高 帥，魏 寧，李小春

（中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖北 武漢 430071）

1 引 言

CO2地質(zhì)封存是將CO2從工業(yè)或相關(guān)能源的排放源分離出來(lái)，輸送到一個(gè)合適的封存地點(diǎn)進(jìn)行封存，并且長(zhǎng)期與大氣隔絕的過(guò)程，是一種大規(guī)模的CO2減排技術(shù)[1－2]。封存過(guò)程的安全性是該方法得以推廣和延續(xù)的重要基礎(chǔ)。其中，蓋層密封性能評(píng)價(jià)是場(chǎng)地篩選和安全性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)之一[3－4]。

CO2在蓋層中的泄漏方式主要有：①通過(guò)在完整巖石中滲流或分子擴(kuò)散的方式泄漏[5－6]；② 通過(guò)蓋層中的斷層或裂隙體系發(fā)生泄漏[7－8]；③通過(guò)廢棄鉆井泄漏；④ 其他方式。如圖1 所示。

圖1 CO2地質(zhì)封存中CO2在蓋層中的泄漏方式[1]Fig.1 Leakage routes of CO2geological storage in the caprock[1]

對(duì)于完整蓋層巖石，其泄漏方式主要是分子擴(kuò)散和緩慢滲流[9]，緩慢滲流是CO2突破蓋層中的靜水壓力和毛管壓力的束縛，從而導(dǎo)致CO2的長(zhǎng)期泄漏。

2 突破壓

圖2 蓋層孔喉內(nèi)部毛管密封機(jī)制示意圖[10]Fig.2 CO2breakthrough mechanisms in the pore throat[10]

CO2滲流是CO2壓力PCO2與靜水壓力 Pw之差超過(guò)CO2與水之間的毛管壓力之后發(fā)生的，這個(gè)臨界值就是CO2的突破壓，如圖2 所示。突破壓是蓋層發(fā)生泄漏時(shí)，上下游壓力差的最小值。為避免CO2形成貫穿蓋層的連續(xù)通道，要求儲(chǔ)層CO2壓力低于蓋層中靜水壓力與突破壓之和。因此，突破壓越大，蓋層密封性能越好，反之則越差。在CO2地質(zhì)封存工程中，突破壓作為主要的巖芯尺度基礎(chǔ)參數(shù)，為評(píng)價(jià)蓋層的密封能力[11－12]以及封存場(chǎng)地篩選和封存容量評(píng)估提供依據(jù)[13－18]。

突破壓由巖石孔隙結(jié)構(gòu)、表面張力和接觸角等參數(shù)決定，在數(shù)值上與蓋層巖石孔隙中水與CO2之間的毛管壓力接近，根據(jù)Washburn 公式[19]，突破壓PC可表示為

式中：σ為CO2與地層水之間的表面張力；θ為CO2-水-巖石之間的接觸角；r為蓋層巖石內(nèi)部最大連通孔隙的孔喉半徑。

上述幾個(gè)參數(shù)隨不同條件的變化規(guī)律前人已做了大量的研究工作。

（1）接觸角反映了不同介質(zhì)之間的潤(rùn)濕性。試驗(yàn)表明，超臨界CO2-水-巖石的接觸角隨壓力增大而減小[20]，不同的蓋層礦物組成隨含鹽度的變化亦會(huì)呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律[20－21]。此外，在CO2長(zhǎng)期作用下，巖石的潤(rùn)濕性會(huì)發(fā)生變化[22]，如圖3 所示。

圖3 CO2-純水(咸水)接觸角隨壓力、溫度、礦物等因素的變化規(guī)律[20]Fig.3 Variation of CO2-water(or brine) contact angle with different minerals at various temperatures and pressures[20]

（2）表面張力是物質(zhì)的特性，其大小與界面兩相物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，并隨物質(zhì)所處的外界環(huán)境因素的變化而變化。表面張力隨溫度升高而降低，隨壓力和含鹽度的增大而增大[23－26]，如圖4、5 所示。

