CO_(2)地质封存中储层岩石润湿性测量研究进展.pdf

文章编号：1007 6735(2023)03 0205 15DOI:10.13255/ki.jusst.20230311001CO2地质封存中储层岩石润湿性测量研究进展王欣，李少华，刘瑜，张毅，蒋兰兰，宋永臣（大连理工大学能源与动力学院，大连116024）摘要：多孔介质的润湿性是 CO2地质封存过程中的重要参数。基于润湿性测量方法和光学成像技术综述了 CO2封存条件下不同尺度的多孔介质润湿性测量技术，并分析了相关润湿现象。目前，岩石润湿性的测量主要分为：实验室尺度的表面润湿性测定、孔隙尺度的内部壁面接触角测定，以及宏观尺度的岩心整体润湿性评价。孔隙结构、矿物组成成分和表面粗糙度是孔隙尺度接触角的关键影响因素，它们会影响多孔介质的混合润湿特性并造成润湿滞后现象。根据不同局部驱替事件（如排水、渗吸）的接触角分布建立了孔隙尺度与连续尺度的岩石润湿性关系。最新研究发现，随着驱替的发展，岩石润湿性在排水和渗吸过程中发生了显著改变，但不同尺度的岩石润湿性的关系及润湿转变机理仍需要进一步研究。关键词：润湿性；CO2地质封存；孔隙尺度；润湿转变；成像技术中图分类号：X701文献标志码：AA review of wettability measurement of the reservoir rock in CO2geological storageWANG Xin，LI Shaohua，LIU Yu，ZHANG Yi，JIANG Lanlan，SONG Yongchen(School of Energy and Power Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)Abstract:ThewettabilityofporousmediaisanimportantparameterintheprocessofCO2geologicalstorage.Based on the wettability measurements and optical imaging techniques,the wettabilitymeasurement techniques of porous media at different scales under CO2 storage conditions werereviewed,and the related wettability phenomena were analyzed.At present,the rock wettabilitymeasurementsaremainlydescribedfromthemeasurementofsurfacewettabilityatthelaboratoryscale,thecontactangleattheporousinnersurface,andtheoverallwettabilityevaluationofcoresamplesatthemacroscale.Itwasshownthattheporestructure,mineralcomposition,andsurfaceroughnesswerecriticalfactorsforthepore-scalecontactangle,affectingthemixedwettingcharacteristicsofporousmedia and causing the wetting hysteresis phenomenon.The relationship between pore-scale and上 海 理 工 大 学 学 报第45卷第3期J.UniversityofShanghaiforScienceandTechnologyVol.45No.32023收稿日期：20230311基金项目：国家自然科学基金资助项目（52176057，52106213）；辽宁省优秀青年基金资助项目（2022YQ-12）；山西省基础研究计划（20210302124207）；新疆自治区重点研发计划专项（2022B01033）；山西省留学基金委资助项目（2020-116）第一作者：王欣（2000），女，硕士研究生研究方向：CO2地质封存与利用E-mail：通信作者：蒋兰兰（1986），女，教授研究方向：CO2减排及水合物开采利用E-mail：continuum-scalerockwettabilitywasestablishedbasedonthecontactangledistributionindifferentlocal displacement events(such as drainage and imbibition).A recent study found that the rockwettabilitychangedsignificantlyduringthedrainageandimbibitionprocesswiththedevelopmentofthedisplacementprocess.However,thecorrelationbetweenthewettabilityofrocksatdifferentscalesandthemechanismofwettabilityalternationstillneedtobefurtherstudied.Keywords:wettability;CO2 geological storage;pore-scale;wettability alternation;imagingtechniqueCO2地质封存指通过技术手段将 CO2注入深部盐水层、枯竭油气藏、不可开采的煤层等储层中进行长久封存，是实现温室气体减排的有力措施之一1。