利用相对渗透率数据评估CO?-水体系中的岩石润湿性：对咸水层地质CO?封存的影响

《Geoenergy Science and Engineering》：Evaluating Rock Wettability in CO 2-Water Systems Using Relative Permeability Data: Implications for Geologic CO 2 Sequestration in Saline Aquifers

本文提出两种基于相对渗透率数据的新方法，用于量化二氧化碳-盐水系统中岩石的润湿性。实验涵盖砂岩、碳酸盐岩和页岩，结果显示与接触角测量一致。指出传统水油系统代理方法可能不准确，新方法在成本效益和适用性上具有优势，并扩展至其他两相系统。

　　在碳捕集与封存（CCS）技术中，深层盐水层被视为一种具有巨大潜力的CO?储存场所。这一技术通过从排放源（如燃煤电厂、水泥工厂和炼油厂）或直接从空气中捕获CO?，将其运输并注入到深层盐水层中，以实现长期的CO?封存。一旦CO?被注入到盐水层中，它可能以多种方式被固定，包括作为移动流体存在于不可渗透的盖层之下、溶解在盐水中、通过毛细管力被封存在孔隙中，或者通过地球化学反应转化为稳定的矿物。在这一过程中，储层岩石的润湿性扮演着至关重要的角色。

润湿性是指岩石表面在存在多种流体的情况下，优先吸引某一特定流体（如盐水）的能力。它对流体流动、溶质传输、热传导以及电导率等多个方面产生影响。特别是在多相流系统中，润湿性显著地决定了流体在孔隙网络中的分布情况，从而影响残余饱和度、毛细管压力和相对渗透率等关键参数。润湿性受多种因素影响，包括流体的组成、盐水的离子强度、杂质、压力、温度、表面电荷以及污染等。

在CCS技术中，润湿性作为一种孔隙尺度的现象，对整个封存过程具有深远的影响。它不仅影响CO?的捕获机制、迁移速率以及其在储层中的空间分布，还决定了盖层能否提供可靠的密封，防止CO?逸出，从而降低毛细管突破的风险。此外，润湿性还影响注入性能，通过影响注入点附近的干涸和盐分沉淀，进而影响CO?的注入效率和长期封存的安全性。

因此，准确理解和量化CO?-盐水系统中的润湿性对于多个方面至关重要。首先，它有助于分析地下CO?和盐水的驱替过程，这对于识别安全的CO?储存地点和评估其储存容量具有重要意义。其次，了解润湿性可以增强CO?储存的安全性，通过改变润湿性来提高储存效率。这种方法可以缓解注入效率下降的问题，增强更安全的捕获机制，如毛细管捕获，并强化盖层的毛细管密封性能。第三，润湿性的知识有助于构建小尺度的孔隙网络模型，从而分析CO?-盐水在孔隙尺度上的驱替机制。第四，它还可以用于对实验数据进行质量检查，例如毛细管压力和相对渗透率的测量。最后，润湿性信息对于基于现场和实验数据获得模拟模型参数至关重要，这是研究注入CO?长期行为所必需的。

为了研究CO?-盐水系统中的润湿性，已经采用了多种实验技术。然而，由于CO?和盐水系统的复杂性，与更为广泛研究的水-油系统相比，可用的方法较少。最常用的技术是接触角测量，但这种方法可能无法完全反映实际岩石系统中润湿性的复杂性，因为孔隙几何形状、表面化学和物理异质性以及对实验条件和程序的敏感性等因素都会影响结果。先进的成像技术，如X射线微CT，已被用于观察原位接触角，并提供关于润湿性的空间信息。尽管这些方法提供了有价值的信息，但它们往往受到样本尺寸、成本和计算复杂性的限制。最近，人们开始利用水浸入CO?饱和岩石的方法研究核心尺度的润湿性。另一种核心尺度技术则是通过J函数缩放的毛细管压力数据来推断接触角。

尽管已有多种方法，但目前还没有一种方法能够在准确度、成本和可行性之间取得平衡，以确定核心或更大尺度的润湿性。这凸显了继续研究开发新的、经济有效的方法以评估CCS应用中润湿性的必要性。相对渗透率可能是其中一种方法。

