“碳达峰”背景下的二氧化碳地质封存CCUS，这篇综述为您全面概括

碳捕集、利用和封存技术（CCUS），被认为是最有效的缓解全球气候变化的技术之一。准确理解二氧化碳（CO₂）注入储层前后，储层物性特征和CO₂运移规律，对CCUS工程选址、封存储量评估以及安全性评价至关重要。

这篇综述统计了国内外应用于CCUS领域研究的核磁共振仪类型、储层样品岩性和测试内容，分析并介绍了武汉岩土所设计的一套应用于CCUS研究的低场核磁共振岩心驱替实验系统，最后对核磁共振技术在CCUS领域研究的科研应用进行了简明阐述。

本文全面梳理了近十年来国内外采用核磁共振技术研究致密油提高采收率理论的相关文献，对不同的研究方

进行了系统的总结，并指出了未来发展的方向。

根据磁体类型和磁场强度，核磁共振仪可分为高场和低场两类。低场核磁共振仪通常采用永磁体而非超导线圈建立磁场，磁场强度一般不大于0.5T。

表1对世界上主要研究团队用于CCUS研究以及相关研究的一些核磁共振系统进行了统计，同时介绍了核磁共振仪器的类型、实验样品及其来源、实验测定的内容。

表1.核磁共振仪器及实验分析统计表

根据表1，可以看出应用于CCUS岩心分析的核磁共振设备有如下特点：

• 用于CCUS的核磁共振岩心分析设备供应商主要有英国Oxford Instruments，美国Bruker，美国Varian（已被收购）以及中国的苏州纽迈分析仪器股份有限公司，还有部分设备是高校或研究院所为生产科研需要而自行研制。

  
  

• 其中英国Oxford和中国苏州纽迈分析的设备主要为低场核磁，美国Bruker和Varian公司生产销售高场核磁设备。同时，也有一些医学公司的核磁设备经改良后应用于CCUS领域。

• 服务于CCUS领域的高场核磁和低场核磁设备的研究对象和测试内容不同。天然岩石中的顺磁物质对核磁共振的测量有不良影响，低场核磁对这种影响不太敏感，但高场核磁对此却存在局限。当研究对象为天然岩石时，低场核磁更为合适。但为研究CO₂的流动过程，滞后效应、重力、黏度和浮力的影响等而采用特殊样品，如Berea砂岩、玻璃珠、白垩岩等，高场核磁更能发挥其优势。

• CCUS领域核磁共振岩心分析的研究热点发生变化。从已发表文献的年份来看，2010年之前，关于核磁共振岩心分析的研究主要是利用NMR对整个样品的T2谱进行分析和解释。2010年之后，研究热点向微观转变，主要为利用MRI技术监测岩样内部的流体分布和运移。

• CCUS在油田上也有广泛应用。CCUS并不是一项纯耗资的行为，因为其不仅可以解决当前气候变化问题，在石油行业中也可以用来显著提高采收率，产生明显的经济效益。这与表1中核磁共振岩心分析的天然岩心多为油田储层岩心相契合。
  

图1.武汉岩土所CCUS核磁共振岩心分析系统

图1为武汉岩土所自行设计的高压核磁共振岩心分析系统和岩心夹持器简明示意图，主要由压力加载模块、流体驱替模块、核磁共振三部分组成。

实验岩心放置在岩心加持器中，通过ISCO泵给试样施加不同的压力。CO2和咸水通过ISCO泵加压后进入混合器充分混合，再注入试样，通过背压阀控制出口端压力。岩心夹持器设计压力为20MPa，设计温度为90℃，放置在MacroMR12-150H-I大口径核磁共振成像仪（纽迈分析），可以实时监测二氧化碳驱替岩心内孔隙水的全过程。本系统有如下优点：

利用核磁共振原理测量样品孔隙度和孔径分布的方法有很多，比如NMR Cryoporometry法，基于扩散系数的NMR Diffusometry法，弛豫法等。

就目前掌握的资料，传统的弛豫法仍更适合于研究CCUS的驱替系统联动。由下列公式可知，饱和岩心孔隙中流体的NMR信号峰值与流体体积成正比。

通过一组标准样品对核磁共振仪进行标定之后，就可以直接测定出岩心的孔隙度。

常见的标准样品采用已知比例的水-重水混合液，利用无NMR信号的重水模拟岩石骨架，或者采用玻璃微球以及多孔陶瓷模拟岩心。

但天然岩心复杂的矿物成分会加速信号衰减，如果测量参数选择不当会导致明显的误差，因此采用同种岩石进行标定效果更好。对于不同的CCUS储层的岩心，应当优化不同的测量参数。

