在爱德华兹-布朗白云岩中，孔隙网络尺度上的异质性驱动捕获现象

《Energy & Fuels》：Heterogeneity Driven Trapping at the Pore-Network Scale in Edwards Brown Dolomite

二氧化碳地质封存中孔隙尺度异质性对毛细管屏障形成、非连续相聚集及残留饱和度的影响。实验结合微CT成像与岩心流动测试，揭示低渗透区域作为毛细管屏障阻碍非湿相侵入，孔隙网络协调数平均仅2，aspect ratio较高促进imbibition阶段 snap-off，导致41%的初始饱和转为残留饱和。该异质性特征对封存模型的多尺度耦合具有指导意义。

　　
### 研究背景与核心问题
二氧化碳（CO?）地质封存的安全性高度依赖于对封存岩体中CO?滞留机制的理解。其中，毛细管捕获是决定CO?长期滞留的关键因素。尽管孔隙尺度的毛细管捕获已被广泛研究并纳入储层模拟模型，但在实际应用中，如何将微米至厘米尺度的毛细管异质性（如不同孔隙通道的毛细管入口压力差异）整合到场尺度模型中仍存在挑战。这一矛盾源于小尺度异质性对大尺度流动行为的非线性影响，而传统连续介质模型往往简化为均质介质处理，可能低估或高估实际封存效率。例如，碳酸盐岩储层中常见的微孔隙和喉道分布不均，可能导致CO?在局部形成不可渗透的屏障，从而显著增强捕获能力。然而，这类复杂结构在传统数值模拟中难以精确表征，需结合实验与多尺度建模方法进行解析。

### 实验设计与方法创新
本研究以美国得州爱德华兹褐石岩心为实验对象，通过微CT成像和岩心流动实验，系统揭示了孔隙尺度异质性对多相流行为及捕获效率的影响机制。实验核心创新点包括：
1. **高分辨率三维成像技术**：采用5.6微米体素的三维微CT扫描，结合钾碘（KI）溶液与癸烷的非水相置换实验，实现了流体分布的动态可视化。KI溶液的高电导率特性提供了理想的X射线对比度，便于区分水（湿相）与油（非湿相，模拟CO?）的分布。
2. **多阶段驱替实验设计**：通过分步注水（brine flooding）和排水（drainage）实验，结合回注阶段（imbibition）的对比分析，捕捉了非湿相在毛细管主导条件下的迁移、断裂及再分布全过程。
3. **孔隙网络建模与量化分析**：利用开源算法PoreXtractor提取岩心孔隙网络骨架，计算关键参数如配位数（coordination number）、孔-喉比（aspect ratio）及毛细管入口压力，为异质性岩体的多尺度建模提供直接依据。

### 关键发现与机制解析
#### 1. 局部毛细管屏障的形成与捕获增强
实验发现，岩心下游存在一个低孔隙度区域（约17%孔隙率），其孔喉结构呈现“细喉控流”特征（喉道半径集中在5.6-18微米）。该区域在100%非湿相（癸烷）注入时仍保持高饱和度（约41%），表明其毛细管入口压力显著高于驱替压力（0.3 MPa）。这一现象可通过以下机制解释：
- **喉道尺寸阈值效应**：根据Young-Laplace方程，喉道半径越小，毛细管入口压力越高。实验测得该区域平均孔-喉比为3.2（上游区域为2.1），表明大孔隙通过狭窄喉道连接，形成毛细管屏障。
- **连通性受限与捕获累积**：孔隙网络分析显示，该区域配位数均值仅为2，约30%的孔隙仅通过1-2个喉道连接。这种低连通性结构阻碍了非湿相的连续迁移，导致流体在屏障前堆积并形成离散的“捕集群”（ganglia）。回注阶段（imbibition）进一步证实，屏障后区域即使压力恢复仍无法被湿相（brine）完全置换，残存非湿相饱和度高达45%，远高于上游区域（约25%）。

#### 2. 捕获机制的二元性：孔隙尺度断裂与宏观屏障协同作用
研究揭示了两种互补的捕获机制：
- **孔隙尺度断裂（snap-off）**：在回注阶段，非湿相因孔-喉比差异（上游区域平均为2.1，屏障区达3.2）导致流体被“夹断”，形成离散捕集群。此类现象在低渗透性区域尤为显著，部分孔喉因尺寸不匹配无法完全充填。
- **宏观毛细管屏障效应**：下游低孔隙度区域作为稳定屏障，其毛细管入口压力超过实验驱替压力（0.3 MPa），阻止非湿相侵入。该区域在所有驱替阶段均保持高湿相饱和度，形成类似“挡水墙”的滞留作用。

#### 3. 多尺度异质性表征与模型优化启示
通过将岩心划分为4个子区域（表2），对比分析显示：
- **渗透率差异**：屏障区渗透率（12-13 mD）仅为高孔隙率区域（103-112 mD）的1/10，表明细小喉道主导流动阻力。
- **毛细管压力分布不均**：屏障区估算的平均毛细管入口压力（11-12 kPa）高于上游区域（9 kPa），进一步印证其作为非湿相迁移的“瓶颈”。
- **网络连通性量化**：配位数分析表明，约70%的孔隙仅通过1-2个喉道连接，这种“树状”结构显著降低流体迁移效率，且与高残存饱和度直接相关。

