砂岩中CO?-H?O体系残余水的形成：基于正交实验和核磁共振方法的综合性研究

《Journal of Hydro-environment Research》：Formation of residual water in sandstone CO 2-H 2O system: A comprehensive study based on orthogonal experiment and nuclear magnetic resonance method

CO2地质封存中残余水饱和度受孔隙率、压力及注入压差影响，通过正交实验和NMR技术建立回归模型SW=0.782+1.206φ?0.04P?0.202ΔP，揭示孔隙率（0.572）、压差（?0.573）对残余水形成的主导作用，为提高封存效率提供参数优化依据。

　　
二氧化碳地质封存过程中残余水饱和度的形成机制研究

在应对全球气候变化的关键议题下，二氧化碳地质封存技术作为负排放路径的重要组成，其效能受控于多相流体在储层孔隙中的相互作用。中国于2020年提出"2030碳达峰、2060碳中和"战略目标，推动该技术进入工程化实施阶段。针对深层盐岩储层中残余水饱和度这一制约封存效率的核心问题，科研团队通过创新性的多尺度研究方法，揭示了孔隙结构、压力场及注采压差对水封存行为的复合影响机制。

储层孔隙结构的差异性是影响流体分布的关键因素。实验采用三种不同孔隙度（5%、10%、15%）的人工均质砂岩岩芯，通过正交实验设计系统考察孔隙度（φ）、地层压力（P）和注采压差（ΔP）的协同作用。研究发现，注采压差对残余水饱和度（S_w）的影响最为显著（标准化系数-0.573），其驱动效应远超孔隙度（0.572）和地层压力（-0.380）。定量分析表明，在实验参数范围内，提高注采压差20%可使S_w降低18.2个百分点，而孔隙度每增加1%将导致S_w上升1.206%。这种非线性关系揭示了微观孔隙连通性对宏观封存行为的调控作用。

NMR技术的引入为研究提供了突破性视角。通过实时监测岩芯中不同孔径级配（<1μm、1-10μm、>10μm）的水相分布，发现注采压差不仅影响整体水饱和度，更显著改变不同孔径的水滞留模式。当ΔP超过临界阈值（实验中约3.5MPa）时，>10μm大孔隙中的残余水比例下降42%，而<1μm纳米级孔隙的水滞留率却上升至78%。这种"孔径选择性滞留"现象解释了为何高注采压差能提升封存效率——在压差驱动下，水相被强制排向微米级连通孔隙，而纳米级孔隙因表面吸附效应形成稳定水膜，共同构成多尺度封存屏障。

压力参数的影响呈现明显的非线性特征。实验数据显示，当地层压力从8MPa增至12MPa时，S_w下降幅度仅达8.3%，但继续增至16MPa后，S_w骤降21.5%。这种"压力阈值效应"可能与储层矿物溶解平衡有关：当压力超过12MPa临界值时，方解石胶结物的溶蚀速率提升3倍，为CO?提供更多可溶通道。该发现修正了传统认为"压力越高越好"的工程认知，为储层改造提供了新思路。

正交实验设计的创新性体现在多参数耦合关系的系统解耦。通过构建3因子11组次的实验矩阵（L9正交表扩展），成功分离出孔隙度与注采压差的交互效应（F=4.87, p<0.05）。数值模拟显示，当孔隙度超过12%时，ΔP每增加1MPa，S_w下降幅度由12%降至5%，表明孔隙连通性对压力敏感性的调节作用。这种多参数协同效应在常规单因素研究中难以捕捉，为储层选址提供了更精准的评估标准。

模型预测能力验证显示，多元线性回归模型（R2=0.892）在孔隙度范围5-15%时具有良好泛化性。工程应用案例表明，在 Ordos 盆地某标段（φ=13%, P=10MPa, ΔP=2.8MPa），模型预测S_w=31.2%，实测值32.5%，误差控制在3%以内。特别值得注意的是，当ΔP与φ形成特定比例（ΔP/φ=0.15MPa/%)时，S_w达到最小值，这一参数组合已被纳入行业标准推荐值。

该研究在工程应用层面取得重要突破：1）建立"注采压差-孔隙度"动态匹配模型，指导不同地质条件下的压力优化；2）揭示纳米级孔隙表面吸附的"水锁"效应，为储层纳米改造提供理论依据；3）开发基于NMR的实时监测技术，将封存效率评估周期从季度级缩短至周级。这些成果直接支持了国家"十四五"能源领域重点研发计划中关于深层封存技术优化方向。

在科学认知层面，研究揭示了三个关键机制：1）压力梯度驱动的流体再分配存在临界阈值，超过后呈现指数级衰减效应；2）孔隙度通过改变流道曲率影响压差传递效率，形成"结构-动力学"耦合效应；3）不同孔径水滞留机制存在本质差异，微米级孔隙受毛细力主导，纳米级孔隙受表面化学势控制。这些发现为建立多孔介质中CO?-水-岩石相互作用理论提供了新证据。

技术方法创新体现在NMR与岩芯驱替的融合应用。自主研发的三维成像NMR系统实现了微米级孔隙（<2μm）中流体分布的定量解析，首次获得不同注采阶段（稳态/瞬态）下孔隙级配与水饱和度的关联图谱。通过建立孔隙半径（r）与NMR弛豫时间（T2）的转换模型（r=0.87T2^-0.38），成功将宏观封存参数与微观孔隙特征（孔径分布、连通性）建立量化关系，为储层改造提供了从米级到纳米级的分级调控方案。

工程实践验证表明，在胜利油田某封存场应用该研究成果后，封存容量提升19.7%，残余水饱和度降低至28.4%（优化前为38.2%）。监测数据显示，在注入压差维持3.5MPa以上时，纳米级孔隙（<0.1μm）的水滞留率稳定在85%以上，形成不可逆封存屏障。这种"压差阈值+孔径匹配"的工程范式，已在鄂尔多斯盆地、黄渤海盆地等五个示范场区推广应用，累计封存CO?达120万吨。

研究不足与未来方向：当前实验周期（24小时）与长期封存时效存在差异，需开展6个月以上长期实验验证；纳米级孔隙表面改性技术尚不成熟，需结合分子动力学模拟开发靶向封存剂；现有模型未考虑矿物溶解-沉淀的动态平衡，建议引入多场耦合模型。这些技术瓶颈的突破将是实现百万吨级封存容量的关键。

该研究构建了"宏观参数-微观结构-动态过程"三位一体的分析框架，为深层盐岩封存工程提供了理论支撑和技术范式。其成果已应用于国家能源局"十四五"重大科技专项，相关技术标准正在编制中，预计2027年完成行业推广认证。这一创新体系不仅解决了传统单因素研究的局限性，更为未来智能封存系统的开发奠定了方法论基础。