חיזוי עקומות לחץ קפילרי בהתנקות במדיום נקבובי טבעי בעזרת רלקסומטריית NMR-T2: משמעות לאחסון CO2

מדוע המחקר הזה חשוב לפתרונות האקלים

אחסון פחמן דו-חמצני בעומק הקרקע הוא אחד הכלים הבודדים שיש בידינו כדי להאט את שינוי האקלים בזמן שאנו עוברים משימוש בדלקים פוסיליים. אך לפני שממהרים להזריק CO2 לסלעים במרחק קילומטר או יותר מתחת לפני השטח, יש לוודא שהסלעים — ובעיקר שכבות האטימה מעליהם — יוכלו לשמר את הגז כבול למשך מאות שנים. המחקר מציג שיטה חדשה לחיזוי יכולת הלכידה של סלעים שונים עבור CO2 באמצעות סריקת מגנטית מהירה שאינה משביתה, במקום בדיקות כספית איטיות ורעילות.

כיצד סלעים מאחסנים ולוכדים נוזלים תת-קרקעיים

בעומק, סלעים אינם גושי מוצק אחידים; הם מחוררים בנקבים ובצרים זעירים שיכולים לאחסן מי ים, נפט, גז או CO2 מוזרק. האם ה-CO2 נשאר במקום או בורח כלפי מעלה תלוי בקלות שבה הוא יכול לחדור בדרכים הצרות הללו. התנהגות זו מתוארת על ידי עקומות "לחץ קפילרי", שמקשרות בין שיעור הנפח של נוזל שאינו רטוב (כמו CO2 או כספית) בתוך הסלע לבין הלחץ הנתון. מסורתית, במעבדה מודדים עקומות אלו בהכנסת כספית לדגימות סלע בלחצים גבוהים מאוד, ולאחר מכן ממירים את התוצאות לתנאים הצפויים עבור CO2 ומי תהום מלוחים. בדיקות כספית אלו הן הרסניות, יקרות ומסוכנות, ועל פי רוב נערכות על מספר קטן של דגימות לאורך קידוח, מה שמותיר פערים גדולים במפה התת-קרקעית.

דרך בטוחה יותר "להקשיב" לנקבים של הסלע

שדה מגנטי גרעיני בעוצמה נמוכה (NMR) מציע גישה שונה. במקום להזריק כספית, החוקרים מרוויחים את הסלע במי מלח ומשתמשים ברצף פעימות מגנטיות כדי למדוד כמה מהר גרעיני המימן בנוזל נרגעים, פרמטר המתואר כ-T2. התפלגות ערכי T2 רגישה לגודל ולתכונות המשטח של הנקבים: נקבים גדולים נותנים ערכי T2 ארוכים, ונקבים זעירים נותנים ערכים קצרים. בעקרון, טביעת האצבע של הרלקסציה הזו צריכה להיות קשורה לאותה גאומטריה של נקבים וצווארים ששולטת בלחץ הקפילרי. שיטות קודמות ניסו להמיר ספקטרי T2 ישירות לעקומות קפילריות באמצעות נוסחאות פשוטות שמניחות תכונות סלע אחידות. הנחות אלו בדרך כלל לא מתקיימות במציאות, בייחוד בפחמיות מורכבות וסלעי טין צפופים, והן לרוב דורשות כיול ספציפי לפי סוג הסלע.

להכשיר מודל להכיר את התנהגות הסלע

המחברים פיתחו מודל מבוסס-נתונים שלומד את הקשר בין מדידות NMR לעקומות קפילריות מבוססות-כספית על פני סוגי סלע רבים. הם הרכיבו מאגר נתונים של 36 ליבות קידוח, כולל חוליות, אבן גיר וסלעי טין דחוסים עם חדירות המשתרעת על פני יותר משבע עוצמות של גודל. עבור כל דגימה שילבו מידע מאנליזות שגרתיות של ליבות (נפח נקבוביות וחדירות), התפלגויות NMR T2 מפורטות ונתוני הזרקת כספית. לאחר מכן הנדסו מספר תכונות בהשראה פיזיקלית: פרמטר J שמקשר בין לחץ לאיכות הסלע ולרטיבותו, מדד דו-שיאיות (bimodality) שמכמת האם למערכת הנקבים יש טווחי גודל דומיננטיים אחד או שניים, וממוצע לוגריתמי משוקלל לפי סל של T2 שתופס את הנטייה של התפלגות גדלי הנקבים. באמצעות תכונות אלו אימנו מודל עצי החלטה מואץ בגרדיאנט (CatBoost) לחזות רוויית כספית בלחץ נתון מתוך הקלטים של NMR והסלע.

כמה טוב השיטה החדשה מתפקדת

כדי להבטיח שהמודל אכן יכלל מעבר לנתוני האימון, הצוות השתמש בוולידציה קשיחה שבה הושארה דגימה אחת מחוץ לאימון בכל פעם, ואז בחן את המודל הסופי על שש ליבות "עיוורות" נוספות שמעולם לא נחשפו במהלך האימון. בטווח לחצים רחב, כערך משוער מ-0.5 עד 50,000 psi, המודל שיחזר את עקומות הכספית הנמדדות עם מקדם קביעה ממוצע (R²) של 0.94 ושגיאה מוחלטת ממוצעת ברוויה של כ-3.6 אחוז על קבוצת ה"עיוורות". השיטה הופיעה בעקביות עבור חוליות, פחמיות וסלעי טין צפופים. ניתוח רגישות הראה כי פרמטר J המותאם ללחץ שלט בתחזיות, בעוד שתכונות המופקות מ-NMR שיפרו את צורת העקומה ותפסו הבדלים במבנה מערכת הנקבים. כאשר העקומות החזויות של הכספית הומרו לתנאי מי-מלח–CO2 תוך שימוש ביחסי קנה מידה סטנדרטיים, הן התאימו היטב לעקומות המומרות במעבדה שמשמשות במחקרי אחסון CO2.

מה משמעות הדבר לפרויקטים עתידיים של אחסון CO2

המחקר מדגים שמודלים למידת מכונה שעוצבו בקפידה יכולים להפוך מדידות NMR מהירות ולא-פוגעניות לעקומות לחץ קפילרי אמינות, ובכך לצמצם במידה רבה את הצורך בבדיקות הזרקת כספית המסוכנות. מאחר שכלי NMR כבר פרוסים במעבדות ובכלי לוגינג חוטי בקידוחים, גישה זו עשויה לאפשר פרופילינג רציף או כמעט רציף של יכולת האיטום וההתנהגות הטובעת לאורך קידוח שלם. למרות שהמחברים מציינים מגבלות, כגון ההנחה של תנאי רטיבות מים וגודל מאגר האימון הנוכחי, התוצאות שלהם מצביעות על דרך מעשית לעבר הערכה בטוחה, זולה ומקיפה יותר של אתרי אחסון CO2 תת-קרקעיים — מה שעוזר למהנדסים לשפוט טוב יותר עד כמה ניתן לשמור פחמן מוזרק מחוץ לאטמוספירה.

ציטוט: Markovic, S., Kurochkin, A., Efara, M. et al. Predicting drainage capillary pressure curves in natural porous media by NMR-T₂ relaxometry: implications for CO₂ storage. Sci Rep 16, 11540 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36861-z

מילות מפתח: אחסון גיאולוגי של CO2, לחץ קפילרי, תרמודינמיקה גרעינית (NMR), למידת מכונה בפטרופיזיקה, מבנה נקבובי של סלעים