相对渗透率是衡量多孔介质在存在一种或多种其他流体的情况下传导某一特定流体能力的指标。它通常表示为在特定饱和度下流体的渗透率与参考渗透率的比值。参考渗透率可能是绝对渗透率，或者是某一流体的残余饱和度下的渗透率。相对渗透率不是一个固定的属性，而是随着流体饱和度变化的，通常以饱和度为函数进行表示。为了表示相对渗透率与饱和度之间的功能关系，已经开发了多种经验模型。其中最广泛使用的是Corey相关，它将相对渗透率表示为归一化饱和度的幂函数。

相对渗透率曲线通常通过实验室中获得的稳态或非稳态驱替实验来获取，这些曲线受到多种因素的影响，包括流体特性、岩石特征、操作条件（如注入速率）以及计算技术。润湿性对相对渗透率有显著影响，尽管已有研究探讨了水-油系统中润湿性与相对渗透率之间的关系，但许多研究则集中于润湿性对各种驱替特性的影响，如残余饱和度、侵入模式和饱和度分布。这些研究显示，润湿性增加会导致水的相对渗透率降低，而CO?的相对渗透率则会增加，这与油-水系统中的观察结果一致，表明相似的物理原理可能适用于不同两相系统中润湿性对相对渗透率的影响。

与其他系统参数（如流体粘度和注入速率）相比，润湿性对相对渗透率的影响是独特的。其他参数可能对两相的相对渗透率产生较小的影响或耦合影响，即一个参数的变化会导致两种流体的相对渗透率同时增加或减少。润湿性对两相相对渗透率的相反影响，为建立润湿性与相对渗透率之间的物理关系提供了坚实的基础，这也是本研究的重点。

相对渗透率的准确测量对于提供可靠的储层尺度模拟输入至关重要。近年来，相对渗透率测量也受到关注，用于动态岩石类型识别、描述岩石中的两相流动特性以及评估动态储层质量。通过将润湿性与相对渗透率联系起来，并尽量减少其他因素的影响，这种方法可以实现从相对渗透率数据中推断润湿性，而无需额外成本。相反，如果润湿性是通过独立方法获得的，它可以用于验证从核心尺度测量或储层尺度历史匹配中获得的相对渗透率数据。

已有多个研究尝试通过分析相对渗透率测量中的个别成分（如残余饱和度、端点相对渗透率和相对渗透率曲线的曲率）来推断水-油或水-CO?系统中的润湿性。例如，Craig（1971）提出了一套基于相对渗透率数据的润湿性定性评估标准。然而，由于这些成分通常受到润湿性以外的多种因素影响，如孔隙几何形状（包括渗透率和孔隙度）、注入速率和流体特性，因此从相对渗透率数据中准确推断润湿性需要开发专门的方法，以有效隔离和排除这些其他系统参数的影响。

在本研究中，我们进一步扩展了之前在水-油系统中利用相对渗透率数据推断岩石润湿性的研究，并将其应用于CO?-水系统。我们提出了两种新的方法，以定量表征CO?-水环境中岩石的润湿性。第一种方法关注相对渗透率曲线交叉点处的饱和度，并将其与残余饱和度进行比较，以判断岩石是亲水、亲CO?还是中性润湿。第二种方法则通过比较CO?和水相对渗透率曲线下的面积，基于润湿流体的面积应较小这一原理来推断润湿性。我们为每种方法开发了两个指数，范围从-1（强亲CO?）到1（强亲水）。

在本研究中，我们对砂岩、碳酸盐岩和页岩进行了33次实验，评估了润湿性。结果显示，CO?-水系统中存在从亲CO?到亲水的广泛润湿状态，这些结果通常与文献中报道的接触角测量结果相吻合。一个关键的观察是，作为代理的简单水-油系统可能无法可靠地代表CO?-盐水的行为，因为它们通常保持亲水状态，这是由于清洁程序和使用不会改变润湿性的流体所致，即使粘度比和界面张力被匹配也是如此。

