在CO2地質(zhì)封存過程中，殘余水對(duì)控制CO2在深層咸水含水層中的安全運(yùn)移和封存起著至關(guān)重要的作用。本研究采用正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法和結(jié)合核磁共振（NMR）技術(shù)的巖心驅(qū)替系統(tǒng)，以殘余水飽和度（SW）為評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了孔隙度（φ）、壓力（P）和注入壓差（ΔP）對(duì)殘余水形成的影響機(jī)制。使用3個(gè)人工均質(zhì)砂巖巖心（孔隙度：5%、10%、15%），共進(jìn)行了11次巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)（每次持續(xù)24小時(shí)以上）。結(jié)果表明，注入壓差（標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)：-0.573）對(duì)殘余水飽和度的影響最大，其次是孔隙度（0.572），而壓力（-0.380）的影響最小。從定量上講，較高的注入壓差和壓力會(huì)減少殘余水，從而增加二氧化碳儲(chǔ)存能力，提高封存安全性；相反，孔隙度的增加會(huì)提高殘余水，從而可能限制儲(chǔ)存效率。利用SPSS軟件進(jìn)行多元線性回歸分析，得出殘余水飽和度預(yù)測(cè)模型為：SW=0.782+1.206φ-0.04P-0.202ΔP。核磁共振技術(shù)的應(yīng)用不僅從微觀角度闡明了上述3個(gè)因素對(duì)殘余水飽和度的影響機(jī)制，而且定量評(píng)估了巖心中不同孔徑的水飽和度和殘余水在不同孔徑上的分布率。這種正交核磁共振集成建立了一個(gè)新的宏觀微觀研究框架，提供了參數(shù)控制和機(jī)理見解，在地下流動(dòng)研究中具有廣泛的適用性。
CO2地質(zhì)封存是全球公認(rèn)的實(shí)現(xiàn)CO2減排的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)至關(guān)重要。鑒于其地質(zhì)結(jié)構(gòu)，深部含鹽含水層被廣泛認(rèn)為是長(zhǎng)期CO2地質(zhì)封存的最佳選擇，與其他類型的深部地下封存相比，其CO2封存潛力最大。然而，在向含水層注入CO2之后，超臨界CO2和地層鹽水的多相流動(dòng)動(dòng)力學(xué)導(dǎo)致巖石孔隙內(nèi)的殘余水被毛細(xì)管捕獲。砂巖中殘余水的存在直接影響了CO2的封存能力，對(duì)實(shí)際的CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目提出了挑戰(zhàn)。因此，深入探討各種因素影響砂巖儲(chǔ)層殘余水形成的機(jī)制至關(guān)重要。
全球范圍內(nèi)已圍繞殘余水形成的影響因素開展了廣泛研究。現(xiàn)有研究通過非穩(wěn)態(tài)/穩(wěn)態(tài)巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)等多種方法，系統(tǒng)探究了砂巖等多孔介質(zhì)中CO2與鹽水的相互作用過程，明確了諸多關(guān)鍵因素對(duì)殘余水飽和度的調(diào)控作用。具體而言，流體特性層面，CO2在鹽水中的溶解行為、CO2/水粘度比及鹽水濃度，均會(huì)顯著影響殘余水含量；驅(qū)替條件方面，注入流量、注入壓力、注入方向及初始鹽水飽和度，會(huì)改變殘余水的形成與分布狀態(tài)，其中較高初始鹽水飽和度易導(dǎo)致注入過程中CO2捕獲比例提升；介質(zhì)屬性上，巖石滲透率、潤(rùn)濕性、石英含量等固有特征，對(duì)殘余水飽和度具有基礎(chǔ)性影響；此外，溫度條件及CO2在巖石孔隙中的空間分布均勻性，也被證實(shí)與殘余水飽和度密切相關(guān)，如溫度升高通常會(huì)使殘余水飽和度增加，而CO2分布均勻時(shí)則可降低殘余水飽和度。
