编辑推荐：
玄武岩中CO?多相流行为及关键参数影响研究。通过LBM方法结合XRCT扫描，揭示了毛细数、粘度比和接触角对CO?相对渗透率与毛细压力的调控机制，表明毛细数升高引发流动相变并降低毛细入口压力，接触角减小显著降低毛细阻力。
作者：田建伟（Jianwei Tian）、本杰明·M·图托洛（Benjamin M. Tutolo）、阿德达波·阿沃拉约（Adedapo Awolayo）
单位：河北工业大学土木与交通工程学院，天津 300401，中国
摘要
随着人们对玄武岩层中碳封存作为一种可行且永久性的人为二氧化碳（CO2储存解决方案的认识日益增加，对玄武岩水文地质特性的全面理解变得尤为重要。当二氧化碳（CO2）注入玄武岩时，原位孔隙流体和注入CO2的流动取决于相对渗透率、毛细压力和流体饱和度之间的相互作用。然而，针对玄武岩的特征流动曲线非常有限，这凸显了需要更深入地了解这种多相传输行为，以便设计有效的碳储存系统。本研究通过使用格子玻尔兹曼方法（LBM）对玄武岩样本的X射线计算机断层扫描（XRCT）图像进行多相流动模拟，填补了这一空白。我们应用了Shan-Chen模型来计算关键传输参数，包括相对渗透率和毛细压力。研究结果揭示了毛细数、粘度比和接触角对二氧化碳在盐水中迁移性、位移效率以及储存行为的综合影响。毛细数的增加会导致流动从以毛细作用为主转变为以粘性作用为主，从而提高二氧化碳的相对渗透率并降低进入孔隙的毛细压力。粘度比的变化对位移前沿具有次要但稳定的影响，表现为适度提高盐水的相对渗透率，同时略微抑制二氧化碳的迁移性。此外，较小的接触角显著降低了毛细阻力，促进了二氧化碳在孔隙网络中的更有效渗透和滞留。研究还发现了二氧化碳-盐水流动曲线中的明显滞后现象，这强调了其在预测不同注入方案下二氧化碳再分布以及为现场部署方案的设计和优化提供信息的重要性。
引言
近几十年来，全球气候正在迅速变化，这主要是由于人为二氧化碳排放量不断增加，2022年排放量超过了368亿吨（国际能源署，2023年），大气中的二氧化碳浓度超过了400 ppm（Blunden和Boyer，2021年）。应对这一危机需要创新的地下储存解决方案，例如玄武岩碳化，即将二氧化碳注入反应性玄武岩层中。CarbFix项目表明，在两年时间内，注入玄武岩的二氧化碳有高达95%转化为了碳酸盐矿物，这表明通过玄武岩碳化进行碳捕获和封存（CCS）是一种有前景的气候变化解决方案（Blunden和Boyer，2021年；Matter等人，2016年；Pogge von Strandmann等人，2019年）。同样，美国华盛顿州的Wallula试点项目也显示出了类似的碳矿化加速效果，尽管其速率较慢，这归因于注入方案的不同（McGrail等人，2014a，2017年）。
CarbFix方法采用水相二氧化碳（CO2）注入方式，先将二氧化碳溶解在水中，然后再注入地下，以增强其与围岩矿物的反应性（Gunnarsson等人，2018年）。虽然这种方法可以加速碳酸盐矿化，但它需要大量的水资源，从而增加了能源成本，并对大规模实施提出了重大挑战，特别是在水资源稀缺的地区（Sn?bj?rnsdóttir等人，2020年）。相比之下，Wallula试点项目注入的是气相（超临界）二氧化碳（McGrail等人，2014b），该过程中注入的二氧化碳会置换原有的盐水并逐渐溶解到地层水中，从而引发矿化反应。尽管这两种方法都已被证明有效，但要实现应对气候危机所需的二氧化碳注入规模，可能仍需要采用超临界二氧化碳注入，这意味着注入的二氧化碳在注入后一段时间内会保持气相状态。这一现实凸显了全面了解玄武岩中多相流动动力学的必要性，以便更好地设计和实施这种二氧化碳封存策略。
