CO2封存誘發(fā)近斷層活化機制研究進展

收稿日期：20240301

通信作者：閆曉（1994），女，博士后，主要從事CO2地質(zhì)封存誘發(fā)地震的研究。Email：xiao_yan@#edu.cn。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（政府間國際科技創(chuàng)新合作）（2022YFE0128400）；

摘要：文中梳理了CO2地質(zhì)封存誘發(fā)地震活動的典型案例和總體進展，并結(jié)合注入誘發(fā)斷層失穩(wěn)理論，系統(tǒng)闡述熱流力化多場耦合作用下的CO2封存誘發(fā)近斷層活化機理，探討不同物理過程對斷層活化的關(guān)鍵影響因素，指出目前研究存在的問題和亟待突破的研究方向。研究結(jié)果表明：CO2地質(zhì)封存誘發(fā)地震活動與孔隙壓力擴散、非等溫效應(yīng)及地球化學(xué)反應(yīng)等物理過程緊密相關(guān)；相較于注水活動，CO2注入觸發(fā)了涉及多相流動狀態(tài)、焦耳湯姆遜效應(yīng)、CO2溶解放熱及CO2地層鹽水巖體化學(xué)作用等一系列復(fù)雜多物理場耦合過程；實際斷層活化及剪切破壞的發(fā)生是這些過程協(xié)同作用的結(jié)果，并受到地層應(yīng)力狀態(tài)和斷層屬性的控制，以及注入策略和注入位置的影響。今后研究工作需要在基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用實踐層面全面考慮熱流力化多場耦合效應(yīng)，加強封存場地地質(zhì)構(gòu)造勘查，并發(fā)展多模式的流體注入策略，這對理解CO2注入誘發(fā)近斷層活化機制進而實現(xiàn)地震活動的精確預(yù)測至關(guān)重要。

關(guān)鍵詞：碳封存； 斷層活化； 孔隙流體壓力； 非等溫效應(yīng)； 地球化學(xué)反應(yīng)

中圖分類號：X 78； P 315.728文獻標(biāo)志碼：A文章編號：10005013（2024）02013614

為有效應(yīng)對全球氣候變暖的突出性環(huán)境問題，CO2地質(zhì)封存（CO2 geological storage， CGS）已成為未來能源戰(zhàn)略和碳減排戰(zhàn)略的重要組成部分，并受到國際社會的高度關(guān)注［13］。該技術(shù)的基本原理是將收集處理后的 CO2 以超臨界態(tài)注入到地下咸水層、衰竭油氣田、深部不可開采煤層或玄武巖含水層等地質(zhì)構(gòu)造中，以實現(xiàn) CO2的永久封存［2，4］。這一過程勢必引起深部地層流體壓力增加和巖石變形，并可能引起已有斷層活化、誘發(fā)地震，從而威脅碳封存儲層安全并降低碳封存效率［58］。因此，深刻理解CO2注入誘發(fā)已有斷層活化的機理及其影響因素是降低誘發(fā)地震風(fēng)險的關(guān)鍵。

近年來隨著全球范圍內(nèi)CGS項目增多，與之相關(guān)的地震活動亦呈增加趨勢。這些誘發(fā)地震事件涉及多物理場耦合過程，包括巖石力學(xué)、流體流動、非等溫效應(yīng)和地球化學(xué)反應(yīng)等，是多種機制共同作用的結(jié)果［912］。具體來說，CGS項目中大規(guī)模高壓流體注入導(dǎo)致儲層孔隙壓力及溫度場發(fā)生明顯擾動，孔隙壓力的增大和溫度的降低都會降低已有斷層上的有效應(yīng)力［1314］，并且CO2地下鹽水巖體的地球化學(xué)反應(yīng)會對巖層水力特性和機械性能進行改造，從而增加斷層失穩(wěn)的不確定性［15］。此外，在斷層發(fā)生破壞或引發(fā)地震事件后，地應(yīng)力會進行重新調(diào)整。從地質(zhì)條件來看，應(yīng)力狀態(tài)和斷層屬性等構(gòu)造因素，如水文地質(zhì)屬性、巖石力學(xué)屬性和圍巖巖性，控制著多物理場耦合作用下的已有斷層彈塑性響應(yīng)［6，1618］；從人為控制因素來看，流體注入策略和注入位置，如注入壓力、注入體積、注入溫度和總注入量等進一步影響地震發(fā)生的特征［5，19］。

CGS項目中注入儲層深部的 CO2地下鹽水巖體相互作用的多場耦合過程，與工業(yè)廢液回注、油氣增產(chǎn)、地?zé)衢_發(fā)等注水工程明顯不同，這使得其誘發(fā)近斷層活化機制也區(qū)別于注水工程。文中圍繞CO2注入誘發(fā)近斷層活化機制，首先介紹地質(zhì)碳封存誘發(fā)地震事件的典型案例，再根據(jù)注入誘發(fā)斷層失穩(wěn)的基本理論，重點分析孔隙壓力擴散、非等溫效應(yīng)和地球化學(xué)反應(yīng)主導(dǎo)的斷層活化機制及其影響因素，可為地質(zhì)碳封存項目的安全可持續(xù)性發(fā)展乃至實現(xiàn)雙碳目標(biāo)提供理論指導(dǎo)。

1CO2封存項目誘發(fā)地震典型案例

目前為止，全球已建、在建和計劃建設(shè)的CGS項目超過300個，已在多個地區(qū)觀測到［1］與之相關(guān)的誘發(fā)地震活動，如表1所示。表1中：CO2EOR指二氧化碳?xì)怛?qū)強化采油。

文中就CGS項目的儲層深度、儲層巖性、儲層溫壓、誘震數(shù)量和誘震震級等特征對相關(guān)典型案例進行簡述總結(jié)，以探索CO2注入誘發(fā)地震背后的機理。挪威Sleipner天然氣田CGS項目是第一個商業(yè)規(guī)模CO2封存項目，將從生產(chǎn)的天然氣中分離出的CO2，通過 1 012 m 深處的水平井注入到Utsira構(gòu)造的砂巖儲層中［20］。儲層本身地質(zhì)構(gòu)造簡單，地層相對較厚。井口注入溫度穩(wěn)定在25 ℃，壓力控制在6.2～6.5 MPa，注入后儲層壓力增幅小于0.5 MPa［6］。自 1996年開始注入CO2 起，SleipnerA 地臺記錄了數(shù)次M2～M3級地震。

