二氧化碳地質(zhì)封存中蓋層力學(xué)完整性數(shù)值模擬研究綜述

劉苗苗，孟令東，王海學(xué)，吳 桐

(1.東北石油大學(xué)，河北 秦皇島 066004；2.黑龍江省油氣藏及地下儲(chǔ)庫(kù)完整性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318；3.黑龍江省石油大數(shù)據(jù)與智能分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318)

0 引 言

CO2地質(zhì)封存是控制大氣中CO2濃度最科學(xué)有效的手段之一[1]。將大量CO2持續(xù)注入地質(zhì)封存體內(nèi)，會(huì)引發(fā)一定范圍內(nèi)的壓力傳播、流體運(yùn)移等現(xiàn)象[2-3]，對(duì)蓋層力學(xué)穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響[4]。要使CO2持續(xù)注入并穩(wěn)定封存幾百或幾千年不逸散，就要保證地層壓力不超過(guò)蓋層突破壓力，因此，需定量表征封存過(guò)程中蓋層巖石的變形損傷程度，正確評(píng)價(jià)其力學(xué)完整性[5]。針對(duì)該問(wèn)題，目前的研究方法主要有理論分析法[6-7]、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)[8]或場(chǎng)地淺層含水層的注氣試驗(yàn)法[9]、數(shù)值模擬法[10-14]。相比之下，數(shù)值模擬法能有效彌補(bǔ)其他研究手段的缺陷，已成為當(dāng)前地質(zhì)工程學(xué)中定量化研究的有效方法之一。鑒于此，對(duì)CO2地質(zhì)封存中蓋層力學(xué)完整性分析相關(guān)問(wèn)題的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜合分析，以期為CO2地質(zhì)封存的相關(guān)研究提供技術(shù)支持與引導(dǎo)。

1 CO2地質(zhì)封存研究中的數(shù)值模擬方法

大量CO2的持續(xù)注入會(huì)導(dǎo)致巖石所處的應(yīng)力狀態(tài)、流體的滲流路徑等發(fā)生變化[15]，對(duì)這一過(guò)程的刻畫(huà)是分析巖層應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律的關(guān)鍵。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法只能分析該過(guò)程產(chǎn)生的機(jī)理，而數(shù)值模擬方法能充分考慮各個(gè)過(guò)程間復(fù)雜的耦合關(guān)系，可直觀有效地對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)和力學(xué)分析。目前，已有許多學(xué)者從不同角度，使用不同的軟件、模型及方法對(duì)CO2地質(zhì)封存的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

1.1 多場(chǎng)耦合原理

研究顯示，將CO2以超臨界態(tài)注入咸水層封存是最為理想的方式，而CO2咸水層封存則是一個(gè)復(fù)雜的熱力學(xué)-流體力學(xué)-巖石力學(xué)-化學(xué)多場(chǎng)相互作用的過(guò)程[16]，如圖1所示。由于CO2注入過(guò)程一般只有幾十年，這期間化學(xué)場(chǎng)對(duì)蓋層力學(xué)完整性的影響作用幾乎可以忽略。此外，研究顯示，CO2注入引起的溫度變化一般僅局限于注入井周圍的幾十米[17]。因此，許多蓋層力學(xué)完整性數(shù)值模擬研究均忽略溫度的變化，僅研究滲流-應(yīng)力耦合過(guò)程。根據(jù)前人研究[18-19]，流體模塊基礎(chǔ)模型中滲透率縱橫比通常取0.1，相對(duì)滲透率多采用VGM模型，而毛細(xì)壓力模型采用VG函數(shù)。對(duì)于力學(xué)模型，一般的數(shù)值模擬研究都假定CO2注入引起的垂向總應(yīng)力不變，而地層側(cè)向變形受限，只在垂直方向上變形。

圖1 CO2咸水層封存多場(chǎng)耦合原理

1.2 力學(xué)本構(gòu)模型

用于CO2地質(zhì)封存力學(xué)模擬的巖體本構(gòu)模型主要有彈性、塑性和非連續(xù)介質(zhì)模型3類[20]。

(1) 彈性本構(gòu)模型。不能描述復(fù)雜應(yīng)力下的塑性變形狀態(tài)，但其簡(jiǎn)單快捷，計(jì)算結(jié)果收斂，易于進(jìn)行高耦合程度的多場(chǎng)耦合計(jì)算，因此，在CO2地質(zhì)封存力學(xué)模擬中仍占較大比例[21]。

