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，即使在高度光滑和均匀的微光源液相倾斜角 盐水方解石ra样品刻度位置滴液系统相机电脑玻璃视窗基板LED光源气泡针管(a)座滴法25(c)Wilhelmy平板法27(d)倾斜板法28(e)毛细管上升法29水空气后退接触角前进接触角半径高度 hr(b)捕泡法26图 2 岩石表面接触角测量方法示意图Fig.2 Schematics of rock surface contact angle measurement第3期王欣，等：CO2地质封存中储层岩石润湿性测量研究进展207模型中，不同的位置会有不同的接触角分布，因此，该方法测得的结果并不能代表整体的润湿性。目前已有学者研究了不同润湿性对微模型中流动、驱替的影响54-55。与亲水状态相比，中性润湿的微模型降低了 CO2盐水驱替前缘速度，促进了非润湿相的孔隙填充，提高了驱替效率56。Avendao 等57发现亲水多孔介质中的驱替前缘不均匀，残余油饱和度较大。与通过控制几何形状来改变微模型的方法相比，Lee 等58通过改变亲水性和亲油性组分的比例来定量控制微模型的混合润湿特性，减少了制造不同微模型的时间，实现了润湿性的合理调控。然而，运用润湿性量化流体驱替过程中渗流参数的研究仍不全面，未来还需研究微模型中不同润湿性的内部机理。微模型的一个独特优势是多孔介质之间没有接触59，研究者可以清楚地观察润湿性变化并描述其动态特性。然而，大多数微模型的改性是通过改变原油组分来模拟亲油状态52,60，亲 CO2的微模型研究较少。同时，均匀蚀刻的二维孔隙网络不能代表真实的多孔介质特性，制备具有真实三维多孔结构的微模型仍然是现有技术的难点。最近有研究提出采用不同刻蚀深度的 2.5-D 微模型来模拟真实多孔介质61，如 Xu 等62利用 2.5-D 微模型观察到夹断现象，Peng 等63发现了能表征多孔介质三维特征的临界刻蚀深度标准，从而有助于从二维尺度研究真实多孔介质的渗吸动力学行为。2.5-D 微模型作为新发展的微流控技术，比 2-D 微模型更容易观察到复杂的孔隙动力学行为，但是，这种刻蚀技术目前在国内应用不多，是未来微模型研究的难点和焦点。虽然 3D打印技术已经出现64，但高分辨率的打印技术还未完全成熟，基于 3D 打印的刻蚀技术还有待研究。孔隙尺度下微模型中的多相流动机制仍不明晰，因此，还需要大量的微模型实验来验证微模型技术在CO2封存中的实际应用能力。2.2 X 射线计算机断层扫描X 射线计算机断层扫描是一种无损成像技术，可以表征岩石样品的三维孔隙结构，重建样品的三维几何形状，获得孔隙尺度下的样品成像65。X 射线成像系统主要由 X 射线源、样品及旋转系统、X 射线检测系统、计算机系统（硬件和软件）组成。由射线源产生的 X 射线照射在被扫描的样品上得到图像信号，并利用图像重建算法和三维图像处理软件进行储层岩石样品的内部可视化分析66。Andrew 等67首次提出孔隙尺度的局部接触角的测量方法（图 4），将获得的 CT 图像进行图像预处理和相位分割以测量局部接触角，近年来该方法已大量应用于原位润湿性的研究。在孔隙尺度研究中，二维接触角定义为流体流体和流体固体界面之间的角度，而三维接触角由平面向量的点积计算。准确确定平面是计算局部接触角的关键，表 1 是孔隙尺度下平面的确定方法。9.9 mm54 mCO2流动方向水7.1 mm340 m(a)制作微模型48(c)超临界 CO2盐水体系下微模型的实验连接图51(d)静态和动态接触角的测量示意图53CO2水水50 m50 mCO291235361020 mm2(b)微模型中流体注入的示意图50位置:m深度:m00400800 1 2001 6004008001 2001 6004.5 mm0612182430图 3 微模型中的接触角测量Fig.3 Contact angle measurement in the micromodels208上海理工大学学报2023年第45卷手动测量方法一般是随机选取接触线上的300 个点进行接触角测量，无法获得足够多的接触角值，计算较慢，且主观性较大。