油气藏评价与开发

储盖组合	岩石密度/（kg/m³）	盐度/%	孔隙度/%	渗透率/10^-3 μm²	相对渗透率参数	毛管压力参数
盖层	2 600	3.2	5	0.01	0.457	30	99.9	5	0.457	15	99.9	3 100.0
储层	2 400	3.2	10	20	0.457	30	99.9	5	0.457	15	99.9	19.6
上下部岩层	2 500	3.2	10	0.10	0.457	30	99.9	5	0.457	15	99.9	3 100.0

储盖组合	岩石密度/（kg/m³）	盐度/%	孔隙度/%	渗透率/10^-3 μm²	相对渗透率参数	毛管压力参数
盖层	2 600	3.2	5	0.01	0.457	30	99.9	5	0.457	15	99.9	3 100.0
储层	2 400	3.2	10	20	0.457	30	99.9	5	0.457	15	99.9	19.6
上下部岩层	2 500	3.2	10	0.10	0.457	30	99.9	5	0.457	15	99.9	3 100.0

持续注入速率/（10⁴ t/a）	间歇注入周期	盖层渗透率/10^-3 μm²	储层渗透率/10^-3 μm²
10	7	15	0.01	5
20	7	20	0.10	10
30	7	25	1.00	20
40	5	25	10.00	40

持续注入速率/（10⁴ t/a）	间歇注入周期	盖层渗透率/10^-3 μm²	储层渗透率/10^-3 μm²
10	7	15	0.01	5
20	7	20	0.10	10
30	7	25	1.00	20
40	5	25	10.00	40

CO₂深部咸水层封存羽流演变与储盖层完整性影响因素研究

王能昊 1 , 连威 2^,3 , 李军 1^,2^,3 , 李佳琦 4

油气藏评价与开发 | 矿场应用 2026,16(1): 128-140

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油气藏评价与开发 |矿场应用 2026 , 16 (1) : 128 -140

CO₂深部咸水层封存羽流演变与储盖层完整性影响因素研究

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王能昊1, 连威2^,3, 李军1^,2^,3, 李佳琦4

作者信息

¹　中国石油大学（北京）石油工程学院，北京　102249

²　中国石油大学（北京）克拉玛依校区新疆二氧化碳高效利用与封存重点实验室，新疆　　克拉玛依　834000

³　中国石油大学（北京）海南研究院，海南　　三亚　572025

⁴　中国石油新疆油田分公司采油工艺研究院，新疆　　克拉玛依　834000

通讯作者:

连威（1990—），男，博士，副教授，从事井筒完整性与CO₂地质封存方面的研究。地址：新疆克拉玛依市克拉玛依区安定路355号，邮政编码：834000。E-mail：lianweidyx@163.com

作者简介:

王能昊（2000—），男，在读博士研究生，从事CO₂地质封存方面的研究。地址：北京市昌平区府学路18号，邮政编码：102249。E-mail：2025310144@student.cup.edu.cn

Study on plume evolution and influencing factors of reservoir and caprock integrity in CO₂ deep saline aquifer storage: A case study of Shenhua CCS project

NENGHAO WANG1, WEI LIAN2^,3, JUN LI1^,2^,3, JIAQI LI4

Affiliations

¹ College of Petroleum Engineering, China University of Petroleum (Beijing), Beijing 102249, China

² Xinjiang Key Laboratory of Efficient Utilization and Storage of Carbon Dioxide, China University of Petroleum (Beijing) at Karamay, Karamay, Xinjiang 834000, China

³ Hainan Institute of China University of Petroleum (Beijing), Sanya, Hainan 572025, China

⁴ Oil Production Technology Research Institute, PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Karamay, Xinjiang 834000, China

出版时间: 2026-01-26 doi: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2024496

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关键词

CO₂地质封存 / 压力累积 / 羽流演变 / 泄漏率 / 储盖层完整性

Key words

CO₂ geological storage / pressure accumulation / plume evolution / leakage rate / reservoir/caprock integrity

引用本文

王能昊, 连威, 李军, 李佳琦. CO₂深部咸水层封存羽流演变与储盖层完整性影响因素研究. 油气藏评价与开发, 2026 , 16 (1) : 128 -140 . DOI: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2024496