(2) 塑性本構(gòu)模型。主要包括彈塑性和黏塑性本構(gòu)模型。復(fù)雜應(yīng)力條件下，儲(chǔ)層和蓋層巖體的力學(xué)特征并不遵循彈性介質(zhì)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，此時(shí)選擇彈塑性本構(gòu)模型能更好地刻畫(huà)其變形屈服過(guò)程，尤其當(dāng)模擬儲(chǔ)層和蓋層的長(zhǎng)期蠕變特征時(shí)，可使用黏塑性本構(gòu)模型[22]。

(3) 非連續(xù)介質(zhì)模型。針對(duì)CO2的注入可擾動(dòng)初始應(yīng)力場(chǎng)，導(dǎo)致新裂隙產(chǎn)生的問(wèn)題，主要利用非連續(xù)介質(zhì)模型進(jìn)行儲(chǔ)層及蓋層的巖體力學(xué)模擬[23]。非連續(xù)介質(zhì)模型能更好地刻畫(huà)CO2封存系統(tǒng)中儲(chǔ)層及蓋層的裂隙特征，因此，使用其進(jìn)行裂隙啟閉以及擴(kuò)展過(guò)程的模擬是未來(lái)數(shù)值模擬領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

當(dāng)前的數(shù)值模擬方法主要按照以下規(guī)則分析蓋層的力學(xué)完整性：對(duì)于彈性本構(gòu)模型，蓋層單元應(yīng)力狀態(tài)滿足剪切或張拉破壞準(zhǔn)則[24]；對(duì)于彈塑性本構(gòu)模型，蓋層底部單元出現(xiàn)塑性屈服[25]；對(duì)于黏塑性本構(gòu)模型，蓋層單元的塑性應(yīng)變達(dá)到設(shè)定的某個(gè)臨界值[22]；對(duì)于非連續(xù)介質(zhì)模型，蓋層單元節(jié)點(diǎn)斷開(kāi)或已有裂隙發(fā)生張開(kāi)或滑移[26]。

1.3 耦合分析方法

針對(duì)CO2地質(zhì)封存中的多場(chǎng)耦合問(wèn)題，存在多種數(shù)值分析方法，根據(jù)求解過(guò)程耦合程度的不同，可大致歸結(jié)為全耦合、弱耦合與單向耦合3類。

(1) 全耦合。需要同時(shí)求解熱力學(xué)、滲流力學(xué)和巖石力學(xué)這3類特征差異較大的方程，所有參數(shù)在每個(gè)迭代步計(jì)算完成后同時(shí)更新代入剛度矩陣，用于下一時(shí)間步的迭代計(jì)算。該方法結(jié)果準(zhǔn)確，但需花費(fèi)大量時(shí)間，因此，適用于尺度較小、相對(duì)簡(jiǎn)單的幾何模型，例如僅用于熱-水動(dòng)力場(chǎng)之間的耦合，且一般采用彈性和塑性本構(gòu)模型[27]。

(2) 弱耦合。將偏微分方程拆解為流體模塊和力學(xué)模塊，每個(gè)模塊在一個(gè)時(shí)間步內(nèi)先按照一定的順序序列獨(dú)自完成計(jì)算，再將結(jié)果代入對(duì)方下一時(shí)間步的計(jì)算中修正輸入?yún)?shù)，如此反復(fù)迭代執(zhí)行直至結(jié)束。該方法計(jì)算結(jié)果精度有所降低，但算法實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易，速度快，收斂性較好，已成為當(dāng)前CO2地質(zhì)封存研究中應(yīng)用最廣泛的耦合分析方法。

(3) 單向耦合。各個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行，計(jì)算效率最高，收斂性最好，但力學(xué)與流體2個(gè)獨(dú)立模塊的計(jì)算結(jié)果不反饋給對(duì)方。因此，該方法多用于只關(guān)注力學(xué)而不注重滲流過(guò)程的模擬，且往往用于分析非連續(xù)介質(zhì)模型[28]。