盡管之前的研究討論了影響殘余水形成的各種因素，但對(duì)孔隙度、壓力和注入壓差影響殘余水機(jī)制的研究仍然有限。同時(shí)，之前的研究主要集中在單個(gè)參數(shù)的宏觀、孤立效應(yīng)上。另一個(gè)顯著的局限性是缺乏從核磁共振等技術(shù)中獲得的孔隙尺度證據(jù)，這對(duì)于揭示控制殘余水形成的多種因素的復(fù)雜作用至關(guān)重要。近年來，核磁共振（NMR）技術(shù)因其高分辨率、非破壞性、實(shí)時(shí)性能和定量分析的優(yōu)點(diǎn)，已成為研究巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中流體分布、遷移行為和孔隙結(jié)構(gòu)變化的有力工具。同時(shí)，正交實(shí)驗(yàn)法因其合理優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、有效提高研究效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量、節(jié)省時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到專家學(xué)者的青睞。本研究采用正交實(shí)驗(yàn)和核磁共振技術(shù)相結(jié)合的方法，以孔隙度、壓力和注入壓差為影響因素，以殘余水飽和度為評(píng)價(jià)指標(biāo)。進(jìn)行了9組正交設(shè)計(jì)的巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)，以研究上述因素在微觀尺度上對(duì)殘余水形成的影響機(jī)制。在闡明孔隙度、壓力和注入壓差對(duì)殘余水飽和度影響程度的同時(shí)，利用多元線性回歸建立了殘余水飽和度預(yù)測(cè)模型。此外，利用核磁共振技術(shù)定性分析和定量檢查了巖心內(nèi)不同孔徑中水的遷移和賦存模式。研究結(jié)果為提高深層含鹽含水層中CO2地質(zhì)封存效率、幫助選擇目標(biāo)儲(chǔ)層位置和降低工程應(yīng)用成本提供了理論參考。
本研究中使用的材料包括純度為99.99%的CO2、去離子水和3個(gè)人工均質(zhì)巖心。表1給出了3個(gè)人工巖心的詳細(xì)信息。
表1 實(shí)驗(yàn)巖心信息
核磁共振巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)采用蘇州紐邁公司提供的MesoMR12-060H-I磁共振成像系統(tǒng)完成，裝置示意圖如圖1所示。在驅(qū)替過程中，使用CPMG序列和HSE序列對(duì)巖心進(jìn)行連續(xù)測(cè)試，獲得驅(qū)替過程中不同時(shí)間含水巖心的T2光譜和MRI圖像，實(shí)現(xiàn)驅(qū)替過程中水相遷移和產(chǎn)狀的可視化表征。核磁共振巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)流程如下：（1） 在正式實(shí)驗(yàn)之前，對(duì)核磁共振系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)的校準(zhǔn)是通過將標(biāo)準(zhǔn)樣品放置在巖心支架中進(jìn)行的。運(yùn)行自由感應(yīng)衰減序列，優(yōu)化射頻脈沖功率和頻率偏移，以獲得最佳的自由感應(yīng)衰減（FID）信號(hào)，從而確保橫向弛豫時(shí)間（T2）測(cè)量的定量精度。隨后，通過將樣品定位在磁體等中心、執(zhí)行Scout掃描和進(jìn)行勻場(chǎng)來校準(zhǔn)成像系統(tǒng)，以優(yōu)化成像區(qū)域的磁場(chǎng)均勻性；（2） 接著將巖心樣品在105℃的烘箱中干燥12小時(shí)，并測(cè)量其干重。然后通過施加20MPa的壓力48小時(shí)使其飽和，以實(shí)現(xiàn)完全的水飽和，然后測(cè)量其飽和重量。使用校準(zhǔn)的CPMG和HSE序列獲得了完全飽和巖芯中的初始水分分布。然后施加12MPa的圍壓，并將溫度設(shè)置為33℃以建立實(shí)驗(yàn)條件。在巖心下游端施加規(guī)定的壓力，以模擬儲(chǔ)層壓力。（3） 在這些準(zhǔn)備之后，使用增壓泵將CO2氣體加壓至實(shí)驗(yàn)所需的注入壓力，并在恒定的壓差下注入巖心。