《Carbon Capture Science & Technology》：Deciphering salt precipitation in saline aquifer carbon sequestration: insight from microfluidic and molecular perspectives
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为解决CO2咸水层封存过程中盐结晶导致的储层孔隙堵塞和注入效率降低问题，研究人员通过微流控实验与分子动力学（MD）模拟相结合的方法，系统揭示了盐结晶的五阶段动态过程（成核、迁移、生长、滞留、堵塞）及其分子机制。研究发现结晶形态和位置受残余卤水饱和度控制，并存在毛细管回流驱动的异位沉淀现象。该研究为优化CO2注入策略、提高封存安全性提供了重要理论依据。
随着全球气候变化问题日益严峻，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术成为减少温室气体排放的关键途径之一。其中，将二氧化碳（CO2）注入深部咸水层进行地质封存被认为是一种具有巨大潜力的方案。然而，这一过程并非一帆风顺。当干燥的CO2注入富含盐分的咸水层时，会引发卤水的蒸发，导致溶解盐的浓度急剧升高并最终结晶析出。这些盐晶体在储层的孔隙空间中生长、堆积，如同血管中的血栓一样，可能堵塞流体流动的通道，从而显著降低CO2的注入效率，甚至对储层结构造成不可逆的损伤，威胁封存项目的安全性与经济性。尽管前人通过岩心驱替实验和数值模拟对盐结晶现象有所探索，但宏观尺度的研究难以直接观测和阐明孔隙尺度上复杂的结晶动态行为，且不同研究之间的结论存在显著差异，这表明我们对盐结晶微观机理的理解仍存在空白。为了深入揭示这一关键过程的奥秘，一项结合了前沿观测与模拟技术的研究应运而生，其成果发表在《Carbon Capture Science 》上。
本研究主要采用了三种关键技术方法：首先是基于硅基玻璃的微流控芯片技术，该技术通过超短脉冲激光烧蚀加工出模拟真实砂岩孔隙结构的二维模型，实现了对CO2-卤水驱替和盐结晶过程的实时、可视化观测。其次是图像识别与定量分析技术，研究人员开发了自定义代码，对时间序列图像进行处理，精确量化了卤水蒸发和盐结晶的面积分数。第三是分子动力学（MD）模拟，利用LAMMPS软件包，在原子/分子尺度上模拟了离子聚集、成核和晶体生长的过程，揭示了其微观机制。这些多尺度方法的结合，构成了本研究的核心技术框架。
2.2. 盐结晶动态过程
通过微流控实验，研究人员系统观察并描述了盐结晶的五个连续动态阶段。
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2.2.1. 盐晶体成核：研究发现，残余卤水以卤水膜、角隅膜和孤立卤水池三种形式存在。盐晶体的成核发生在四个特征位置，并形成两种结构形态：在高饱和度区域（如角隅膜、气液界面、卤水池）形成块状晶体，而在低饱和度区域（如主通道壁的卤水膜）形成多孔聚集晶体。静态液滴蒸发实验进一步证实，成核优先发生在蒸发强度高、传质快的CO2-卤水界面。
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2.2.2. 盐晶体生长与迁移：实验观察到，已形成的晶体可以在卤水膜的携带下发生迁移。晶体迁移需要两个关键条件：卤水作为传输介质，以及晶体与壁面之间较弱的粘附力。块状晶体在满足条件时可发生迁移，而一旦其尺寸超过角隅膜厚度并与壁面粘附，迁移便会停止。多孔聚集晶体由于在壁面上成核生长，摩擦阻力大，通常保持静止。研究还发现，通过晶体的吸湿性和毛细作用，残余卤水可以在孔隙间重新分布。
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2.2.3. 盐晶体滞留与堵塞：盐晶体的滞留分为原位和异位两种模式。多孔聚集晶体和粘附于壁面的块状晶体导致原位沉淀，其分布可根据残余卤水分布进行预测。而未粘附的块状晶体迁移后沉淀则导致异位堵塞，这增加了预测的难度。不同晶体结构对孔隙度和渗透率的影响各异：块状晶体可能深入主通道，显著减小流动截面积；而多孔聚集晶体主要沿壁面生长，对流动影响相对较小。在喉道处，块状晶体可能完全堵塞孔隙。
3. 盐结晶动态过程的分子动力学模拟
MD模拟从分子尺度补充了实验观察。模拟结果显示，盐离子在CO2注入驱动下发生聚集，优先在气液界面和气-液-固三相接触区成核，这与实验观察一致。径向分布函数（RDF）分析表明，随着模拟进行，离子排列呈现出面心立方（fcc）晶格的特征，标志着晶体结构的形成。对成核团簇位移的追踪发现，一旦团簇与固体表面接触，其迁移性便显著降低，这从分子层面支持了实验中观察到的晶体迁移受壁面粘附制约的机制。
4. 多孔介质中的盐结晶效应
在更接近真实储层结构的多孔介质模型中，研究对卤水蒸发和盐结晶进行了定量分析。结果表明，这两个过程均遵循三阶段模式：初始缓慢发展阶段、中期恒定增长阶段和后期衰减阶段。这两个过程紧密耦合，在中期阶段相互促进。研究强调了毛细管压力梯度（由于近注入点区域界面张力变化引起）是驱动卤水发生长距离回流（向注入点方向）的关键因素，而晶体的吸湿性、浓度梯度等则促使卤水发生短距离迁移，共同导致了注入点附近严重的盐结晶和孔隙堵塞。
5. 盐结晶效应总结与关键挑战
研究总结指出，盐结晶过程在空间上可划分为干燥带、两相流带和原位卤水带三个区域，在时间上则经历成核、迁移-生长、滞留-堵塞三个动态阶段。这一复杂过程受卤水性质（盐类型、矿化度）、注入条件（湿度、流速）、润湿性、孔隙结构等多种因素控制。特别指出，对于单价盐（如NaCl, KCl）和二阶盐（如CaCl2, MgCl2），其结晶形态、卤水回流强度和堵塞模式存在显著差异，这影响了它们对储层的伤害程度。
本研究通过微流控和分子动力学模拟相结合的多尺度研究方法，首次系统阐明了咸水层CO2封存中盐结晶的完整动态过程（成核、迁移、生长、滞留、堵塞）及其微观机制。研究发现，盐结晶的形态和位置受残余卤水饱和度控制，并存在由毛细管回流水驱动的异位沉淀现象，这是导致近井地带严重堵塞的关键机制。分子模拟证实了成核的优先位置并揭示了晶体结构的演化。此外，研究定量揭示了卤水蒸发和盐结晶均遵循三阶段模式。这些发现不仅深化了对孔隙尺度盐结晶物理化学过程的理解，更重要的是，为改进现有数值模拟模型、准确预测盐结晶对储层渗透性的影响，以及最终优化CO2注入策略以保障封存项目的安全性和效率提供了坚实的理论基础和实验依据。该研究将推动咸水层碳封存技术向更精准、更可控的方向发展。
