多孔介质中空间分布的润湿性表征

为何微小的流体接触关系影响重大能源问题

油、水以及氢气或二氧化碳等气体在地下岩石中如何移动并被困住？答案取决于“润湿性”——岩石表面对不同流体的偏好——而这种偏好存在于肉眼无法分辨的微小尺度上。本文提出了一种在三维上逐孔绘制这种偏好的新方法，揭示出一种隐蔽的斑块式行为，这对地下 CO₂ 储存、氢气储存和采油，以及先进电池和燃料电池的性能都有重大影响。

在三维中洞察岩石

现代 X 射线微型计算机断层扫描（micro‑CT）让科学家可以在三维上观察小块岩样，看到不同流体在孔隙空间中的分布。基于这些图像，人们尝试确定流体界面与固体表面相交处的“接触角”，这是衡量润湿性的一个简单几何量。理论上，这个角度能指示岩石是亲水、亲油还是介于两者之间。但在实践中，直接从图像读取该角度极为困难：岩、水平、水和油相交的精确线在几个像素范围内模糊，表面粗糙，且相位的计算机“分割”从不完美。现有的自动化方法常常平滑掉重要细节，使界面偏移几个像素，从而偏倚接触角，尤其是在复杂岩石或孔隙间行为强烈变化的混合润湿体系中。

一种跟随流体边缘的新方法

作者提出了一种自动几何算法，规避了问题中最麻烦的部分：精确定位三相接触线。该方法不是在这个模糊的接触线上精确测量，而是构建岩–流体和流体–流体边界的详细表面网格，然后将来自邻近、分辨率更好的区域的局部表面方向（法线）外推到接触处。将这些法线组合后，沿每条接触环的多个点计算接触角。工作流程包括细致的降噪、一种沿图像真实强度边缘跟随的稳健分割方法，以及能去除像素化“阶梯”伪影但不收缩或扭曲孔隙形状的轻度表面平滑。内置的质量检查会剔除与局部邻域明显冲突的异常测量，以牺牲数量换取可靠性。

在理想形状和真实岩石上测试方法

为检验准确性，研究团队首先将算法应用于完全合成的数据集：数字小液滴静置在平坦和曲面固体表面上，其真实接触角是精确已知的。在广泛的角度和图像分辨率范围内，新方法将在约五度内恢复真实值，表现优于并且比常用工具更稳定，尤其在通常误差增大的低角和高角处。研究者随后将方法应用于来自若干岩石类型（包括石灰岩和砂岩）的真实 micro‑CT 图像，涵盖在与采油和地下气体储存相关的流动条件下的油–水和氢–水体系。通过将自动化结果与费时的人工测角进行比较，他们证明了该方法与人类专家的测量高度一致，同时避免了旧自动化技术因过度平滑界面而引入的强烈偏差。

揭示岩–流体行为的隐含模式

借助数千个可靠的局部测量，作者绘制了贯穿孔隙空间的接触角三维地图。在总体亲水的岩石中，接触角相对均匀且较低，证实水倾向于附着在固体表面并沿狭窄的角落流动，而油占据孔隙中心。在一处经长期原油暴露而发生改变的“混合润湿”砂岩中，平均角度仅显示出轻度的亲水性。然而，空间图揭示了更丰富的情况：近 60% 的表面仍然保持亲水，而约 40% 转为中间状态，既不强烈偏好任何一种流体。这些中间斑块恰好对应图像中观察到的不寻常鞍形界面和复杂填充模式，解释了单一总体平均接触角无法捕捉的困惑性滞留与流动组合。

这对能源与环境为何重要

对于试图预测 CO₂ 或氢气如何扩散并在地下被困，或电解质和气体如何穿过燃料电池与电池的多孔层的工程师来说，仅知道一个“平均”润湿性已不足够。本研究表明，微妙且空间可变的润湿行为决定了流体如何入侵、被钉住或绕过特定通道。这一新算法提供了逐孔的润湿性地图以及透明的测量不确定性估计，并以开源软件包形式发布。用通俗的话说，它把模糊的 X 射线岩心图像转化为流体的详细“偏好地图”，为设计更安全的碳封存项目、更稳定的氢气储层、改进的采油策略和更高效的电化学器件提供了有力工具。

引用: Aljaberi, F., Belhaj, H., Foroughi, S. et al. Spatially distributed wettability characterization in porous media. Sci Rep 16, 12643 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43688-1

关键词: 润湿性, 多孔介质, 接触角, CO2 储存, 氢气储存