阿爾及利亞中部In Salah 油田CGS 項目是第一個陸地 CGS示范工程，主要將來自多個氣田的CO2處理后注入Krechba枯竭氣田。該氣田為石炭系砂巖，以大型背斜構(gòu)造為主，儲層裂縫和斷層發(fā)育［21］。井口注入溫度范圍為25～55 ℃，井底壓力較儲層初始壓力增幅為10～11 MPa。該儲層先前進行了注水活動，CO2注入會引起非混相的多相流動。自 2009 年起，微地震記錄數(shù)據(jù)表明發(fā)生了超過1 000起地震活動事件，最大震級為M0.5，其中大部分與CO2注入相關(guān)。

加拿大薩斯喀徹溫省東南的Weyburn 油田是世界上最大的CO2封存與提高采收率相結(jié)合的示范項目。CO2注入到1 430 m 的Mississippian碳酸鹽儲層中，最初注入率為 269 萬m3·a-1，隨后逐漸增加至 300 萬m3·a-1。注入后井底壓力增加8 MPa、溫度下降7 ℃。2003 年 8 月至 2004 年12 月，微震監(jiān)測點監(jiān)測到近 100 次M1～M3級地震發(fā)生，這些地震事件主要集中在注入段儲層內(nèi)部中，其空間分布表明地震還可能受儲區(qū)化學(xué)性質(zhì)變化的影響［7］。

美國伊利諾伊州 Illinois盆地中部的Decatur項目是美國第一個大規(guī)模專用CGS項目。從2011年到2014年，約100萬t的CO2注入到2 100 m深的Mount Simon高滲透砂巖儲層中，注入后井底壓力比儲層初始狀態(tài)高2.4 MPa［7］。該盆地南部靠近新馬德里地震帶和Wabash Valley斷層系統(tǒng)。注入開始2個月后監(jiān)測到10 123次M1～M2級微地震。這些地震事件表現(xiàn)出與CO2注入明顯的相關(guān)性，說明CO2注入后儲層壓力增量使先前存在的臨界應(yīng)力弱面發(fā)生再活化［22］。

美國德克薩斯州北部Cogdell油田在2011年發(fā)生的M4.4級地震是目前為止與CO2注入有關(guān)的最大震級地震。自2001年起，CO2被持續(xù)注入到約2 100 m深度的馬蹄環(huán)礁石灰?guī)r儲層（初始溫壓分別為75 ℃和20 MPa），用于提高石油采收率［8］。2009年到2011年，美國地球系統(tǒng)觀測臺臨時陣列記錄了油田內(nèi)或附近的105次M≥1地震事件，18次M3～M4.4地震事件。地震發(fā)生期間CO2注入速率達到峰值，平均40 萬m3·月-1［23］。西南側(cè)KellySynder油田與Cogdell油田的地質(zhì)構(gòu)造、注入活動和產(chǎn)量趨勢高度相似，但尚未檢測到地震活動，這表明Cogdell油田的地震事件是在先前未識別的斷層上觸發(fā)的滑動。

美國猶他州東南部的Aneth油田是美國能源部支持的CO2強化原油采收率項目試驗區(qū)。從2007年8月到2009年9月，從科羅拉多州McElmo Dome的天然儲層源通過管道輸送 CO2，并以每年12.7 萬t CO2的速率注入約1 707～1 768 m深度的Desert Creek碳酸鹽儲層。自2008年4月到2009年3月，垂直地震檢波器陣列檢測到約3 800件M0.8～M1.2微震事件，其空間分布分別沿著兩條西北至西南走向的斷層帶形成了南部集群（95%以上地震事件）和北部集群（其余5%地震事件）［24］。

法國西南部LacqRousse 枯竭氣田是法國首個CGS項目試點區(qū)域。截止到2013年3月，超過5.1萬tCO2以平均70 t·d-1的注入速率注入到4 200 m深處的裂縫性Mano碳酸鹽儲層中。注入期間氣藏儲層壓力從4.2 MPa增加到8.5 MPa，遠低于48.5 MPa的初始?xì)馓飰毫?，這表明儲層壓力增加并不是地震發(fā)生誘因。地球化學(xué)分析表明，儲層巖石所含綠泥石因CO2注入而溶解，進而引起碳酸鹽沉淀［9］。自2011年3月至2014年7月，共監(jiān)測到2 500個地震事件，其中超過2/3的地震活動由于不夠活躍而無法定位。因此只記錄到600多個M0.5～M2.3之間的地震事件［25］。

通過總結(jié)CGS項目誘發(fā)地震案例可以知道：CO2注入儲層為砂巖或碳酸鹽巖；誘發(fā)地震大多發(fā)生在裂縫性巖層或含已有斷層區(qū)域中；誘發(fā)地震會在注入活動開始后即刻發(fā)生，但也可能發(fā)生在流體停注一段時間后；與地下注水工程相比，碳封存儲層中超臨界CO2壓縮性更強、粘度更低，孔隙流體壓力增幅相對較小且容易消散，誘發(fā)地震頻次較低且震級通常較小。誘發(fā)地震機制復(fù)雜，涉及孔隙壓力擴散、溫度變化，以及化學(xué)作用諸多耦合過程，如圖1所示［18］。

2誘發(fā)斷層失穩(wěn)理論

流體注入深部地層時，孔隙壓力增加導(dǎo)致斷層面上有效正應(yīng)力（總應(yīng)力與孔隙壓力的差值）減小。這過程可能引發(fā)巖體裂隙面或斷層破壞，進而誘發(fā)潛在地震活動。CO2注入誘發(fā)斷層活化的基本理論與注水誘發(fā)斷層活化的理論一致，即通過摩爾庫倫準(zhǔn)則來描述斷層面的剪切滑移狀態(tài)。其計算式［7］為

式（1）中：τ，τcrit分別是作用在斷層面上的剪切應(yīng)力和臨界剪切應(yīng)力；σ′為有效應(yīng)力； σn為作用在斷層面上的正應(yīng)力；ΔσT為熱應(yīng)力；p為孔隙壓力；μ=tan φ是摩擦系數(shù)；φ是內(nèi)摩擦角。

