细颗粒物质含量及胶结作用减弱对用于二氧化碳地质封存的砂质储层强度和渗透性的影响

《Geoenergy Science and Engineering》：Effects of fine contents and cementation weakening on strength and permeability of sandy reservoir for CO 2 geological sequestration

CO2地质封存中砂岩胶结弱化过程对渗透率影响研究，通过酸腐蚀模拟和CT扫描分析发现细粒含量与胶结条件共同作用导致渗透率非线性变化，孔隙结构演变与压缩特征密切相关，提出准二次关系模型指导工程应用。

　　

杨欣|严梦秋|郑家楠|杨阳|洪毅|王立忠

中国江苏省重庆市重庆大学李阳校区智慧城市研究所，邮编213300

摘要

二氧化碳（CO₂）的地质封存是缓解全球变暖的有效方法。在地质封存过程中，注入CO₂后，流体腐蚀和有效应力的共同作用下，砂质储层的胶结作用会显著减弱甚至破坏，这会影响封存效率和安全性，但这一问题在实验中很少被揭示。本研究开发了一套用于制备碳酸钙（CaCO₃）胶结砂岩的方法，并通过酸腐蚀控制胶结作用的减弱过程，然后使用岩心夹持器研究了细颗粒含量和胶结条件对砂岩强度和渗透性的影响。结果表明，在相同的胶结条件下，砂岩强度随细颗粒含量的增加而降低；砂岩渗透性最初随有效应力的增加而降低，随后在达到机械屈服点时迅速下降。在酸腐蚀过程中，胶结作用的减弱导致砂岩渗透性降低了大约1到2个数量级。结合计算机断层扫描（CT）观察发现，孔隙数量和体积逐渐减少，微孔与大孔的比例明显增加。在地质应力条件下，胶结作用减弱的砂岩的压缩行为先呈均匀性，随后变得不均匀，这种不均匀性主要是由于孔隙塌陷造成的，这对砂岩渗透性有重要影响。最终发现，砂岩渗透性与最小孔隙率之间存在准二次关系，这种关系适用于不同的细颗粒含量和胶结条件。本研究对于未来研究CO₂地质封存的渗流特性和注入效率具有重要意义。

引言

二氧化碳（CO₂）是导致全球变暖的温室气体之一（Kumar等人，2020年）。CO₂的地质封存是减少温室气体排放、缓解气候影响的有效途径（Wang等人，2021年）。该技术通过将CO₂注入深层地质构造来实现，封存介质包括活跃或枯竭的油气储层（Omari等人，2022年）、深层咸水含水层（Thanh等人，2022年）、不可开采的煤层和盐穴（Yan等人，2020年）。考虑到已知的地质条件和现有的基础设施，这些地点降低了CO₂地质封存项目的成本（Raza等人，2018年），尤其是枯竭的油气储层具有良好的储层条件和较低的泄漏风险（Dance，2013年；Raza等人，2016年）。然而，深层地质构造的条件非常复杂，储层内部可能发生多种相互作用，包括但不限于溶解、沉淀、迁移和堵塞（Wang等人，2020年；Liu等人，2021年），其中含有多种粘土和矿物质以及酸性气体。最大的风险是砂质储层的胶结作用减弱，这会导致储层强度和渗透性的变化，进而影响CO₂封存的效率和安全性（Shafiq等人，2015年；Li等人，2019年）。

