將二氧化碳（CO₂）注入深部咸水層、油氣藏、煤層等地質(zhì)體進(jìn)行長(cháng)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。在CO₂注入咸水層的過(guò)程中，儲層巖石的潤濕性是影響CO₂地質(zhì)封存的一個(gè)重要因素。目前，通過(guò)實(shí)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(guān)系，但是在不同測試環(huán)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(shí)驗中觀(guān)察到，而且實(shí)驗現象背后的作用機理也難直接有效的進(jìn)行解釋。分子動(dòng)力學(xué)模擬方法可以規避實(shí)驗過(guò)程中的多因素問(wèn)題，表征不同因素對潤濕性的影響。同時(shí)，分子動(dòng)力學(xué)模擬可以觀(guān)察和檢測液滴在巖石表面的微觀(guān)構型及其潤濕行為，并且對其行為特征進(jìn)行解釋。

　　在CO₂注入咸水層的過(guò)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(wèn)題，中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所二氧化碳地質(zhì)封存研究團隊以地層水-砂巖體系為例，采用分子動(dòng)力學(xué)方法對不同礦化度地層水在砂巖表面的潤濕行為開(kāi)展了系統的研究。首先，利用體系平衡構型分析體系中陰陽(yáng)離子分布特征、離子水化作用及陰陽(yáng)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；其次，通過(guò)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(lái)綜合評價(jià)礦化度對水滴在砂巖表面潤濕性影響。結果表明，隨著(zhù)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(zhì)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(guò)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?chē)奂?。溶液中陰?yáng)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(wǎng)絡(luò )，進(jìn)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(lái)越強，降低了水在砂巖表面的潤濕能力。

　　本研究成果得到國家自然科學(xué)基金（資助號：41872210和41274111）、巖土力學(xué)與巖土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室開(kāi)放基金（資助號：Z018004）的共同資助。相關(guān)論文已經(jīng)發(fā)表在兩相流領(lǐng)域學(xué)術(shù)期刊Colloids and Surfaces A。

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.127807

圖1 離子對水在砂巖表面潤濕性行為的影響特征

圖2 不同鹽水濃度下Na-Ow與Cl-Hw間的平均作用勢

圖3 兩種締合離子對的微觀(guān)構型：a~d分別為鹽水濃度為10%，15%，20%，25%的平衡構象圖

（文/圖 二氧化碳地質(zhì)封存組）