不同礦化度鹽水在砂巖界面潤濕行為研究獲進展

將二氧化碳注入深部咸水層、油氣藏、煤層等地質體進行長期安全存儲和隔離，是近期和中期最有希望的減少CO₂排放到大氣中的解決方案之一，但目前缺乏地層水礦化度對巖石潤濕性的影響研究。近期，中科院武漢巖土力學研究所的一項研究顯示，隨著鹽水濃度的增加，砂巖表面對水的潤濕角增大，親水性減弱，逐步向中性潤濕轉變。相關論文發表在兩相流領域期刊Colloids and Surfaces A。

在CO₂注入咸水層的過程中，儲層巖石的潤濕性是影響CO₂地質封存的一個重要因素。目前，通過實驗基本可以確定水滴在砂巖表面的潤濕角與其影響因素的關系，但是在不同測試環境、溫度或者離子濃度等條件下，潤濕行為變化情況一般很難在實驗中觀察到，而且實驗現象背后的作用機理也難直接有效的進行解釋。分子動力學模擬方法可以規避實驗過程中的多因素問題，表征不同因素對潤濕性的影響。同時，分子動力學模擬可以觀察和檢測液滴在巖石表面的微觀構型及其潤濕行為，并且對其行為特征進行解釋。

在CO₂注入咸水層的過程中，大部分研究忽略了地層水礦化度對巖石潤濕性的影響。針對這一問題，武漢巖土力學所研究團隊以地層水-砂巖體系為例，采用分子動力學方法對不同礦化度地層水在砂巖表面的潤濕行為開展了系統的研究。

研究人員通過利用體系平衡構型分析體系中陰陽離子分布特征、離子水化作用及陰陽離子間締合作用，從而闡明離子對水滴在砂巖表面潤濕影響機制。同時，通過計算離子與水分子間的平均作用勢、鹽水體系粒子間的內聚能密度變化及水分子間氫鍵數變化來綜合評價礦化度對水滴在砂巖表面潤濕性影響。

結果表明，隨著鹽水濃度的增加，砂巖表面對水的潤濕角增大，親水性減弱，逐步向中性潤濕轉變。當鹽水質量濃度高于15%后，由于離子與離子、離子與砂巖表面及離子與水分子之間的相互作用，導致雙電層中Na⁺和Cl^-逐步減少，Na⁺和Cl^-呈現一定的濃度梯度擴散到體相中。通過離子與水分子之間的平均作用勢驗證了液滴中水分子傾向于在離子周圍聚集。溶液中陰陽離子主要以接觸離子對和溶劑分離離子對的形式存在，并形成一定程度的離子對網絡，進一步提高了水合離子的聚集能力，從而使水分子聚集能力越來越強，降低了水在砂巖表面的潤濕能力。

該研究成果得到國家自然科學基金、巖土力學與巖土工程國家重點實驗室開放基金的共同資助。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.127807