由于接觸角、表面張力、孔隙結(jié)構(gòu)隨溫度、壓力、含鹽度等條件都會(huì)發(fā)生明顯的變化，因此，很難通過(guò)單獨(dú)測(cè)量?jī)?chǔ)蓋層條件下的CO2-水-巖石之間的接觸角和表面張力直接計(jì)算CO2在蓋層中的突破壓。

圖4 CO2-水表面張力隨溫度、壓力變化[23,25,27]Fig.4 CO2-water(or brine) IFT at different temperatures and pressures[23,25,27]

圖5 CO2-brine 表面張力與NaCl 摩爾濃度之間的函數(shù)關(guān)系[28]Fig.5 Surface tension of CO2-NaCl as a function of the molal concentration of NaCl[28]

3 突破壓的測(cè)試方法

20 世紀(jì)中期，為了確定天然氣地質(zhì)儲(chǔ)存的最大儲(chǔ)存壓力，開(kāi)始通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試蓋層巖石的突破壓[29]。60 多年以來(lái)，突破壓得到了廣泛的應(yīng)用。在CO2地質(zhì)封存領(lǐng)域，突破壓已經(jīng)成為蓋層密封性評(píng)價(jià)的最直觀和最重要的指標(biāo)之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作，如表1 所示。

目前，CO2突破壓的室內(nèi)試驗(yàn)方法包括間接法和直接法。間接法主要采用壓汞法，直接法主要包括連續(xù)法、分步法、驅(qū)替法和脈沖法4 種方法。下面從測(cè)試原理與測(cè)試流程、誤差來(lái)源以及適用范圍等方面對(duì)現(xiàn)有主要的突破壓測(cè)試方法進(jìn)行討論。

3.1 間接法

1949年，Purcell[30]提出了利用壓汞來(lái)確定毛管壓力曲線，如圖6 所示。將準(zhǔn)確稱重的干燥巖樣（形狀不限）放入膨脹計(jì)中，在真空條件下充汞后，在高壓環(huán)境下向巖樣孔隙內(nèi)充汞，同時(shí)記錄汞飽和度和相應(yīng)的進(jìn)汞壓力，繪制汞飽和度與進(jìn)汞壓力的關(guān)系曲線，并取含汞飽和度為10%時(shí)的進(jìn)汞壓力為該巖石的突破壓[31]。壓汞法通過(guò)汞-空氣-巖石與CO2-水-巖石之間的表面張力和接觸角的換算，推算CO2在飽水巖石中的突破壓。根據(jù)Washburn 公式，Purcell 給出了巖石內(nèi)汞-空氣與CO2-水毛管壓力的換算公式[30]：

式中：PC(Hg-air)、PC(CO2-water)分別為汞驅(qū)空氣、CO2驅(qū)水的突破壓；σHg-air、σCO2-water分別指汞驅(qū)空氣、CO2驅(qū)水條件下的表面張力；θHg-air、θCO2-water分別指汞驅(qū)空氣、CO2驅(qū)水條件下的接觸角。

表1 CO2突破壓測(cè)試方法綜述Table 1 Review on CO2breakthrough pressure measurement

圖6 由壓汞法孔隙結(jié)構(gòu)測(cè)量獲得的毛管壓力曲線[30]Fig.6 Capillary pressure curve from mercury porosimetry measurement[30]

壓汞法不僅可以簡(jiǎn)便、快速地測(cè)出巖樣突破壓，還可以得到巖樣內(nèi)部孔徑分布情況。如圖6(a)，點(diǎn)RP 汞開(kāi)始進(jìn)入孔隙，該點(diǎn)壓力即為進(jìn)汞壓力值；點(diǎn)PP為進(jìn)汞曲線斜率最大點(diǎn)的垂線與橫軸的交點(diǎn)，表示進(jìn)攻速率最快的點(diǎn)，進(jìn)汞速率反映了孔隙結(jié)構(gòu)中孔徑分布情況，由此可知，在點(diǎn)PP 反映的孔徑為該孔隙結(jié)構(gòu)中的主導(dǎo)孔徑；點(diǎn)DP為進(jìn)汞曲線斜率最大點(diǎn)切線與橫軸的交點(diǎn)。如圖6(b)所示，進(jìn)汞曲線的一階導(dǎo)數(shù)即為孔徑分布曲線。