#### 4. 实验条件与实际工况的对比分析
尽管实验在常温常压（22°C，1 bar）下进行，但通过施加3.5 MPa的围压模拟地下埋深约1000米岩体的有效应力，结合黏滞压力梯度控制实验，成功复现了毛细管主导的流动特征（毛细管数C?≈2.6×10??）。研究发现：
- **高黏滞压力梯度下的孔隙激活**：在更接近实际工况的高黏滞梯度（如地下1500米）下，部分小于5.6微米的亚分辨率孔隙可能被激活，导致理论残存饱和度（41%）略微提升至43-45%。但即便如此，异质性区域仍贡献约60%的总体捕获量，表明局部屏障效应在宏观尺度上不可忽略。
- **非湿相连通性动态变化**：排水阶段（100%非湿相注入）时，形成单一纵向连通体；而回注阶段（100%湿相注入）后，该连通体断裂为多个离散捕集群，其中屏障区附近捕集群数量增加3倍，体积增大50%。

### 对CO?地质封存技术的指导意义
1. **储层表征与建模改进**：
- 需将毛细管入口压力分布、配位数及孔-喉比纳入储层模型参数库。例如，屏障区可表征为局部毛细管压力场突变区，其参数需与均质区域区分处理。
- 建议采用混合建模策略：在连续介质模型中引入随机分布的毛细管压力阈值场，同时通过孔隙网络模型验证局部异质性对捕获效率的影响。

2. **工程安全评估优化**：
- 低孔隙度区域（如屏障区）应被特别关注，因其可能成为CO?封存的“安全冗余区”，但也可能因预测不足导致封存失效。
- 需建立“孔隙尺度-连续介质尺度”的转换准则，例如基于配位数阈值（如配位数<3的区域）定义优先捕获区。

3. **实验方法与技术的延伸应用**：
- 提出“数字岩心”工作流框架：微CT成像→孔隙网络提取→多物理场耦合模拟。此框架可推广至页岩、火山岩等复杂储层。
- 建议开发亚分辨率孔隙的等效连通性参数（如有效渗透率修正因子），以补偿微CT分辨率限制（如5.6微米无法分辨<5.6微米的喉道）。

### 局限性与未来研究方向
1. **分辨率限制与参数不确定性**：
- 实验仅能分辨5.6微米以上的孔隙结构，导致小尺度喉道（<5.6微米）未被纳入网络模型，可能低估实际渗透率。例如，屏障区实际渗透率可能比测得值（12 mD）低1-2个数量级。
- 解决方案：结合核磁共振（NMR）或核孔成像（Nuclear孔成像）技术，获取多尺度孔隙分布数据，构建混合分辨率模型。

2. **多场耦合效应研究不足**：
- 实验仅考虑了毛细管力与黏滞力的竞争，未涉及温度、化学作用（如CO?溶解或矿物溶解）的影响。
- 建议开展高温高压条件下的原位实验，模拟深部储层（如2000米以下）的相变与矿物反应。

3. **场尺度异质性表征的挑战**：
- 当前实验仅针对单一岩心样本，需进一步开展多岩心样本统计研究，建立孔隙尺度参数（如平均配位数、最大孔-喉比）与场尺度储层属性（如有效捕获系数）的映射关系。
- 提出基于分形几何的孔隙结构表征方法，以描述非均质储层中自相似的空间分布特征。

### 结论
本研究通过微CT成像与岩心流动实验的协同分析，首次在碳酸盐岩储层中明确了局部毛细管屏障与孔隙尺度断裂的协同捕获机制：低孔隙度区域通过高毛细管入口压力形成物理屏障，而高孔-喉比结构则加剧了非湿相的断裂与滞留。这一发现为储层建模提供了关键参数（如局部毛细管压力场、配位数分布），并证实了以下结论：
1. **异质性主导捕获效率**：即使总孔隙率相近，局部异质性（如屏障区）可使捕获效率提升30%-50%。
2. **多机制耦合作用**：毛细管屏障（宏观尺度）与孔-喉比（微观尺度）共同决定了非湿相的滞留模式。
3. **模型修正需求**：传统均质介质模型可能低估实际捕获潜力，需引入多尺度异质性参数（如空间变化的毛细管压力场）。

该研究为碳酸盐岩储层的CO?封存工程提供了从实验室到现场的多尺度分析范式，特别强调在储层表征中必须区分“表观孔隙率”与“有效流动孔隙率”，后者受配位数和孔-喉比共同调控。未来研究可结合人工智能算法（如生成对抗网络GAN）对微CT图像进行超分辨率重建，进一步揭示亚分辨率孔隙的连通性特征，为精准建模提供支持。