关于低含水量条件下二氧化碳（CO?）与水相对渗透率不确定性的实验室研究与文献分析

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Laboratory and literature insights into uncertainty in CO 2-water relative permeability at low water saturations

CO?-水相对渗透率低水饱和度区存在显著不确定性，传统实验难以直接测量该区域数据，导致依赖数学模型外推引入误差。本研究通过延长CO?注入至78PV，结合多孔板降压技术，将水饱和度降低至0.225以下，直接测定最大CO?相对渗透率，并分析不同注入量对不确定性的影响。实验证明延长注入可缩小不确定性区域，但低于0.34饱和度仍存在实验限制。应用多孔板后，Berea岩芯最低水饱和度达0.225，玻璃岩芯达0.16，验证了该方法的有效性，为场规模封存模型提供可靠数据基础。

　　在碳捕集与封存（CCS）技术中，CO?与水的相对渗透率曲线是评估封存过程的重要参数。这些曲线通常通过实验室实验获得，再结合数值模拟进行历史匹配。然而，实验测量低水饱和度区域的相对渗透率存在较大挑战，导致该区域的相对渗透率值需要通过插值或外推得到，从而引入显著的不确定性。因此，研究如何准确测量低水饱和度区域的相对渗透率对于提高封存模型的预测精度至关重要。

以往的研究多采用连续数学函数（如Corey函数或LET函数）来描述相对渗透率曲线。这些函数在参数调整时会影响整个曲线的形态，使得低饱和度区域的不确定性难以单独识别。而本研究通过重新分析已发表的实验数据，揭示了低水饱和度区域存在广泛的合理相对渗透率值，这些值都能产生良好的历史匹配结果，说明该区域的不确定性远比人们想象的要大。因此，为了更准确地确定低水饱和度区域的相对渗透率，我们需要改进实验设计，从而减少不确定性。

为了实现这一目标，本研究设计了实验室实验，通过延长水饱和CO?的注入时间，达到78个孔隙体积（PV），使得水饱和度降低至34%。随后，通过使用多孔板在恒定压力下进一步降低水饱和度至0.225，从而实现了对最大CO?相对渗透率的直接测量。实验结果表明，延长CO?注入时间能够有效减少低水饱和度区域的不确定性，但实验限制仍存在于低于0.34水饱和度的情况下。加入多孔板数据后，模型的可靠性显著提高，因为其能够模拟出更具代表性的毛细管压力，从而更贴近实际封存条件。

本研究的重点在于揭示传统实验方法在低水饱和度区域的局限性。在常规实验中，由于CO?与盐水的流动性差异较大，达到极低的水饱和度十分困难。此外，毛细管端效应也会导致水饱和度在岩心两端偏高，使得实际水饱和度难以达到实验所需的目标值。这种现象使得在低饱和度区域的相对渗透率无法准确测量，从而依赖于插值和外推，导致模型预测结果的不确定性。

为了解决上述问题，本研究提出了一种新的实验方法，即在延长CO?注入时间的基础上，使用多孔板进一步降低水饱和度。这种方法能够更有效地测量低水饱和度区域的相对渗透率，并减少因实验限制导致的不确定性。实验中使用了两种岩心：Berea砂岩和多孔玻璃岩心，分别通过不同的多孔板实现水饱和度的进一步降低。结果表明，这种方法显著提高了模型的可靠性，特别是在低水饱和度区域。

此外，本研究还分析了多种文献数据，揭示了在低水饱和度区域，相对渗透率曲线存在较大的不确定性。例如，在某些实验中，尽管采用了不同的参数调整方法，但相对渗透率值在低饱和度区域仍然具有较大的变化范围。这些变化不会影响历史匹配的质量，表明在该区域，相对渗透率的不确定性是显著的。因此，为了提高封存模型的准确性，必须进行更精确的实验测量，以获得低水饱和度区域的可靠相对渗透率数据。

本研究的结论表明，传统的实验方法在低水饱和度区域存在局限性，而通过延长CO?注入时间和使用多孔板可以有效减少这种不确定性。此外，残余水饱和度的值取决于所施加的毛细管压力，该压力应反映实际封存条件。因此，在实际应用中，必须根据具体的封存环境调整毛细管压力，以确保模型的准确性。

综上所述，本研究强调了在低水饱和度区域进行精确实验测量的重要性。通过改进实验设计，可以有效减少相对渗透率的不确定性，提高封存模型的预测精度。这不仅有助于优化封存过程，也为未来的CCS研究提供了新的思路和方法。