然而，由式（2）可知，采用壓汞法獲取原位突破壓需要知道原位條件下的CO2-水-巖石的表面張力和接觸角。由于表面張力和接觸角隨溫度、壓力、水質(zhì)、孔隙結(jié)構(gòu)、表面性質(zhì)等條件不斷變化，很難準(zhǔn)確地獲取地層條件下的CO2-水-巖石表面張力、接觸角，影響了換算精度。

壓汞法的前處理過(guò)程可能會(huì)對(duì)巖樣孔隙結(jié)構(gòu)造成破壞，即去水過(guò)程[37,54]。Dewhurst 等[54]對(duì)幾種巖樣去水方式進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)硬化巖石在常溫下風(fēng)干對(duì)突破壓測(cè)試結(jié)果影響較小。富含蒙脫石、伊利石、石膏等礦物的蓋層巖石，脫水會(huì)改變礦物成分，采用不同的脫水方法會(huì)對(duì)巖石孔隙結(jié)構(gòu)造成不同的改變，文獻(xiàn)[54]表明，采用凍結(jié)升華的方法去水對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響會(huì)減小很多。

由于蓋層巖石的孔喉尺寸一般在納米量級(jí)，壓汞的壓力高達(dá)數(shù)十甚至上百兆帕，孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著地改變，實(shí)測(cè)的突破壓也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。由此，壓汞法無(wú)法反映巖樣的初始地應(yīng)力狀態(tài)[55]。

此外，蓋層巖石內(nèi)的CO2突破與滲流是有方向性的，滲流總體方向一般是從蓋層底部到頂部。由于蓋層的層狀沉積特點(diǎn)，其橫向的突破壓小于縱向的突破壓，因此，壓汞時(shí)汞會(huì)優(yōu)先從層理面進(jìn)入巖石孔隙，其流動(dòng)路徑與CO2突破過(guò)程不同[56]。在巖樣各向異性比較顯著情況下，測(cè)試結(jié)果與真實(shí)突破壓會(huì)有較大差別。

3.2 直接法

為了彌補(bǔ)壓汞法測(cè)試的不足，研究者提出了多種直接測(cè)量方法，使得突破壓測(cè)試流程更為接近CO2實(shí)際突破過(guò)程，大大提高了突破壓測(cè)試精度。

3.2.1 分步法

分步法測(cè)試巖石突破壓時(shí)，巖樣飽水后置于巖心夾持器內(nèi)，一端（下游）施加設(shè)定水壓力，另一端（上游）注入CO2，并逐步增加CO2壓力，每步壓力穩(wěn)定一段時(shí)間，并記錄巖樣下游排出水的情況。當(dāng)某步CO2壓力與下游壓力之差超過(guò)巖樣突破壓時(shí)，巖樣孔隙內(nèi)會(huì)有CO2滲流發(fā)生，較長(zhǎng)時(shí)間后可以在下游觀察到CO2氣泡排出。此時(shí)上、下游壓力差即為該巖樣的突破壓[35]，如圖7 所示。

圖7 分步法上、下游壓力變化曲線[35]Fig.7 Upstream and downstream pressure curves of step-by-step method[35]

分步加壓的方法提供了充足的時(shí)間使孔隙內(nèi)流體遷移并趨于穩(wěn)定[57]。若每級(jí)壓力較小，則可以監(jiān)測(cè)到上、下游壓力差剛好超過(guò)突破壓時(shí)，下游流體的排出情況[52]。分步法的測(cè)試更符合CO2突破并開(kāi)始驅(qū)替孔隙水的情形，即驅(qū)替發(fā)生時(shí)，上、下游的最小壓力差。理論上，測(cè)試結(jié)果更接近真實(shí)值。