當(dāng)考慮巖石黏聚力作用后，摩爾庫侖剪切破壞準(zhǔn)則為

式（2）中：c是黏聚力。CO2注入導(dǎo)致反映斷層應(yīng)力狀態(tài)的莫爾圓整體向左偏移，當(dāng)作用于某一斷層上的剪切應(yīng)力超過臨界剪切應(yīng)力，即莫爾圓與破壞包絡(luò)線相切時，該斷層就會發(fā)生剪切滑動。斷層滑動以無震蠕滑和有震黏滑的方式產(chǎn)生。發(fā)生無震滑移時，長期以來板塊運動積累的應(yīng)變能得以釋放；而有震黏滑行為引起伴有地震活動的斷層快速滑動，地震活動釋放能量的大小與斷層剪切滑移面積密切相關(guān)。

3CO2封存誘發(fā)斷層活化機理

通過對之前所探討的多個實際案例進行深入研究，得出如下3個主要推斷。

1） Sleipner氣田、In Salah油田、Weyburn油田和Decatur項目中均觀測到了孔隙壓力增加現(xiàn)象。值得注意的是，In Salah油田在經(jīng)歷注水階段后實施了CO2注入操作，該過程導(dǎo)致了多相流效應(yīng)；Decatur項目中的地震活動則在注入開始一段時間后被檢測到。這都表明孔隙壓力擴散是CO2封存誘發(fā)地震事件的主要機制。

2） 監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，In Salah 油田和Weyburn油田出現(xiàn)了溫度下降現(xiàn)象。這提示了溫度誘導(dǎo)的熱應(yīng)力變化對這兩個項目的地震活動起到觸發(fā)作用。

3） 對于Weyburn油田和LacqRousse枯竭氣田，地球化學(xué)分析揭示了CO2注入導(dǎo)致儲層巖石水力特性和機械性能發(fā)生動態(tài)演變的過程。這表明，地球化學(xué)過程構(gòu)成了誘發(fā)地震活動的重要內(nèi)在機制之一。

綜合以上推斷，可以確定孔隙壓力增加、溫度效應(yīng)，以及地球化學(xué)反應(yīng)等多種過程共同作用，構(gòu)成了誘發(fā)地震活動的關(guān)鍵機制。

3.1孔隙壓力主導(dǎo)的斷層活化機制

CGS項目中CO2注入改變斷層原有應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)發(fā)震斷層與儲層之間存在直接水力聯(lián)系時，孔隙壓力擾動是誘發(fā)斷層活化的主要機制；而發(fā)震斷層與儲層之間沒有直接水力聯(lián)系時，巖石基質(zhì)體積變形引起的孔隙彈性效應(yīng)主導(dǎo)誘發(fā)地震活動。

3.1.1孔隙壓力擴散自然平衡狀態(tài)下，孔隙流體壓力隨著地層深度近似線性增加。CO2注入活動會干擾天然孔隙流體壓力場，增加儲區(qū)孔隙壓力，直接引起注入點周圍斷層有效應(yīng)力減小，或者通過高滲透滲流通道使遠處斷層面上有效應(yīng)力減小，導(dǎo)致具有水力聯(lián)系的斷層活化。這是流體注入誘發(fā)地震活動的主要機制。CO2注入引起的孔隙壓力從注入位置擴散，儲層大面積區(qū)域增壓，如果在數(shù)十年注入過程中CO2前緣遷移幾千米，那么壓力擾動范圍超過數(shù)百千米［8，26］。此外，大規(guī)模的CGS項目需要全面部署多個注入點，以適用各種工業(yè)規(guī)模排放源產(chǎn)生的CO2體積，同一儲層中多個注入點的超壓疊加將產(chǎn)生更大的增壓區(qū)域［27］。當(dāng)升高的孔隙壓力擴散到斷層上時，改變斷層上的應(yīng)力狀態(tài)，引發(fā)斷層滑動甚至地震活動。

不同于注水誘發(fā)地震，注入儲層深部的超臨界態(tài)CO2 密度和黏性低于地層鹽水，且部分會溶于鹽水，因此，CO2地層鹽水可視為多相流系統(tǒng)。當(dāng)以恒流速注水時，孔隙壓力隨著時間對數(shù)呈線性增加趨勢。多項解析和數(shù)值模擬研究表明，多相流系統(tǒng)中相對滲透率和毛細(xì)作用在流體壓力演化中起著關(guān)鍵作用。這導(dǎo)致CO2注入深部儲層后流體壓力在初期急劇增加，隨后隨著時間推移略微降低［2831］，這與注水活動引起的超壓演化趨勢明顯不同［16，33］，如圖2所示。圖2中：pO為超壓，t為注入時間。注入開始時，超壓急劇增加是由于注入點周圍孔隙開始去飽和時CO2的相對滲透率低，毛細(xì)邊緣完全包圍注入點。隨著CO2繼續(xù)注入，毛細(xì)邊緣遠離注入點，相對滲透率逐漸增加，最終填充注入點周圍孔隙。由于超臨界CO2粘度比鹽水低一個數(shù)量級，CO2較容易在儲層內(nèi)流動，超壓達到最大值后略微降低［16，28］。考慮多相流系統(tǒng)超壓的長期演化趨勢，一方面，CO2溶解到鹽水中，儲區(qū)內(nèi)流通流體總體積減小，壓力降低［32］；另一方面，鹽水可以流過蓋層或基巖，而CO2受毛細(xì)作用阻礙無法穿透低滲透地層，儲層內(nèi)部壓力積聚降低［16］。由此可見，考慮成多相流系統(tǒng)時，相對滲透率和毛細(xì)作用顯著影響孔隙壓力擴散行為［13］，從而產(chǎn)生不同于單相流系統(tǒng)的地震響應(yīng)，但多相流系統(tǒng)如何影響已有斷層應(yīng)力場時空響應(yīng)仍需進一步探討研究。