NENGHAO WANG, WEI LIAN, JUN LI, JIAQI LI. Study on plume evolution and influencing factors of reservoir and caprock integrity in CO₂ deep saline aquifer storage: A case study of Shenhua CCS project[J]. Petroleum Reservoir Evaluation and Development, 2026 , 16 (1) : 128 -140 . DOI: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2024496

正文

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随着全球气候变暖，碳中和已成为国际热点问题。截至2023年9月，全球已有150多个国家做出了碳中和承诺，覆盖了全球80%以上的CO₂排放量、国内生产总值（GDP）和人口^[1]。碳捕集、利用与封存（CCUS）技术是有效减少碳排放的重要手段，是实现碳中和目标的重要技术支撑^[2-4]。CCUS技术是指将CO₂从工业和能源利用中分离出来，通过捕集、利用或地质封存，以实现减少温室气体排放的技术^[5-6]，且CCUS技术是中国实现2030年碳达峰、2060年碳中和目标的关键^[7-8]。联合国《全球升温1.5 ℃特别报告》对90种碳减排情景进行了评估，几乎所有情景都需要CCUS技术才能将全球升温幅度控制在1.5 ℃以内^[9]。常见的CO₂封存地质体包括深部咸水层^[10-11]、枯竭油气藏、深部不可采煤层^[12]等。其中，深部咸水层因其分布面积广、厚度大、储存容量巨大，被公认为最具潜力的封存场所^[13]，中国地质封存潜力约为（1.21~4.13）×10¹² t，其中咸水层封存占比98%，封存潜力巨大^[1]。自2011年中国首个陆上CO₂咸水层封存项目——神华CCS（碳捕集与封存）项目开展以来^[14]，中国规划、在建和投运的CCUS项目已超过105个^[15]。但国内外工程实践表明：大量CO₂注入深部咸水层会引起局部区域的压力累积及封存区域内多相流体运移，影响储盖层的完整性，严重时会造成CO₂泄漏^[16-18]。

国内外研究者对CO₂在咸水层中的运移及地层压力响应规律开展了系列研究，RAHMAN等^[19]从工程学及地质学的角度分析了北海地区CO₂封存上覆岩层与盖层完整性研究（OASIS）项目的封存风险并有效地表征了应力状态对泄漏风险的影响；牟建业等^[20]通过致密储层岩心CO₂扩散实验获得了其在多孔介质中的扩散系数，并采用CMG软件进行了渗流扩散数值模拟，分析了渗透率、扩散系数、时间对CO₂分布的影响；成建梅等^[21]运用非饱和地下水-热运移大规模并行模拟器（TOUGH2-MP）分析了CO₂运移、储存、地层压力提升、储存安全性等问题，结果表明：总体上压力抬升值不超过1.5 MPa，且在注入停止后压力累积迅速消散；雷宏武等^[22]认为CO₂注入引起有效应力的减小是导致地层垂向变形的重要因素，且水平方向有效应力的变化要大于垂直方向，最大可达6 MPa；胡叶军等^[23]建立了二维多岩相结构模型，分析了CO₂地质封存注入阶段岩石孔渗参数、地层压力变化特征和CO₂羽流演变规律，认为CO₂在驱替咸水过程中会形成漏斗状的扩散晕，盐沉淀的增加会导致注入点附近压力累积升高，最大压力累积达7.5 MPa；WANG等^[24]分析了储层压力响应对储层渗透率、运移距离、注入速率和总封存量的影响，结果表明：5 MPa的压力累积可使CO₂侧向运移距离增大13.1%；BIRKHOLZER等^[25]探讨了大规模CO₂储存项目局部压力累积的敏感性，认为盖层渗透率及压缩系数的变化对压力累积有较大影响，渗透率及其纵横比的下降会导致压力累积增加；PAVAN等^[26]研究了CO₂在储层中的压力响应，结果表明：孔隙压力受渗透率和注入速率的影响很大；VILARRASA等^[27]通过数值模拟研究，分析了CO₂注入产生的超压演变两相流效应，结果表明：在CO₂注入初期孔隙压力会迅速增加。LIU等^[28]通过考虑储层岩性非均质性，建立了注入过程中CO₂质量流率沿井深的分布模型，认为孔隙度和渗透率的非均质性会导致孔隙压力大幅上升，增大CO₂泄漏的风险；张杰城等^[29]使用热-流-固耦合方法模拟了咸水层CO₂溶解封存过程，研究了水气交替及间歇注入方案对溶解量、孔隙压力和地层形变的影响，结果表明：间歇注入可使压力累积降低约37.5%。研究者们从地层压力累积、有效应力、CO₂羽流演变规律、封存安全性等方面对CO₂在深部咸水层中的运移与地层压力响应进行了深入研究，但在CO₂运移方面的研究多局限于单一工程地质参数条件，且在分析注入导致的压力累积效应时并未充分考虑储盖层完整性失效的风险。