通過跟蹤巖心內(nèi)的NMR信號(hào)強(qiáng)度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)驅(qū)替過程。CPMG和HSE順序測(cè)量以1小時(shí)為間隔依次進(jìn)行。當(dāng)兩次連續(xù)測(cè)量之間的信號(hào)強(qiáng)度差降至1%以下時(shí)，驅(qū)替過程終止，表明殘余水飽和度已達(dá)到不可降低的狀態(tài)。隨后，取出巖心，并測(cè)量其最終重量。所有剩余的實(shí)驗(yàn)組都嚴(yán)格遵守這一相同的程序。
圖1 核磁共振巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，繪制了巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)果的三維示意圖，如圖2所示。
圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的三維示意圖
對(duì)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行范圍分析（圖3），以評(píng)估每個(gè)因素對(duì)殘余水飽和度的影響。根據(jù)范圍（R）值的大小，結(jié)果表明，影響的順序是：注入壓力差>孔隙度>壓力，范圍（R值表示給定因素下殘余水飽和度的最大和最小平均值之間的差異。此外，水平均值（k值，定義為與因子的每個(gè)水平對(duì)應(yīng)的殘余水飽和度的平均值）的比較表明，水平組合A1B3C1使殘余水飽和度最小化。
圖 3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差分析
方差分析（ANOVA）與極差分析一起用于評(píng)估因子顯著性。雖然方差分析的F值（表2）表明孔隙度>注入壓差>壓力的影響層次，但沒有因素具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（p>0.05）。極差分析和方差分析之間的差異源于它們不同的方法論基礎(chǔ)。范圍分析根據(jù)影響大小（R值）的大小對(duì)因素進(jìn)行排名，突出顯示導(dǎo)致殘余水飽和度最大絕對(duì)變化的參數(shù)，而方差分析通過將方差分量與實(shí)驗(yàn)誤差進(jìn)行比較來評(píng)估統(tǒng)計(jì)顯著性（F和p值）。這種差異突顯了這兩種方法在識(shí)別具有實(shí)際影響和統(tǒng)計(jì)穩(wěn)健性的影響因素方面的互補(bǔ)性。
表2 殘余水飽和度的方差分析結(jié)果
基于正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在兩個(gè)假設(shè)下建立了多元線性回歸模型：（1）其他因素對(duì)殘余水飽和度的影響可以忽略不計(jì)，（2）實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)代表了實(shí)際的二氧化碳地質(zhì)封存項(xiàng)目。使用SPSS軟件對(duì)孔隙度、壓力、注入壓差和殘余水飽和度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將后者設(shè)置為因變量，將前三個(gè)設(shè)置為自變量。因變量和自變量之間的一般關(guān)系由方程（1）定義。
采用SPSS軟件對(duì)多元線性回歸模型進(jìn)行擬合度和線性關(guān)系分析。SPSS生成的模型匯總表如表3所示。
表3 德賓-沃森檢驗(yàn)
在表3中，“R”具體表示回歸模型的多元相關(guān)系數(shù)。根據(jù)表3，多元線性回歸模型的擬合表明，自變量——孔隙度、壓力和注入壓差——解釋了因變量——?dú)堄嗨柡投?0%的變化。這表明，殘余水飽和度變化的80%受孔隙度、壓力和注入壓差的影響。表4顯示了每個(gè)自變量對(duì)殘余水飽和度的影響。非標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)（B）表示預(yù)測(cè)變量變化一個(gè)單位時(shí)因變量的實(shí)際變化。與每個(gè)系數(shù)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)誤差（S.E.）反映了其估計(jì)的精度，較小的值表示更高的可靠性。標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)（Beta）通過消除這些單位，可以比較預(yù)測(cè)器的相對(duì)重要性。t值及其相應(yīng)的顯著性水平（p值）檢驗(yàn)了每個(gè)系數(shù)的統(tǒng)計(jì)可靠性。