因此，AlRatrout等69提出了自动测量方法描述局部接触角，该方法与手动方法相比，在成像不良处的测量准确度更高，得到的接触角分布范围更大74。这种孔隙尺度的研究相比于多孔介质表面润湿性的测量更准确，也有助于进一步研究润湿性的影响因素。Xie 等75发现，随着盐度增加，润湿性向水湿性降低的方向转变。对比低盐度注水和高盐度注水实验，低盐度注水期间润湿性从弱亲油向弱亲水转变，而高盐度注水的润湿性几乎恒定76。在CO2盐水玻璃珠/石英砂系统中，润湿性随着离子强度的增加和 CO2从气态向超临界态的转变而缓慢减弱77。Alhammadi等70认为与原油接触的有机层会改变方解石的润湿性。Qin 等78发现超临界 CO2注入会引起亲油碳酸盐的润湿性反转。大部分孔隙尺度局部接触角是静态接触角，为了衡量动态润湿性，Mascini 等79基于 Young-Laplace方程提出了一种与驱替事件有关的后退接触角的概念（图 5），发现动态接触角的分布范围比静态接触角小，这主要是由于静态接触角未考虑孔隙内2 mm2 mm300 m300 m2 mm2 mm300 m300 m300 m100 m(a)图像重建(b)非局部均值滤波(c)选取部分图像(d)滤波(e)分水岭算法(f)选取单个神经节(g)获取子体积的平面图像(h)分水岭分割(i)确定接触角的新平面(j)接触角测量图 4 孔隙尺度接触角测量过程67Fig.4 Pore-scale contact angle measurement67表 1 孔隙尺度接触角自动测量方法Tab.1 Pore-scale automatic contact angle measurement methods研究体系结果原理Klise等(2016)68盐水煤油塑料/玻璃原位接触角测量值比表面测量值大基于网格方法辨认界面AlRatrout等(2017)69油盐水岩石自动获取接触角网格方法Alhammadi等(2017)70油盐水岩石与手动测量结果相似采用AlRatrout69的测量方法Scanziani等(2017)71油盐水碳酸盐与手动测量结果相似恒定曲率Ibekwe等(2020)72空气水玻璃平面接触角比原位接触角小最小化不同界面之间的平方距离Yang等(2020)73油盐水岩石数学定义良好，可以准确地表征局部接触角区分具有不同水平集函数的界面事件开始事件润湿相R*Rhtht*图 5 后退接触角的示意图79Fig.5 Schematic of the receding contact angles79第3期王欣，等：CO2地质封存中储层岩石润湿性测量研究进展209流体界面行为。因此，动态接触角在驱替过程中更有助于描述实际动态过程，并可应用于孔隙尺度建模研究。R*为某一时刻的曲率半径，Rht为发生驱替事件的曲率半径，*为对应 R*的接触角，ht为对应于 Rht的接触角。X 射线计算机断层扫描可以表示储层的真实特征，该技术提供了数十万次测量，可以有效地减少测量误差，已被用于识别地质封存中流体的分布特性。这种三维成像技术不仅可以观察孔隙的几何特征，也可以观察一些复杂的微观现象，如驱替前缘的演化80、海恩斯跳跃81、毛细流动中的活塞式驱替和夹断82-83及旁路流动等64,84。然而，润湿性引起的微观现象的机理仍不清楚，有关孔隙尺度观测和孔隙事件的分析较少，仍然需要开发一些更先进的方法来研究多孔介质内部的复杂特性，如使用同步加速器 X 射线断层扫描提高实时成像能力65、运用环境扫描显微镜研究孔隙微观特性等85。随着各种成像技术的发展，未来应考虑综合多种技术来获得流动过程中更准确的原位表征，进而分析动态润湿特性。孔隙尺度下的原位接触角大多在油盐水岩石系统下进行测量，含 CO2的多相体系的原位润湿分析是未来的一大研究热点。