《Petroleum Science》：Quantifying the impact of CO
2-brine-caprock reactions on caprock sealing performance: An integrated experimental and machine learning approach
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确保地质CO?封存的长期安全性关键取决于盖层的突破压力，该参数决定了盖层阻止CO?运移的能力。然而，CO?-盐水-盖层反应条件下突破压力的演化规律尚未得到充分量化。本研究集成地球化学反应、突破压力测量和机器学习建模，以量化控制盖层封闭性能的关键因素。盖层样品采
确保地质CO?封存的长期安全性关键取决于盖层的突破压力，该参数决定了盖层阻止CO?运移的能力。然而，CO?-盐水-盖层反应条件下突破压力的演化规律尚未得到充分量化。本研究集成地球化学反应、突破压力测量和机器学习建模，以量化控制盖层封闭性能的关键因素。盖层样品采集自准噶尔盆地典型深部咸水层，并结合扩展数据集用于模型开发。针对盖层突破压力实验，短期CO?-盐水-盖层反应实验难以提供可靠且准确的盖层突破压力预测。基于实验数据构建的Lasso回归突破压力预测模型，在测试集中R2达到0.8，实现了较高精度，为突破压力评估提供了高效工具。结果表明，盖层渗透率和孔隙度是控制突破压力的主导因素，二者与突破压力呈显著负相关。由于白云石和菱铁矿的快速溶解扩大了孔喉，削弱了毛细管阻力，改变了孔隙结构，导致突破压力最大降低13.3%。相反，较慢的溶解速率或次生方解石沉淀的存在导致突破压力下降更为平缓（最小降低0.5%）。研究结果表明，封闭效率的演化受碳酸盐溶解速率的控制，而非仅取决于平衡矿物组成。本研究定量表征了地球化学反应对盖层突破压力的影响，为评估盖层封闭性能动态变化提供了快速评价工具，并为确保地质CO?封存的长期安全性提供了重要指导。
论文解读：CO?-盐水-盖层反应对盖层封闭性能的量化影响——集成实验与机器学习方法
**研究背景与问题**
碳捕集与封存（CCS）技术通过将工业源排放的CO?注入深部地质构造中实现长期封存，其中深部咸水层因其储量大、封存潜力稳定而受到广泛关注。然而，大规模CO?注入会引发超压，并诱发CO?-盐水-盖层间的地球化学反应，这些因素均可能损害盖层的完整性，增加CO?泄漏风险。盖层的封闭能力主要用突破压力来评价，即盖层阻止非润湿相流体（如CO?）穿透的最大毛细管压力。尽管已有大量研究探讨了盖层物理性质对突破压力的影响，但多数依赖数值模拟，实验研究相对匮乏。特别是，CO?-盐水-盖层反应引起的矿物溶解与沉淀如何动态改变孔喉结构，进而定量影响突破压力，目前尚缺乏系统的实验量化。此外，短期实验室反应实验难以直接预测长期地质条件下的封闭性能演化，亟需建立一种能够快速评估盖层封闭性能动态变化的方法。
**研究内容与结论**
本研究旨在通过集成物理实验和机器学习建模，定量评价CO?-盐水-盖层反应对盖层突破压力的影响，并识别控制突破压力的主导因素。研究人员从准噶尔盆地陆梁隆起三个泉凹陷采集了真实盖层岩心，这些岩心来自四口井（S18、S305、S328、S402），岩性以泥岩、粉砂质泥岩和砂质泥岩为主，埋深2600–3000米，孔喉尺寸主要为0.63–4.87纳米。实验中，研究人员制备了16个圆柱岩心用于动态突破压力测试，4个薄片样品用于静态CO?-盐水-盖层反应实验。所有样品均经过索氏抽提清洗、真空干燥，并使用BenchLab 7000仪器测量孔隙度和渗透率。实验条件设定为温度60°C、孔隙压力最高30 MPa、围压33.5 MPa，以模拟目标储层环境。反应实验采用合成地层水（总溶解固体TDS=17,634 mg/L）和纯度为99.99%的超临界CO?（scCO?），在高温高压反应釜中进行15天反应。突破压力实验采用动态注入法，以煤油作为润湿相，通过逐级增压方式测得气体突破压力。此外，研究人员收集了扩展数据集，结合深度、孔隙度、渗透率作为输入特征，采用Ridge和Lasso回归模型（使用五折交叉验证和多项式特征）构建突破压力预测模型，并对比了两种经验公式。
**主要技术方法**
研究人员采用了以下关键技术方法：1）高温高压静态反应实验（60°C、30 MPa、15天）模拟CO?-盐水-盖层相互作用，通过反应前后质量、孔隙度、渗透率、矿物组成（XRD）、离子浓度（ICP-AES）、微观形貌（SEM-EDS）的对比分析揭示地球化学影响；2）动态突破压力测量实验（采用动态注入法）获取不同岩心的突破压力值，并通过界面张力和接触角数据将CO?-煤油体系的测量值转换为CO?-水体系（取IFT=21 mN/m，接触角=17°）；3）机器学习建模，使用Lasso回归（最优alpha=1，多项式特征次数为2）建立突破压力预测模型，输入特征为深度、孔隙度、渗透率（对渗透率取log10），通过五折交叉验证评估模型稳定性。样本来源为准噶尔盆地四口井的天然岩心，共16个测试样品和4个反应样品。
