地质CO2封存条件下石灰岩中溶蚀孔道形成的3D达西尺度反应输运模拟研究

针对地质CO2封存中碳酸盐岩溶蚀机制不清的问题，研究人员通过实验室实验与3D达西尺度反应输运模型结合，揭示了孔隙异质性与酸类型对溶蚀孔道（wormhole）形成的关键控制作用，提出孔隙度-渗透率关系的指数差异（ngrid=3~15）是预测不同酸体系下溶蚀模式的核心参数，为场地尺度模拟提供了理论依据。

　　

地质CO₂封存是应对气候变化的关键技术，但碳酸盐岩与酸性流体相互作用会导致孔隙结构与渗透率显著改变，进而影响封存效能。目前，小尺度异质性如何控制溶蚀模式、不同酸体系下的反应机制差异等问题尚不明确。针对这些挑战，A. Vafaie团队在《International Journal of Greenhouse Gas Control》发表研究，通过创新性结合实验室实验与数字岩石建模，揭示了孔隙异质性与酸类型的协同作用机制。

研究采用Pont du Gard石灰岩岩心，分别注入CO₂饱和水（pH=3.13）和HCl溶液（pH≈3.13/2.66），利用X射线微CT（μCT）构建孔隙度-渗透率场，并耦合CrunchFlow反应输运代码建立3D达西尺度模型。关键技术包括：1）高分辨率μCT（20-21μm）获取孔隙结构；2）基于图像处理的非均质渗透率场构建；3）变指数（n_grid=3~27.6）孔隙度-渗透率关系验证；4）ICP-AES（电感耦合等离子体原子发射光谱）监测流出液Ca²⁺浓度。

实验结果与模拟验证

1. 1.

   CO₂-水体系形成溶蚀孔道：28天实验后岩心孔隙度增加9.7%，μCT显示入口5mm区域孔隙度提升57.5%，形成锥形溶蚀孔道（wormhole）。模型需n_grid=15才能重现孔道形态，核心渗透率提升3个数量级，符合实测数据（5.5×10^–11 m²）。

2. 2.

   HCl体系呈现面状溶蚀：低溶解量（Δ?≈1%）与出口pH快速中和（pH≈7）表明强酸导致入口集中溶蚀。经典Kozeny-Carman关系（n_grid=3）即可准确模拟该模式。

机制解析

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  孔隙异质性主导初始反应定位：μCT渗透率场显示高渗区域优先发生溶蚀，与模拟中96小时内反应定位一致。

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  酸类型调控长期演化：CO₂作为弱酸通过pH缓冲（H₂CO₃?HCO₃^-）维持反应前沿推进，而HCl完全解离导致入口快速中和，阻断深部溶蚀。

理论与应用价值

1. 1.

   尺度依赖性参数化：网格尺度n_grid=15对应岩心尺度n_core=27.6，揭示孔隙度-渗透率关系的强尺度效应。

2. 2.

   场地模拟新范式：数字岩石与反应输运的耦合框架为预测封存场地长期行为提供工具，如SACROC油田50%注入性提升的机理解释。

该研究首次系统量化了酸类型与孔隙异质性对碳酸盐岩溶蚀的协同控制，为地质封存风险评估与酸压裂优化奠定了理论基础。未来可通过中试实验（如地下实验室）进一步验证跨尺度模型的适用性。