在长期二氧化碳-水-岩石相互作用作用下，低渗透性砂岩的动态孔隙结构演变：对注入率和储层安全性的影响

《Geoenergy Science and Engineering》：Dynamic pore structure evolution in low-permeability sandstone during long-term CO2–water–rock interactions: Implications for injectivity and storage security

　　尹俊|张文通|张俊喜|黄海|齐傲疆|杨珊珊|王彦伟|程志林
陕西延长石油（集团）股份有限公司，西安，727406，中国

**摘要**
CO2-水-岩石反应会显著改变储层的孔隙结构，影响地质碳存储的长期安全性和效率。然而，低渗透率砂岩在长期CO2作用下的孔隙结构演变仍了解不足。本研究在0小时、120小时、240小时、360小时和720小时的反应时间下，探讨了CO2-水-岩石相互作用，以研究孔隙结构的长期演变。采用非破坏性的X射线计算机断层扫描（CT）技术来表征微观结构变化。关键参数包括孔隙度、孔隙数、孔隙体积和连通性随时间的变化情况。0小时时孔隙度为3.12%，分别在120小时、240小时、360小时和720小时增加到4.15%、5.09%、5.91%和6.41%。直径大于10微米的孔隙数量和体积均随反应时间的延长而增加，导致总孔隙体积显著增加。同时，孔隙网络变得更为复杂，连通性得到改善，这通过增加的配位数和喉部数量得到证明。这些变化主要是由于新孔隙的形成和随后的孔隙融合所致，共同改变了砂岩的孔隙形态。总体而言，CO2-水-岩石相互作用促进了孔隙和喉部的发育和连通性，有利于超低渗透率储层中的CO2注入。然而，这种结构改变化可能会通过生成优先流动通道而影响长期存储安全性。

**引言**
自工业革命以来，大气中的二氧化碳浓度迅速增加，加剧了温室效应并造成了严重的生态破坏，对人类生存构成了严重威胁（Gao等人，2025）。因此，减少二氧化碳排放已成为全球亟待解决的问题。为应对日益严重的气候危机，《巴黎协定》建立了限制温度上升和加速实现碳中和的全球框架，强调了有效减少二氧化碳排放技术的关键需求。碳捕获、利用和储存（CCUS）被广泛认为是加速减排和缓解温室效应的最有效技术之一（Lyu等人，2025；Zhang等人，2025a）。地质封存是指将捕获的二氧化碳注入地下地质构造中以实现长期安全储存，这是CCUS的核心组成部分（Khoramian等人，2025b；Khoramian等人，2025d；Mohamadi-Baghmolaei等人，2025；Salaudeen等人，2026）。显然，地质封存对减少二氧化碳排放起着关键作用（Xie等人，2025）。在各种地质储存方式中，枯竭的超低渗透率砂岩储层因其广泛的分布和较大的储存潜力而受到大量关注（Lv等人，2024；Zhang等人，2023a）。在这种储层中，极窄的孔隙喉部和高的毛细压力有效限制了CO2的浮力驱动迁移，显著降低了CO2通过隔层或优先流动路径泄漏的风险（Liu等人，2023；Liu等人，2022）。此外，将CO2注入低渗透率砂岩储层不仅有助于提高石油采收率，还有助于实现永久性地下储存，带来环境和经济效益。例如，榆长油田的姬园地区以低渗透率为特征，被认定为具有超过1000万吨储量的有潜力CO2储存地点（Wang等人，2025a）。因此，超低渗透率砂岩储层中的CO2封存既必要又具有重要意义。

在地质储存过程中，注入的CO2溶解在构造水中形成弱碳酸，随后与储层矿物发生反应（Wang等人，2025a；Yang等人，2023；Zhang等人，2024）。这些地球化学反应导致溶解和沉淀过程，改变孔隙结构，从而影响CO2注入率、储存容量和长期安全性等关键性能指标（Han等人，2024；Liu等人，2022）。CO2储存主要通过四种捕获机制实现：结构捕获、残余气体捕获、溶解捕获和矿物化捕获（Wang等人，2025c；Zhang等人，2024）。这些机制的相对贡献随时间演变，其中结构捕获始终占据主导地位。由于储存性能与孔隙结构密切相关，CO2、盐水和矿物之间的持续化学反应不可避免地会改变孔隙结构系统（Dou等人，2024）。因此，研究CO2作用期间孔隙结构的演变至关重要。