可是，當(dāng)上、下游壓力差剛好超過(guò)巖樣突破壓時(shí)，CO2排出流量很小[37]，尤其是當(dāng)每步壓力持續(xù)時(shí)間較短時(shí)，很難精確判斷是否突破。因此，分步法測(cè)得的突破壓往往高于巖樣實(shí)際突破壓值[47]。一般需要進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)才能確定一個(gè)穩(wěn)定且準(zhǔn)確的突破壓值，由此增加了試驗(yàn)的時(shí)間。盡管提高壓力增量可以縮短試驗(yàn)周期，但分步壓力大小影響測(cè)試精度，每步壓力越大，測(cè)試結(jié)果的誤差也就越大，因此，會(huì)降低試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

3.2.2 連續(xù)法

采用連續(xù)法進(jìn)行突破壓測(cè)試時(shí)，將事先飽水后的巖樣放入巖心夾持器內(nèi)，施加設(shè)定的圍壓，并在巖心夾持器一端注水，保持巖心下游端壓力恒定。在巖心夾持器上游端以一個(gè)較低的恒定流速持續(xù)注入CO2[51]。CO2注入過(guò)程中，下游壓力不變，上游壓力緩慢增加，當(dāng)上下游壓力差超過(guò)巖心進(jìn)氣壓力值時(shí)，CO2開(kāi)始進(jìn)入巖心孔隙，下游有水排出[42]。此時(shí)的上下游壓力差可以認(rèn)為是巖心的進(jìn)氣值。隨著繼續(xù)注入CO2，會(huì)在巖心內(nèi)部形成CO2的連續(xù)流體[43]，并觀測(cè)到巖心下游段有氣體流出，此時(shí)停止CO2計(jì)量泵注入，穩(wěn)定測(cè)試系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)壓差和流量變化，一直到排出流量近似為0，此時(shí)的壓差為突破壓。

如果CO2的注入速率足夠慢，滲透阻尼可以忽略不計(jì)[42]，可觀察到近似剛好發(fā)生CO2泄漏時(shí)的上、下游壓力，因此可以認(rèn)為，最后測(cè)得的壓力差就是巖心的突破壓。圖8為連續(xù)法試驗(yàn)過(guò)程中壓力、流量變化曲線。

圖8 連續(xù)法CO2流量、壓力與歷時(shí)監(jiān)測(cè)曲線[42]Fig.8 Monitoring curves of CO2flow rate and pressure versus elapsed time of continuous injection method[42]

然而，當(dāng)測(cè)試泥巖等低滲巖石時(shí)，即使采用較低的注入速率，停止CO2注入后，下游流體流量需要很長(zhǎng)的時(shí)間才會(huì)逐漸變?yōu)?。圖8為Horseman和Harrington 等采用連續(xù)法對(duì)第三紀(jì)泥巖和人工合成的膨潤(rùn)土采用連續(xù)法進(jìn)行了突破壓的測(cè)量[38－39,42－43]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)CO2注入速率為0.375 mL/h 時(shí)，引起的氣體壓力增長(zhǎng)速度約為4 MPa/h，單次試驗(yàn)時(shí)間約為30 d。若簡(jiǎn)單提高CO2注入速率，流體的滲透阻尼大幅度增加，直接影響突破壓測(cè)試精度。因此，采用連續(xù)法進(jìn)行突破壓測(cè)量，很難兼顧測(cè)試的效率和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2.3 驅(qū)替法

驅(qū)替法是目前油氣行業(yè)用來(lái)確定油氣田蓋層突破壓（排替壓力）的重要方法。試驗(yàn)過(guò)程中，首先將烘干、抽真空后的巖樣充分飽和煤油，然后置于高圍壓的巖心夾持器內(nèi)，根據(jù)巖樣的砂質(zhì)含量、壓實(shí)程度等，選取某一壓力的氣體直接驅(qū)替飽和在巖樣孔隙中的煤油，當(dāng)發(fā)現(xiàn)氣體從巖樣另一端逸出時(shí)，記錄下該外施氣體壓力為巖石的突破壓[48]。