（a） 注入水（b） 注入CO2

3.1.2孔隙彈性效應(yīng)當(dāng)大規(guī)模地向碳封存儲層中注入CO2時，其效應(yīng)不僅限于直接的流體增壓作用，還將引起儲區(qū)內(nèi)的巖石力學(xué)響應(yīng)，并通過這種孔隙彈性應(yīng)力變化影響周邊斷層應(yīng)力狀態(tài)，破壞已有斷層穩(wěn)定性。由于孔隙彈性應(yīng)力主要通過巖石基質(zhì)傳遞，因此應(yīng)力擾動范圍延伸到孔隙壓力擴散以外的區(qū)域，在沒有直接水力聯(lián)系的情況下引發(fā)地震活動［3436］。瞬間（短期）孔隙彈性響應(yīng)通過Biot理論來描述儲層巖石的彈性變形行為，即高壓CO2的注入直接促使巖石應(yīng)力狀態(tài)向更接近屈服和破壞的方向演化［3739］?？紤]CO2封存的時間尺度（數(shù)千年），巖石基質(zhì)會展現(xiàn)出受孔隙流體影響的粘彈性行為，相比純彈性本構(gòu)模型預(yù)測的瞬時變形，這種時間依賴性變形使得巖石達到破壞狀態(tài)的可能性更高［10，40］。如果不考慮巖石的時變特性，儲層變形的地質(zhì)力學(xué)分析會嚴(yán)重偏差，而目前與CO2儲存相關(guān)的地質(zhì)力學(xué)風(fēng)險與時間依賴性變形的關(guān)聯(lián)研究有限，具體機理尚不清晰。

孔隙壓力擴散和孔隙彈性效應(yīng)耦合是誘發(fā)地震活動的另一種機制。其本質(zhì)是直接受孔隙壓力擴散影響的斷層自身應(yīng)力狀態(tài)改變后，再通過孔隙彈性效應(yīng)影響附近其他已知斷層上庫倫應(yīng)力變化。其庫倫應(yīng)力變化（ΔCFS）定義［4142］為ΔCFS=Δτs+μ（Δσs+ΔP）。（3）

式（3）中：μ是摩擦系數(shù)；Δτs是剪切應(yīng)力變化；Δσs是正應(yīng)力變化；ΔP是流體壓力變化。Δτs+μΔσs由孔隙彈性應(yīng)力引起，而μΔP是由孔隙壓力貢獻的部分。

孔隙壓力通過孔隙空間擴散，孔隙彈性應(yīng)力通過巖體骨架的變形傳遞［43］，因此孔隙彈性應(yīng)力不受多孔介質(zhì)固有滲透率約束，從而影響比孔隙壓力擴散區(qū)域更大的范圍。同時孔隙壓力隨與注入點距離的增加而衰減，遠離注入點的位置處孔隙彈性應(yīng)力將直接超過孔隙壓力，占據(jù)主導(dǎo)地位［4445］。如果庫倫應(yīng)力增加，會促進后續(xù)地震的發(fā)生；而庫倫應(yīng)力減少，則可能延緩后續(xù)地震的發(fā)生［4647］。由此，孔隙彈性耦合描述了巖石變形，以及通過可變形孔隙的流體流動過程，擾動了注入增壓區(qū)外的應(yīng)力場，是揭示非增壓區(qū)地震事件和注入后地震活動的重要機制。

3.2熱效應(yīng)主導(dǎo)的斷層活化機制

注入過程中，CO2在注入井內(nèi)的升溫速度低于地溫梯度，到達井底的溫度低于儲層溫度，這將引起焦耳湯姆遜冷卻效應(yīng)、CO2溶解放熱，以及水蒸發(fā)吸熱等現(xiàn)象在內(nèi)的非等溫效應(yīng)［11］。由于注入引起的熱流傳播速度取決于CO2對圍巖的冷卻作用，非等溫區(qū)前鋒滯后于CO2遷移前緣，這導(dǎo)致熱流傳播通常比孔隙壓力傳播速度慢。因此，在長達幾十年的注入期間，CO2注入引起儲區(qū)圍巖溫度明顯變化的區(qū)域限于注入點周圍幾百米范圍內(nèi)［48］。

低溫注入的CO2與高溫儲層間的熱相互作用會導(dǎo)致巖石體積收縮變形。一方面，引起斷層面輕微張開并減少靜摩擦，觸發(fā)已臨近破壞的斷層滑動；另一方面，熱彈性效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)變會生成熱應(yīng)力，進而影響有效應(yīng)力分布［5，14］。熱應(yīng)力區(qū)域由CO2注入引起的溫度變化區(qū)域控制，并通過應(yīng)力傳遞對遠場應(yīng)力場施加影響，使斷層應(yīng)力狀態(tài)更加接近剪切滑動，從而誘發(fā)地震事件。如阿爾及利亞In Salah 的CCS項目中CO2到達注入井底時溫度比儲層低45 ℃，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力是引發(fā)該氣田微地震活動的原因之一［6，49］。Vilarasa等［18，50］基于多孔介質(zhì)的線性熱彈性理論，給出了熱應(yīng)力大小ΔσT的計算方法，即ΔσT=KαTΔT。其中，K是體積模量，αT是線性熱膨脹系數(shù)。由該公式可知，熱應(yīng)力的大小在很大程度上依賴于溫度影響的巖石類型及其溫度變化。對于儲層巖石來說，其剛度比富含粘土成分的蓋層大，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力也更明顯［51］。當(dāng)儲層和蓋層的熱膨脹系數(shù)存在差異時，斷層穿過蓋層并與儲層接觸時交界面產(chǎn)生剪切應(yīng)力，加劇已有斷層的活動從而導(dǎo)致剪切破壞［16，52］。

3.3化學(xué)反應(yīng)主導(dǎo)的斷層活化機制

相比于其他注水工程，CGS項目顯著特征之一是注入的CO2易溶解在地層鹽水中，引起巖石礦物化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)注入點周圍CO2飽和度的空間分布（即與注入點的距離），可依次劃分為不同區(qū)域［5354］。Ⅰ區(qū)為井筒附近充滿超臨界CO2；Ⅱ區(qū)為超臨界CO2和鹽水的兩相混合物的過渡區(qū)；Ⅲ區(qū)為酸性CO2水溶液完全飽和區(qū)；Ⅳ區(qū)為距離井筒最遠的區(qū)域不受注入影響。