1.4 數(shù)值模擬分析軟件

能夠用于CO2地質(zhì)封存流固耦合過(guò)程分析的數(shù)值模擬軟件有很多(表1)。滲流場(chǎng)分析可采用TOUGH2、ECLIPSE和CMG-GEM等[29]，應(yīng)力場(chǎng)分析可采用FLAC3D、Abaqus和Petrel等。針對(duì)CO2地質(zhì)封存流固耦合數(shù)值模擬研究，使用最多且效果較好的是FLAC3D和TOUGH2。FLAC3D可對(duì)CO2注入后蓋層巖石應(yīng)力-應(yīng)變的整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行追蹤與反演，實(shí)現(xiàn)不同時(shí)空尺度的模擬及定量化研究，具有極強(qiáng)的可塑性與應(yīng)用靈活性，同時(shí)可節(jié)約成本，兼顧各個(gè)因素的共同影響。而TOUGH2則擁有通用的多相流動(dòng)方程及熱對(duì)流傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型，能夠?qū)Χ嘞嗔?、多組分、非等溫流體流動(dòng)中的熱和水動(dòng)力耦合過(guò)程進(jìn)行分析，且模擬結(jié)果準(zhǔn)確可靠。由于TOUGH2不能刻畫(huà)由水動(dòng)力變化而導(dǎo)致的巖體變形過(guò)程，而力學(xué)過(guò)程的模擬在CO2地質(zhì)封存問(wèn)題研究中至關(guān)重要。因此，一些學(xué)者設(shè)計(jì)了TOUGH2-FLAC3D接口程序，對(duì)CO2地質(zhì)封存中的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了模擬研究。此外，為了對(duì)比分析不同數(shù)值模擬器的模擬結(jié)果，學(xué)者們分別采用了TOUGH2-FLAC3D、TOUGH2/ECO2N、TOUGHREACT等多種模擬器進(jìn)行了研究[30]。目前，基于TOUGH2-FLAC3D的耦合分析已被成功用于模擬CO2注入咸水層后壓力的抬升、蓋層的力學(xué)性質(zhì)變化等問(wèn)題。

表1 數(shù)值模擬軟件對(duì)比分析

2 CO2咸水層封存中蓋層力學(xué)穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀

2.1 用于巖體力學(xué)模擬分析的數(shù)值計(jì)算方法

CO2地質(zhì)封存中儲(chǔ)層的力學(xué)響應(yīng)依賴于溫度、流體壓力及應(yīng)力變化，而蓋層及遠(yuǎn)離注入點(diǎn)的區(qū)域力學(xué)響應(yīng)則主要依賴于應(yīng)力變化。注入初期，流體壓力相對(duì)較小，巖體力學(xué)響應(yīng)是彈性可逆的。隨著注入壓力增大，巖體可能出現(xiàn)不可逆的力學(xué)損傷。當(dāng)壓力足夠大時(shí)，還有可能導(dǎo)致剪切或拉張破壞。為模擬這一物理過(guò)程，尤其是力學(xué)方面的變化情況，需選擇合適的數(shù)值計(jì)算方法。針對(duì)地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題，常用的數(shù)值計(jì)算方法有3類：適用于連續(xù)介質(zhì)的(如有限單元法FEM、有限差分法FDM)、適用于非連續(xù)介質(zhì)的(如離散元法DEM、非連續(xù)變形分析DDA)，以及用于連續(xù)-非連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值方法(如混合FEM/BEM)。對(duì)于這些數(shù)值方法，不能武斷地說(shuō)某種方法優(yōu)越于另一種。在地質(zhì)力學(xué)建模中，數(shù)值方法的選擇需考慮較多因素，如研究目的、模擬的裂縫幾何體尺度等。研究顯示，基于連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值方法在CO2封存的力學(xué)建模分析中占主導(dǎo)地位[31]。相關(guān)研究中常將數(shù)值計(jì)算方法組合起來(lái)或鏈接到相應(yīng)的模擬軟件，并使用彈性或彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行耦合分析，刻畫(huà)巖體地質(zhì)力學(xué)行為。以連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值計(jì)算方法為例，THM耦合分析時(shí)序方案如圖2所示。

圖2 THM耦合分析時(shí)序方案示意圖

2.2 儲(chǔ)、蓋層應(yīng)力變化數(shù)值模擬

針對(duì)CO2咸水層封存中儲(chǔ)、蓋層的力學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題，一些學(xué)者從大尺度角度，使用FLAC3D、TOUGH等模擬了實(shí)際封存工程中儲(chǔ)層流體壓力及上覆蓋層的應(yīng)力變化情況。