表4 多元線性回歸方程的系數(shù)
根據(jù)表4，回歸分析表明，孔隙度對(duì)殘余水飽和度有顯著的正向影響（系數(shù)=1.206，p=0.035），而注入壓差則有顯著的負(fù)向影響（系數(shù)=-0.202，p=0.035）。相比之下，壓力不是一個(gè)重要因素（p=0.115）。標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)表明，注入壓差的影響最大，其次是孔隙度，壓力的影響最小。95%置信區(qū)間表明，孔隙度和注入壓差的區(qū)間不包括0，表明兩者分別對(duì)殘余水飽和度有顯著的正向和負(fù)向影響；壓力范圍包括0，表示其影響不顯著。從表7可以看出，通過多元線性回歸分析得到的回歸方程為方程（2）所示。
式中，y為殘余水飽和度，x1為孔隙度，x2（MPa）為壓力，x3（MPa）為注入壓差。多元線性回歸模型顯示了令人滿意的解釋力（調(diào)整后的R2=0.80），具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的預(yù)測(cè)因素；然而，它的統(tǒng)計(jì)穩(wěn)健性受到兩個(gè)明顯的限制。首先，該模型受到L9正交陣列設(shè)計(jì)固有的有限樣本量（n=9）的約束，該設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮篩選效率，但可能會(huì)影響參數(shù)估計(jì)的穩(wěn)定性。其次，該模型沒有考慮因素之間的潛在相互作用效應(yīng)，因?yàn)樗魂P(guān)注估計(jì)主要效應(yīng)。明確指出了這些局限性，以限定本研究結(jié)果的范圍，而推進(jìn)研究的詳細(xì)建議將在結(jié)論部分詳細(xì)闡述。
孔隙度是指巖心中孔隙體積占總體積的比例，通常以百分比表示，反映了巖石中可以容納流體的空間大小。它是決定巖石儲(chǔ)層儲(chǔ)集能力和流體運(yùn)移特征的關(guān)鍵參數(shù)。為了研究孔隙度對(duì)殘余水的影響，在保持其他參數(shù)不變的情況下進(jìn)行了補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)L-11。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖4通過實(shí)驗(yàn)L-4和L-11的對(duì)比分析，展示了孔隙度與殘余水飽和度之間的正相關(guān)關(guān)系。這種現(xiàn)象源于孔隙尺度的動(dòng)力學(xué)機(jī)制：當(dāng)巖心孔隙度較高時(shí)，CO2傾向于在大孔和中孔中形成主要的滲流通道，從而繞過以毛細(xì)管力為主的微孔區(qū)域，使微孔中的水難以被有效驅(qū)替。在低孔隙度條件下，巖心缺乏明顯的有利流動(dòng)路徑，對(duì)二氧化碳流動(dòng)的阻力增加，使其能夠更均勻地進(jìn)入微納尺度孔隙，從而提高微尺度驅(qū)替效率，最終導(dǎo)致殘余水飽和度降低?？紫抖鹊脑黾釉鰪?qiáng)了二氧化碳在大孔/中孔中的優(yōu)先驅(qū)替（圖5），使微孔區(qū)域（特別是在孔隙度較高的巖心中）排水不足。核磁共振監(jiān)測(cè)顯示，10%孔隙度巖心的微孔T2信號(hào)持續(xù)降低，而15%孔隙度試樣的變化很小，這證實(shí)了高孔隙度巖心微孔中的水難以有效驅(qū)替。
圖 4 L-4和L-11組殘余水飽和度的比較
圖 5 L-4和L-11組T2曲線的比較