因此，研究以神华CCS项目的工程地质参数为基础，建立了CO₂长期封存羽流演变与地层压力分析模型，研究了注入速率、注入方式、储盖层渗透率对CO₂羽流演变、泄漏率、储盖层完整性的影响，分析了CO₂长期封存过程中羽流演变与地层压力变化规律，明晰了影响CO₂羽流运移的主、次控因素，得到了不同工程地质条件下CO₂的泄漏率，评价了封存过程中储盖层岩石的完整性。研究可为中国即将大规模开展的CO₂地质封存项目提供参考。

1　模型建立

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1.1　神华CCS项目工程地质条件

神华鄂尔多斯CCS项目于2011年开始注入CO₂，2015年4月关井，总注入量为30.3×10⁴ t，该项目涉及1口注入井，平均注入速率为10 ×10⁴ t/a。注入井井深为2 826 m，穿过6套具有封存潜力的储层。其中，储层累积厚度为100 m，主要由粗粒砂岩、泥质粉砂岩、碳酸岩、煤岩等组成，孔隙度介于0.01% ~ 20.00%，渗透率介于（0.01 ~ 50.00）×10^-3 μm²；盖层位于储层上下，由密封性能较好的深灰色泥岩、淤泥质泥岩、纯泥岩等组成^[17]。

1.2　CO₂羽流演变及地层压力分析模型

1.2.1　有限元建模

选择深度介于2 338 ~ 2 367 m的TYN/BXI地层为研究对象，该地层以泥灰岩和煤岩为主，平均孔隙度介于4.4% ~ 16.2%，渗透率介于（1.25 ~ 7.19）×10^-3 μm²。建立以注入井为中心并涵盖储层、盖层、上下部岩层的三维多岩相物理模型，模型长、宽、高分别为3 000 m、3 000 m、1 800 m，纵向埋深介于1 800~3 600 m。注入点位于储层中心底部，井深为2 365 m。为了更好地观察CO₂羽流的运移状态，模型中设置储层厚度为100 m，盖层厚度为200 m，上部岩层厚度为400 m，下部岩层厚度为1 100 m，上下部岩层的孔渗参数与盖层相近（图1）。

对图1三维模型进行网格剖分：①垂直方向采用等距网格并在储层、盖层处加密；②水平方向采用泰斯多边形网格，并在注入井位置进行网格加密。模型剖分示意图见图2。

1.2.2　模型参数及边界条件

基于构建的三维模型，针对神华CCS项目地质参数进行参数设置，地层初始压力为静水压力，模型顶部压力为20.13 MPa，底部压力为37.20 MPa，地温梯度为31.9 ℃/km，初始气体饱和度（S_g）为0，模型侧边界为一类定压边界，上下边界为零流量边界。数值模型中使用的主要参数见表1^{[17，24，30]}。

1.2.3　基本理论及分析方法

研究的核心在于探讨CO₂注入后羽流的动态演变特征及其对储层与盖层完整性的影响。由于CO₂注入导致的孔隙压力变化对孔隙度的影响较为微弱，且非均质性也并不是此次研究的重点，故不考虑孔隙度的变化及非均质性的影响^[31-32]。此外，二维模型在计算孔隙压力时，无法准确反映三维特征对孔隙压力和羽流扩散的影响，故采用三维模型。研究的基本假设：①流动服从达西定律，注入前地层为饱和态；②不考虑化学反应；③不考虑流体注入产生的热应力。

CO₂在深部咸水层中的运移涉及多相流体的流动，地层水与CO₂在岩石孔隙中的流动遵循多相流达西定律，表达式如下^[33]：

q p = - k r p K μ p (∇ p p - ρ p g)

