超临界CO2对软盖层泥岩声学与力学特性的影响机制及其在碳封存中的意义

本研究针对CO2地质封存中盖层完整性评估难题，通过实验室模拟储层条件（100 bar/66 °C），系统探究了超临界CO2(scCO2)暴露对丹麦北海Vagn组泥岩盖层的声波速度(Vp/Vs)、剪切强度及矿物组成的影响。创新性发现scCO2通过脱水效应使材料强度提升85-130%，而矿物学变化不显著，为碳封存安全评估提供了重要实验依据。

　　

在全球应对气候变化的背景下，碳捕集与封存（CCS）技术被视为实现《巴黎协定》1.5°C目标的关键策略。然而，这项技术的核心挑战在于如何确保封存CO₂的长期安全性——特别是作为天然屏障的盖层岩石能否维持其密封性能。传统观点认为，超临界CO₂(scCO₂)与盖层的化学相互作用可能导致矿物溶解或粘土膨胀，进而削弱岩石力学性能。但真实地下环境中，温度-压力-流体-岩石的多场耦合作用机制仍存在大量认知空白，这直接影响了碳封存项目的风险评估和工程决策。

发表在《International Journal of Greenhouse Gas Control》的这项研究，由丹麦-格陵兰地质调查所的Zeenat Maniar领衔的团队完成。研究人员选取丹麦中央地堑Lille John-2井的上新统Vagn组泥岩盖层为研究对象，这些取自1180米深处的岩芯曾成功封存350米油柱，是评估CO₂封存潜力的理想样本。通过精巧的实验设计，团队在实验室模拟了储层条件（100 bar/66 °C），系统探究了scCO₂暴露对盖层岩石声学、力学和矿物学特性的影响。

研究采用了三项关键技术：1）微CT扫描评估岩芯损伤程度并指导样品筛选；2）连续波和透射法超声波测量技术（CWT/TT）检测P/S波速度变化；3）独创性应用穿刺试验（punch test）测定毫米级样品的剪切强度。为区分不同因素的贡献，设置了scCO₂暴露组（1-17天）、惰性Ar气压力对照组及单纯温度对照组，所有样品均保存在Marcol? 82油中保持原始饱和度。

【矿物学特征】X射线衍射（XRD）分析显示，泥岩主要由石英（27-50%）、云母（20-31%）和黏土矿物（2-13%）组成，碳酸盐含量不足1.3%。经过17天scCO₂暴露后，方解石含量仅在3%范围内波动，其他矿物相也无显著变化，表明短期scCO₂作用未引发可检测的矿物溶解或转化。

【声学响应】超声波测量揭示出令人意外的规律：所有处理组均表现出声波速度增加。scCO₂暴露8天的样品P波速度提升10%，S波速度增幅达10-50%。值得注意的是，快速卸压（1.651 bar/min）的Ar气组比慢速卸压组表现出更显著的声波增速，暗示压力变化速率影响岩石刚度。

【力学性能】穿刺试验数据显示，scCO₂暴露使泥岩剪切强度激增85-130%，而Ar气处理组因样品韧性增强难以测得明确峰值。这种力学强化与声学 stiffening 的同步现象，指向非化学主导的机制。

【讨论与意义】研究团队提出"脱水致密化"假说：干燥scCO₂提取孔隙水导致岩石收缩，闭合微裂缝并增强颗粒接触。这种现象在低渗透性泥岩中通常需要数月才能观察，但通过毫米级样品和快速扩散路径，研究成功在实验室时间尺度捕获了这一过程。这一发现挑战了"CO₂-岩石化学相互作用主导盖层演化"的传统认知，强调物理脱水效应可能先于并掩盖潜在的长期化学变化。

该研究的创新价值体现在三方面：方法学上，建立了一套针对破碎岩芯的小样品快速评估流程；理论上，揭示了scCO₂封存初期盖层可能经历"自强化"而非弱化的新机制；应用上，为北海地区碳封存项目提供了直接的盖层完整性数据。当然，研究者也指出需通过长期实验和现场监测验证这些发现，特别是评估在流动条件下scCO₂-brine混合相的行为差异。

这项来自北欧研究团队的成果，为全球正在规划的碳封存项目提供了关键科学依据——在某些地质条件下，盖层岩石与scCO₂的短期相互作用可能增强而非削弱封闭能力。这一认知转变将直接影响封存场地选择标准和风险模型构建，推动CCS技术向更精准的风险评估方向发展。