CO2的溶解/沉淀反應(yīng)主要發(fā)生在Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)。CO2與水結(jié)合產(chǎn)生碳酸（H2CO3），當(dāng)碳酸吸附在巖石表面時，會立即解離成H+和HCO-3，形成pH值接近中性或降至4～5的弱酸性環(huán)境［5456］。即

巖石礦物成分受酸化鹽水作用，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并改變孔隙結(jié)構(gòu)，進而影響巖石的水力特性和機械性能，引發(fā)斷層滑動使斷層活化。因此，了解溶解CO2和儲區(qū)巖石之間的化學(xué)反應(yīng)對于分析誘發(fā)地震機理至關(guān)重要。

3.3.1水力特性CGS項目的目標(biāo)儲層以碳酸鹽巖和砂巖為主，與CO2的化學(xué)反應(yīng)包括石英長石的溶解及碳酸鹽的溶解和再沉淀；而儲存場地頂部的蓋層富含粘土礦物，與CO2的化學(xué)相互作用包括伊利石的溶解及蒙脫石的沉淀。CO2溶蝕反應(yīng)引起巖石孔隙度和滲透率的增加，而礦物沉淀導(dǎo)致孔隙空間堵塞，孔隙度和滲透率下降。這將增強或減弱儲區(qū)與已有斷層間的水力聯(lián)系，進而引起斷層上有效應(yīng)力的變化并可能增加誘發(fā)地震活動的風(fēng)險。

高反應(yīng)活性的巖石材料（如碳酸鹽巖）在接觸到酸化鹽水時會快速溶解，增加孔隙的平均寬度，并形成更高的孔隙率［57］，如圖3所示。這種碳酸鹽礦物的溶解和流動路徑之間的正反饋效應(yīng)，會在碳酸鹽巖中形成優(yōu)勢流動通道。相比之下，富含粘土礦物的巖石在暴露在酸化鹽水環(huán)境中時，其孔隙率的變化

（a） 未經(jīng)CO2鹽水（b） 注入CO2鹽水的（c） 注入CO2鹽水的方解石晶體

侵蝕方解石晶體方解石晶體不均勻溶解表面粗糙度和顆粒內(nèi)微孔隙

趨勢較為復(fù)雜。例如，恒定溫壓條件下注入超臨界CO2時，高嶺石和蒙脫石等粘土礦物的孔隙表面積減少［58］，而頁巖樣品浸沒在CO2飽和鹽水后卻顯示出孔隙率上升的結(jié)果［59］。這種相反的孔隙結(jié)構(gòu)變化主要歸因于粘土水化、礦物溶解、孔喉中礦物再沉淀之間的相互競爭關(guān)系?？紫督Y(jié)構(gòu)的變化將會直接影響其水力傳輸性能。CO2注入碳酸鹽巖中通常會導(dǎo)致滲透率增加［60］；相反，對于鮞狀灰?guī)r（主要由粘土礦物和碎屑石英組成），滲透率的增加表現(xiàn)為兩個階段：初始階段，由于孔隙連通性的改善，滲透率呈現(xiàn)平穩(wěn)增加；隨后，隨著蟲洞突破現(xiàn)象的出現(xiàn)，滲透率大幅躍升［61］，這揭示了孔隙蝕變與流體傳輸之間的高度復(fù)雜關(guān)系。由此可見，CO2與儲區(qū)巖石的化學(xué)作用會對巖層孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙率、滲透率，以及與已有斷層間的水力聯(lián)系進行改造，增加斷層活化的不確定性。

3.3.2機械性能在運用摩爾庫倫準(zhǔn)則評估斷層活化潛力時，關(guān)鍵在于通過抗剪強度參數(shù)（即黏聚力c和內(nèi)摩擦系數(shù)μ）來計算臨界剪切應(yīng)力值，進而判斷斷層是否達到失穩(wěn)破壞條件。在實際的CO2封存場地中，已有斷層的剪切強度和摩擦穩(wěn)定性受CO2流體引起的各種化學(xué)反應(yīng)耦合作用影響，其整體機械性能減弱。Bemer等［62］在高圍壓（p = 5.2～20.3 MPa）下對Lavoux灰?guī)r進行三軸試驗，結(jié)果表明注入CO2鹽水后巖石樣品的彈性模量和抗剪強度均有所降低；Samuelson等［63］采用直接剪切摩擦試驗，表明純干燥CO2略微降低了富含粘土斷層泥的摩擦系數(shù)；Rathnaweera等［64］的研究結(jié)果顯示，富含CO2的飽和水砂巖試樣的損傷強度大幅減少約46.44%，改變巖石剪切滑移特性。由此可見，CO2地下鹽水巖石之間的化學(xué)相互作用顯著影響斷層活化和地震活動的可能性。然而，目前儲層規(guī)模地質(zhì)力學(xué)建模分析方法中，考慮巖石機械性能對地球化學(xué)反應(yīng)的依賴性的研究尚顯不足，

因此需要建立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)模型來刻畫注入流體巖石地球化學(xué)反應(yīng)所影響的力學(xué)響應(yīng)特性，以準(zhǔn)確評估這些過程誘發(fā)微震活動的可能。

綜上所述，CO2注入引起斷層活化的機制很多，如孔隙壓力擾動、巖體基質(zhì)變形引起的孔隙彈性應(yīng)力變化、低溫CO2引起的熱應(yīng)力變化，以及CO2酸性流體引起的水力傳輸性能和機械性能變化等。圖4展示了相關(guān)機制在摩爾應(yīng)力圖上的表現(xiàn)。實際上，斷層活化的實質(zhì)在于多物理過程協(xié)同作用于已有斷層應(yīng)力場，進而導(dǎo)致應(yīng)力狀態(tài)的重分布及積累的應(yīng)變能釋放，這一復(fù)雜過程由多種地質(zhì)因素和工程因素共同決定。