（1）

式中：对于多相流中某一特定相p相而言，

q p

为达西通量，定义为每单位面积每单位时间流动的流体相p的体积，单位m³/s；k_rp为p相的相对渗透率；K为绝对渗透率；μ_p为p相的流体黏度，单位Pa·s；p_p为p相的压力，单位Pa；

ρ p

为p相的流体密度，单位kg/m³；g是重力加速度，单位m/s²。

此外，CO₂注入及运移过程中会产生压力累积，岩石孔隙内部流体压力的增加会对地层岩石完整性产生影响。储层岩石的完整性指孔隙结构与渗透性维持稳定状态的能力，将直接决定储层的容量和长期封存安全性；盖层岩石的完整性是确保其有效阻隔CO₂羽流渗漏及泄漏的关键^[34]；当储层或盖层岩石发生破坏时，意味着完整性失效^[35-36]。可采用莫尔-库仑（Mohr-Coulomb）准则^[37]判断储盖层岩石的完整性，如下式所示：

τ = C + σ' t a n φ

（2）

σ' = σ n - p f

（3）

τ n = σ 1 - σ 3 2 s i n 2 θ

（4）

式中：τ为抗剪强度，单位Pa；C 为内聚力，单位Pa；σ'为岩石有效应力，单位Pa；φ 为内摩擦角，单位（°）；σ_n为岩石剪切面上的正应力，单位Pa；p_f为地层内流体孔隙压力，单位Pa；τ_n为岩石剪切面上的剪应力，单位Pa；σ₁、σ₃分别为最大、最小主应力，单位Pa；θ为岩石剪切面与σ₁方向的夹角，单位（°）。

具体而言，当CO₂注入后， p_f会逐步升高，导致σ'减小，进而使τ降低。当τ_n≥τ时，岩石发生剪切破坏，岩石完整性失效。

以前人对地质封存过程中CO₂羽流演变及地层压力响应的研究为基础，总结归纳如下分析方法：

1）观察不同时间不同层位中CO₂气体饱和度，分析不同工程地质参数条件下CO₂ 羽流的运移变化规律。这与前人分析羽流演变规律的方法一致^[23]，但前人缺乏对不同工程地质参数条件下CO₂羽流演变差异的讨论。

2）通过CO₂沿z方向的流量及盖层以上岩石孔隙内液相中CO₂的质量分数来计算泄漏率。泄漏率是衡量地质封存的重要指标，有学者认为地质封存中CO₂在100 a内的泄漏量不应该超过注入总量的0.1%^[38]；联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC）提出CO₂长期封存过程中泄漏量不应该超过注入总量的1%^[39]。因此，研究以IPCC提出的1%作为CO₂泄漏的临界泄漏率，并以此为标准分析不同工程地质参数对泄漏率的影响。

3）通过孔隙压力变化对Mohr圆状态的影响，判定储盖层岩石的完整性。根据鄂尔多斯盆地岩石力学及地应力分析资料，确定注入点附近三向地应力值、岩石的内聚力和内摩擦角^[40-41]。基于Mohr-Coulomb准则，地层孔隙压力增加，有效应力减小，Mohr圆向左移动，与包络线相交时，岩石破坏^[42-43]，完整性失效。

1.2.4　模拟方案及变量设置

为了定量分析不同工程地质条件对羽流演变与储盖层完整性的影响，参考神华CCS项目实际工程地质参数^[17]，取持续注入速率为10×10⁴ t/a、储层渗透率为20×10^-3 μm²、盖层渗透率为0.01×10^-3 μm²，在此基础上利用控制变量法对储盖层物性参数及注入参数进行调整，包括持续注入速率、间歇注入周期、储盖层渗透率，具体变量设置见表2。

2　结果讨论及分析

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2.1　CO₂羽流演变规律

CO₂羽流演变本质上指羽流的扩展范围、形态变化和其与储层的相互作用，与CO₂沿盖层泄漏密切相关。研究以羽流的扩展速度、扩展范围、聚集情况为主要指标，分析了不同工程地质参数条件下的羽流演变规律。