在可用于表征储层孔隙结构的技术中，汞侵入孔隙度测量法和低温氮吸附法可以定量确定孔隙尺寸分布，但无法描述封闭孔隙和捕捉孔隙形态。此外，这些方法通常具有破坏性。扫描电子显微镜（SEM）（Huang等人，2024）、原子力显微镜（AFM）和透射电子显微镜（TEM）可以直接显示孔隙形态和连通性（You等人，2024）。但这些技术需要复杂的样品制备过程，如抛光或金喷涂，妨碍了原位检测（Zhang等人，2022）。核磁共振（NMR）提供了非破坏性的方法，但缺乏形态学分辨率。相比之下，X射线计算机断层扫描（CT）提供了一种强大的非破坏性方法，用于原位可视化和三维（3D）孔隙网络演变的量化（Dong等人，2025；Gan等人，2020；Hao等人，2024；Jiang等人，2025；Liu等人，2024；Qi等人，2025；Qiu等人，2025；Sun等人，2024；Yang等人，2020）。如前所述，CO2储存储层中孔隙结构的长期演变尚未得到充分研究。大多数现有的CO2-水-岩石相互作用实验仅限于短时间内，无法捕捉到地质封存过程中的完整孔隙结构演变。例如，Zhao等人使用原位CT扫描研究了反应时间长达35小时的CO2-盐水-碳酸盐系统（Zhao等人，2025）。Chai等人通过24小时的CO2-水-岩石相互作用进行了砂岩孔隙结构变化的研究（Chai等人，2025）。Liu等人使用CT成像研究了反应时间长达96小时的煤样（Liu等人，2025）。尽管这些研究提供了关于孔隙结构变化的宝贵见解，但它们受到观察时间较短的局限（Yang等人，2025）。虽然之前的基于CT的研究提供了关于CO2-水-岩石相互作用期间孔隙结构变化的宝贵见解，但大多数实验仅限于较短的反应时间（通常为24至96小时），可能无法捕捉到与长期地质储存相关的完整结构演变。迄今为止，对低渗透率砂岩中CO2-水-岩石相互作用的系统和长期研究仍然很少。延长的CO2作用时间有助于识别孔隙度增强、孔隙融合和连通性发展的渐进趋势，这些在较短实验中可能无法完全显现。连续和时间分辨的观测对于阐明孔隙结构演变的全部程度及其对地质碳储存安全性和效率的影响至关重要。

因此，本研究将CO2-水-岩石的反应时间延长至720小时，能够对五个不同时间点（0、120、240、360和720小时）的孔隙结构演变进行时间分辨观察。采用原位CT技术研究了低渗透率砂岩样品中的CO2-水-岩石反应。探讨了长期CO2-水-岩石相互作用过程中孔隙度、孔隙数和孔隙体积的演变。构建了一个孔隙网络模型，进一步分析了喉部数量和配位数的变化，从而阐明了孔隙连通性的演变。之后，讨论了孔隙结构演变对CO2封存效率和储存安全性的影响。研究结果为优化低渗透率砂岩储层中的地质CO2储存提供了新的见解和实际指导。

**样品制备**
本研究中使用的砂岩样品取自中国鄂尔多斯盆地延長油田杏子川Huaziping油区的Chang6段。该地区以典型的低渗透率砂岩储层为特征（Wang等人，2025d）。制备了一个长度为50毫米、直径为25毫米的圆柱形样品。该样品的渗透率为1.065 mD，孔隙度为10.535%，证实了其低渗透率特性。

**CO2作用期间砂岩孔隙度的演变**
图5显示了不同反应时间下砂岩样品在CO2处理前后的原位CT图像。原始图像首先使用中值滤波器去噪，然后通过交互式阈值处理。阈值处理后，可以清楚地观察到不同反应阶段的孔隙形态变化。如图5所示，在不同的CO2-水-岩石反应时间下，样品的同一区域始终被识别出来，证实了原位...

**对CO2储存效率和安全性的影响**
原位CT分析表明，长时间的CO2-水-岩石相互作用导致砂岩孔隙度逐渐增加。这种增强主要来自于直径大于10微米的孔隙的显著增长，这些孔隙主导了总体孔隙体积。定量孔隙-喉部表征进一步表明，随着反应时间的增加，喉部数量显著增加，配位数稳步上升，反映了孔隙-喉部连通性的改善。

**结论**
本研究采用CT技术表征了低渗透率砂岩在长期CO2作用下的孔隙结构演变。量化了关键孔隙结构参数，包括孔隙度、等效直径、孔隙数和孔隙体积。此外，建立了一个孔隙网络模型（PNM）来分析孔隙和喉部的连通性。进一步讨论了孔隙结构演变与CO2地质储存之间的关系。主要结论是...

**作者贡献声明**
尹俊：撰写、审阅与编辑、资料准备、方法论、数据分析。
齐傲疆：撰写、审阅与编辑、软件使用、资料准备、数据分析。
杨珊珊：撰写、审阅与编辑、方法论、数据分析。
王彦伟：撰写、审阅与编辑、验证、资金获取。
程志林：撰写、审阅与编辑、资金获取、数据分析、数据管理。
张文通：撰写、审阅与编辑、初稿撰写、监督、资金获取、利益冲突声明。

**致谢**
作者感谢陕西各高校青年创新团队的财政支持。同时感谢国家自然科学基金（U23B2089、52204044和42202292）、陕西省科技厅青年项目（2024JC-YBQN-0601）的支持。此外，本文还得到了中国石油大学（北京）石油资源与工程国家重点实验室的支持（编号PRE/open-2510）。