《ACS Omega》：Characterization of Mineral Dissolution in Fracture-Pore Type Rocks Using the Lattice Boltzmann Method
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本研究针对地下工程（如石油开采、地热能开发、二氧化碳封存）中裂缝-孔隙型岩石的矿物溶解过程，整合线性布尔模型与自仿射粗糙表面方法，生成了具有不同基质几何非均质性的合成裂缝-孔隙岩石结构，并采用双分布函数晶格玻尔兹曼方法（LBM）模拟了矿物溶解，量化了宽范围Péclet（Pe）数和Damk?hler（Da）数下的渗透率演化。结果表明，机械孔径和反应表面积的变化主要受Da数控制；在高Pe和高Da条件下，基质非均质性增加会导致渗透率的非线性变化。研究最终提出了不同基质非均质性情景下矿物溶解过程中渗透率演化的预测图，对相关地下工程的升级研究和工程设计具有重要指导意义。
在地球深处，岩石并非铁板一块。它们常常是裂缝与孔隙共存的复杂体系，如同人体的血管与微血管网络。在石油与天然气开采、地热能源开发乃至二氧化碳地质封存等众多地下工程中，流体在这些裂缝与孔隙中穿行，并与岩石矿物发生化学反应，导致矿物溶解。这一过程会悄然改变岩石内部的几何结构，尤其是其传输流体的能力——渗透率。理解矿物溶解如何重塑裂缝-孔隙型岩石的拓扑结构并影响其渗透率演化，对于准确预测储层性能、优化工程方案至关重要。然而，现有研究多集中于纯孔隙介质或单纯裂缝介质，对两者协同作用的裂缝-孔隙型岩石中，基质非均质性如何影响溶解过程与渗透率演化，仍存在知识空白。为此，一项发表于《ACS Omega》的研究，利用先进的数值模拟方法，深入探究了这一复杂耦合过程。
为回答上述问题，研究人员主要采用了三项关键技术方法：1）合成裂缝-孔隙岩石结构生成：结合线性布尔模型（用于生成多孔基质）与基于离散傅里叶变换的自仿射粗糙表面方法（用于生成裂缝），构建了具有不同基质孔隙半径分布标准差（β = 0.1, 0.3, 0.5）的二维裂缝-孔隙岩石数值模型，以表征不同程度的基质几何非均质性。2）晶格玻尔兹曼方法模拟：采用双分布函数的多弛豫时间晶格玻尔兹曼方法，同时求解流体流动（Navier-Stokes方程）和反应溶质运移（对流-扩散方程），并在线性动力学反应边界条件下模拟矿物在流体-固体界面的溶解过程。3）几何与输运参数量化：在模拟过程中，动态计算并分析了机械孔径、反应表面积、孔隙度及水力渗透率的演化，并系统探究了Péclet数（Pe）和Damk?hler数（Da）两个关键无量纲参数的控制作用。
研究结果
1. 裂缝-孔隙岩石几何非均质性表征
通过分水岭分割技术提取孔隙尺寸分布，并计算其方差。结果表明，随着基质孔隙半径分布标准差β从0.1增大到0.5，归一化孔径分布的方差从0.0071增加至0.016，证实了所构建模型基质非均质性的递增。
2. 裂缝孔隙岩石中的孔径演化
模拟揭示了归一化机械孔径与归一化孔隙度之间的关系。核心发现是，Damk?hler数（Da）对机械孔径变化速率的影响比Péclet数（Pe）更为显著。在高Da条件下，反应速率快，溶解集中于进口附近，导致孔径快速增大；而在低Da条件下，溶解更均匀，孔径变化平缓。此外，基质非均质性增加会减弱机械孔径的增大速率，因为更多溶解发生在远离主裂缝通道的基质孔隙中。
3. 裂缝孔隙岩石中的表面积演化
固体-流体反应表面积的演化同样主要受Da数控制。一个有趣的现象是，在非均质性较高的模型中（β = 0.3, 0.5），溶解初期会出现表面积“突然增加”。这是因为溶解初期优先发生在较大孔隙中，形成凹形颗粒结构，反而暂时增加了固液接触面积。
4. 裂缝-孔隙岩石中的渗透率变化
渗透率演化强烈依赖于溶解机制。在高Pe和高Da数（对应“虫孔”溶解机制）条件下，渗透率增长呈现先慢后快的特征，即一旦形成优势溶解通道，渗透率会急剧上升。研究首次发现，在相同高Pe、高Da条件下，渗透率变化速率与基质非均质性的关系是非线性的，这是由两种竞争机制导致的：在较均质的模型中，溶解集中于拓宽主裂缝通道；在非均质更强的模型中，则易产生多个次级虫孔通道。这两种机制共同作用，使得渗透率演化呈现复杂非线性行为。
研究结论与意义
本研究通过系统的数值模拟，明确了矿物溶解过程中裂缝-孔隙岩石几何与输运性质演化的关键控制因素及机制。主要结论包括：1）Da数是控制机械孔径和反应表面积演化的首要参数。2）基质非均质性增加会减缓孔径演化速率，并可能导致溶解初期反应表面积的“突然增加”，这对升级（Upscaling）研究中的表面积估算有重要影响。3）在高Pe和高Da的“虫孔”溶解机制下，渗透率演化由“主裂缝通道拓宽”和“多虫孔通道生成”两种竞争机制驱动，导致渗透率随基质非均质性增加呈现非线性变化。4）经典的Kozeny-Carman幂律关系能很好地拟合渗透率-孔隙度演化，但其拟合参数η在高Pe、高Da条件下对基质非均质性非常敏感，差异显著。
这些发现具有重要的理论和工程意义。理论上，它填补了裂缝-孔隙型岩石这一普遍地下介质在反应性溶质运移研究中的知识空白，揭示了基质非均质性、溶解机制与宏观渗透率演化之间的定量关联。工程实践上，该研究为石油工程中的酸化增产（通过控制Da数以优化孔径扩大）、地热储层改造以及二氧化碳地质封存等地下工程的模拟预测与方案设计提供了关键参数和预测图版。研究人员特别指出，在注入速率高（高Pe）且储层岩石反应性强（高Da）的工程条件下，必须审慎考虑基质非均质性的影响，以实现对储层渗透率变化的准确预测和工程效果优化。