1）注入速率对羽流演变的影响

取x=1 500 m（x方向距离）处剖面数据，绘制CO₂饱和度在y-z平面上的云图，圆形红点为CO₂注入点位置，白色虚线为盖层与储层的边界线（图3）。CO₂注入至深部咸水层时，其会驱替咸水并在储层中逐步运移。首先，注入的CO₂会大量聚集在注入点附近，由于密度差的作用，其会逐渐聚集到盖层岩石下方；其次，盖层岩石会阻挡CO₂继续向上运移，且随着CO₂不断注入，盖层底部羽流会在浓度差与压力差的作用下横向运移；最后，随着封存时间的增加，羽流运移范围逐渐趋于稳定，原因在于本模型设置5 a后停注，后续CO₂羽流的运移导致其与地层压力差值逐渐减小，当压力差等于毛细压力时，羽流的运移仅靠浓度差作用。此种条件下羽流运移极其缓慢，表现为30 a与300 a运移范围差别较小，这与BACHU等^[44]的研究结论相对应，其认为仅靠浓度差作用，CO₂羽流运移速度小于0.1 m/a^[43]；同时，在均采用神华CCS项目水文地质参数的基础上，凌璐璐等^[45]的模拟结果也表明注入停止后的CO₂运移距离有限。

进一步分析注入速率对羽流演变的影响，设置注入速率分别为10×10⁴、30×10⁴t/a，对比结果如图3和图4。可以看出，注入速率由10×10⁴ t/a增大至30×10⁴ t/a时，羽流运移范围显著增大；以300 a后的运移范围为例，运移半径由400 m扩大至800 m，增幅100%。

2）盖层渗透率对羽流演变的影响

设置盖层渗透率在10^-4×10^-3μm²至10×10^-3μm²之间变化，分析盖层渗透率对羽流运移的影响，结果见图5。图5可以看出，盖层渗透率对羽流运移范围的影响主要体现在到达盖层底部后，当盖层渗透率超过1.00×10^-3μm²时，羽流会突破盖层底部并在盖层内向上运移，最终形成一个新的羽流运移区。盖层渗透率为0.01×10^-3μm²时，图5a中的结果显示，羽流未突破盖层并持续纵向运移，盖层的封闭性能处于良好范围，这与贾善坡等^[46]的结论相符；盖层渗透率由0.01×10^-3μm²增加至0.10×10^-3μm²时，盖层仍然具有一定的封闭性能，300 a后羽流运移范围并没有明显扩大；盖层渗透率进一步增加至1.00×10^-3μm²及以上时，此条件下盖层密封性能较差，羽流突破盖层底部向上运移，运移范围明显扩大。

3）储层渗透率对羽流演变的影响

设置储层渗透率分别为5×10^-3μm²和40×10^-3μm²，分析储层渗透率对CO₂羽流演变的影响，结果见图6—图7。可以看出，储层渗透率对羽流运移的影响主要体现在其达到稳态运移范围的时间上，当储层渗透率由5×10^-3 μm²增加至40×10^-3μm²，封存时间为15 a时，5×10^-3 μm²渗透率条件下羽流主体仍在密度差作用下向盖层底部运移，而40×10^-3μm²渗透率条件下羽流主体已几乎达到稳态运移范围400 m。原因在于，羽流与地层初始压力差值一定的条件下，高渗储层流动阻力更小，羽流运移速度更快，可更早达到稳态运移范围。

通过上述注入速率、储盖层渗透率对羽流运移规律的对比可知，注入速率是影响羽流横向运移的主要因素，而盖层渗透率是阻挡羽流达到盖层底部后继续向上运移的关键，储层渗透率则主导羽流达到稳态运移范围的时间。

2.2　CO₂泄漏风险

考虑到部分CO₂能够突破盖层顶部并泄漏至上部地层，可能造成地层水酸化及岩石中重金属离子的析出，进而对地质封存的安全性构成威胁。因此，在地质封存的过程中，对CO₂的泄漏率的分析尤为重要。前述羽流演变规律分析认为，300 a后CO₂羽流基本达到稳定状态，故研究以封存300 a后突破盖层顶部CO₂的质量统计为依据，将此统计量作为泄漏量并除以注入总量得到泄漏率，进一步分析CO₂泄漏率的影响因素。

