效率之间的关系。研究结果表明，岩石的孔隙结构和异质性对两相驱替行为具有显著影响，其中大孔和中孔在排水阶段表现出更高的驱替效率，而微孔则在吸水阶段更有利于CO?的滞留和封存。此外，研究还发现，scCO?的粘度调控可以有效改善其在岩石中的驱替行为，从而提高封存效率。这些发现不仅有助于理解CO?在深层含水层中的迁移规律，还为优化封存策略和提高封存安全性提供了重要的理论依据。未来的研究可以进一步探讨不同孔隙结构对CO?封存效率的影响机制，以及如何通过工程手段改善岩石的物理特性，以实现更高效和更安全的CO?封存。