研究表明，外施氣體的壓力與氣體突破巖樣的時(shí)間有很好的相關(guān)性：外施氣體壓力越高，突破時(shí)間越短，反之亦然。因此，要對(duì)試驗(yàn)測(cè)得結(jié)果進(jìn)行時(shí)間校正[31,48]。

（1）時(shí)間校正

根據(jù)泊肖定律（闡述層狀滯流的定律），排替速度可以描述為

式中：x為氣體突破巖石時(shí)的液體排出量；t為突破時(shí)間；r0為巖樣內(nèi)部最大連通孔徑；P為外施氣體壓力；P0為巖樣突破壓；L為巖樣長(zhǎng)度；μ為液體黏度；q為水動(dòng)力彎曲度。

試驗(yàn)時(shí)，同一樣品分兩次飽和煤油后進(jìn)行突破壓試驗(yàn)，可得到兩組突破壓和突破時(shí)間數(shù)據(jù)，設(shè)為P1、t1和P2、t2，根據(jù)式（3）可得

解式（4）、（5）后得氣體驅(qū)替煤油的突破壓為

該方法測(cè)得的是常溫條件下氣驅(qū)替煤油的突破壓，需通過(guò)空氣-煤油-巖石和CO2-水-巖石之間的表面張力和接觸角換算以及溫度校正得到巖樣在地層溫度、飽和水的條件下CO2的突破壓。

表面張力和接觸角換算公式與壓汞法類似，也存在與壓汞法換算過(guò)程中相同的問(wèn)題。

（2）溫度校正[31,48]

主要考慮氣、水之間表面張力 σw-g隨溫度的變化，其變化規(guī)律為

式中：T為地溫（℃），可由下式表示：

式中：H為埋深（m）；H0為恒溫層厚度（m）；T′為地溫梯度（℃/100 m）；a為地表常溫（℃）。

這樣，可以得到地下巖石突破壓的計(jì)算公式：

式中：Pe為實(shí)驗(yàn)室條件下?lián)Q算得到的飽和水的突破壓。

綜上所述，實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的巖石飽和煤油的突破壓，經(jīng)過(guò)時(shí)間校正、界面張力和接觸角換算以及溫度校正，即可得到巖石在地層條件下的突破壓。

這種測(cè)試方法往往帶有盲目性，尤其是外施氣體壓力的選取。為了避免氣體壓力選取的盲目性，國(guó)內(nèi)研究者將壓力施加改為程序升壓[32]。此外，為了更精確地觀測(cè)下游流體的逸出情況，在下游安裝微體流量計(jì)，巖樣內(nèi)少數(shù)最大連通孔隙流體被驅(qū)動(dòng)，微體流量計(jì)內(nèi)煤油液面不斷上升時(shí)，所施氣體壓力即為氣驅(qū)煤油的突破壓。此外，由于測(cè)試結(jié)果需要進(jìn)行復(fù)雜的換算和校正，在此過(guò)程中，參數(shù)和公式的選取存在較大的不確定性。

盡管如此，驅(qū)替法測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求較低，可以快速得出巖石突破壓，在目前國(guó)內(nèi)油氣蓋層密封性研究中有十分廣泛的應(yīng)用。

3.2.4 脈沖法

脈沖法，又稱殘余毛管壓力法（residual capillary pressure method），由Hildenbrand 等[39]首次提出的。脈沖法是基于分步法演化而來(lái)，將施加多級(jí)壓力改為施加一個(gè)較大的、超過(guò)巖石突破壓的初始?jí)毫Σ?，監(jiān)測(cè)壓差變化過(guò)程，而獲取突破壓值的方法。文獻(xiàn)中脈沖法的加壓方式有兩種，如圖9所示。