(1) 隨著大量CO2的注入，儲(chǔ)、蓋層孔隙流體壓力均逐漸增加，壓力響應(yīng)對(duì)空間離散更敏感。CO2開(kāi)始注入后，壓力在注入點(diǎn)周圍迅速積聚，形成以注入點(diǎn)為中心、向四周逐漸減弱傳播的環(huán)型高壓集聚帶。壓力影響的波及速度很快，且早期壓力上升范圍快于后期[32-33]。

(2) 儲(chǔ)層流體壓力隨注入時(shí)間的增加而增大，隨徑向距離的增大而減??；水平和垂向的總應(yīng)力都增加，且前者增量大于后者；水平和垂向有效應(yīng)力都減小。CO2注入階段，儲(chǔ)層流體壓力初始階段變化較快，隨后逐漸穩(wěn)定，且注入井附近壓降較小，當(dāng)徑向距離增大到一定程度時(shí)，壓降突然增大直到降至地層初始?jí)毫34]。隨著CO2持續(xù)注入，多個(gè)環(huán)形壓力集聚帶逐漸相連、干擾重疊，形成一定面積的壓力抬升區(qū)[35]。

(3) 儲(chǔ)層壓力抬升很快傳遞至蓋層，蓋層滲透率對(duì)壓力傳播有重要影響。隨著注入量的增加，注入點(diǎn)附近壓力明顯大于遠(yuǎn)處區(qū)域壓力；整個(gè)注入階段，儲(chǔ)、蓋層交界處有效應(yīng)力變化及巖石變形最大，最易發(fā)生巖石斷裂[36]。垂向壓力的變化很大程度上依賴于蓋層的參數(shù)，如滲透系數(shù)及壓縮性[37]。從時(shí)間角度而言，低滲透蓋層的壓力積聚速度快于高滲透蓋層，注入井附近壓力的最大值隨著蓋層滲透率的增加而減小[38]。蓋層滲透率的提高雖然能夠避免儲(chǔ)層內(nèi)部出現(xiàn)過(guò)高壓力，但卻增加了蓋層泄漏風(fēng)險(xiǎn)[39]。

2.3 儲(chǔ)、蓋層壓力增量敏感性數(shù)值模擬

對(duì)CO2注入咸水層后儲(chǔ)、蓋層壓力增量敏感性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果如下。

(1) 以注入井處的壓力為響應(yīng)變量時(shí)，孔隙度的敏感性最高[40]。

(2) 儲(chǔ)層滲透率縱橫比越小，注入井附近垂向壓力的增量越大；高滲透率儲(chǔ)層可以使壓力波動(dòng)傳播得更快，且在遠(yuǎn)離注入井的區(qū)域觀測(cè)到的壓力峰值更大[11]。

(3) 蓋層滲透率及壓縮系數(shù)的變化對(duì)儲(chǔ)層壓力增量有較大影響。當(dāng)蓋層滲透系數(shù)變大時(shí)，垂向壓力變化較大；當(dāng)蓋層厚度較小且滲透率相對(duì)較高時(shí)，局部封蓋效果不佳，滲透率和滲透率縱橫比的下降會(huì)導(dǎo)致壓力上升幅度增加[18]。

(4) 孔滲非均質(zhì)的巖層中孔隙壓力的增量要高于均質(zhì)巖層中孔隙壓力的增量，并且隨時(shí)間增加，二者之間的差異也逐漸增大；孔隙度和滲透率的非均質(zhì)性會(huì)導(dǎo)致孔隙流體壓力大幅增加，提高CO2泄漏的風(fēng)險(xiǎn)[41]。

(5) 溫度低不利于壓力消散，當(dāng)注入的CO2溫度與目標(biāo)地層溫度差超過(guò)一定值時(shí)，冷卻效應(yīng)可能導(dǎo)致注入?yún)^(qū)域出現(xiàn)拉張裂縫[42]。

除以上因素外，儲(chǔ)蓋層的幾何尺寸、巖體的本構(gòu)模型及參數(shù)選擇、邊界范圍設(shè)定等也會(huì)對(duì)應(yīng)力增量產(chǎn)生影響[43-44]。例如：邊界范圍設(shè)定引起的壓力增量隨范圍的增大而逐漸減?。欢▔毫吔绶秶O(shè)置過(guò)小會(huì)低估儲(chǔ)層壓力增量，設(shè)定過(guò)大又會(huì)增加計(jì)算量。

