基于MRI的液体CO2-水共注入过程中CO2渗流-储存行为解析

《International Journal of Mining Science and Technology》：MRI-based insight into CO2 seepage-storage behavior during liquid CO2-water co-injection

　　

减少全球碳排放的必要性已变得日益紧迫，海底二氧化碳（CO₂）封存被认为是减缓气候变化的关键策略。枯竭的天然气水合物（NGH）储层具备封存CO₂并生成水合物（hydrate）的有利温度和压力条件。然而，流体渗流的堵塞是实现可持续封存的主要挑战。本研究采用磁共振成像（MRI）实验系统，探究了不同液体CO₂（LCO₂）和水注入速率下含水合物储层的渗透率特征。结果表明，高LCO₂流速显著促进了CO₂水合物颗粒的形成、聚集和渐进生长，导致储层渗透率显著下降。尽管提高水注入速率能有效缓解封存过程中水合物引起的堵塞，但过高的水注入速率可能使CO₂泄漏分数（leakage fraction）超过65%，从而削弱CO₂封存的安全性。通过量化CO₂泄漏分数和封存的CO₂量，本研究在测试范围内确定了有利的水-LCO₂注入速率组合，分别对应0.10–0.15 PV/min和0.05–0.10 PV/min。这些发现强调了注入能力、储存效率和泄漏控制之间的关键权衡，并为开发用于可持续海底CO₂封存的LCO₂-水共注入策略提供了初步指导。

**论文解读：基于MRI的液体CO₂-水共注入过程中CO₂渗流-储存行为解析**

**1. 研究背景、问题与目的**

在全球碳排放压力日益紧迫的背景下，海底二氧化碳（CO₂）封存被视为减缓气候变化的关键策略。枯竭的天然气水合物（NGH）储层，因其低温高压条件（2–10 ℃，>3 MPa）满足CO₂水合物形成的热力学要求，成为极具潜力的封存场所。然而，水合物的大量形成可能导致流体渗流通道堵塞，这是实现可持续CO₂封存面临的主要挑战。现有研究多聚焦于提高封存效率，对储层内多相流-相变耦合机制的关注相对不足。特别是，在液体CO₂（LCO₂）与水共注入过程中，LCO₂和水的注入速率如何独立地调控水合物诱导的堵塞、流动通道的重新打开、CO₂泄漏以及最终封存效率，其内在机理尚不清晰。因此，本研究旨在系统性地阐明LCO₂-水共注入条件下，含水合物地层渗透率特征的演化规律，识别出能平衡储层注入能力、堵塞缓解、泄漏控制和封存效率的适宜注入策略。

**2. 主要技术方法**

研究人员采用一套基于磁共振成像（MRI）的可视化实验系统，以BZ-01玻璃珠（粒径约100 μm，主成分为SiO₂）填充的高压反应器模拟多孔沉积物，开展模拟实验。核心方法包括：利用MRI实时追踪水、LCO₂和水合物相的空间分布与生长动态；运用Forchheimer方程（Forchheimer equation）计算非达西流条件下的修正渗透率（K_F），以准确评估非达西流效应；通过图像处理软件（Image J）对MRI图像进行阈值分割和灰度分析，定量表征水合物饱和度。此外，研究人员还使用拉曼光谱（Raman spectroscopy）和热重分析（TGA）对材料特性进行表征。

**3. 研究结果**

**3.1. 不同液体CO₂流速的影响**

* **水合物形成特征：** 低LCO₂注入速率（0.03 PV/min）下，水合物主要在储层中心区域形成；增加速率（0.05 PV/min）后，水合物呈现从中心向外围扩展的生长模式；进一步提高速率（0.08 PV/min）显著加速了水合物成核和生长，形成稳定的水合物块体；在最高速率（0.15 PV/min）下，水合物呈自上而下模式，但随后出现明显的水合物分解现象，归因于增强的水流侵蚀作用。
* **储层渗透率变化：** 随着水合物形成，储层渗透率下降。在特定LCO₂注入速率（0.05 PV/min）下，储层在初始受阻后进入一个低流动阻力状态，表明形成了稳定的流动通道。三维（3D）重建显示，水合物饱和度从储层中心向边缘、从顶部向底部递减。
* **注入体积：** 随着LCO₂注入速率增加，总注入体积先增后减。在0.05 PV/min速率下，储层展现出最高的注入能力（近1.12 PV），而0.15 PV/min速率下注入体积显著降低（<0.6 PV）。高流速加速了水合物堵塞，堵塞时间间隔从C-1的14.25分钟缩短至C-4的0.15分钟。