**研究结果**
**4.1 CO?-盐水-盖层反应对盖层物理性质的影响**
反应实验后，所有岩心均出现质量损失，其中S402-1-1井的岩心质量损失最大，达5.64%，而其他井的损失不超过2%。孔隙度和渗透率均显著增加：S402-1-1的渗透率增加超过180%，孔隙度增加超过240%。XRD分析显示，S402-1-1中菱铁矿完全溶解，白云石含量从18.7%降至10.9%，次生方解石形成约42%，粘土矿物从63.6%降至34.6%。而S328-1-1、S18-1-1和S305-1-1的矿物变化较小，仅见白云石和菱铁矿的轻微减少。反应机理分析表明，CO?溶解形成碳酸，促进碳酸盐矿物（白云石、菱铁矿）和含铁矿物溶解，释放Ca2?、Fe2?等离子，导致HCO??浓度增加。SEM-EDS观察显示，S402-1-1出现广泛的孔隙扩大和微裂缝，而S18-1-1则出现局部次生粘土矿物（高岭石）堵塞孔喉。研究揭示，盖层封闭性能的演化取决于矿物溶解与次生沉淀的竞争关系，溶解过程占主导时，突破压力降低；沉淀或粘土膨胀占优时，封闭能力可能局部增强。
**4.2 突破压力与盖层性质的关系**
通过超临界CO?驱替实验获得了12个岩心的突破压力变化率。结果显示，低孔低渗岩心（孔隙度<2%，渗透率<0.0005 mD）的突破压力变化率低于6%（如S402井为5.8%），而高孔高渗岩心（孔隙度>8%，渗透率>0.003 mD）的变化率可达15%（S305井），表明高孔渗盖层封闭结构更脆弱。突破压力与渗透率呈显著负相关：当渗透率低于2×10?3 mD时，突破压力保持较高（27–30 MPa）；而渗透率高于3×10?3 mD时，突破压力降至22–27 MPa。孔隙度与突破压力同样呈负相关，且当孔隙度超过8%时，突破压力对孔隙度变化极为敏感，微小的孔隙度增加即可导致突破压力大幅下降。埋深对突破压力有弱正相关调节作用，但回归系数分析表明，渗透率和孔隙度的影响远大于深度。因此，渗透率和孔隙度是控制突破压力的主导因素。
**4.3 突破压力预测模型的建立**
研究人员基于扩展数据集（共统计样本，深度平均2676.6 m，孔隙度平均7.4%，渗透率平均0.1 mD，突破压力平均17.5 MPa）构建了Ridge和Lasso回归模型。五折交叉验证结果显示，Lasso模型在训练集R2=0.842、RMSE=3.567，测试集R2=0.794、RMSE=3.892，优于Ridge模型（测试集R2=0.765）。与经验公式对比，Lasso模型的预测精度更高。特征重要性排序表明，渗透率对突破压力的贡献权重最高，具有明确的物理意义：碳酸盐矿物溶解导致孔喉扩大和连通性增强，渗透率非线性增加，直接控制突破压力。利用Lasso模型预测反应后突破压力，结果显示S402-1-1的突破压力从18.1 MPa降至15.7 MPa，降幅达13.3%；而其他井的降幅较小（S328-1-1为0.6%，S18-1-1为1.1%，S305-1-1为2.1%）。该模型能够根据反应后的孔隙度和渗透率快速评估突破压力变化。
**讨论与结论**
研究讨论指出，CO?-盐水-盖层反应中，白云石和菱铁矿的快速溶解是导致突破压力显著下降的主要化学驱动力，但最终受控于微观结构演化（孔喉扩大、微裂缝发育）。次生方解石沉淀和高岭石等粘土矿物的膨胀在短期内可能局部增强封闭能力，但长期CO?暴露下，粘土矿物溶解和再沉淀会削弱封闭完整性。研究结论如下：（1）碳酸盐和含铁矿物的溶解导致所有岩心孔隙度和渗透率显著增加，其中S402-1-1质量损失5.64%，孔隙度和渗透率分别增加240%和180%，突破压力整体降低13.3%。（2）溶解与沉淀的竞争决定净渗透率演化。（3）粘土矿物（如高岭石）呈现时间依赖性双重效应：早期膨胀减小孔喉尺寸10%–15%，暂时增强封闭能力；长期CO?-盐水作用导致溶解、再沉淀和微裂缝发育，最终增加孔隙度和渗透率，削弱封闭完整性。（4）渗透率是突破压力最强的控制因素，通过Lasso模型可快速动态评估盖层封闭能力演化趋势。（5）即使中等程度的CO?-盐水-盖层反应也能通过改变孔隙结构和矿物组成显著损害盖层完整性，因此耦合地球化学反应、力学响应和水动力过程的预测模型对于评估长期封存安全性和指导场地选择至关重要。（6）本研究依赖反应前后对比，未解析粘土矿物双重效应的时间演化，未来需结合时间序列实验或反应动力学与反应输运建模，以阐明粘土矿物溶解、迁移和沉淀的动态过程及其对盖层封闭完整性的长期影响。