一是下游注水，并保持體積固定，上游注CO2。在上游施加高于突破壓與下游壓力之和的恒定壓力，并保持。隨著CO2滲入巖心，下游壓力逐漸增加，直至下游壓力穩(wěn)定，即得到一個(gè)穩(wěn)定的上、下游壓力差，如圖9(a)所示。反復(fù)試驗(yàn)幾次，按照一定的方法選取多次試驗(yàn)結(jié)果的特征值作為該巖心的突破壓力；二是在上游施加較高CO2壓力后停止加壓。這樣，隨著下游壓力增加，上游壓力不斷減小，直至上、下游壓力相對(duì)穩(wěn)定。同樣，得到的穩(wěn)定的上、下游壓力差即為該巖心突破壓，如圖9(b)所示。

圖9 脈沖法原理圖(下游體積始終保持恒定)[39]Fig.9 Scheme of the two experimental modes of pulse decay method(downstream volume fixed in both instances)[39]

由于脈沖法將分步法的逐級(jí)加壓改為一步加壓，因此大大加快了CO2突破過(guò)程，有效節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間。然而，由于高壓力梯度會(huì)對(duì)巖樣孔隙結(jié)構(gòu)造成一定程度的破壞，降低了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

圖10 CO2突破泥巖過(guò)程中毛管壓力與飽和度之間的關(guān)系[32]Fig.10 Sketches of capillary pressure and saturation in breakthrough processes at pore scale[32]

此外，由圖10 可知，脈沖法測(cè)試突破壓過(guò)程中，CO2相對(duì)滲透率初始為0，達(dá)到最大值后開(kāi)始下降，試驗(yàn)停止時(shí)又降為0。研究表明，上述過(guò)程經(jīng)歷了CO2驅(qū)替孔隙水，繼而被CO2驅(qū)替的水開(kāi)始重新回填到被CO2占據(jù)的孔隙，即存在“氣驅(qū)水”和“水驅(qū)氣”兩個(gè)過(guò)程。由于水驅(qū)CO2的接觸角（后退角）大于CO2驅(qū)水的接觸角（前進(jìn)角）[58]，由Washburn 公式可知，水驅(qū)CO2過(guò)程的毛管壓力小于CO2驅(qū)水過(guò)程的毛管壓力。水停止回填，即試驗(yàn)停止時(shí)，上、下游壓力關(guān)系如下：

假設(shè)只發(fā)生CO2驅(qū)水過(guò)程的上、下游壓力關(guān)系為

則它們之間的關(guān)系為

與分步法不同，脈沖法的測(cè)試過(guò)程包含氣驅(qū)水和水回填兩個(gè)過(guò)程，更符合泄漏發(fā)生到停止的情形下的壓力演化過(guò)程，因此可以認(rèn)為，Psnap-off是CO2泄漏停止時(shí)上下游的最大壓力差。

4 不同突破壓測(cè)試方法的特點(diǎn)及適用范圍

結(jié)合前人的研究結(jié)果及各種突破壓測(cè)試方法的原理、流程，總結(jié)了突破壓測(cè)試方法的主要特點(diǎn)，如表2 所示。

盡管由壓汞法測(cè)算得到的CO2突破壓誤差較大，但試驗(yàn)可以得到較為準(zhǔn)確的巖樣孔喉半徑。目前，壓汞法已經(jīng)成為最主要的測(cè)試孔隙度較大的巖石孔徑分布的方法。受滲流速度的影響，連續(xù)法和分步法的試驗(yàn)時(shí)間一般相對(duì)較長(zhǎng)，不過(guò)對(duì)中、高滲巖石采用較低的注入速率或加壓梯度，可以近似地再現(xiàn)CO2突破、滲流的過(guò)程，且測(cè)量結(jié)果較為接近突破壓真實(shí)值；驅(qū)替法對(duì)設(shè)備要求低，測(cè)試簡(jiǎn)單，可以快速得出巖石突破壓。目前，在我國(guó)油氣行業(yè)驅(qū)替法仍然是最主要的蓋層巖石突破壓測(cè)試方法。但驅(qū)替法測(cè)試結(jié)果的轉(zhuǎn)化和校正存在較大的不確定性。脈沖法加速了CO2和水在孔隙中的滲流速度，但過(guò)高的壓力梯度會(huì)對(duì)巖樣孔隙內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)造成影響，降低了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度；不過(guò)脈沖法能夠使CO2在巖心中的突破過(guò)程在較短的時(shí)間內(nèi)完成，大大提高了測(cè)試效率，即使對(duì)于特低滲的泥巖等巖樣，突破壓測(cè)試也可以在數(shù)天內(nèi)完成。