壓力是影響CO2地質(zhì)儲(chǔ)量和地下流體行為的重要因素。在CO2地質(zhì)封存過程中，壓力不僅決定了封存巖層的流體狀態(tài)，而且對(duì)CO2的注入、運(yùn)移和封存穩(wěn)定性有直接影響。為了研究壓力對(duì)殘余水的影響，在保持其他參數(shù)不變的情況下進(jìn)行了補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)L-10和L-11。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。如圖6所示，隨著壓力的增加，殘余水飽和度降低，這驗(yàn)證了多元線性擬合得到的壓力與殘余水飽和度之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系。如拉普拉斯方程（方程（3））所示。
式中，Pc（MPa）為毛細(xì)管入口壓力，γ（mN/m）為CO2-H2O體系中的界面張力，（°）為接觸角，R1（m）為多孔介質(zhì)的有效孔隙半徑。
升高的壓力降低了CO2-水界面張力（方程式（3）），從而降低了毛細(xì)管入口壓力并提高了小孔排水效率。核磁共振分析（圖7）通過壓力依賴性T2振幅降低證明了這一機(jī)制：#1巖心的納米孔在9/10MPa時(shí)峰值降低了15.62/17.84，而#3巖心的微孔在8/10MPa時(shí)降低了13.47/14.04。核磁共振數(shù)據(jù)證明，壓力增加有效地促進(jìn)了水從納米微米孔中的排出。不同孔隙度巖心變化的一致趨勢(shì)進(jìn)一步表明，壓力通過調(diào)節(jié)界面性質(zhì)顯著優(yōu)化了毛細(xì)管保水機(jī)制，這種現(xiàn)象在不同類型的孔隙中普遍存在。
圖 6 L-2/L-10和L-11/L-9組殘余水飽和度的比較
圖 7 L-2/L-10和L-11/L-9組T2曲線的比較
注入壓差是指巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中注入壓力與背壓（壓力）之間的差值，是影響CO2流量和驅(qū)替效率的關(guān)鍵因素。為了研究注入壓差對(duì)殘余水的影響，在保持其他參數(shù)不變的情況下進(jìn)行了補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)L-10和L-11。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。
圖 8 L-3/L-10和L-11/L-7組殘余水飽和度的比較
通過對(duì)L-10/L-3和L-11/L-7實(shí)驗(yàn)組的比較分析（圖8），本研究揭示了注入壓差與殘余水飽和度之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。從孔隙尺度流體動(dòng)力學(xué)的角度來看，增加注入壓差可以提高孔隙系統(tǒng)內(nèi)CO2的驅(qū)替能力，使其能夠克服低滲透區(qū)的毛細(xì)管阻力閾值，并有效地調(diào)動(dòng)在常規(guī)條件下保持不動(dòng)的毛細(xì)管截留水。圖9通過
L-11和L-7巖心的MRI成像進(jìn)一步證明了這一機(jī)制，其中巖心徑向上端和下端附近的漸進(jìn)信號(hào)衰減與注入壓差的增加相關(guān)，表明水驅(qū)替增強(qiáng)，殘余飽和度降低。與L-7相比，L-11（注入壓差較低）的MRI信號(hào)明顯更強(qiáng)，直接驗(yàn)證了注入壓差在控制殘余水飽和度方面的作用。盡管低孔隙度巖心（L-3/L-10）的MRI分辨率有限，但一致的飽和度趨勢(shì)支持這種孔隙尺度機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)與多元回歸預(yù)測(cè)一致，證實(shí)了優(yōu)化注入壓差可以顯著提高驅(qū)替效率，特別是在連通性較差的孔隙區(qū)域，從而為有效的二氧化碳地質(zhì)封存提供了關(guān)鍵的理論支持。
圖 9 L-11和L-7組MRI圖像的比較