2.3 孔隙尺度润湿滞后现象多孔介质的表面杂质、吸附作用和表面粗糙度会引起润湿滞后现象的出现67。Jafari 等53证明了 RCA 比 ACA 更有可重复性，发现在较低的压力下动态滞后更明显。然而，Lv 等86在中性润湿的玻璃珠实验中没有发现明显的润湿滞后现象。Khishvand 等87发现油盐水、气油和气盐水的接触角滞后几乎相同（约10）。孔隙尺度下不同体系的润湿滞后结果仍需更多的研究来证明。nz2nz3i表面粗糙度对润湿性的研究至关重要，会导致储层条件下排水和渗吸的接触角分布存在较大偏差86。表面粗糙度的作用如图 6（a）所示，粗糙度会降低亲水表面的接触角，增加疏水表面的接触角22,88。Sari 等89发现：接触角随着表面粗糙度的增加而减小，在低盐度情况下接触角减小得更少，表面粗糙度的作用较低。AlRatrout 等90发现：在润湿性变化不大的亲水条件下，界面曲率与粗糙度无关，非润湿相被很好地捕获，以阻止气体运移，有利于 CO2地质封存；而当体系中的润湿性发生改变，接触角和界面曲率会随着粗糙度的增加而增加（图 6（b）。为油盐水界面的法向向量，为盐水岩石界面的法向向量，为该点的接触角，i 为三相接触线 M 上的某一点，为曲率。在储层条件下，CO2与地层盐水相互作用，CO2会发生溶解、沉淀和地质特性转变等复合作用。由于矿物溶解和表面粗糙度作用13，矿物表面变得更亲水，这会影响实验测量和现场测试结果，因此，孔隙尺度润湿滞后的分析结果对封存机制的确立至关重要。亲水多孔介质接触角气体疏水多孔介质(a)亲水和疏水的粗糙表面88(b)粗糙度和接触角的测量方法90粗糙度/m油固体三相接触线油盐水水湿盐水孔油0.005m1320200.00200.0020.005油湿nz2nz3i0 0.4 0.8 1.1 1.5iM液体*盐水曲率/m1图 6 表面粗糙度示意图Fig.6 Schematic of surface roughness 2.4 混合润湿性混合润湿性是指不同大小的孔隙其润湿性不同，孔隙结构特性（如孔径、形状、体积和连通性）会使润湿性更加复杂，孔隙中的亲油和亲水组分会对润湿性造成不同影响91。在中性润湿条件下，孔隙几何形状也会显著影响润湿性92。然210上海理工大学学报2023年第45卷而，也有相反的观点认为孔隙结构对封存过程影响较小14，孔隙结构和润湿性机理还需进一步分析。Chang 等93应用十八烷基三氯硅烷（OTS）制备混合润湿体系，分析不稳定驱替过程（图 7），获得的微观接触角分布比其他文献中的接触角分布范围大，这可能是由表面粗糙度和接触线钉扎作用引起的。为了分析孔隙尺度不同润湿条件下的多相流动分布，Scanziani94比较了亲水条件和混合润湿条件下静态和动态实验的结果，发现相比于均质润湿体系，混合润湿体系可以提高驱替效率95。与亲水体系相比，混合润湿的碳酸盐有利于 CO2形成大且连通的神经节（图 8（a）96。在混合润湿的石灰岩中，大孔隙中的盐水驱油，油位于角落处；而在亲水体系下，油存在于孔隙中心，盐水则留在角落里（图 8（b）97。S 层为油层和盐水层的夹层。Gao 等98发现亲水体系砂岩的平均接触角小于混合润湿体系，混合润湿体系的相对渗透率低于亲水体系（图 8（c）。Lin 等99发现混合润湿砂岩具有较低的毛细管压力，仅为亲水系统的十分之一。相比于亲水体系，孔隙填充事件更倾向于发生在混合润湿体系中100。