基于分布式光纤传感与X射线CT的储层驱替过程微变形及流体分布实时监测

研究人员开发了一种结合X射线计算机断层扫描(X-ray CT)成像与分布式光纤应变传感(FOSS)的综合监测技术，用于实时监测储层动态驱替过程。在不同注入模式下，实现了储层内部流体分布与局部膨胀特征的可视化。结果表明，储层膨胀响应强度与注入流体相态密切相关：液相注入引起的膨胀响应显著强于气相注入。注入1倍孔隙体积(PV)液体时，应变增加约67.1 με，约为气相条件下的2.5倍。液相注入伴随与相前缘位置一致的应变前缘，而气相置换过程中未观察到显著的局部应变增加。CT图像综合分析表明，差异原因在于液相前缘推进稳定均匀，使岩心应力分布更为均衡；而气相前缘呈不稳定指状结构，驱替效率较低，显著降低了储层变形程度。此外，应变前缘可用于基于微变形的储层驱替前缘空间位置实时评估。该综合监测方法为CO2地质封存过程中的流体运移行为与变形特征研究提供了新视角。

在全球应对气候变化背景下，碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage, CCS)技术被视为降低大气CO₂浓度的重要手段，其中CO₂地质封存通过将捕获的CO₂注入深层地质构造实现长期隔离。然而，大规模高压注入会扰动原始地质结构，引起孔隙压力与有效应力变化，可能诱发微地震、盖层破坏甚至泄漏风险。因此，对储层及上覆岩层的压力积累、变形及CO₂羽流迁移进行可靠监测至关重要。现有实验室岩石力学表征技术如位移传感器、三维数字图像相关法(3D-DIC)、CT与核磁共振(NMR)虽可提供一定数据，但在微变形、局部应变及流体-岩石相互作用监测方面存在分辨率不足的问题。为此，研究人员提出了将分布式光纤应变传感(FOSS)与穿透式成像技术相结合的多维监测策略，以提升数据的准确性与完整性。本研究发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》。

研究中采用的核心技术方法包括：选用俄亥俄州克利夫兰Berea层砂岩作为实验岩样，按ASTM标准制备圆柱形样品并进行超声波清洗；在岩心表面螺旋缠绕SMF-28e+光纤传感器，利用环氧树脂粘接并施加预张力，确保传感器与岩心的紧密耦合；采用工业X射线CT系统(Geoscan-220)进行流体分布成像，配合分布式光纤应变监测系统(ODiSI 6100)基于光学频域反射(OFDR)原理获取应变数据；实验分别在液相（含11.5 wt.%碘化钾的超纯水）与气相（氮气）注入条件下进行，并通过灰度转换算法计算流体饱和度。

研究结果

3.1 液相驱替过程中样品响应

CT可视化显示液相驱替前缘呈稳定活塞式推进，界面清晰且均匀垂直于流动方向，仅在界面偶见短暂指状扩展。驱替过程分为大尺度驱替阶段与稳定驱替阶段：前者液相快速推进，局部盐水饱和度显著提升；后者饱和度增速减缓，液相继续小幅置换孔隙中气体，最终趋于稳定流态。

3.2 气相驱替过程中样品响应

气相驱替前缘呈不稳定指状结构，沿岩心边缘推进并在中心区域形成残余盐水滞留区。指进与捕集现象导致驱替效率下降，大量气体集中在局部通道，中心区域置换不完全。

3.3 液相注入过程中的应变响应

光纤应变监测表明，液相注入引起显著周向膨胀应变，且在驱替前缘附近应变增长最快。前缘推进过程中应变曲线与饱和度曲线形态高度一致，前缘位置对应最大应变率变化点。突破后整体应变持续上升，但前缘型应变增长消失。稳定驱替阶段注入1 PV液体，岩心饱和度增加2.81%，应变增加约67.1 με。

3.4 气相注入过程中的应变响应

气相注入同样引起岩心膨胀，但应变增幅远低于液相注入，且前缘位置应变变化不明显。饱和度下降与应变增加呈正相关，但缺乏清晰的应变过渡点，难以通过应变信号精确定位气相前缘。平均应变随注入体积增加而上升，但始终低于液相注入，两者差距随注入量增加由约4.8倍缩小至2.5倍。

3.5 局限性与更广泛意义

研究受限于Berea砂岩代表性不足、实验室条件与真实地层差异、CT分辨率及光纤安装精度等因素，但验证了多传感器联合监测在CO₂封存安全评估中的应用潜力。未来需在更多岩石类型与实际场地条件下开展长期监测，并优化传感器布置与成像分辨率。

结论翻译

本研究结合X射线CT成像与分布式光纤传感技术，对天然Berea砂岩进行液相与气相驱替实验的实时联合监测，揭示了不同注入相态对储层内气液分布及局部膨胀特征的影响。CT图像显示，液相驱替前缘推进稳定均匀，波及面积大且饱和度高；气相驱替前缘呈不稳定指状结构，非均匀推进导致更强气体滞留与捕集，驱替效率降低。稳定驱替阶段注入1 PV液体使岩心饱和度增加2.81%、应变增加67.1 με。液相注入在各阶段均引起更大变形，但随着注入量增加两相差异逐渐缩小。液相驱替中应变前缘与饱和度前缘一致，可基于微变形识别流体前缘；气相驱替因前缘不稳定且界面模糊，无明显应变前缘现象。研究表明，液相驱替对储层扰动更大，更易诱发显著变形；气相驱替虽扰动较小，但气体传播与置换效果较差，易导致更多气体滞留。成果可为CO₂封存注入方式优化与存储效果评估提供数据支撑，有助于深化风险管理与地层稳定性认识。