**3.2. 不同水注入速率的影响**

* **水合物形成特征：** 低水注入速率（0.03 PV/min）下，水合物形成极为迅速但总量有限；中等速率（0.10 PV/min）下，水合物在富水区成核，但受水流侵蚀而部分解离；高水注入速率（0.15 PV/min）显著抑制了水合物形成，水合物从储层上部向下发展；当水注入速率极高（0.5 PV/min）时，强烈的水流侵蚀阻碍了水合物的稳定存在，最终无法形成完全堵塞。
* **水注入速率对渗透率的影响：** 提高水注入速率可缩短达到低流动阻力状态的时间，并延长该状态的持续时间，表明适度水流能促进流动通道的重新打开。但过高的水流会破坏水合物结构稳定性。
* **LCO₂和水的注入体积：** 水注入速率为0.15 PV/min（W-3）是总注入能力的一个临界阈值。在更高水注入速率（0.20 PV/min）下，由于井口压力急剧上升，LCO₂注入受阻，导致总CO₂存储容量大幅降低。研究还发现，高水注入速率可能导致CO₂泄漏分数超过60%，削弱封存效率。

**3.3. 无堵塞实验**

* 在初始水合物饱和度为0的储层（N-1, N-2）中，两相流体持续迁移，无水合物诱导堵塞，但CO₂捕获能力显著低于含NGH储层，且存在持续泄漏风险。
* 在较高初始水合物饱和度（19.87%）的储层（N-3）中，即使水注入速率高达0.5 PV/min，储层也未立即进入低流动阻力状态，这是由于预存的NGH堵塞了渗流通道。水合物堵塞后，渗透率在254分钟后再次变得不稳定，表明堵塞被突破。

**4. 讨论与结论**

**讨论部分总结：** 研究表明，CO₂水合物优先在富水区形成，该区域渗透率较低，延长了流体停留时间，促进了热量和质量传递。LCO₂注入速率对封存性能具有非线性调控作用：高流速加速水合物堵塞，限制CO₂迁移；低流速则使水合物易受水流侵蚀。水注入速率的影响具有双重性：低流速对水合物稳定性影响小但促进井口堵塞，高流速虽能缓解堵塞但增加泄漏风险。因此，水合物基CO₂封存是水合物诱导密封和流动诱导重新打开之间的竞争结果。研究还指出，相比于含NGH储层，无水合物储层更容易发生持续CO₂泄漏，可能对局部海洋环境造成风险。同时，实验使用的BZ-01玻璃珠是一种理想化的多孔介质，自然海底沉积物更为复杂，因此确定的注入速率组合应视为实验室条件下的建议，而非通用的操作界限。

**研究结论：** 本研究利用基于MRI的可视化实验装置，系统研究了不同LCO₂（0.03–0.15 PV/min）和水（0.03–0.5 PV/min）注入速率对含NGH沉积物中水合物形成、渗透率演化和封存能力的影响。主要发现总结如下：（1）CO₂水合物优先在富水区形成，这些区域较低的渗透率延长了流体停留时间，促进了充分的传热和传质，有利于局部CO₂水合物的成核和生长，同时减少了水流侵蚀的影响。（2）提高LCO₂注入速率会加速水合物的成核和聚集，从而促进快速堵塞并限制CO₂进一步迁移。提高水注入速率可以侵蚀不稳定的水合物并延迟堵塞，但过量的水注入会导致入口附近压力积聚，降低LCO₂注入能力，并增加泄漏风险。因此，基于水合物的CO₂封存受水合物诱导密封与流动诱导重新打开之间的竞争控制。（3）在测试的实验范围内，水-LCO₂注入速率组合为0.10–0.15和0.05–0.10 PV/min时表现出了相对优越的性能。这一评估是基于它们在LCO₂注入能力、CO₂存储量和泄漏控制方面的综合性能，而非单一性能指标。鉴于所检查的注入速率条件数量有限，这些值应被视为在当前实验室规模条件下的推荐操作条件，而非现场应用的通用最优边界。这些发现为注入能力、泄漏控制和CO₂储存之间的平衡提供了定量和机理性的见解，并为在含水合物储层条件下设计LCO₂-水共注入策略提供了初步指导。