关于含二氧化碳水合物的粉砂粘土沉积物在形成压力作用下电阻率特性的实验研究

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Experimental study on the electrical resistivity characteristics of CO 2 hydrate-bearing silty-clayey sediments under formation stress

　　

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  实现了对CO₂水合物在粉砂质粘土沉积物中电阻率的动态监测。
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  电信号的不连续性与导电路径密切相关。
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  毛细力对水合物的分布有显著影响。
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  沉积物颗粒的微小蠕变可以通过电信号捕获。
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  可以通过电阻率监测孔隙结构和孔隙介质中的相变。

引言

全球变暖已成为当代社会面临的最严峻挑战之一，温室气体浓度的持续上升被广泛认为是全球变暖和气候变化的主要驱动力（Bhawangirkar等人，2025年；Massarweh和Abushaikha，2024年；Zhou等人，2024年）。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的报告，二氧化碳（CO₂）占全球温室气体总排放量的大约72%，已成为主要的温室气体（Cao等人，2024年；Garifullina等人，2025年；Zhang等人，2025年）。近年来，碳捕获、利用和储存（CCUS）技术受到了国际能源署（IEA）和全球越来越多研究人员的关注。这项技术旨在减轻并逐步消除CO₂的不利环境影响，正逐渐成为应对日益严重的温室效应的关键方法之一（Martin-Roberts等人，2021年；Stavropoulou和Laloui，2022年）。

CCUS技术的常见应用包括将CO₂储存在地质构造中，如枯竭的油气藏、深部咸水层、不可开采的煤层和海洋沉积物中（Dai等人，2025年；Wang等人，2026年）。这些构造通常具有不透水的盖层，能够形成有效的气-液屏障系统，防止CO₂向上迁移和泄漏到地表（Rasool等人，2023年；Sun等人，2019年；Pandey等人，2021年）。虽然严格的储存要求限制了陆上储存能力，但海底封存提供了一个更具前景的替代方案（Feng等人，2023年；Li等人，2015年；Yang等人，2025年）。在特定的温度和压力条件下，CO₂可以与水反应生成CO₂水合物。在标准条件下，每单位体积的水合物具有约160体积的CO₂封存能力（Yodpetch等人，2025年），这种方法的封存效率非常高。海底沉积物储层中的稳定温度-压力环境和丰富的孔隙体积为基于水合物方法的CO₂封存提供了广阔的发展前景（Zhang和Lau，2022年）。当温度和压力条件保持稳定时，CO₂水合物可以在沉积物中长期稳定存在（Luo等人，2023年；Zhao等人，2023年）。与陆上封存方法相比，通过水合物方法的海上CO₂封存提供了更大的储存容量和更低的泄漏风险（如图1所示）（Davoodi等人，2023年；Teng和Zhang，2018年）。

自然存在的海底沉积物储层通常具有较弱的水化作用和较低的机械强度（Waite等人，2009年）。先前的研究表明，CO₂水合物可以作为沉积物颗粒之间的胶结剂，从而增强储层的机械性能（Cao等人，2024年；Ishikawa等人，2026年；Yan等人，2022年）。同时，关于CO₂水合物生成机制的研究表明，CO₂水合物具有很强的自我捕获和保护作用，可以有效减缓水合物的意外分解和气体的逸出（Kim和Cho，2019年，2016年；Takeya等人，2016年；Tohidi等人，2010年）。尽管在CO₂水合物动力学领域取得了一定进展，但在定量表征和监测储层中水合物的含量方面仍存在严重挑战（Aminnaji等人，2024年）。依靠现有技术，难以及时获得水合物的相变信息和基于CO₂水合物封存过程中的实际封存量。此外，水合物生成引起的孔隙结构变化和储层变形等现象也无法准确捕捉。如果不能及时掌握水合物的相变和储层孔隙结构的变化，沉积物储层可能会因水合物填充而发生变形失衡，甚至引发地质灾害，如滑坡（Dean等人，2020年；Sun等人，2023年；You等人，2023年）。

由于电阻率技术对不同材料电性能的独特敏感性，它在地物理测井和关于气体水合物储层的理论研究中得到了广泛应用（Lin等人，2025年；Tan等人，2023年；Zhang等人，2021年；Luo等人，2026年；Liu等人，2024年）。研究人员从水合物的存在和分布模式（Lan等人，2023年；Li等人，2022年）、压实模式（Zhang等人，2024年）、孔隙尺度（Xing等人，2022年）、矿物含量（Shi等人，2025年）等方面对天然气水合物进行了精细化研究。通过实验室实验研究，He等人（He等人，2020年）发现新水合物的生成会影响诱导期后的电阻率增加。通过核尺度和孔隙尺度的模拟实验，Chen等人（Chen等人，2025年）发现电阻率变化的特征与水合物生成过程有关，这具体取决于不同的水合物分布模式。同时，他还发现粘土矿物是限制利用原位电阻率准确测量天然气水合物饱和度的重要因素（Chen等人，2022年）。Xing等人（Xing等人，2023年）通过实验证实，粘土类型、粘土含量、水合物饱和度和空间分布形式在沉积物的电导特性中起着决定性作用。Zhang等人（Zhang等人，2024年）通过有限元模拟提出了一种数值模拟方法，使用孔隙网络建模来量化储层中水合物的体积和分布与电导率之间的关系。Weng和He（Weng和He，2025年）发现电阻率曲线的形状同时受到水合物分布模式和初始孔隙空间几何形状的影响。