4CO2封存誘發(fā)斷層活化的關(guān)鍵影響因素

CO2封存誘發(fā)斷層活化所涉及的熱流力化耦合過程，受地質(zhì)構(gòu)造特征和工程操作參數(shù)的雙重制約，其中地質(zhì)因素包括儲層溫壓條件、地層巖性、地應(yīng)力狀態(tài)、斷層產(chǎn)狀及其滲透性能等；工程因素包括流體注入速率、注入壓力、注入溫度、總注入量、注入點相對斷層的位置等。針對CGS項目誘發(fā)地震的具體案例，不同影響因素對斷層活動的調(diào)控作用及其相對重要性具有顯著差異。因此在探究誘發(fā)地震的關(guān)鍵驅(qū)動機制時，必須綜合考慮多種影響因素的疊加效應(yīng)，從而確保對誘發(fā)地震的準(zhǔn)確評估。

4.1地質(zhì)因素

4.1.1斷層構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)斷層區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)是決定斷層滑移及活化的核心因素。CO2注入誘發(fā)地震事件時，斷層面發(fā)生剪切破壞的潛力大于張拉破壞。因此，在同等注入條件下，垂直于斷層方向的正應(yīng)力增大，斷層趨于保持閉鎖狀態(tài)；相反，平行于斷層方向的剪切應(yīng)力增強將更易于誘發(fā)斷層剪切滑移。Figueiredo等［65］探討了斷層橫縱應(yīng)力比對斷層活化的影響，其他條件保持不變的情況下，斷層所在位置的水平應(yīng)力增大，以及水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值提高時，斷層的剪切滑動位移會越小，這意味著斷層活化的可能性降低。Passelègue等［66］在三軸應(yīng)力條件下對鋸切花崗巖樣品開展流體注入實驗，結(jié)果顯示，隨著圍壓或初始剪切應(yīng)力的增加，斷層活化所需的局部流體壓力及斷層面的流體壓力不均勻性增加，這增強了斷層活化時的滑移速率。Cebry等［17］使用雙軸加載設(shè)備對鋸切花崗巖斷層進行了注入實驗，并對比分析不同背景應(yīng)力水平下誘發(fā)地震事件。研究發(fā)現(xiàn)，較高背景應(yīng)力狀態(tài)下，斷層滑動由抗震滑移引起的應(yīng)力傳遞所驅(qū)動，在流體增壓區(qū)外表現(xiàn)為失穩(wěn)型破裂；較低背景應(yīng)力水平下，破裂僅限于在流體增壓區(qū)內(nèi)擴展，且斷層滑移程度受增壓范圍控制。Goebel等［44］給出孔隙壓力和孔隙彈性應(yīng)力對斷層上應(yīng)力張量的影響程度取決于斷層構(gòu)造應(yīng)力場分類，即正斷層（垂直應(yīng)力是最大主應(yīng)力）、逆斷層（垂直應(yīng)力是最小主應(yīng)力）或走滑斷層（垂直應(yīng)力是中間主應(yīng)力）的結(jié)果。Altmann等［33］進一步闡明CO2注入期間逆斷層和走滑斷層更能沿最大水平應(yīng)力方向激活，而正斷層更能沿垂直應(yīng)力方向激活。

此外，熱應(yīng)力對斷裂穩(wěn)定性的影響也受到儲層構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)的制約。Vilarasa等［18，67］通過應(yīng)力莫爾圓分析了超壓和非等溫效應(yīng)影響區(qū)域內(nèi)不同應(yīng)力狀態(tài)下斷層穩(wěn)定性。僅考慮超壓時，正斷層和逆斷層分別是最穩(wěn)定和最不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)；當(dāng)考慮冷卻效應(yīng)時，走滑斷層則是最不穩(wěn)定的應(yīng)力狀態(tài)。例如以走滑斷層為地質(zhì)特征的阿爾及利亞In Salah的非等溫模擬結(jié)果表明，誘導(dǎo)熱應(yīng)力引起的應(yīng)力場變化導(dǎo)致天然裂縫發(fā)生剪切破壞，從而引發(fā)蓋層下部冷卻區(qū)域的微震現(xiàn)象［6870］。

因此，要準(zhǔn)確評估孔隙壓力擴散、孔隙彈性變化及溫度效應(yīng)對已有斷層應(yīng)力狀態(tài)的具體影響，首先必須探明斷層構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)。然而，目前構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)的量化分析至今仍然是項亟待深入研究且極具挑戰(zhàn)性的難題。

4.1.2斷層傾角斷層活化風(fēng)險受到斷層傾角的顯著影響，然而斷層活化概率并非由傾角單因素決定，在不同的構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)下，斷層的穩(wěn)定性表現(xiàn)出明顯差異。Wang等［71］定義斷層活化因子（η）來表示注入導(dǎo)致的斷層穩(wěn)定性，儲層正上方的斷層活化因子（η）隨著斷層傾角的變化規(guī)律以90°為中心對稱，正斷層狀態(tài)下斷層傾角為60°時活化概率最高，逆斷層狀態(tài)下斷層傾角為30°時活化風(fēng)險最高。Gheibi等［72］通過有限元離散元數(shù)值模型表明，斷層傾角的增加提高了正斷層上盤和下盤附近的儲層和蓋層的穩(wěn)定性，并且降低了逆斷層下盤附近儲層和蓋層的穩(wěn)定性，而逆斷層上盤附近蓋層穩(wěn)定性隨著傾角的增加而增加，在30°時斷層上盤附近儲層最不穩(wěn)定，在45°時最穩(wěn)定。Meguerdijian等［73］ 提出注入誘發(fā)斷層活化的震源位置和滑動起始時間是斷層傾角的相關(guān)函數(shù)。

另外，斷層傾角的差異將導(dǎo)致壓力和溫度在斷層面不同水平位置上的分布差異，這可能導(dǎo)致低溫CO2誘發(fā)熱應(yīng)力在斷層不同水平位置產(chǎn)生不同的影響程度，或者影響CO2與巖體之間的化學(xué)反應(yīng)及其力學(xué)性能變化，這些均與斷層活化的潛在風(fēng)險密切相關(guān)。然而，目前針對這一影響因素下的溫度效應(yīng)和地球化學(xué)反應(yīng)對斷層活化影響的研究尚有待開展。