表2 突破壓測(cè)試方法的主要特點(diǎn)Table 2 Major characteristics of CO2breakthrough pressure measurement methods

脈沖法在一定程度上保證了測(cè)試精度，較高的測(cè)試效率和較大的測(cè)試范圍使其廣泛地應(yīng)用于目前大多數(shù)蓋層巖石突破壓的測(cè)試，并有著重要的應(yīng)用前景。此外，也可以將驅(qū)替法或分步法與脈沖法相結(jié)合：首先提高分步法每步施加的壓力，測(cè)得突破壓的大體范圍，或者利用驅(qū)替法得出蓋層巖石突破壓的范圍；然后根據(jù)第一步測(cè)得的突破壓范圍確定脈沖法的初始?jí)毫Σ?。這樣，可以避免脈沖法施加的初始?jí)毫Σ钸^(guò)大或過(guò)小對(duì)結(jié)果造成較大的影響。

國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)我國(guó)34 個(gè)大、中型氣田的蓋層統(tǒng)計(jì)和蓋層微觀參數(shù)進(jìn)行了分析[56]，結(jié)果表明，以泥巖為蓋層的大、中型氣田占總數(shù)的60%，膏巖鹽約占18%，而以泥頁(yè)巖和石灰?guī)r、白云巖為蓋層的較少，約占總數(shù)的11%，如表 3 所示。因此，驅(qū)替法和脈沖法相對(duì)于連續(xù)法和分步法，在工程應(yīng)用中具有更大的優(yōu)勢(shì)。綜合上述分析，可得出各種突破壓測(cè)量方法的適用范圍如圖11 所示。

表3 我國(guó)部分大中型氣田蓋層評(píng)價(jià)參數(shù)數(shù)據(jù)[56]Table 3 Data of caprock evaluation parameters of some large and medium gas fields in China[56]

圖11 CO2突破壓測(cè)量方法的適用范圍與工程需求的關(guān)系Fig.11 Relationship between CO2breakthrough pressure measurements and engineering requirement

5 建議研究的方向

目前主要開(kāi)展了特定條件下的巖心尺度的CO2突破壓測(cè)試，而對(duì)于復(fù)雜條件下的突破壓的機(jī)制及其突破過(guò)程、不同空間尺度上突破過(guò)程如何演化均缺乏相應(yīng)的研究工作。下面列出一些迫切需要解決的研究工作。

5.1 毛管壓力曲線和飽和度的關(guān)系

國(guó)內(nèi)外研究者已對(duì)巖石毛管壓力與飽和度的關(guān)系進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究[16,60]，但試驗(yàn)對(duì)象多為砂巖等中、高滲巖石，而CO2地質(zhì)封存場(chǎng)地的蓋層優(yōu)先選擇區(qū)域性的泥頁(yè)巖、蒸發(fā)巖等低孔低滲的巖石類型作為蓋層，現(xiàn)有試驗(yàn)手段對(duì)于這類研究比較薄弱。因此，在孔隙、巖心、場(chǎng)地等不同空間尺度，工程注入、長(zhǎng)期封存過(guò)程等不同時(shí)間尺度下，CO2突破壓演化規(guī)律與CO2運(yùn)移過(guò)程的研究，對(duì)于探究蓋層對(duì)CO2封存能力的演化具有意義[61]。此外，巖石毛管壓力與飽和度的關(guān)系對(duì)于研究蓋層泄漏發(fā)生的臨界點(diǎn)和泄漏率的演化規(guī)律提供了重要基礎(chǔ)依據(jù)。

