碳捕集与封存（CCUS）是实现碳中和的重要技术途径之一，其中盐水层 CO₂地质封存因储量丰富、稳定性高而备受关注。然而，在高盐度地层中注入超临界 CO₂（ScCO₂）时，往往伴随孔隙水蒸发与盐分富集，导致井筒附近盐结晶沉积、孔喉堵塞和注入能力下降等工程问题，严重影响长期封存安全与储层完整性。

针对上述科学问题，中国地质大学（北京）能源学院博士生王丹群在李治平教授与郭建平副教授的指导下，基于鄂尔多斯盆地延长组砂岩样品，构建了高温高压 CO₂–盐水–岩石三相反应体系，通过核磁共振（NMR）、低温氮吸附、扫描电镜（SEM/EDS）、X 射线衍射（XRD）、离子色谱与接触角等多尺度实验手段，揭示了超临界CO2诱发盐析的耦合机理，取得了以下主要成果和认识：

1、揭示界面控制与动态反馈驱动的盐析过程。ScCO₂诱发的盐析过程受界面控制并呈动态反馈特征。CO₂注入导致孔隙水快速挥发（界面萃取效应）并生成弱酸性 H₂CO₃，使体系pH降低并增强碳酸盐矿物溶解，从而提升Na⁺、Cl^-、Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、SO₄^2- 等离子浓度。该过程首先形成 NaCl、KCl 等卤化盐，随后在孔喉内逐步沉积CaSO₄、CaCO₃及含 Mg/K 的次生盐类，构成“沉淀—堵塞—再沉淀”的正反馈循环（图1、图2）。

2、揭示盐析作用下的孔结构与润湿性变化。ScCO₂ 理后岩心样品孔体积明显减小，NMR T？谱峰整体左移，宏孔信号衰减显著。氮吸附结果显示，中孔比例由 47% 增至 60%，微孔比例降至 34%；接触角由约 41° 增至 58°，表明岩石表面由亲水性转变为疏水性。该变化源于表面盐壳及晶体膜的形成，阻碍了水相迁移并强化盐析作用（图3）。

3、揭示盐类类型与空间分布的时间演化特征。同阶段的盐析表现出明显的界面分异性：初期 NaCl、KCl 在气–液界面附近形成；随时间推移，CaSO₄、CaCO₃ 及 Mg/K 盐类在孔喉内部沉积，导致流动通道严重堵塞。SEM–EDS 分析显示，ScCO₂ 条件下岩样表面富集 Ca、S、Mg、K 元素，而 N₂ 对照组仅观察到稀疏的 NaCl 晶体，表明不同注入环境下盐析行为显著差异（图4）。

4、提出多尺度盐析缓解与防控策略。研究构建了基于机理的多尺度治理框架，主要包括：(1)水化学调控——降低 Ca²⁺、Cl^- 浓度并添加络合剂；(2)注入工艺优化——采用脉冲注入与近临界压力控制；(3)孔结构调理——预形成盐膜或施加纳米/聚合物涂层；(4) 实时监测诊断——结合 NMR、压汞、接触角等手段动态识别盐析演化。该体系可有效稳定孔喉结构并提升 CO₂ 注入性。

图1  CO₂ 诱导的界面脱水与盐析机制示意及离子浓度演化。(a–e) 在 N₂  与 CO₂  环境下浸泡过程中主要离子（Na⁺、Ca²⁺、K⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄^2- ）的浓度变化趋势；(f) 示意图展示了超临界 CO₂ （ScCO₂ ）作用下盐水界面的干化效应及过饱和诱导的晶体析出过程

图2  超临界 CO₂ （ScCO₂ ）条件下盐析作用动态正反馈循环的示意图

图3  N₂  组（A组，蓝色）与超临界 CO₂  组（B组，紫色）孔隙结构演化的对比分析。(a) 不同浸泡时间（0、7、15 天）下的 NMR T₂   弛豫时间谱，显示对应的孔径范围（T₂   < 10 ms 为微孔，T₂   > 10 ms 为大孔）及基于 NLDFT 分析得到的孔体积分布；(b) 堆叠柱状图展示了微孔（<2 nm，浅色）、中孔（2–50 nm，中色）与大孔（>50 nm，深色）的体积分布随浸泡时间的变化，用以评估盐析作用驱动的孔结构重构过程；(c) 氮气吸附–脱附等温线（空心符号为 N₂  组，实心符号为 CO₂  组）及其对应的累积孔体积分布曲线（右轴），突出显示了不同气体环境下样品吸附能力与总孔体积的降低特征

图4  N₂ 与超临界 CO₂ （ScCO₂ ）处理条件下盐析作用的表面及孔隙尺度分布特征

上述成果主要受国家自然科学基金企业创新发展联合基金项目（编号：U22B2073）资助，发表于国际水资源领域权威期刊《Water Resources Research》。李治平教授为论文通讯作者。

论文信息为：Wang, D., Lai, J., Zhang, Y., Chen, W., Li,Z., & Guo, J. (2025). Mechanistic investigation of salt precipitation induced by supercritical CO2 in saline aquifers. Water Resources Research, 61, e2025WR041172.

全文链接：https://doi.org/10.1029/2025WR041172