界面钉扎作用会02040608010012014016027112119500 m83102030弯液面数量处理过的未处理过的(a)微观示意图(b)接触角分布接触角/()405060图 7 实验处理前后的超临界 CO2盐水微模型中的微观接触角分布图93Fig.7 Microscopic contact angles distribution in a scCO2-brine micromodel before and after experimental treatment932 000 m2 000 m02 000 m200 m200 m200 m0水湿(a)CO2 形态图96(b)不同相位置的示意图97(c)各相分布和接触角分布图98水湿角落油水湿混合湿混合湿混合湿盐水角落S层2 000 m0.150.100.05相对频率01 mm1 mm30456075接触角/()00.20.40.60.81.0306090接触角/()水湿混合湿相对频率120150180图 8 亲水和混合润湿条件下的示意图Fig.8 Schematic under water-wet and mixed-wet conditions第3期王欣，等：CO2地质封存中储层岩石润湿性测量研究进展211导致接触角滞后，进而抑制界面衰退，并阻止夹断现象的出现101。在亲水条件下，可以增强夹断，提高非润湿相的残余饱和度，进而增强 CO2捕获能力102。润湿性的空间分布会影响流体占有率和连通性，Armstrong 等103通过形态学方法构建混合润湿体系，分析空间润湿分布对相对渗透率的影响。随着多孔介质亲水程度的增加，驱替过程的图像变得更加紧凑104。然而，针对空间润湿性分布的研究较少，多孔介质表面实验无法准确表征润湿性的空间分布以及内部孔隙空间复杂的相互作用。如何准确刻画多孔介质物理性质并分析空间非均质润湿性的影响，也是未来研究中的一个重点方向。3 岩心整体润湿性目前，已有研究将孔隙尺度润湿性与岩心尺度特性联系起来18,105。Deglint 等106测得的微观接触角的分布范围比宏观接触角大，微观接触角不能表征宏观尺度的润湿性。这种润湿性在不同尺度上的不一致会导致流体驱替、流体饱和度、毛细管曲线等结果的误差。Rucker 等107也发现了孔隙尺度接触角所测结果和岩心尺度实验的结果有不同的润湿性响应。岩心的整体润湿性减少了因矿物成分变化产生的局部润湿性不足，可以作为多孔介质整体特性的评价指标。目前在石油工程中，可以通过毛细管压力曲线间接推断润湿性，如 排 水 和 渗 吸 过 程 中 的 Amott 指 数23或USBM 指数108均可以表征润湿性。这两种方法均可以测量岩心样品的平均润湿性23，但它们不能解释非均质润湿性，无法预测部分润湿体系中的空间润湿性分布。3.1 核磁共振成像技术INMRSwSoTw核磁共振成像（NMR）是一种无损成像技术，可以提供孔隙结构和流体分布信息。多孔介质表面可以显著改变核磁共振弛豫时间，亲水表面相对于亲油表面会显著降低弛豫时间23，中性润湿体系的弛豫时间取决于润湿表面的数量和相互作用强度，因此，可根据弛豫时间测量多孔介质的润湿性。通常采用核磁共振的横向弛豫时间 T2分布获得润湿性指标109，主要的润湿性描述如表 2所示。表中：为无量纲 NMR 润湿指数，为水饱和度，为油饱和度，为水主要弛豫时ToCTbwTboT2mT2SwiSorV(r)W(r)IrnT2nrPcT2BwT2BoT2o,SwiT2w,Sor间，为油主要弛豫时间，为水油表面弛豫比，为水体积弛豫时间，为油体积弛豫时间；为的平均值，为不可还原水饱和度，为残余油饱和度；Iw为水的润湿性指数，Io为油的润湿性指数，dr 为半径 r 和 r+dr 之间的孔隙体积分数，dr 为半径 r 和 r+dr 之间的孔隙表面积分数；为平均饱和度指数的比，为T2分布根据 Ir-Sw关系计算出的平均饱和指数，为 MICP（注汞毛细管压力）曲线根据 Ir-Sw关系计算出的平均饱和指数；Ir为电阻率指数；，分别为散装水、散装油、不可还原水和剩余油的主导 T2峰的模态值。Liang 等114采用扩散横向弛豫时间（D-T2）结合 Amott 实验提供了更完整的致密砂岩润湿性评估。用核磁共振可以研究非均质润湿性的 3 个主要形成机制：原始矿物组分的不同润湿特性、极性化合物的吸附和有机物在原油中的沉积115。这些机制会导致多孔介质的某些部分变成亲油的，而另一些部分变成亲水的。除了表面弛豫的作用，表面覆盖率116、电阻率112都可以预测润湿性。