控制气相二氧化碳在注入地层中相互作用的过程涉及多种力和孔隙尺度上的相互作用机制，如惯性力、毛细力和粘性力（Akai等人，2018年；Bakhshian等人，2019a；Boek和Venturoli，2010年；Ghassemi和Pak，2011年；Hazlett等人，1998年；Li等人，2019年；Martys和Chen，1996年；Nemer等人，2020a、2020b、2020c；Zhao等人，2018年）。鉴于这些相互作用的复杂性，准确理解能够捕捉围岩孔隙结构的多相流动至关重要，因为这些相互作用机制在其中起着关键作用。因此，许多研究通过使用无量纲数（如毛细数——粘性力与毛细力的相对比率，通常由注入流速决定）和粘度比（润湿相粘度与非润湿相粘度的比率）来研究这些机制的综合影响，以揭示它们之间的复杂相互作用并确定主导机制（Yang等人，2023年）。这些研究揭示了不同的位移形态模式（包括粘性指形、毛细指形和稳定位移）如何影响位移效率并促进流体早期突破（Ambekar等人，2021年；Bakhshian等人，2019b；Purswani等人，2024年；Suwandi等人，2022a；Tsuji等人，2016年；Zhao等人，2016年）。值得注意的是，对于反应性流体-岩石系统，Peclet数和Damkohler数可以作为衡量控制力相对重要性的额外指标（Hao和Xu，2023年；Jiang等人，2021年；Zhang等人，2021年）。然而，由于这些因素的相互作用，多相流动行为仍存在显著不确定性，导致关于接触角和毛细数等参数对侵入相饱和度和相对渗透率影响的研究结果存在不一致（Bakhshian等人，2019b；Liu等人，2024年）。
这些不确定性对二氧化碳封存尤为重要，因为捕获机制取决于这些力之间的复杂平衡。尽管矿物捕获是玄武岩系统中的最终捕获机制，但在注入后的短时间内，结构捕获、溶解性和毛细捕获等其他机制也起着关键作用，最终影响矿物捕获的效果（Sn?bj?rnsdóttir等人，2020年）。在上述两种注入途径中，气相二氧化碳注入首先涉及结构捕获，然后通过溶解过程进入地层盐水；而水相注入则通过预先溶解二氧化碳来绕过结构捕获。在这两种情况下，富二氧化碳的流体与玄武岩反应，激活钙、镁和铁等二价阳离子，这些离子在溶解过程中产生的足够碱度条件下会沉淀为稳定的碳酸盐相（Matter和Kelemen，2009年）（Tutolo等人，2021年）。
这些耦合的捕获和反应过程的效率受到多相流动动力学的强烈影响。在高毛细数情况下，粘性力主导位移行为，而粘度比则控制流体位移前沿（Wan等人，2023年）。因此，毛细数是促进二氧化碳有效分布和最大化二氧化碳、盐水和玄武岩之间界面接触的关键参数，从而促进二氧化碳的溶解和玄武岩的溶解，这是矿物碳化的先决条件。粘度比控制流体位移前沿的稳定性，确保二氧化碳-盐水-岩石之间的接触时间足够长。例如，增加盐水中的二氧化碳浓度不仅提高了流体密度，还降低了富二氧化碳盐水的粘度，使其下沉，可能延长二氧化碳、盐水和玄武岩之间的接触时间（Khandoozi等人，2023年）。毛细捕获过程中，二氧化碳在孔隙中被固定，依赖于二氧化碳作为非润湿相（Massarweh和Abushaikha，2024年）。润湿性在调节这些过程中起着重要作用，通过控制相分布和玄武岩界面配置（Ali等人，2023年；Hosseini等人，2024年，2022a，2022b）。亲水表面倾向于促进溶解和沉淀反应，从而增加矿物碳化的可能性（Okoli等人，2023年；Yang等人，2023年），而中等润湿到二氧化碳润湿的表面可能促进二氧化碳的迁移和指形现象，从而阻碍矿物碳化（Lu等人，2024年）。然而，系统地绘制这些力相互作用与玄武岩系统中位移效率之间的关系仍有待建立，这代表了多相位移和矿物碳化之间的一个关键空白。