T2曲線動(dòng)態(tài)表征了驅(qū)替過程中巖心水的分布/遷移。圖10-12顯示了九個(gè)正交實(shí)驗(yàn)（#1、#2、#3巖芯）的T2曲線。大于1000ms的信號(hào)（圖10-12）表示飽和的管道殘余水，而不是巖心內(nèi)的殘余水。 圖10顯示，在驅(qū)替過程中，1號(hào)巖心的大/中孔內(nèi)的水分被迅速驅(qū)走，而微孔逐漸減少。納米孔保持穩(wěn)定的含水量，除了接近峰值T2值。圖11-12顯示，注入二氧化碳會(huì)導(dǎo)致2號(hào)巖心（類似于1號(hào)巖心）和3號(hào)巖心中的大/中孔迅速耗水，而微孔的減少幅度很小，納米孔保持穩(wěn)定。值得注意的是，3號(hào)巖心表現(xiàn)出加速的驅(qū)替動(dòng)力學(xué)，在最初的10分鐘內(nèi)排出了50%以上的水。九次正交驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的T2光譜表明，水遷移與孔隙結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。殘余水主要占據(jù)微孔/納米孔，由拉普拉斯方程（方程（3））解釋：毛細(xì)管進(jìn)入壓力與孔隙半徑成反比，需要更高的壓力使二氧化碳侵入較小的孔隙以驅(qū)替水。
圖 10 #1巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)T2曲線
圖 11 #2巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)T2曲線
圖12 #3巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)T2曲線
為了對(duì)不同孔徑的水運(yùn)移和賦存進(jìn)行綜合分析，利用驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的初始T2曲線和驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)的T2曲線計(jì)算了9個(gè)不同孔徑正交設(shè)計(jì)驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的含水飽和度，計(jì)算結(jié)果如圖13所示。不同孔徑的含水飽和度計(jì)算公式如方程式（4）所示。
其中R是不同孔徑的含水飽和度，A1是驅(qū)替結(jié)束時(shí)T2曲線中納米孔、微孔、中孔或大孔范圍內(nèi)的核磁信號(hào)總量，A2是初始T2曲線中的納米孔、微孔、中孔、或大孔的核磁信號(hào)總量。
圖13展示了九個(gè)正交實(shí)驗(yàn)中孔徑依賴的水分布，納米孔保持>80%的水飽和度，而大孔保持<10%的水飽和度。這種差異源于成反比的毛細(xì)管進(jìn)入壓力（方程式（3）），其中納米級(jí)孔需要比大孔高3-5倍的置換壓力。值得注意的是，實(shí)驗(yàn)L-5/L-8/L-9顯示納米孔飽和度>100%，揭示了二氧化碳驅(qū)替過程中顯著的毛細(xì)管膨脹效應(yīng)：當(dāng)二氧化碳作為非潤(rùn)濕相進(jìn)入大孔喉道時(shí)，產(chǎn)生的毛細(xì)管壓差促使孔隙水自發(fā)遷移到具有更強(qiáng)毛細(xì)管力的納米級(jí)孔隙。
為了進(jìn)一步分析驅(qū)替實(shí)驗(yàn)后不同孔徑的殘余水分布比例，利用驅(qū)替實(shí)驗(yàn)的初始T2曲線和驅(qū)替實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的最終狀態(tài)的T2曲線計(jì)算每組實(shí)驗(yàn)不同孔徑的殘余水分布比例，計(jì)算結(jié)果如圖14所示。計(jì)算殘余水分部比例的方程式（5）如下。
其中P是殘余水分布比例，A1是驅(qū)替結(jié)束時(shí)T2曲線中納米孔、微孔、中孔或大孔范圍內(nèi)的核磁信號(hào)總量，A3是驅(qū)替結(jié)束時(shí)T2曲線中所有孔的核磁信號(hào)總量。
