砂岩多孔介质中示踪剂诱导注入能力损失的工程评估：细粒迁移与黏土膨胀的ζ电位调控

《Journal of Hazardous Materials Advances》：Engineering Assessment of Tracer-Induced Injectivity Loss in Sandstone Porous Media: Zeta-Potential Control of Fines Migration and Clay Swelling

　　

化学示踪剂作为地下环境与有害材料监测（包括管理型含水层补给、地热回注、地质CO2封存及油气生产）中的诊断流体被广泛应用。尽管示踪剂筛选通常优先考虑可检测性与化学稳定性，示踪剂注入可能通过细粒迁移与黏土膨胀在砂岩多孔介质中诱发地层损害，尤其在低矿化度条件下。本研究提供了一项与环境相关的系统性工程评估，在同一低矿化度流体化学下关联示踪剂化学、颗粒稳定性、黏土膨胀与渗透率演化。动态砂填实验、静态黏土膨胀测试与测试后ζ电位测量被整合以评估四种常用示踪剂：硫氰酸铵、硝酸钠、1-丙醇与乙酸乙酯。结果揭示了示踪剂依赖的颗粒行为与渗透率响应差异。硫氰酸铵活化了最大量的细粒，但通过抑制膨胀并高效移除脱落颗粒造成了最小的渗透率降低。相反，非离子型1-丙醇通过持续的电双层（EDL）扩张再现了严重的低矿化度损害。乙酸乙酯通过水解诱导的轻度酸化降低表面电荷量级，从而缓解细粒迁移与黏土膨胀。测得的ζ电位范围从NaCl参比的-40.7 mV到乙酸乙酯的-32.5 mV，证实较低的表面电荷量级抑制地层损害。观测趋势在纳入离子水合、电荷屏蔽效率与EDL相互作用的ζ电位框架内得到一致解释。这些发现表明化学示踪剂在含黏土砂岩中并非被动诊断剂，并为示踪剂筛选以提供工程指导，在维持环境监测与污染减缓诊断可靠性的同时保护注入能力。

研究背景方面，示踪剂监测是地下能源与环境操作的基石，但既有文献几乎将化学示踪剂视为被动溶质，忽略其离子身份、水合能、电荷屏蔽效率与酸碱反应性对表面电荷调控、胶体稳定性与黏土水化的直接影响。砂岩中弱附着黏土细粒在低矿化度或pH扰动下发生细粒迁移与黏土膨胀，导致孔隙喉道堵塞与渗透率损失，该机制在油气、地热与CO₂封存中跨领域存在。现有研究缺乏在低矿化度受控条件下隔离示踪剂本身对细粒迁移与黏土膨胀作用的系统实验，示踪剂筛选标准与地层损害考量脱钩，构成知识缺口。研究人员据此开展首项整合实验评估，关联示踪剂化学至细粒迁移、黏土膨胀与渗透率演化。

主要技术方法上，研究人员构建含98.41 wt% SiO₂石英砂与5 wt%混合黏土（高岭石75%、伊利石15%、膨润土7%、蒙脱石3%）的固结砂填柱（长24 cm、内径3.5 cm），先以1711.2 mmol/L NaCl高地层水饱和24 h，再以低于临界盐浓度（CSC=188.2 mmol/L）的136.9 mmol/L NaCl基准液及含8.5 mmol/L硫氰酸铵、硝酸钠、1-丙醇或乙酸乙酯的同离子强度低矿化度液恒速20 mL/min驱替5孔体积，连续记压差算达西渗透率并测流出液浊度、pH、电导；辅以静态黏土膨胀仪（ASTM D5890-11改良）算膨胀指数，并用动态光散射测黏土-流体悬浮液ζ电位。样本为实验室制备砂填与商用Pasargad Novin黏土混料，无现场队列。

研究结果部分，3.1节流出液化学显示电导突破与阳离子交换（Clay-Ca²⁺+2Na⁺→Clay-2Na⁺+Ca²⁺）主导曲线，pH先由静态饱和边缘水解升近8，低矿化度突破后再升后稳于缓冲平台；乙酸乙酯因水解（CH₃COOC₂H₅+H₂O→CH₃CH₂OH+CH₃COOH）产醋酸致终pH最低。3.2节细粒迁移表明浊度积分（NTU·PV）NaCl参比53、硫氰酸铵72、1-丙醇68、硝酸钠47、乙酸乙酯51；NH₄⁺低水合能（-307 kJ/mol）近表面部分压缩EDL促脱离但不胀，NO₃^?弱水合（-314 kJ/mol）屏蔽不全抑脱离，1-丙醇非离子不屏蔽EDL促脱离，乙酸乙酯降电荷抑脱离。3.3节黏土膨胀指数NaCl 0.36、1-丙醇0.33、硫氰酸铵0.23、硝酸钠0.23、乙酸乙酯0.15；Na⁺强水合促蒙脱石层间渗水，1-丙醇不抑层间水化，NH₄⁺低水合限渗水，NO₃^?弱补偿限部分吸水，乙酸乙酯酸化塌缩EDL脱水层间。3.4节ζ电位NaCl -40.66 mV、硫氰酸铵/硝酸钠/1-丙醇≈-38.7 mV、乙酸乙酯-32.52 mV，证实表面电荷量级与损害正相关。3.5节归一化渗透率5 PV后降幅NaCl 36.6%、1-丙醇35.6%、硝酸钠30.6%、乙酸乙酯27.1%、硫氰酸铵22.3%；硫氰酸铵高脱离+中胀保连通促排出故损最小，1-丙醇高脱离+高胀堵喉故损近参比，乙酸乙酯双抑故损中低。

讨论部分指出地层损害由离子特异性水合与静电机制而非盐度单独支配，ζ电位框架统一解释离子水合、pH、细粒与膨胀；研究限于单盐度、25°C、恒流、单黏土配方与单浓度，静态动态未全定量分离且ζ电位为混合黏土整体响应，矿物级DLVO需后续。

结论部分翻译：据研究人员所知，本研究提供低矿化度下化学示踪剂对砂岩细粒迁移与黏土膨胀影响的整合实验评估，结合动态砂填驱替、静态膨胀与ζ电位分析，证明示踪剂诱导地层损害主要由离子特异性水合与静电机制而非浓度或离子强度单独支配。硫氰酸铵活化最多细粒（累计浊度较NaCl参比高36%），却致最小渗透率损害（5 PV后约降22%），其弱水合NH₄⁺促静电脱离同时抑蒙脱石膨胀，使脱落颗粒有限堵喉排出，净注入能力最优。非离子1-丙醇缺静电屏蔽、EDL持续扩张，损近参比，富黏砂岩低矿化度下应避免。硝酸钠损害居中（47 NTU·PV、降30.6%），细粒脱离有限且膨胀部分抑制，适于低中黏且重胀地层。乙酸乙酯水解轻度酸化降表面电荷稳黏土，细粒与膨胀双最低，渗透率中度降、浊度最低。ζ电位-40.7至-32.5 mV支持框架，更负表面电荷通常伴更大损害。化学示踪剂在含黏砂岩中非被动，其化学经离子特异性电化学效应直控细粒稳定性、膨胀与注入能力；示踪剂筛选须连同可检测性与保守性一并考虑地层矿物学、黏土敏感性与表面电荷行为，方能在EOR、地热回注、管理型含水层补给、地质CO₂封存及有害材料监测中减损保诊。该文发表于《Journal of Hazardous Materials Advances》。