用于泥岩盖层润湿性评估的改进型T1-T2核磁共振方法：基于CO2-水相互作用及注水实验的见解

《Geoforum》：Improved T1-T2 NMR method for wettability assessment in mudstone caprocks: insights from CO2-water interactions and flooding experiments

　　

Huimin Wang|Liyun Tao|Xiaolin Wang|Jinchang Sheng|Muhammad ishfaque|Tianxiang Zhao

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  二氧化碳暴露会改变孔隙水状态，减少自由水含量，并在黏土中引发润湿性滞后现象。
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  富含高岭石的泥岩样本比以方解石为主的样本更具亲水性，从而影响毛细作用捕获效果。
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  通过T1-T2谱进行空间流体分布分析，可明确高岭石在吸附水/自由水保持中的作用。
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  改进后的T1-T2核磁共振方法可实现91.07%的非水信号去除率，从而精准量化润湿性。

引言

碳捕集与封存技术被视为一种具有战略意义的创新技术，可通过大幅降低大气中的二氧化碳浓度来缓解全球变暖问题，进而助力实现可持续发展目标（Metz等人，2005；Lackner，2003）。二氧化碳主要通过注入深层地质构造中（如盐层含水层）来实现封存。但由于其密度低于盐水，容易因浮力作用而发生泄漏（Metz等人，2005）。当二氧化碳渗透到上方的泥岩盖层时，会引发二氧化碳吸附、矿物溶解和沉淀等反应，这些过程会改变岩石的润湿性并影响毛细压力，而毛细压力决定了毛细作用捕获的效率（Xiao等人，2025；Suekane等人，2008）。亲水的盖层能够将二氧化碳以不连续的液滴形式固定在孔隙中，同时维持较高的毛细进入压力，从而提升封存效果；相反，二氧化碳亲和性强的岩石则会显著降低毛细封存效率，可能影响封存完整性。因此，二氧化碳-泥岩-盐水系统的润湿性是决定碳封存能力的关键因素（Krevor等人，2015）。由于复杂地质条件下润湿性变化机制的不确定性，对泥岩盖层的孔隙尺度润湿性进行定量表征仍面临诸多挑战。

已有众多研究采用不同方法评估岩石的润湿性，包括接触角测量法（Huhtamaki等人，2018）、Amott法（William，1986）、美国矿业局方法（Dullien和Fleury，1994）、自发吸水法（Abd等人，2019）、离心法（Iglauer，2017）以及核磁共振法（Looyestijn和Hofman，2007）（见表1）。其中，接触角测量法因其能够直观展示润湿性特征，尤其是通过静止滴法和气泡捕获技术，而被广泛用于润湿性评估。但表面污染物可能会影响测试精度，导致接触角测量结果不可靠。虽然Amott法和美国矿业局方法被视为行业标准，但其测量精度仍会受到盖层异质性的影响，比如孔隙结构、矿物组成及流体分布的差异都会带来影响（Dixit等人，2000）。自发吸水法和离心法虽能间接测定平均润湿性，但因测量时间较长，应用范围较为有限。传统的润湿性测量方法在低渗透性泥岩中存在很大局限性，因为这些方法需要流体流动或理想的表面条件，而在超低渗透性岩石中很难实现。此外，由于流体体积极小，Amott指数和美国矿业局指数的误差可能较大，而粗糙的岩心样本的接触角测量结果也无法反映整个孔隙网络的润湿性。正是这些方法的不足促使我们采用了改进的核磁共振方法。直到最近，低场核磁共振技术通过横向弛豫时间来表征孔隙中自由水与残余水之间的转变，为更精准地评估润湿性提供了解决方案。