实验性的岩心尺度研究已经详细表征了二氧化碳-水-玄武岩之间的相互作用（Gysi和Stefánsson，2012年；Stavropoulou等人，2024年），但整体尺度分析无法揭示多相流动动力学中的微观反馈机制。为了表征玄武岩碳化的代表性流动动力学，必须详细了解孔隙尺度上的相互作用。孔隙尺度模拟提供了关于毛细力、粘性力和润湿力相互作用的重要见解，这些力共同调节流体位移效率和二氧化碳的捕获。格子玻尔兹曼方法（LBM）在解决不规则孔隙几何形状中的复杂界面现象方面表现出色，从而捕捉到了位移模式（Hu等人，2020年；Shan和Chen，1993a；Zhang等人，2021年）。此外，还开发了多种孔隙网络模型（PNM），如OpenPNM（Gostick等人，2016年）、pnflow（Raeini等人，2018年）和XPM（Petrovskyy等人，2024年），这些模型在研究结构复杂性对多相流动行为的影响方面表现出相当大的灵活性，特别是在研究排水和吸液滞后现象时。特别是Shan-Chen（SC）LBM（Shan和Chen，1993a）和颜色梯度LBM（Ba等人，2016）在描绘多相不相容流动的流动形态和主要控制机制方面表现出色，从而为探究玄武岩中多种力的复杂相互作用及其对封存效率的影响提供了显著优势。
在本文中，利用X射线计算机断层扫描的孔隙网络重建和SC-LBM（Santos等人，2022a）模拟了与二氧化碳-盐水相互作用相关的玄武岩中的排水和吸液过程。该工作重点关注通过重建的玄武岩多孔介质进行二氧化碳-盐水流动的孔隙尺度建模，明确量化了毛细数、粘度比和润湿性对相对渗透率和毛细压力的影响。模拟结果表明，毛细数的增加系统性地提高了二氧化碳的相对渗透率，同时降低了毛细进入压力，表明流动从以毛细作用为主转变为以粘性作用为主。粘度比的变化具有次要但稳定的影响，导致盐水相对渗透率适度增加，二氧化碳的迁移性略有降低，从而促进了更稳定的位移前沿。研究表明，润湿性是控制流动行为的主要因素，接触角的减小显著降低了毛细阻力，促进了二氧化碳在孔隙网络中的渗透和捕获。通过提供特定于玄武岩的流动曲线，并定量解析多相传输对关键控制参数的敏感性，本研究为优化玄武岩层中的二氧化碳注入和储存策略提供了重要输入。
样本采样与表征
在先前的研究中，已经对东部蛇河玄武岩进行了X射线计算机断层扫描（XCT）并进行了三维（3D）重建（Awolayo等人，2022年；Luhmann等人，2017b）。在本研究中，扫描得到的岩芯（长度为2.59厘米，直径为1.28厘米）以8微米的体素分辨率进行了重建，随后使用Dragonfly图像处理软件（Object Research Systems (ORS) Inc.）进行了图像处理和分割
实验数据验证
在放大的玄武岩REV模型（图5中展示的基质-孔隙分割）上实施了SC-LBM，模拟二氧化碳取代水的过程，其中二氧化碳在入口处注入，而水从出口处排出。入口和出口都采用Zou–He速度边界条件（Zou和He，1997）设定为恒定速度边界。顶部和底部边界采用半反弹方案以满足无滑移条件
排水和吸液过程的基线比较
基于上一节中描述的验证模型配置和表1中概述的参数，我们研究了非稳态流动条件下排水和吸液过程的相对渗透率和毛细压力的变化。排水过程始于系统充满盐水，而吸液过程始于二氧化碳饱和。图8展示了二氧化碳在玄武岩孔隙网络中取代盐水的动态变化
结论
随着玄武岩层中的碳封存越来越被视为长期地质封存的可行选项，一个持续的挑战在于缺乏用于定量描述实际储层条件下二氧化碳-盐水位移的孔隙尺度流动特性。本研究提供了三个关键贡献：（i）基于XRCT的孔隙尺度模拟得出的玄武岩特定相对渗透率和毛细压力曲线；（ii）定量