随着近年来CO₂地质储存的增加，电阻率技术越来越多地应用于CO₂封存项目（Coscia等人，2012年；Hovorka等人，2011年；Lamert等人，2012年）。Auken等人（Auken等人，2014年）和Dafflon等人（Dafflon等人，2013年）使用电阻率监测了受CO₂污染的地下水；实验室和现场实验均证实了电阻率方法追踪储层内CO₂迁移的潜力。Breen等人（Breen等人，2012年）和Carrigan等人（Carrigan等人，2013年）表明，在超临界CO₂注入过程中捕获电信号可以估计储层中CO₂的分布和饱和度随时间的变化。此外，德国Ketzin试验场和加拿大的CaMI项目证明，CO₂注入会产生可测量的电信号，这些信号可以通过井下电极实时记录和监测（Li等人，2022年；Schmidt-Hattenberger等人，2014年，2013年）。在挪威的Svelvik实验中（Raab等人，2020年），安装在100米深度的电极板成功检测到了由于CO₂注入引起的地层饱和度和孔隙压力的变化。这些发现为CO₂储层的动态监测提供了重要指导。

南中国海（SCS）广泛分布的粉砂质粘土沉积物储层由于其稳定的温度和压力条件以及丰富的孔隙空间，成为CO₂水合物封存的理想目标（Gu等人，2025年；Lyu等人，2025年；Zhu等人，2024年）。然而，精确识别CO₂封存后的水合物饱和度以及监测由储层应力变化引起的变形对于确保海底储存的长期稳定性至关重要。因此，研究水合物饱和度对电阻率的影响，同时揭示储层变形过程中电阻率的变化规律，具有重要的理论和工程价值。本研究使用低温高压水合物三轴电阻率测试系统，制备了含有蒙脱石和石英砂的人工粉砂质粘土沉积物。在整个过程中，包括冷却、水合物形成、固化和剪切，动态监测了沉积物的电阻率响应，涵盖了各种水合物饱和度和有效围压条件。通过涉及电-热-力学参数的多场耦合研究方法，本研究旨在阐明CO₂封存过程中粉砂质粘土构造中电阻率的动态演变机制。

章节片段

实验材料与仪器

由于获取深海原位沉积物难度大且成本高，绝大多数研究人员在实验室中使用人工改造的沉积物进行实验（Chen等人，2022年；Dai等人，2021年；Zhang等人，2012年）。根据中国海洋石油总公司提供的岩石物理数据，SCS沈胡区域的LW3构造（海底以下120.00米）包含4.17%的细砂（>63微米）和71.31%的粉砂。

温度对沉积物电阻率的影响

对于粉砂质粘土沉积物，温度降低会导致电阻率增加，如图5所示。在同一样品组内观察到类似的电阻率趋势，而不同组之间存在显著差异。A组中的显著变化可能是由于冷却速率不同，冷却速度越快，电阻率的增加越快。冷却过程中的电阻率变化受到初始水分状况的影响。

结论

本文使用三轴电阻率系统在不同条件下监测了粉砂质粘土沉积物。在冷却、CO?水合物形成、固化和剪切过程中记录了实时电数据。完整地捕捉了从水合物成核到沉积物压缩和最终破坏的整个过程中的电阻率演变。主要结论如下：

1)

温度降低显著抑制了离子传输速度，导致沉积物电阻率增加。

CRediT作者贡献声明

Aowang Wang：撰写——原始草稿，正式分析，数据整理。Tingting Luo：撰写——审阅与编辑，资金获取。Liwei Zhang：资金获取。Xiang Sun：撰写——审阅与编辑。Tao Han：撰写——审阅与编辑。Zhen Zhang：正式分析。Yanghui Li：方法论。Yongchen Song：撰写——审阅与编辑，监督。Ye Zhang：方法论。Madhusudhan B N：监督。Weihao Yang：监督。

Aowang Wang|Tingting Luo|Liwei Zhang|Xiang Sun|Tao Han|Zhen Zhang|Yanghui Li|Yongchen Song|Ye Zhang|Madhusudhan B N|Weihao Yang