4.1.3斷層滲透率CO2流體沿著儲層內(nèi)部裂隙通道自注入點向周邊擴散時，斷層滲透率的降低會增加流體在斷層區(qū)域的聚集，進而造成該區(qū)域孔隙壓力升高，增加誘發(fā)斷層活化的可能性。Taghipour等［74］進行了Gachsaran 油田 Asmari 油藏的地質(zhì)力學(xué)模擬研究，揭示了低滲透斷層的存在引起注入井和斷層之間的儲層壓力增強，而遠離注入井的斷層另一側(cè)的超壓相對較小。Figueiredo 等［65］通過TOUGHFLAC 水力耦合軟件，探討了滲透率對斷層活化的影響，結(jié)果展示出在其他條件相同時，滲透率低（小于0.987 nm2）的斷層，流體更易在斷層處富集，誘發(fā)斷層活化的風(fēng)險更高。Vilarrasa等［75］通過模擬CO2注入引起的地質(zhì)力學(xué)響應(yīng)指出，低滲透性斷層會引起斷層周圍孔隙壓力和應(yīng)力的顯著變化并降低其穩(wěn)定性;反之，高滲透性斷層對斷層穩(wěn)定性的影響相對較小。

4.1.4其他因素溫度、地層鹽水成分和巖石礦物成分等諸多因素共同影響地球化學(xué)反應(yīng)速率。不同地質(zhì)深度導(dǎo)致的儲層溫度差異直接影響相關(guān)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率。如在較低的溫度（小于60 ℃）下，碳酸鹽巖與CO2反應(yīng)時傾向于溶解；而當(dāng)深層儲層溫度高于60 ℃時，則更易于促使碳酸鹽礦物沉淀，這將會增加孔隙度和滲透率。咸水層中鹽水含鹽量也會影響滲透率的變化，如在注入25%鹽溶液的砂巖巖芯驅(qū)替實驗中，鹽沉淀導(dǎo)致絕對滲透率降低了60%［76］。在CO2溶于鹽水產(chǎn)生的酸性環(huán)境中，礦物質(zhì)表現(xiàn)出不同的溶解特性：如長石礦物易于溶解，鈣和鈉長石的溶解性較強，鉀長石的溶解力較弱［15］。因此，針對巖石所發(fā)生的地球化學(xué)反應(yīng)及其效應(yīng)，必須緊密聯(lián)系實地具體條件來進行評估和預(yù)測，以確保準(zhǔn)確理解其對流體傳輸性能及地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。

CO2鹽水礦物間的地球化學(xué)反應(yīng)引起的巖石力學(xué)性質(zhì)演化受圍壓、礦物質(zhì)和含水量等因素的共同調(diào)控，巖石強度降低將誘使儲層已有斷層的剪切滑動。在高圍壓條件下巖石易發(fā)生塑性破壞；低圍壓環(huán)境下，低蝕變程度表現(xiàn)為脆性破壞，而高蝕變程度呈現(xiàn)為塑性破壞［77］；干燥條件下CO2略微降低富含粘土斷層泥的摩擦系數(shù)［63］，而水和CO2共同作用于硬石膏斷層泥時，其摩擦系數(shù)降低15%，大幅增加誘發(fā)地震的可能性［78］。在恒定的機械應(yīng)力下，由于機械和化學(xué)過程的相互作用，儲層巖石會發(fā)生與時間相關(guān)的壓實變形。已有試驗結(jié)果表明，蠕變變形受晶粒尺寸、礦物成分、溫度、含水量、孔隙流體pH值等多種因素的影響［12］。如在高溫高壓（溫度為28～100 ℃，壓力為4～40 MPa）條件下，超臨界CO2溶液作用使得預(yù)壓多孔方解石聚集體發(fā)生了顯著的蠕變；對于小晶粒尺寸，主要的破壞機制是壓溶蠕變，而對于大晶粒尺寸，亞臨界微裂紋普遍存在；由于水會降低粘土礦物的摩擦系數(shù)［7980］，孔隙空間含水量會影響巖石蠕變，粘土或有機物含量增多會加強蠕變變形；不同礦物的化學(xué)反應(yīng)活性也是決定蠕變速率的關(guān)鍵，如砂巖相對于石灰?guī)r表現(xiàn)出低幾個數(shù)量級的蠕變速率。

4.2工程因素

4.2.1CO2注入策略流體注入策略的關(guān)鍵參數(shù)，如流體總注入量、注入壓力和注入速率等對孔隙壓力積累及斷層活化特征具有顯著調(diào)控作用，進而影響誘發(fā)地震的能量釋放規(guī)模。一般來說，當(dāng)其他條件相同時，注入速率越高、注入壓力越高、總注入量越大，斷層活化的可能性越高。Nicol等［81］基于對多個CGS項目誘發(fā)地震活動的公開數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，隨著注入過程的推進，發(fā)生等于或超過某一特定震級閾值地震的概率與累積注入量呈正比關(guān)系。Taghipour等［74］利用數(shù)值模擬研究了不同注入壓力下伊朗Gachsaran油田Asmari儲層已有斷層活化的可能性，研究發(fā)現(xiàn)，5 a的持續(xù)注入期間注入壓力保持為30 MPa時不會引起新裂縫或斷層滑動，而注入壓力增加到50和60 MPa時，分別在100和12 d內(nèi)產(chǎn)生塑性應(yīng)變和斷層滑動。Konstantinovskaya等［82］通過建立St. Lawrence盆地的儲層地質(zhì)力學(xué)耦合模型評估了注入速率對該地區(qū)正斷層剪切破壞可能的影響，結(jié)果顯示，注入井周圍和斷層帶內(nèi)的流體壓力積聚在很大程度上取決于注入速率：注入速率越高，井周圍和斷層帶內(nèi)流體壓力積聚越強，斷層越早發(fā)生剪切破壞。

如果注入的CO2和地層之間存在一定溫差，熱應(yīng)力效應(yīng)顯現(xiàn)出來，應(yīng)力場將受到熱應(yīng)力和孔隙彈性效應(yīng)耦合的影響。高CO2注入速率下，注入引起的冷鋒前緣遠遠滯后于孔隙壓力前緣，孔隙彈性效應(yīng)主導(dǎo)裂縫擴展和斷層滑移，非等溫效應(yīng)的影響相對較?。坏虲O2注入速率下，冷鋒前緣和CO2遷移前緣幾乎一致，非等溫效應(yīng)成為控制裂縫擴展和斷層滑移的主導(dǎo)因素［3］。Goodarzi等［83］通過Ohio流域 Rose Run儲層的熱流地質(zhì)力學(xué)耦合模擬說明，隨著CO2注入速率的增加，熱效應(yīng)對裂縫擴展的影響減弱，且不論熱效應(yīng)大小如何，斷層不穩(wěn)定性都會增加。在足夠小的注入速率下，低溫CO2注入和等溫CO2注入所引起的裂縫長度差異會增加，并且這種差異將隨著注入溫度的降低而加速擴大。