從圖14可以看出，在9組正交設(shè)計(jì)的巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)中，殘余水主要存在于納米孔和微孔中，90%以上的殘余水出現(xiàn)在納米孔和微孔（L-8）中。除L-4外，不少于70%的殘留水存在于納米孔和微孔中。從圖14可以看出，大孔中殘留的水不到5%，這表明絕大多數(shù)水最終存在于納米孔、微孔和中孔中。這表明，在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，大孔仍然是二氧化碳驅(qū)水的主要區(qū)域，而納米孔中的水很容易被二氧化碳?xì)怏w堵塞和保留。因此，大孔隙比例高的巖心容易發(fā)生氣竄，進(jìn)而影響小孔隙中水的驅(qū)替。因此，圖13和14表明，巖心的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)捕獲殘余水的過程有重大影響。
圖13 不同孔徑的含水飽和度
圖14 不同孔徑的殘余水分布比例
為了分析巖心驅(qū)替過程中的平面內(nèi)水的遷移賦存，MRI可視化了二維水分布（圖15-17）。低（藍(lán)色）和高（紅色）信號(hào)強(qiáng)度分別對(duì)應(yīng)于含水量的降低和升高。MRI圖像顯示了CO2驅(qū)替過程中顯著的空間異質(zhì)性特征（圖15-17）。低孔隙度#1巖心最初表現(xiàn)出微弱的MRI信號(hào)，在整個(gè)CO2驅(qū)替過程中逐漸衰減，直到與背景噪聲無法區(qū)分，這最終證明MRI圖像質(zhì)量主要受孔隙空間中的含水量控制。與之形成鮮明對(duì)比的是，#2和#3巖心最初表現(xiàn)出均勻的水分分布，但在注入二氧化碳的過程中逐漸形成了明顯的非均勻模式：由毛細(xì)管捕獲引起的孤立水團(tuán)和由毛細(xì)管末端效應(yīng)引起的巖心出口積水。MRI圖像中觀察到的空間異質(zhì)性對(duì)二氧化碳封存的安全性有重大影響。毛細(xì)管捕獲的水團(tuán)簇增強(qiáng)了殘余相捕獲，這可能會(huì)產(chǎn)生局部飽和度梯度。因此，確定該水團(tuán)的分布模式對(duì)于定位剩余封存優(yōu)勢(shì)區(qū)和預(yù)測(cè)二氧化碳羽流滯留路徑至關(guān)重要。出口處的毛細(xì)管端部效應(yīng)表明，如果在現(xiàn)場(chǎng)模擬中沒有適當(dāng)考慮，實(shí)驗(yàn)室測(cè)量可能會(huì)高估剩余捕獲效率。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了在儲(chǔ)層模型中考慮孔隙尺度非均質(zhì)性的必要性，以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)二氧化碳羽流的長(zhǎng)期遷移模式和捕獲機(jī)制。
圖15 #1巖心MRI圖像
圖16 #2巖心MRI圖像
圖17 #3巖心MRI圖像
本文結(jié)論：
本研究通過巖心驅(qū)替實(shí)驗(yàn)研究了孔隙度、壓力和注入壓差對(duì)CO2-H2O流動(dòng)和殘余水飽和度的影響。通過將正交設(shè)計(jì)與核磁共振技術(shù)相結(jié)合，建立了一個(gè)預(yù)測(cè)模型，闡明了控制水遷移和分布的潛在機(jī)制，為多相流過程提供了關(guān)鍵見解。主要結(jié)論總結(jié)如下：
（1）使用SPSS軟件建立多元線性回歸方程：SW=0.782+1.206φ-0.04P-0.202ΔP。分析表明，注入壓差的影響最大，其次是孔隙度，壓力的影響最小。模型的可靠性和線性關(guān)系的顯著性得到了統(tǒng)計(jì)證實(shí)。
（2）驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證實(shí)了模型預(yù)測(cè)的關(guān)系：殘余水飽和度隨著孔隙度的增加而增加，但隨著壓力和注入壓差的增加而降低。這是因?yàn)檩^高的孔隙度增強(qiáng)了小孔中的保水性，而較大的壓力降低了界面張力，較大的注入壓差提高了波及效率，兩者都增強(qiáng)了驅(qū)替過程。
（3）核磁共振分析表明，驅(qū)水效率受孔隙結(jié)構(gòu)的控制。大孔中的水優(yōu)先被驅(qū)替，而納米孔和微孔則是主要的儲(chǔ)存空間，容納了高達(dá)90%的殘留水。這一定量結(jié)果突顯了從小孔中回收水的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。