近年来，全球研究人员对CO₂封存过程中的储层特性及相关反应给予了极大关注。Kamal等人（2021年）利用核磁共振（NMR）和扫描电子显微镜（SEM）研究了粘土矿物含量对砂岩破坏的影响，发现细颗粒的迁移和粘土膨胀会导致渗透性和孔隙率下降。通常情况下，注入CO₂后储层流体的pH值约为4到5（Kharaka等人，2006年），但注入的CO₂可能含有二氧化硫（SO₂）等杂质气体，使储层流体的pH值降至0到1（Xu等人，2007年），从而不可避免地侵蚀储层岩体。酸岩反应会导致岩石性质的恶化，进而改变岩石的矿物组成、微观结构和力学性能。即使对于致密的石灰岩，酸也会对其表面产生腐蚀作用（Zhang等人，2020年；Lai等人，2022年）。因此，在CO₂封存过程中，孔隙率和渗透性是储层的重要变化参数。Titov等人（2016年）发现，将酸性溶液注入高含量的菱铁矿砂岩中会导致渗透性从10.5 mD降至0.03 mD。研究表明，粘土迁移和沉淀是导致渗透性下降的主要原因（Zhou等人，2022年；Ines等人，2023年）。Li等人（2018年）发现矿物溶解会导致砂岩变形，表现为岩石软化。Shafiq等人（2019年）和Cui等人（2022年）也研究了矿物溶解对孔隙率和渗透性的影响。此外，Al-Yaseri等人（2015年）发现较高的细颗粒浓度会导致孔隙率和渗透性进一步降低。许多实验室研究揭示了热力学和应力因素对不同砂岩在胶结侵蚀过程中的孔隙特性和力学性能的影响（Zhang等人，2023年；Liu等人，2022年；Zeng等人，2024年）。然而，关于碳酸钙（CaCO₃胶结砂岩的胶结作用减弱的研究较少（Sari等人，2022年；Han等人，2023年），且大多数先前研究忽略了地质应力条件。因此，有必要研究胶结作用减弱对不同砂岩强度和渗透性的影响。

如上所述，为了确保CO₂封存的效率和安全性，有必要研究实际有效应力条件下砂质储层的胶结作用减弱过程。本研究采用CaCO₃胶结砂岩，并通过酸腐蚀控制胶结作用的减弱，旨在利用岩心夹持器获取不同细颗粒含量砂岩的渗流力学特性，并结合计算机断层扫描（CT）揭示砂岩渗透性和孔隙结构的变化。通过总结地质应力条件下胶结作用减弱砂岩的压缩规律，本研究有助于实现CO₂在砂质储层中的安全高效注入。

实验装置

本研究中用于研究胶结作用减弱砂岩的实验系统如图1(a)所示。实验装置主要由岩心夹持器、注入泵、轴向压力泵、围压泵和收集器组成。需要注意的是，岩心夹持器及所有阀门和管道均具有耐酸性。岩心夹持器由peek材料制成，适用于高压下的CT扫描。所使用的CT设备（NanoVoxel-4000系列）具有10 μm的高分辨率，由Sanying公司提供

结果与讨论

为了研究胶结作用减弱对CO₂地质封存过程中砂质储层渗流特性的影响，本研究制备了细颗粒含量分别为10%、30%和50%的CaCO₃胶结砂岩，并在岩心夹持器中通过酸腐蚀方法模拟了胶结作用的减弱过程。首先测量了砂岩的力学强度和渗透性，然后结合CT扫描分析了其压缩特性和孔隙结构

结论

本研究制备了细颗粒含量分别为10%、30%和50%的CaCO₃胶结砂岩，并通过酸腐蚀方法模拟了胶结作用的减弱过程。研究了细颗粒含量和胶结作用减弱对砂岩力学强度和渗透性的影响。结合CT扫描结果，分析了砂岩的压缩特性和孔隙结构，以了解砂岩渗透性的变化规律。得出以下结论：

(1)

作者贡献声明

郑家楠：撰写 – 审稿与编辑，资源准备。洪毅：概念构思。杨阳：验证。王立忠：资金筹集。严梦秋：方法论设计、实验实施。杨欣：撰写 – 初稿撰写、方法论设计、实验实施

未引用文献

Kamal等人，2019年；Vo Thanh等人，2022年；Yan等人，2019年。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了江苏省优秀博士后人才资助计划（2025ZB669）、国家重点实验室“山区土木工程安全与韧性”开放项目（SQQZ2025116）、国家自然科学基金（52306205、52238001）以及海南省财政科技项目（ZDKJ202019）的财政支持。