2.4 蓋層水力破裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)數(shù)值模擬

當(dāng)前，CO2地質(zhì)封存中蓋層力學(xué)完整性評(píng)價(jià)主要包含2個(gè)方面：一是注入壓力擾動(dòng)引起的儲(chǔ)集層局部高壓引發(fā)的儲(chǔ)、蓋層張拉破壞風(fēng)險(xiǎn)；二是復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境及巖石物性變化導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，由此引發(fā)剪切破壞風(fēng)險(xiǎn)。

(1) 蓋層張拉破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。開(kāi)展CO2咸水層封存工程之前，需要測(cè)試封存場(chǎng)所的地應(yīng)力情況，以準(zhǔn)確控制注入壓力的上限，保障蓋層的力學(xué)完整性。通常情況下，通過(guò)開(kāi)展水力壓裂等場(chǎng)地地應(yīng)力測(cè)試和室內(nèi)巖心實(shí)驗(yàn)，來(lái)準(zhǔn)確測(cè)試儲(chǔ)、蓋層的最小水平主應(yīng)力，以此評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)注入壓力是否會(huì)引發(fā)儲(chǔ)、蓋層的張拉破壞。

(2) 蓋層剪切破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。CO2咸水層封存中，蓋層剪切破壞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是在巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，一般采用數(shù)值模擬方法，通過(guò)研究封存系統(tǒng)應(yīng)力場(chǎng)及其動(dòng)態(tài)變化特征，準(zhǔn)確模擬初始地應(yīng)力場(chǎng)及CO2注入產(chǎn)生的壓力擾動(dòng)，依據(jù)剪切破壞準(zhǔn)則計(jì)算破壞指標(biāo)，從而評(píng)估蓋層的剪切破壞風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 基于地層初始應(yīng)力狀態(tài)分析的蓋層水力破裂形式數(shù)值模擬。CO2封存中，初始的地應(yīng)力狀態(tài)是影響巖石破壞形式的主要因素。當(dāng)采用彈性本構(gòu)模型時(shí)，無(wú)論地層初始應(yīng)力處于拉伸還是壓縮應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)生剪切破壞的可能性都高于張拉破壞的可能性；在壓縮應(yīng)力狀態(tài)下，剪切破壞面不會(huì)穿透蓋層，不影響其封存性；在拉伸應(yīng)力狀態(tài)下，剪切破壞面通常會(huì)貫穿整個(gè)蓋層區(qū)域，破壞面的角度(大約為60 °)比壓縮應(yīng)力狀態(tài)下(大約為30 °)更大[45]；且拉應(yīng)力狀態(tài)下，蓋層底部發(fā)生拉張破壞的可能性更大。雷宏武等[11]的研究顯示，CO2的注入引起流體壓力急劇增加，地層有效應(yīng)力減小，可能發(fā)生剪切破壞的方向在注入過(guò)程中變化不大，剪切破壞最有可能出現(xiàn)在最大速率注入點(diǎn)上部的蓋層，尤其是在緊靠第2注入層上部的蓋層，其次為靠近地表的位置，這與Rutqvist等[45]的分析結(jié)果相似。

3 當(dāng)前研究中存在的主要問(wèn)題

從總體現(xiàn)狀來(lái)看，流固耦合下蓋層力學(xué)穩(wěn)定性研究取得了一定成果，但有關(guān)地質(zhì)封存中蓋層水力破裂機(jī)理的定量表征及力學(xué)完整性評(píng)價(jià)方面的數(shù)值模擬研究還存在以下問(wèn)題。

