应用 | 岩石表面润湿性研究及其在CO2封存的潜在应用

研究背景

二氧化碳的地质储存目前是减少排放到大气中的温室气体量的关键解决方案。在这种情况下，储存实践的效率和长期安全性取决于所选的储层和密封层保持注入的二氧化碳数千年的能力。然而，尽管假设页岩凿断层或粘土涂抹导致断层不透水，但其中许多断层是膜密封或毛细管密封。作为毛细管密封，断层持续的二氧化碳最大柱高（h_max）是界面张力(r)、断层周围岩石的孔隙喉道尺寸(r)和断层表面的润湿性的函数。

表面润湿性可能是毛细管密封中最重要的参数，但由于岩石在不同尺度上的不均一性，它是一个鲜为人知的参数。本文的目的是更深入地了解岩石，特别是砂岩和页岩，以便更好地评估二氧化碳储存点的结构完整性。在不同的压力、温度和盐度条件下进行了一系列接触角和界面张力测量，以确定目前为止报告的结果是否可信，是否需要进一步的研究。

实验仪器

实验使用德国KRüSS液滴形状分析仪（DSA100 HP）。在不同压力（0-17MPa），温度条件（20-65℃）下，进行测量，如图1、2所示。

图1 液滴形状分析仪DSA100 HP

接触角测试

将样品在90℃的烘箱中干燥60 min。然后用空气等离子体处理15 min，以消除基板上的任何有机污染。随后，使用超清洁的N₂机械地清洁表面残留的水，以避免污染。将去除废气（即真空化10小时）的盐水溶液滴定到基板表面，使用高分辨率相机测量接触角。将腔体温度从室温提高到35℃，在大气条件下注入二氧化碳气体10 min，然后用高精度注射泵将腔体加压至17 MPa。然后将温度提高到65℃，每次测试重复3次，使用15度角表面板测量前进和后退的接触角，如图3所示。

图3.页岩表面盐水液滴的光学图像

界面张力测试

界面张力的测定采用悬滴法，在这种方法中，腔体被加热并用二氧化碳充气加压至少10 min，压力从0.1增加到17 MPa，二氧化碳到达超临界状态。为此，将超临界泵加热到40℃，并设置17 MPa的实验压力。将油浴中的反应器加热到实验条件下，通过注射泵抽真空并装满除氧盐水。

结论与讨论

盐度、温度和压力对接触角的影响

测量了石英为主的砂岩样品在不同压力（0.1、5、10和17MPa）和温度（20、35和65℃）下的接触角(θ)。结果表明，随着盐度的增加，接触角相应增加（图4左），盐水（氯化钠溶液）的接触角大于去离子水。根据Al-Yaseri等人报道，不同盐类型（氯化镁、氯化钙和氯化钠）接触角也有差异，并与阳离子电荷-体积比的差异有关。研究还发现，在不同温度下，以石英为主的砂岩的接触角随着压力的增加而增大（图4右）。这可能是由于储层条件下二氧化碳密度的增加，增强了二氧化碳与石英之间的分子间相互作用，导致表面去润湿。

图4. CO2/水/石英的接触角随盐度（左）和压力和温度（右）的变化而变化。

CO₂-水体系界面张力

不同的一价（Na⁺和K⁺）或二价（Mg²⁺，Ca²⁺）阳离子的存在对二氧化碳和水之间的界面张力（IFT）有影响。例如，IFT随着盐浓度的增加而线性增加，含有二价阳离子的溶液的IFT至少是含有一价阳离子的溶液的两倍。在四种不同的压力（0.1、5、10和17 MPa）和三种温度（20、35和65℃）下，测量了CO₂-水体系的界面张力。这些试验使用去离子水和盐水（氯化钠35 wt%），以便更好地比较盐度效应。结果表明，界面张力最初随着压力的增加而减小，但一旦达到二氧化碳的气液边界（在24.85℃时为6.43MPa），界面张力几乎保持不变，如图5所示。研究还发现，去离子水和盐水的趋势几乎是相同的，但盐水的界面张力略高一点。

图5.CO₂-水界面张力随压力和温度的变化情况

小结

本文试图对常见的砂岩和页岩的表面润湿性提供更深入的了解。结果表明，以石英为主的砂岩在技术上是亲水润湿的。在储层条件下也测量了界面张力，似乎对压力和温度的变化很敏感。许多岩石的润湿性对变化的压力和温度条件很敏感，因此必须在储层条件下确定。

本文有删减，详细信息请参考原文

Umar, B.A., Gholami, R., Raza, A. et al. A Study on the Surface Wettability of Clastic Rocks with Potential Application for CO2 Storage Sites. Nat Resour Res 29, 2051–2061 (2020).

https://doi.org/10.1007/s11053-019-09553-x