岩石润湿性是评估储层封存能力和安全性的重要指标2，它是指一种流体黏附到固体表面的能力3，直接影响 CO2盐水岩石多相系统中残余相的饱和度4、流体形态分布5、界面面积、相对渗透率6及毛细管压力7-8等渗流参数。润湿性是影响储层物理性质的关键因素9，储层流体特性（如温度、压力、相态）和组成（如矿物成分和相互作用）会直接影响岩石的润湿性10-13。岩石润湿性按均匀程度可以分为均匀润湿和混合润湿体系。均匀润湿体系的接触角分布通常较为集中14，然而，大部分储层都不是均匀润湿体系。实际储层存在复杂的孔隙结构，非均质性强15，大多为混合润湿体系，通常表现出不同的流体流动特性16。Akai 等17发现，在混合润湿体系下，水的有效渗透率与实验结果更相似。Zou 等18认为混合润湿体系会增加流体连通性和团簇运动，降低系统有效渗透率。因此，准确描述多孔介质的润湿性，有利于探明流体的流动特性和 CO2的封存机制。目前，已有文献总结了 CO2流体岩石体系的润湿性特征19-20，尤其是岩石表面润湿性，并分析了岩石润湿性的影响因素以及润湿性在流体运移过程中的作用21-22。本文针对 CO2封存条件下多孔介质润湿性的最新测量技术，综述了多孔介质在不同尺度下的润湿性测量方法，主要包括：实验室尺度的多孔介质表面润湿性测定、孔隙尺度多孔介质局部壁面接触角测定，以及宏观尺度岩心样品的整体润湿性评价。同时，本文指出了测量过程中润湿性表现出的新现象，如润湿滞后、混合润湿现象，以及不同驱替事件（即排水和渗吸）下的润湿性变化。这将有助于设置不同的润湿性条件，以获得最佳的 CO2封存能力，进一步促进 CO2地质封存的实施。1 多孔介质表面润湿性多孔介质表面润湿性一般用岩心表面和不同流体界面之间的接触角来表征23。在 CO2盐水岩石系统中（图 1），定义岩石接触角在 070时为亲水系统，70110时为中性润湿系统，110180时为亲 CO2系统9。由于三相相互作用，接触角由 Young-Laplace 方程确定24。水滴超临界CO2矿物表面LFSFSL图 1 岩石表面接触角的示意图9Fig.1 Schematic of contact angle of rock surface9cos =SFSLLF（1）LFSFSL式中：为接触角；，分别为 CO2盐水、CO2岩石和盐水岩石的界面张力。1.1 接触角表征多孔介质表面接触角的测量方法如图 2 所示，主要包括座滴法25、捕泡法26、Wilhelmy 平板法27、倾斜板法28和毛细管上升法29。座滴法是测量表面接触角的关键方法之一（图 2（a）25，它可以直接运用于理想平滑表面的测量，但无法表征真实表面和粗糙表面的接触角。捕泡法在充满盐水的实验池中测量固液界面处的气泡接触角（图 2（b）26，该方法减少了座滴法由于盐水扩散引起的误差30。但是，不平整表面以及针管位置与气泡中心线的不匹配都会降低捕泡法的精度。Wilhelmy 平板法（图 2（c）27可以测量液体和样品之间的润湿性31，除了使用厚度206上海理工大学学报2023年第45卷均匀的矩形板外，也可以在三角形和不规则形状的平板中计算接触角32。倾斜板法主要用于测量动态接触角（图 2（d）28，其操作简单，但接触角的测量强烈依赖于板的倾斜、液滴的大小和形状。毛细管上升法根据毛细效应可以有效地获得毛细管的动态润湿过程（图 2（e）29，但缺乏实用性。1.2 接触角滞后接触角滞后（contactanglehysteresis,CAH）由表面粗糙度、表面变形、表面不均匀等因素引起，通常表现为前进接触角（advancingcontactangle,ACA）和后退接触角（recedingcontactangle,RCA）之差33。近年来提出了一系列动态接触角的测量方法26,34-37。Lander 等38发现，Wilhelmy 平板法是测量 CAH 的最佳方法，可以减少操作者的主观性，其次是倾斜板法，而座滴法实施难度最大。当 CO2注入储层后，排水过程中 CO2驱替水相时，水接触角为后退接触角；渗吸过程中水驱替CO2时，水接触角为前进接触角39。排水过程的后退接触角一般小于渗吸过程的前进接触角40。岩石的非均质性也会影响接触角滞后，ACA 对非均质表面中疏水的成分更敏感，而 RCA 对亲水的成分更敏感19。目前，虽然有接触角滞后的定性分析，但复杂的拓扑结构和非均质性对接触角滞后的影响仍需进行大量的研究。多孔介质表面接触角可以表征岩石表面润湿性和动态滞后过程，但表面粗糙度和岩石结构可能会影响测量精度。渗吸方法揭示了岩石内部的孔隙连通特征20，可以测量岩石的润湿性41-42，但受流体界面相互作用的影响较大。多孔介质表面润湿性只能衡量实验室尺度的岩心表面特性43。未来应准确测量具有复杂结构的岩石润湿性，完善多孔介质的物性表征，为 CO2封存选址提供有力的理论支撑。2 多孔介质局部壁面接触角岩石的表面粗糙度、孔隙几何形状和化学成分直接影响流体分布，进而影响接触角测量的准确性44。目前，对孔隙尺度下岩石的润湿特征仍缺乏基本的认识45，尚未完全了解流体注入后的壁面润湿行为。Li 等46发现平板表面测量的静态接触角小于孔隙内接触角，用表面接触角来预测孔接触角是不合适的。多孔介质局部壁面的润湿性测量至关重要，需要通过一些先进的技术（如微模型和 X 射线计算机断层扫描）来实现。2.1 微模型微模型由两块薄玻璃板组成，玻璃板表面通过化学手段和几何设计进行处理47，模拟真实的岩石状况（图 3（a）48，该模型有助于观察储层中复杂的多相、多组分的相互作用49。高压微模型可以用于研究 CO2盐水岩石系统中的流体运动现象（图 3（b），3（c）50-51，测量多孔介质壁面与液面之间的接触角52-53，也可以获得流体运动过程中的动态接触角54、渗吸过程中的前进接触角和排水过程中的后退接触角，如图 3（d）所示53。除了常规的角度测量方法外，还可以用图像拟合流体界面来测量微模型的接触角55。在微模型中，可以直接测量静态、动态和平衡接触角，方法简单，易于操作。但润湿性主要通过测量微模型上的局部接触角获得，即使在高