(1) 相關(guān)研究所建立的地質(zhì)模型大多為概化模型，受軟、硬件條件的限制，模型中對(duì)蓋層地質(zhì)特征的描述精度有待進(jìn)一步提高。由于地震和測(cè)井精度一般大于50 m，而蓋層厚度通常小于50 m，因此，很難通過(guò)地震和測(cè)井資料對(duì)蓋層進(jìn)行精確描述。此外，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和露頭得到的地質(zhì)資料具有分散性、擾動(dòng)性，不能完整精確表征蓋層的地質(zhì)特點(diǎn)。由于缺少野外實(shí)際資料，目前所建數(shù)值模型對(duì)地層描述通常進(jìn)行了不同程度的簡(jiǎn)化。例如，將實(shí)際地層概化為水平地層，非均質(zhì)介質(zhì)概化為均質(zhì)介質(zhì)，且大部分模型忽略了斷層的封閉-開(kāi)放性的影響、毛細(xì)壓力函數(shù)和相對(duì)滲透率模型取值變化的影響等。這些影響因素都給建模過(guò)程中對(duì)蓋層特性的精確描述帶來(lái)了很多不確定性，直接影響數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2) 由于缺乏充足的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，目前還沒(méi)有較權(quán)威的能夠準(zhǔn)確表征CO2地質(zhì)封存中蓋層巖石應(yīng)力應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系。當(dāng)前的數(shù)值模擬研究多采用傳統(tǒng)的多相流體在多孔介質(zhì)中的滲流理論與控制方程，由于相對(duì)滲透率模型中參數(shù)的取值難度較大，研究者只能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及為數(shù)不多的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推斷現(xiàn)有模型中各參數(shù)的取值范圍，來(lái)近似表征巖石的應(yīng)力應(yīng)變及多相滲流特性。雖然已有大量學(xué)者對(duì)超臨界CO2的性質(zhì)進(jìn)行了一定研究，但對(duì)超臨界CO2流動(dòng)所具有的特殊性質(zhì)方面的研究較少。且模型中的方程或定律都只適用于特定的范圍及條件，當(dāng)某場(chǎng)地的實(shí)際地質(zhì)條件與模型的適用范圍相差較大時(shí)，已有模型將不再適用。

(3) 就總體現(xiàn)狀而言，目前仍以搭接不同的模擬器來(lái)研究CO2地質(zhì)封存中的熱流固耦合過(guò)程為主，缺乏單一的THM耦合模擬器。當(dāng)前，已有的力學(xué)問(wèn)題耦合效應(yīng)數(shù)值模擬研究中，有的單從流場(chǎng)角度分析儲(chǔ)層封存的可行性，研究了裂縫對(duì)于滲流場(chǎng)的影響，而很少同時(shí)關(guān)注其對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響；有的單從力學(xué)角度考慮蓋層是否會(huì)失穩(wěn)，關(guān)注了CO2注入可能誘發(fā)的裂縫產(chǎn)生問(wèn)題，而較少關(guān)注裂縫產(chǎn)生后對(duì)滲流場(chǎng)的影響。相關(guān)研究缺乏多種機(jī)理相互影響和作用下的系統(tǒng)性研究，難以精確描述CO2地質(zhì)封存中蓋層發(fā)生水力破裂的影響因素、裂縫擴(kuò)展及CO2泄漏的真實(shí)過(guò)程，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際封存效果常常存在較大差異。

(4) 缺乏考慮地層參數(shù)不確定性的蓋層力學(xué)完整性評(píng)價(jià)模型。CO2地質(zhì)封存系統(tǒng)中，地質(zhì)參數(shù)、儲(chǔ)層連續(xù)性、實(shí)際工程情況等均存在較大不確定性[46]。通常情況下，儲(chǔ)、蓋層的物理性質(zhì)、初始地應(yīng)力場(chǎng)以及巖石力學(xué)參數(shù)是依據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算獲得，然而由于地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性以及人為因素導(dǎo)致的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)資料的不完備性，使得地層參數(shù)存在大量的不確定性。因此，模型中的參數(shù)多為特定條件下的測(cè)定結(jié)果，并不能真實(shí)反映自然條件下的復(fù)雜特征。而目前的研究中缺少地層參數(shù)不確定性對(duì)儲(chǔ)、蓋層力學(xué)響應(yīng)影響的研究，關(guān)鍵參數(shù)取值的不確定性會(huì)直接導(dǎo)致數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況出現(xiàn)偏差。

4 未來(lái)研究趨勢(shì)

(1) 精確的地質(zhì)建模對(duì)于模擬結(jié)果的正確性至關(guān)重要，為了得到更接近于實(shí)際情況的模擬結(jié)果，精確表征蓋層地質(zhì)特性成為了蓋層地質(zhì)建模中最基礎(chǔ)和最重要的問(wèn)題，在后續(xù)研究中有待進(jìn)一步探索，以提高對(duì)實(shí)際模型中地質(zhì)特征的描述精度，為CO2地質(zhì)封存提供更為精確的參考。