饱和岩心的NMR信号是岩心中不同大小孔隙中流体的NMR信号的叠加，孔隙流体的弛豫过程为表面弛豫，主要受孔隙结构的影响，根据表面弛豫与孔隙比表面积的模型，孔隙越小弛豫时间越短。通过不同的反演方法得到不同弛豫时间信号在总信号中所占的比例，就能得到岩心中不同孔径孔隙的分布。

常用的反演方法有奇异值分解（SVD）和变换反演算法、联合迭代重建反演算法（SIRT）、共轭梯度法、模拟退火算法和遗传算法。

综述中葛新民等提出了一种变回波时间的CPMG序列，通过杂交TSVD和SIRT算法增强了反演算法的稳定性和收敛性，反演获得不同弛豫时间的NMR信号在整体信号中所占比例的柱状图（谱），以此研究孔隙和孔隙流体的分布。

图2.核磁孔径与压汞法孔径分布对比图 (Gao et al., 2018)

但核磁共振所测得是不同大小孔径内的水的弛豫时间，仍需要用压汞法进行刻度，将压汞法所得到的孔径分布曲线和核磁共振得到的谱进行对比，求出谱和孔径分布之间的转换系数。

图2为采用核磁共振法和压汞法测定孔径分布的对比。两方法所得到的孔径分布基本相似，核磁测得的孔径分布较为平滑。压汞法测定的孔隙的孔径为3 nm~120 μm，对纳米级孔隙的测定并不准确全面，压汞法测定的孔隙度低于超低渗岩石的实际孔隙度，理论上核磁共振技术可以测定各个范围的孔径分布。

利用核磁共振技术测量CCUS工程储、盖层渗透率有无损、无毒、无害、无污染、更快，更简单，只对流体敏感等优点。利用核磁共振技术计算岩样绝对渗透率主要为三种经验模型：SDR模型、Coates模型和Coates-Sbvi模型。

SDR模型：

Coates模型：

Coates-Sbvi模型：

其中，K为渗透率；C_SDR、C_{coates-cutoff}、C_coates-sbvi为三种模型的修正系数；Φ_NMR为核磁共振测量的孔隙度；Φ_NMR-mobile、Φ_NMR-inmobile分别为可动和不可动流体孔隙度；FEI为可动孔隙水体积；BVI为不可动孔隙水体积；T_2g为T₂谱的几何平均值。

该综述中介绍了彭石林结合新彊油田的4 种不同类型的低渗岩心，提出了另一种SDR-REV模型。此模型将SDR模型的两个指数设为修正系数，由当地岩样实验测量数据统计分析得到。SDR-REV模型在计算不同岩心样品渗透率，如二氧化碳储、盖层时时有一定的优势。

在使用Coates模型时需要确定截止值（T_2-cutoff），一般通过对比离心实验前后的T2谱累加曲线得到。

综述介绍王为民采用规范规定6.8×104 kgf/m²的离心力进行实验，测量了165块砾岩、泥岩和砂岩，发现低渗岩心的可动流体百分数分布很宽，与渗透率之间没有很好的相关性。

但是李海波等人通过不同的离心力对23块岩心进行分析，认为对致密储层和盖层，可动流体的测量需要的离心力远高于规范的离心力，在离心力为2.25MPa状态下，才能获得准确的T_2-cutoff。孟智强等人提出一种利用离心力-含水饱和度拟合曲线中斜率为-69 /500的点的纵坐标值为最佳离心力的方法，简化了实验确定离心力的步骤。

除了绝对渗透率，由于NMR可以无损测量饱和度，因此被用于二氧化碳和水的相对渗透率测试。综述介绍了宋永臣等用Goodfield的方法分析了黏度、重力和毛管力对两相流的影响。还描述了袁春利用分形理论推导了T₂和电阻率间的关系，再通过渗流场和电流场的互等性计算相对渗透率。经过插值后的水相渗透率曲线与实测数据基本一致，但气相渗透率与实测数据仍存在差距。