5.2 試驗(yàn)條件對(duì)突破壓的影響

根據(jù)Washburn 公式，蓋層巖石CO2突破壓主要受控于CO2-水-巖石之間的表面張力、接觸角以及巖石內(nèi)部最大連通孔隙半徑。因此，突破壓測(cè)試過(guò)程中，不同試驗(yàn)條件對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生很大的影響[62－64]。前人針對(duì)同一巖樣進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)，對(duì)溫度、壓力、應(yīng)力條件、鹽水含鹽度、巖石孔隙結(jié)構(gòu)、孔吼表面物理化學(xué)性質(zhì)、巖石-水-CO2相互作用等條件對(duì)突破壓的影響進(jìn)行了初步探究，其影響關(guān)系可近似采用下式表達(dá)：

式中：σij為巖樣所處應(yīng)力條件；T為溫度；TDS為溶解固體總含量；Mrock為巖樣礦物成分。

由于CO2-水-巖石之間的復(fù)雜物理與化學(xué)作用，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與真實(shí)情況之間存在一定的差異[65－67]。準(zhǔn)確的CO2突破壓測(cè)試必須反映現(xiàn)場(chǎng)條件及長(zhǎng)期封存條件，才能準(zhǔn)確獲取巖心尺度上的蓋層巖石CO2突破壓。此外，研究試驗(yàn)條件對(duì)突破壓的影響，有助于探究蓋層巖石突破壓的長(zhǎng)期演化規(guī)律，進(jìn)而掌握蓋層密封性的變化趨勢(shì)和更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)場(chǎng)地安全性。

5.3 測(cè)試過(guò)程的可視化

實(shí)現(xiàn)突破壓測(cè)試過(guò)程的可視化，特別是低滲透巖石，將十分有助于超臨界CO2在蓋層中的遷移方式和遷移規(guī)律的解釋[68－69]，對(duì)于探究超臨界CO2在蓋層中的遷移、泄漏具有重要意義。隨著技術(shù)的發(fā)展，采用Micro-model、Micro-XCT 或核磁共振等設(shè)備對(duì)CO2突破過(guò)程進(jìn)行模型再現(xiàn)或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)與分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)CO2突破機(jī)制與過(guò)程的深入認(rèn)識(shí)。

6 結(jié)論與建議

（1）壓汞法可以快速得出巖石突破壓，且能很好地測(cè)得巖石內(nèi)部孔徑分布的情況，但它忽略了巖石的各向異性，且試驗(yàn)條件與場(chǎng)地條件不一致。壓汞法測(cè)量值通常低于蓋層巖石實(shí)際突破壓。直接法測(cè)量已成為目前主要的突破壓測(cè)量方法。分步法和連續(xù)法是基于突破壓定義提出的，具有較高的準(zhǔn)確度，但試驗(yàn)所需時(shí)間一般很長(zhǎng)；驅(qū)替法測(cè)試時(shí)間較短，且測(cè)試范圍較為廣泛，但測(cè)試結(jié)果需要進(jìn)行復(fù)雜的換算和校正；脈沖法較好地兼顧了測(cè)試時(shí)間和測(cè)試精度，并得到了廣泛應(yīng)用。

（2）針對(duì)各個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了它們各自的適用范圍。連續(xù)法和分步法一般適用于中、高滲巖石；驅(qū)替法和脈沖法具有更廣的適用范圍，特別針對(duì)低孔低滲巖石。

（3）蓋層巖石突破壓的研究，還存在較多的不足。筆者建議：①泥巖等低孔低滲巖石的毛管壓力曲線和飽和度的關(guān)系研究對(duì)于研究蓋層對(duì)CO2封存能力及泄漏規(guī)律的研究意義重大；②不同試驗(yàn)條件對(duì)CO2突破壓測(cè)試的影響規(guī)律需要更進(jìn)一步的探究；③為了更深入地理解超臨界CO2在蓋層中的遷移規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)泥巖等低孔低滲巖石突破壓測(cè)試過(guò)程的可視化技術(shù)非常重要。

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