为了分析非均质润湿性，Wang 等115提出了由润湿表面覆盖率和局部润湿性确定的表观接触角，还可以通过分析表面弛豫分布和孔径分布（T2-）来研究混合润湿多孔介质的润湿性分布117，老化前 T2-分布呈线性分布，老化后表面弛豫率分布随孔径分布的变化而变化（图 9）。图中，A 为孔隙长度。老化过程只改变了原油与孔表面接触的大孔的润湿性，小孔表面仍然是水湿的，因此，大孔中的表面弛豫率小于小孔中的表面弛豫率。表 2 NMR 方法描述的润湿指数总结Tab.2 Description of the wettability index by the NMRmethod.实验研究润湿指数表达式Fleury等(2003)109INMR=Sw(1Tw1Tbw)CSo(1To1Tbo)Sw(1Tw1Tbw)+CSo(1To1Tbo)Al-Mahrooqi等(2006)110INMR=TSwi2mTSor2mTSor2mLooyestijn(2008)111Iw=2w0V(r)W(r)dr1Feng等(2021)112Ir=nT2nrPcINMR=t(Ir)Al-Garadi等(2022)113Iw=T2BwT2w,SorT2BwIo=T2BoT2o,SwiT2BoINMR=IwIo212上海理工大学学报2023年第45卷NMR 方法简单、快速、成本低，可以在任何给定饱和度下测量润湿性。因此，它可以监测驱替过程的润湿性变化，还可以应用于测井仪器中，有助于表征整个储层的连续性润湿状况118。然而，NMR 技术通常在空间分辨率方面受到限制64，图像中流体分布会部分重叠，难以通过识别峰值来获得准确的润湿性。它也不像 X 射线计算机断层扫描技术可以表征原位润湿性，仍然需要技术迭代来提高其分辨率。3.2 热力学接触角g几何接触角一般通过 X 射线计算机断层扫描技术直接从孔隙空间中获得119，多用于孔隙尺度的原位接触角表征，但也存在一些问题，如图像分割、系统的接触角滞后和界面钉扎都会影响孔 隙 尺 度 接 触 角 测 量。为 了 解 决 这 些 问 题，Blunt 等120基于驱替过程中的能量平衡，通过广义 Young-Laplace 方程定义了热力学接触角，该方程计算了亥姆霍兹自由能的变化，考虑了不混溶流体驱替系统在固定体积和温度下所做的功。cos t=e=2s1s（2）te1s2s式中：为热力学接触角；为第一相驱替第二相时单位面积的表面自由能的变化；为两相之间的界面张力；，分别为表面与第一相和第二相的界面张力。tg文献 120 对亲水和混合润湿砂岩开展水驱实验，发现 在评估润湿性时比更敏感。Scanziani等101发现，随着驱替过程的进行，热力学接触角逐渐增大，并高于注水结束后的平均几何接触角，会抑制孔隙填充现象。Foroughi 等121提出了一种基于表面能的接触角算法，结合热力学接触角获得了正确的孔隙填充顺序，并模拟了流体分布。虽然热力学接触角可以获得与驱替有关的接触角，但也存在局限性。首先，计算方法忽略黏性耗散，即假设所做的功都转换为表面能，但这会影响排水过程的准确性。其次，该方法仅提供岩石样品的单一角度，尚不清楚该方法能否给出润湿性的空间分布以准确表征混合润湿介质的润湿性122。为了解决上述问题，Akai 等123对复杂三维多孔介质进行两相直接数值模拟，发现热力学方法能够逐孔表征润湿性的空间分布，描述岩心的整体润湿性。然而，由于典型成像伪影和忽略耗散等问题79，热力学方法仍需要进一步通过实验验证。3.3 拓扑分析实际地质封存中，大多数岩石特性在连续尺度下进行衡量。为了量化连续尺度的润湿性，Sun 等119基于 Gauss-Bonnet 定理、流体形态分布和界面曲率等拓扑参数获得了孔隙尺度平均接触角为av=4abAabasAasL（3）abasavAabAasL式中：，分别为流体流体和流体固体界面的平均高斯曲率；为平均接触角；，为对应的界面面积；为接触线的长度。此时，通过拓扑参数可以获得接触角平均值，减少了粗糙表面由于图像分辨率带来的误差。