本研究系統(tǒng)地闡明了孔隙度、壓力和注入壓差影響殘余水形成的孔隙尺度機(jī)制，為解決地質(zhì)儲(chǔ)碳的實(shí)際挑戰(zhàn)提供了關(guān)鍵見解。在處理天然儲(chǔ)層的原位非均質(zhì)性時(shí)，所揭示的孔隙尺度位移特征，如非均勻流體遷移模式，能夠預(yù)測(cè)非均質(zhì)地層中的二氧化碳羽流路徑和捕獲行為，同時(shí)促進(jìn)孔隙結(jié)構(gòu)分類框架的開發(fā)，以指導(dǎo)高度可變儲(chǔ)層的選址和儲(chǔ)能效率評(píng)估。對(duì)于實(shí)際的二氧化碳注入操作和監(jiān)測(cè)，建立的多元回歸模型為智能參數(shù)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)，驅(qū)替終點(diǎn)處的殘余水飽和度指標(biāo)體系——結(jié)合孔徑范圍內(nèi)的飽和度分布——為動(dòng)態(tài)過程監(jiān)測(cè)和性能評(píng)估提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在支持儲(chǔ)層模型參數(shù)化時(shí)，正交實(shí)驗(yàn)得出的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)作為模擬中相對(duì)滲透率曲線的加權(quán)因子，量化的孔隙尺度非均質(zhì)性特征為孔隙網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建提供了信息，特別是在定義孔隙分布函數(shù)時(shí)。這些綜合成果將微觀機(jī)制與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用聯(lián)系起來，顯著提高了二氧化碳封存項(xiàng)目的可預(yù)測(cè)性和可靠性。
然而，這項(xiàng)研究仍有一定的局限性。首先，多元線性回歸模型基于有限的正交實(shí)驗(yàn)樣本量（n=9），沒有考慮因素之間的相互作用效應(yīng)，盡管模型外推適用于初步篩選，但可能會(huì)影響模型外推的穩(wěn)健性。其次，本研究中使用的人工均質(zhì)砂巖巖心不能完全復(fù)制天然儲(chǔ)層的微觀尺度非均質(zhì)性和各向異性特征，這些特征發(fā)展出復(fù)雜的成巖特征和多尺度孔隙-裂縫系統(tǒng)，從而限制了將結(jié)果直接外推到現(xiàn)實(shí)地質(zhì)條件。為了解決這些限制，未來的研究可以通過以下方式在現(xiàn)有發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行：（1）采用響應(yīng)面方法（RSM）擴(kuò)大樣本量，并嘗試非線性多元回歸模型來系統(tǒng)地量化相互作用效應(yīng)。（2）利用天然巖心結(jié)合微CT和NMR技術(shù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，揭示地質(zhì)形成的孔隙網(wǎng)絡(luò)對(duì)殘余水分布的影響。（3）實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)規(guī)模的演示，將孔隙規(guī)模機(jī)制整合到儲(chǔ)層模擬器中，從而在實(shí)際的碳儲(chǔ)存場(chǎng)景中驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論。
中尺寸核磁共振成像分析儀
[1] Yi Li, Wendong Dan, Yujie Diao, Li He, Ting Liu. Formation of residual water in sandstone CO2-H2O system: A comprehensive study based on orthogonal experiment and nuclear magnetic resonance method[J]. Journal of Hydrology, 2025, 666, 134842.
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