(2) 亟需開(kāi)展能夠精確表征CO2咸水層封存中蓋層巖石應(yīng)力應(yīng)變的本構(gòu)關(guān)系的研究，以便更加準(zhǔn)確地描述超臨界CO2注入之后巖石物性參數(shù)的變化特征，以及注入壓力對(duì)巖石應(yīng)力-應(yīng)變損傷特征的影響，為蓋層水力破裂機(jī)理定量表征及密封性失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)奠定良好的基礎(chǔ)。

(3) 有待設(shè)計(jì)單一的能夠精確表征CO2地質(zhì)封存特征的THM耦合模擬器，開(kāi)展多尺度條件下蓋層力學(xué)完整性數(shù)值模擬研究，定量表征水力破裂機(jī)理，基于原地應(yīng)力場(chǎng)特征和破裂機(jī)理，獲取極限注入壓力等參數(shù)，有效預(yù)測(cè)斷裂和裂縫啟閉性，為水力破裂風(fēng)險(xiǎn)的有效評(píng)估以及蓋層力學(xué)完整性的精細(xì)描述與定量評(píng)價(jià)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。

(4) 針對(duì)地質(zhì)參數(shù)的隨機(jī)性，后續(xù)工作中開(kāi)展敏感參數(shù)的不確定性分析與離散化研究是很有必要的。相關(guān)研究能夠幫助構(gòu)建有效的模型，對(duì)CO2地質(zhì)封存中蓋層發(fā)生水力破裂的風(fēng)險(xiǎn)概率進(jìn)行全面準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，為蓋層力學(xué)完整性評(píng)價(jià)及CO2安全、高效封存提供指導(dǎo)。

5 結(jié) 論

(1) 用于CO2地質(zhì)封存數(shù)值模擬研究的力學(xué)本構(gòu)模型有彈性、塑型以及非連續(xù)介質(zhì)模型3類。當(dāng)采用彈塑性和黏塑性模型進(jìn)行分析時(shí)，地層初始呈拉伸應(yīng)力狀態(tài)不利于蓋層的力學(xué)完整性。

(2) 用于模擬CO2地質(zhì)封存的耦合分析方法有全耦合、弱耦合以及單向耦合3類，其中，弱耦合應(yīng)用最為廣泛。相應(yīng)的流固耦合過(guò)程分析數(shù)值模擬軟件有TOUGH2、ECLIPSE、FLAC3D等，基于TOUGH2-FLAC3D的滲流-應(yīng)力耦合分析在蓋層力學(xué)完整性研究中應(yīng)用較為廣泛。

(3) 針對(duì)CO2地質(zhì)封存力學(xué)問(wèn)題模擬，常用的數(shù)值計(jì)算方法有適用于連續(xù)介質(zhì)的、適用于非連續(xù)介質(zhì)的，以及用于連續(xù)-非連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值計(jì)算方法。其中，基于連續(xù)介質(zhì)的數(shù)值方法在模擬巖石破壞的過(guò)程，特別是破壞前的損傷演化分析中非常有效。

(4) CO2注入過(guò)程中，儲(chǔ)、蓋層巖石的孔隙流體壓力響應(yīng)對(duì)空間離散較敏感；儲(chǔ)層流體壓力隨注入時(shí)間增加而增大，隨徑向距離增大而減??；儲(chǔ)層壓力抬升很快會(huì)傳遞至蓋層，儲(chǔ)、蓋層交界處最易發(fā)生破裂；蓋層滲透率對(duì)壓力傳播有重要影響，而孔隙度、滲透率、非均質(zhì)性、模型邊界范圍設(shè)置等均對(duì)壓力增量有一定影響。

(5) 深部咸水層封存CO2是地質(zhì)封存技術(shù)中最有前景的途徑，從總體現(xiàn)狀來(lái)看，流固耦合作用下蓋層力學(xué)完整性數(shù)值模擬研究取得了一定成果，但有關(guān)多種耦合機(jī)理和影響因素共同作用下蓋層應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的模擬研究、模型中邊界條件的設(shè)置與參數(shù)的準(zhǔn)確獲取，以及模型精度的提高等都是后續(xù)研究中有待進(jìn)一步探討的問(wèn)題。