本文由张烈辉、张涛、赵玉龙、胡浩然、文绍牧、吴建发、曹成、汪永朝和范云婷等作者共同撰写，发表于2024年2月的《石油勘探与开发》期刊第51卷第1期。该研究得到了国家自然科学基金重点基金项目、优秀青年科学基金项目及青年项目的资助。文章系统综述了二氧化碳-水-岩（CO₂-water-rock）系统的复杂作用机理、多孔介质反应输运（溶解、沉淀及沉淀运移）的微观模拟方法，并指出了当前研究中存在的主要问题，提出了未来研究方向的建议。

研究背景与意义

随着全球对碳中和目标的关注，二氧化碳捕集、利用与埋存（CCUS）技术成为实现碳中和的重要途径之一。CO₂注入地下储层后，不仅涉及常规的渗流和传质过程，还会引发溶解、沉淀及沉淀运移等复杂的物理化学现象。这些现象的耦合作用会导致多孔介质的孔隙度和渗透率发生复杂变化，进而影响CO₂的注入性、埋存容量及安全性。因此，深入研究CO₂-水-岩系统的微观作用机制，尤其是溶解、沉淀及沉淀运移的耦合效应，对于优化CCUS技术的应用具有重要意义。

研究内容与方法

文章主要从三个方面展开综述：CO₂-水-岩系统的复杂作用机理、多孔介质反应输运的微观模拟方法以及CO₂-水-岩系统的微观模拟研究进展。

1. CO₂-水-岩系统的复杂作用机理

CO₂注入地下后，与地层水和岩石发生复杂的物理化学反应，主要包括溶解、沉淀及沉淀运移。溶解作用会导致岩石孔隙度和渗透率的增加，而沉淀及其运移则可能导致孔隙堵塞，降低渗透率。文章详细介绍了CO₂与不同矿物（如方解石、白云石、长石等）的化学反应，并通过静态溶解实验和动态岩心驱替实验，分析了这些反应对岩石物性的影响。

2. 多孔介质反应输运的微观模拟

文章综述了多种微观模拟方法，包括传统计算流体力学（CFD）方法、粒子法（如光滑粒子流体动力学方法SPH）以及格子玻尔兹曼法（LBM）。LBM因其在处理复杂边界和多物理化学过程耦合方面的优势，逐渐成为CO₂-水-岩系统微观模拟的主流方法。文章还详细介绍了LBM在溶解、沉淀及沉淀运移模拟中的应用，特别是如何通过LBM模拟孔隙尺度的流体流动、传质及固体边界的变化。

3. CO₂-水-岩系统的微观模拟研究进展

文章总结了近年来LBM在CO₂-水-岩系统中的应用进展，重点介绍了溶解、沉淀及沉淀运移的模拟方法。通过LBM与地球化学模拟器（如PHREEQC）的耦合，研究者能够模拟CO₂注入后岩石孔隙度和渗透率的变化，并定量评估溶解、沉淀及沉淀运移对渗流能力的影响。

研究结果与讨论

文章指出，当前研究在CO₂-水-岩系统的复杂作用机理解耦合、多矿物差异性反应表征、沉淀生成机理及表征、沉淀-流体相互作用模拟方法等方面仍存在局限性。未来的研究需要创新实验方法，提高矿物地球化学反应相关参数的实验测试精度，建立可靠的沉淀生成表征方法，并有机耦合各个物理化学过程，最终实现对CO₂-水-岩系统中溶解、沉淀及沉淀运移的耦合渗流模拟。

结论与展望

CO₂注入地下后，打破地层水与岩石之间的物理化学平衡，产生溶解、沉淀及沉淀运移等特殊现象，影响CO₂的注入性、盖层封堵性及埋存可靠性。文章提出，未来的研究应结合室内可视化实验与微观模拟，通过静态溶解实验、刻蚀玻璃实验及岩心在线驱替实验对溶解、沉淀及沉淀运移进行解耦合，为各过程的微观模拟方法提供验证数据。通过LBM和DEM的耦合模拟，可以实现CO₂-水-岩系统中溶解、沉淀及沉淀运移的可视化模拟，为CCUS和CCS工业活动的安全、高效实施提供理论依据与技术支撑。

研究亮点

1. 系统性综述：文章系统综述了CO₂-水-岩系统的复杂作用机理及微观模拟方法，涵盖了溶解、沉淀及沉淀运移等多个方面。
2. 创新性方法：文章重点介绍了LBM在CO₂-水-岩系统中的应用，展示了其在处理复杂边界和多物理化学过程耦合方面的优势。
3. 未来研究方向：文章提出了未来研究的重点方向，包括复杂作用机理的解耦合、多矿物差异性反应表征、沉淀生成机理及表征等，为后续研究提供了重要参考。

研究价值

该研究不仅为CO₂-水-岩系统的微观作用机制提供了深入的理论分析，还为CCUS技术的优化应用提供了重要的技术支撑。通过微观模拟与实验的结合，研究者能够更好地理解CO₂注入后储层物性的变化规律，为CO₂埋存的安全性评估和注采方案的制定提供科学依据。