与传统方法相比，核磁共振技术无需依赖可测量的流体流动或理想的表面条件，即可对流体分布和润湿性进行原位表征，这一优势使其特别适用于低渗透性泥岩的分析，因为在这些岩石中传统方法往往无法得到可靠的测量结果。最初，Hirasaki（1991）将润湿性定义为流体-岩石接触表面积与流体特定表面弛豫率的乘积。在此基础上，Chen等人（2006）将流体表面弛豫率进一步定义为部分饱和状态下的水/油表面弛豫率与完全饱和状态下的相应比率。随后，Fleury和Deflandre（2003）提出了核磁共振润湿性指数，该方法通过分析T2峰处水/油表面弛豫率的比值来确定润湿性，如表2所示。不过，这种方法需要获取四种不同饱和状态下的弛豫时间分布，增加了实验的复杂性。为了解决这一问题，Tandon等人（2020）通过引入平均表面弛豫率，仅需三种饱和状态下的T2分布即可，这一模型比那些需要更多输入参数的模型更为准确（Fleury和Deflandre，2003；Chen等人，2006）。最近，Al-Garadi等人（2022）和Al-Mahrooqi等人（2006）利用残余水状态和油饱和状态下的T2谱来量化核磁共振润湿性指数。此外，Feng等人（2021）通过水油饱和度比来关联电阻率指数与饱和度，进而推断润湿性。Liang等人（2023）则基于表观磁化率对比建立了润湿性指数，当磁化率变化与矿物组成密切相关时，该指数可反映润湿性。总体而言，核磁共振技术已证明在润湿性表征方面具有很高的有效性。然而，由于孔隙结构的复杂性以及多相相互作用的影响，在二氧化碳注入泥岩盖层的过程中准确测定其润湿性仍是一项重大挑战。

本研究提出了一种改进的T1-T2核磁共振方法，该方法解决了传统润湿性测量方法的局限性，能够定量描述两相流状态下的润湿性。通过分析T2谱来追踪多尺度孔隙中水的迁移情况，再结合T1信号来区分不同类型的流体，从而有效消除非水氢信号的干扰（Chemmi等人，2013）。第二部分介绍了实验所用材料、设备、流程以及弛豫理论。第三部分展示了实验结果，包括通过Amott法和T2法得出的润湿性指数，并比较了这两种方法在表征润湿性方面的效果。第四部分利用T1-T2谱分析了四种不同饱和状态下的泥岩样本的流体分布和润湿性特征（4.1节），研究了T1-T2谱中不同区域各类矿物的敏感度（4.2节），阐述了T1-T2核磁共振润湿性指数的计算方法（4.3节），以及改进后的T1-T2核磁共振方法在润湿性表征方面的优势（4.4节）。最后，第五部分总结了本研究的主要发现。

章节要点

泥岩样本

本研究所使用的泥岩样本长度为6厘米，直径为2.5厘米。这些样本采集自中国的两个地区：四川省宜宾市和内蒙古自治区鄂尔多斯市，分别被标记为S1、S2、I1和I2（见图1）。这两类泥岩样本的均匀性都很高，没有明显的层理结构，不过鄂尔多斯的泥岩样本密度更高。S1和S2泥岩样本的孔隙度分别为7.0%和7.2%，

Amott润湿性评估方法

Amott法是被石油和天然气行业广泛认可的用于评估储层及盖层岩石润湿性的标准方法。该方法通过测量流体（二氧化碳和水）在泥岩样本中的自发吸水行为和强制驱替行为来进行分析（Amott，1959；Cuiec等人，1978）。该方法可以通过一个量化指标——Amott润湿性指数来表示泥岩的润湿性，该指数的取值范围从强亲水性（+1）到强疏水性（-1）不等。

T1-T2谱中不同矿物的敏感性分析

不同类型的矿物及其分布具有不同的亲水性，因此会产生不同的核磁共振信号（Mehana和El-monier，2016）。由于本研究中的泥岩样本不含油分，表7中的T1-T2核磁共振信号可以在图11中分为五个区域：1——固体有机质，2——黏土中的氢（残余水、结构水），3——结构水和吸附水，4——自由水，5——大孔隙中的流动水（Mukhametdinova等人，2021）。

图12

结论

本研究提出了一种改进的T1-T2核磁共振方法，该方法通过量化流体重新分布并消除非水氢信号的干扰，解决了传统润湿性表征方法存在的局限性。通过结合自发吸水实验、注水实验与弛豫时间分析，研究了二氧化碳与水、岩石相互作用所引发的润湿性变化机制。本研究得出以下结论：

• (1)
  宜宾地区的泥岩样本由于具有更高的

CRediT作者贡献说明

Huimin Wang：数据分析。 Liyun Tao：概念设计、初稿撰写。 Xiaolin Wang：项目监督、审稿与文本编辑。 Jinchang Sheng：资金筹集、项目监督。 Tianxiang Zhao：方法设计。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢中国国家自然科学基金的资助，项目编号分别为42202286和42372296；同时感谢中国博士后科学基金会的资助，项目编号为2023M730916；此外还感谢中国国家留学基金委的资助，项目编号为202406710134。