尽管由于采样来源（如露头岩与地下岩）和实验室清洁程序的存在，仍存在一定的不确定性，但能够从相对渗透率数据中直接推断润湿性提供了一种实际的优势，因为这些测量比可靠的接触角数据更容易获得。这使得对多相流行为的解读更加稳健，从而支持对CO?储存能力、注入性能和长期封存的更准确评估。本研究提出的方法不仅适用于CO?-盐水系统，还可以应用于其他系统，例如水驱替硫化氢（H?S）或氢的系统。

本研究提出的润湿性推断方法基于相对渗透率数据，为理解多相流在多孔介质中的行为提供了新的视角。通过分析水驱替CO?的相对渗透率数据，我们能够识别出岩石的润湿性特征，并进一步揭示其对CO?储存和封存过程的影响。这种方法不仅适用于CO?-盐水系统，还可以推广到其他类似的两相流系统，如水-硫化氢或水-氢系统。在这些系统中，润湿性同样对流体流动和封存性能产生重要影响。

在实验过程中，相对渗透率曲线的交叉点处的饱和度是一个关键指标，能够反映润湿性的变化。我们提出的第一种方法通过比较交叉点处的水饱和度与参考值（基于端点饱和度定义）来判断岩石的润湿性。如果交叉点处的水饱和度高于参考值，则表明岩石具有较强的亲水性；反之，则表明具有较强的亲CO?性。第二种方法则通过比较CO?和水相对渗透率曲线下的面积，基于润湿流体的面积应较小这一原理，进一步确认润湿性。通过这两种方法，我们能够更准确地评估润湿性，并为CO?的封存提供更可靠的数据支持。

此外，我们还发现，在CO?-水系统中，润湿性对相对渗透率的影响具有显著的特征。在实验过程中，润湿性的变化会导致相对渗透率曲线的形状发生变化，从而影响CO?和水的流动行为。通过分析这些变化，我们能够更好地理解润湿性对多相流系统的影响，并为实际工程应用提供指导。这种方法不仅适用于CO?-水系统，还可以推广到其他类似的两相流系统，如水-硫化氢或水-氢系统。

在本研究中，我们对多个文献中的水驱替CO?相对渗透率数据进行了分析，以验证我们提出的方法的有效性。我们发现，这些数据能够准确反映润湿性的变化，并且与文献中报道的接触角测量结果相吻合。这表明，通过相对渗透率数据推断润湿性是一种可行的方法，能够为实际工程提供可靠的信息支持。此外，我们还发现，润湿性对相对渗透率的影响具有一定的普遍性，适用于不同的两相流系统。

通过将润湿性与相对渗透率数据结合，我们能够更准确地评估岩石的润湿性，并为CO?的封存提供更可靠的数据支持。这种方法不仅适用于CO?-水系统，还可以推广到其他类似的两相流系统，如水-硫化氢或水-氢系统。通过这种方式，我们能够更好地理解润湿性对多相流系统的影响，并为实际工程应用提供指导。

在本研究中，我们还发现，润湿性对相对渗透率的影响具有一定的普遍性，适用于不同的两相流系统。例如，在水-油系统中，润湿性对相对渗透率的影响已经被广泛研究，而在CO?-水系统中，这种影响同样显著。因此，通过相对渗透率数据推断润湿性是一种具有广泛应用前景的方法。

通过分析水驱替CO?的相对渗透率数据，我们能够识别出岩石的润湿性特征，并进一步揭示其对CO?储存和封存过程的影响。这种方法不仅适用于CO?-水系统，还可以推广到其他类似的两相流系统，如水-硫化氢或水-氢系统。通过这种方式，我们能够更好地理解润湿性对多相流系统的影响，并为实际工程应用提供指导。

总之，润湿性在CO?-水系统中扮演着关键角色，影响CO?的储存和封存过程。通过相对渗透率数据推断润湿性提供了一种经济有效的方法，能够为实际工程应用提供可靠的信息支持。这种方法不仅适用于CO?-水系统，还可以推广到其他类似的两相流系统，如水-硫化氢或水-氢系统。通过这种方式，我们能够更好地理解润湿性对多相流系统的影响，并为实际工程应用提供指导。