随着积分几何学的发展，根据 Gauss-Bonnet定理，假设流体固体表面平均高斯曲率为 0，从流体流体界面的高斯曲率计算出平均接触角的公式为12343572lg T2/slg A/m(a)老化前043572lg T2/slg A/m(b)老化后0图 9 T2-分布图117Fig.9 T2-distribution117第3期王欣，等：CO2地质封存中储层岩石润湿性测量研究进展2132n(1cos av)=4wG12dS12（4）nG12S12式中：为第 1 相和第 2 相接触表面的三相接触线的闭合回路数；为界面高斯曲率的积分值。该方法提供了拓扑结构和润湿性的简单关系，适合评估孔隙空间的接触角。Sun 等124进一步提出了缺陷曲率，建立接触角和流体拓扑结构的直接联系（图 10（a），10（b），定义宏观接触角为m=d4Nc（5）dNc式中：为缺陷曲率；为固体表面上形成的闭合接触线环的数量。maMceMcs考虑了由于表面非均质性和流体动力学引起的接触角滞后的平均影响，同时，该方法不需要平衡条件。对于给定的流体团簇，较大的缺陷曲率决定了较大的接触角。将拓扑性质与热力学接触角相联系，宏观接触角表征了多相系统的润湿性125。另外，不需要三相接触线就可以获得空间分布的表观接触角，减轻了接触线的钉扎效应（图 10（c），10（d），在低分辨率情况下可以得到更准确的结果，并可以获得不同尺度润湿性之间的相互关系。图 10 中：为团簇和流体的表面；为团簇和固体的表面。团簇孔隙空间高分辨率低分辨率低分辨率低分辨率ma高分辨率高分辨率接触线100.050.100.150.200.250.3020 30 40 50 60 70 80 90 10011000.20.40.60.81.020 40 60 80接触角/()(a)孔隙空间中团簇的三维分布图124(b)缺陷曲率示意图124(c)m 和 a 的差异图125(d)局部几何接触角和基于 Young-Laplace方程的接触角的不同示意图125任意结构局部结构气液固体表面固体表面积分几何拓扑结构热力学方程局部几何测量Young-Laplace方程接触角/()测量值缺陷曲率d/L70MceMcs110avm相对频率相对频率1001201401601800M图 10 宏观接触角测量Fig.10 Macroscopic contact angle measurements综上，热力学方法以及拓扑结构方法是表征整体润湿性的 2 个关键方法，不仅可以描述几何特征，还考虑了多孔介质的空间分布。相比于孔隙局部接触角，宏观接触角方法减小了由于图像分辨率和成像不清产生的测量误差，是目前新提出的有效的整体润湿性评估方法。未来更应该关注热力学方法和几何方法的结合，包括耗散事件和拓扑变化，进一步优化宏观接触角的计算过程。同时，可以结合不同尺度的润湿性分析，如通过岩石表面润湿性分析润湿性影响因素和相关作用，以及运用孔隙尺度的成像技术来观察局部润湿现象，并采用整体润湿性指标来评估岩石的非均质特征和整体拓扑结构。4 结论多孔介质润湿性对 CO2流体岩石体系渗流特性具有重要影响，本文综述了目前 CO2地质封存领域岩石润湿性研究的最新进展，主要包括：实验室尺度多孔介质表面润湿性测定、孔隙尺度214上海理工大学学报2023年第45卷多孔介质局部壁面接触角测定，以及宏观尺度岩心样品整体润湿性评价。接触角是多孔介质表面润湿性最常见的表征指标，但常规表面接触角测量实验忽略了岩石粗糙度和多孔介质复杂的内部结构，影响了润湿性测量准确性。随着光学成像技术的发展，微模型和 X 射线计算机断层扫描可用于获得孔隙尺度的岩石润湿性。微模型制备简单，可以获得接触角动态变化过程，X 射线计算机断层扫描技术可以获得三维真实岩心局部润湿性及其迟滞特性。通过微观接触角测量技术分析了多孔介质粗糙度和孔隙结构对孔隙尺度润湿性的影响，尤其是一些重要的润湿现象如接触角滞后、混合润湿。这种微观现象对分析渗流特性和封存效率