CO2注入溫度是調(diào)控多物理過程的關(guān)鍵因素，不同的注入溫度會導(dǎo)致注入點附近地層溫度的差異。高溫條件下，流體粘度增加促進更高的遷移速率，從而可能減輕壓力積聚效應(yīng)；同時，注入溫度差異還會造成不同的熱應(yīng)力分布，影響斷層的地應(yīng)力狀態(tài)。此外，CO2在鹽水中的溶解度隨著溫度的升高而下降［84］，這引起不同的地層水pH值，進而觸發(fā)不同的地球化學(xué)反應(yīng)過程。然而，關(guān)于這些溫度變化引起的多物理過程如何具體作用并影響斷層活化風(fēng)險的研究尚顯不足，亟待開展進一步研究與探討。

4.2.2CO2注入位置含斷層儲層中的孔隙壓力分布受注入井距斷層距離的影響，當(dāng)注入井遠離斷層時孔隙壓力的演化相對穩(wěn)定和均勻，如挪威Sleipner的Utsira地層和Illinois盆地的西蒙山砂巖；而注入井附近存在低滲透性斷層時，超壓迅速增加并達到臨界閾值，進而誘發(fā)斷層活化，如挪威Snhvit項目［3］。Rutqvist等［82］也證實相同注入速率下，距注入井較近斷層（1.5 km）比較遠斷層（4.4 km）更早活化。相對而言，CO2從斷層上盤注入或從下盤注入對斷層穩(wěn)定性的影響基本相似，下盤注入時的最大動摩擦角僅略高于上盤注入，但引起的斷層周圍應(yīng)力變化都將導(dǎo)致斷層穩(wěn)定性顯著降低［75］。

5總結(jié)和討論

CO2封存項目存在誘發(fā)地震活動的風(fēng)險，與其他工業(yè)注水項目相比，CO2注入誘發(fā)地震機制具有諸多典型特征。文中介紹了CO2注入誘發(fā)地震的典型工程案例，并結(jié)合摩爾庫倫準(zhǔn)則，分析了熱流力化耦合作用下的斷層活化機制，主要包括壓力擴散、非等溫效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)對斷層活化的影響。通過對多場耦合過程及其影響因素與斷層失穩(wěn)活動關(guān)聯(lián)的闡述分析，得出以下幾點主要認(rèn)識。

1） CO2注入誘發(fā)地震與熱流力化耦合過程密切相關(guān)，如孔隙壓力擾動、低溫CO2引起的熱應(yīng)力變化，以及CO2酸性流體引起的地球化學(xué)反應(yīng)等，實際誘發(fā)地震事件是多物理過程協(xié)同作用于已有斷層應(yīng)力場進而導(dǎo)致斷層破壞和失穩(wěn)的結(jié)果。

2） 超臨界狀態(tài)CO2 注入地層鹽水，形成多相流系統(tǒng)。相對滲透率和毛細(xì)作用對流體壓力的演化非常關(guān)鍵，這將產(chǎn)生不同于單相流系統(tǒng)的地震響應(yīng)。此外，考慮巖石時變力學(xué)特性的孔隙彈性效應(yīng)是揭示誘發(fā)地震活動的重要機制，但目前與之相關(guān)的研究較為有限。

3） 低溫CO2注入將引發(fā)焦耳湯姆遜冷卻效應(yīng)、CO2溶解放熱，以及蒸發(fā)吸熱等一系列非等溫效應(yīng)，這將導(dǎo)致巖石熱收縮產(chǎn)生熱應(yīng)力。結(jié)合流體注入引起的孔隙壓力增加，斷層上有效應(yīng)力將進一步降低，增加斷層活化風(fēng)險。

4） CO2地下鹽水巖體相互作用改變儲層巖石水力傳輸性能和機械性能，增加斷層活化的不確定性。但由于短時間尺度內(nèi)化學(xué)場作用不明顯，當(dāng)前考慮化學(xué)反應(yīng)的熱流力化全耦合模擬研究相對有限，并且如何將建模研究外推到儲層條件尚不清楚。

5） 構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)是影響斷層活化的主控因素，決定了孔隙壓力和熱應(yīng)力對已有斷層穩(wěn)定性的影響。斷層的傾角、滲透性、礦物成分等屬性是斷層活化的內(nèi)因。盡管已明確CO2注入導(dǎo)致儲層應(yīng)力變化并誘發(fā)地震活動，但斷層系統(tǒng)的復(fù)雜性及其與注入CO2相互作用機制的定量評估與解釋仍限制了誘發(fā)地震的精準(zhǔn)預(yù)測。

6） CO2注入策略是觸發(fā)斷層活化的誘發(fā)因素和可控因素。然而，在實際工程應(yīng)用中，由于儲層深部復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境及其高精度表征的局限性，很難準(zhǔn)確量化注入行為與誘發(fā)地震級別之間的相關(guān)關(guān)系。

因此，針對CGS項目的誘發(fā)地震災(zāi)害風(fēng)險，當(dāng)前存在一系列關(guān)鍵科學(xué)問題和工程技術(shù)挑戰(zhàn)尚待攻克。未來研究方向應(yīng)聚焦于：多場耦合框架下深入剖析巖體變形與失穩(wěn)機理；探究注入CO2與復(fù)雜斷層系統(tǒng)間的相互作用機制；提升深部儲區(qū)地質(zhì)力學(xué)狀態(tài)及構(gòu)造背景的表征技術(shù)；以及研發(fā)高效安全的CO2注入調(diào)控策略等，旨在有效防控CO2封存誘發(fā)的地震災(zāi)害風(fēng)險。

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（責(zé)任編輯： "黃仲一英文審校： 方德平）