1）注入速率对泄漏率的影响

设置注入速率在10×10⁴ t/a与40×10⁴ t/a之间变化，分析不同注入速率下CO₂泄漏率，分析结果见图8。可以看出，泄漏率与注入速率呈指数关系，即注入速率为40×10⁴ t/a，封存300 a后的泄漏率仅为0.0137%，远小于IPCC规定的临界泄漏率1%。因此可以认为，当盖层渗透率为0.01×10^-3μm²时，此条件下盖层封闭性能较好，注入速率的改变对泄漏率影响较小。这与现阶段世界范围内CCS项目选址的依据与实践结果相符合。本模型是建立在盖层完整的前提下，未考虑盖层内部存在断层或天然裂缝的情况。

2）盖层渗透率对泄漏率的影响

设置盖层渗透率在10^-4×10^-3μm²至5×10^-3μm²之间变化，分析不同盖层渗透率下CO₂泄漏率（图9）。可以看出，泄漏率与盖层渗透率呈指数关系，当盖层渗透率为10^-4×10^-3μm²时，此条件下盖层封闭性能优质^[46]，CO₂泄漏率低于0.001‰；当盖层渗透率超过1.25×10^-3μm²时，泄漏率将超过IPCC规定的临界泄漏率1%，此时盖层渗透率处于低渗范围；当盖层渗透率进一步增加至5×10^-3μm²时，泄漏率超过IPCC规定临界泄漏率的7.5倍。这与贾善坡等^[46]研究的结果相符，盖层厚度和突破压力一定时，渗透率将作为盖层封闭性能的主要因素。因此，在地质封存选址时应重点关注盖层的渗透率，确保盖层能够有效圈闭CO₂，防止长期封存过程中的泄漏。

3）储层渗透率对泄漏率的影响

进一步分析储层渗透率对泄漏率的影响（图10）。可以看出，泄漏率随储层渗透率的增加先基本保持不变，后迅速降低至0左右。当储层渗透率低于7.5×10^-3μm²时，泄漏率在0.018%左右，原因是低渗透率条件下羽流横向运移速度小，CO₂在密度差作用下聚集在盖层底部较小范围内，引起盖层下部的压力累积，导致其在压力差的作用下突破盖层并引起泄漏；当储层渗透率高于7.5×10^-3 μm²时，泄漏率迅速降低至0左右，原因是高渗透率条件下羽流横向运移速度大，盖层底部的CO₂会迅速运移至较大范围，盖层下部压力累积较小，因压力差作用突破盖层的CO₂量较少，泄漏率较低。盖层渗透率为0.01×10^-3μm²，属于低渗的范畴，具有较好的封闭性能。此条件下储层渗透率的变化并不会引起CO₂大量泄漏，泄漏率均在IPCC规定的临界泄漏率1%以内。

综上，通过对比不同工程地质参数下CO₂的泄漏率可知：泄漏率的主控因素为盖层渗透率，较大的盖层渗透率会使CO₂泄漏率超过IPCC规定的临界泄漏率；储层渗透率、注入速率对泄漏率的影响较小。

2.3　储盖层压力响应及完整性分析

注入的CO₂会首先聚集在储层注入点附近并驱替周围咸水，伴随着压力的累积和传播。其中，压力累积是影响储盖层完整性的主导因素：对储层而言，注入点附近的压力累积最大，较大的压力累积可能导致储层岩石发生剪切破坏，破坏储层孔渗特征，降低储层的储集能力；对盖层而言，盖层底部的压力累积也会影响其完整性，严重时导致盖层岩石产生剪切破坏，形成泄漏通道。以目标地层岩石力学参数为依据，储层、盖层岩石孔隙压力分别升高11.8、13.7 MPa时，其会发生剪切破坏。

因此，有必要定量分析CO₂注入过程中储盖层压力动态变化规律，结合岩石破坏准则对储盖层进行完整性评价，并在此基础上，对注入速率、间歇注入周期、储盖层渗透率进行优选。

2.3.1　储层压力响应及完整性

1）注入速率对储层完整性的影响

设置注入速率分别为10×10⁴、20×10⁴、30×10⁴、40×10⁴ t/a，分析注入速率对注入点即监测点A处压力累积的影响，结果见图11。

从图11可以看出，注入初期监测点A处压力迅速增加，达到峰值后下降至稳定状态，注入停止后，压力迅速消散，这与神华CCS项目现场观察到的情况一致^[17]。原因是原始地层条件下地层孔隙充满咸水，根据CO₂-咸水相对渗透率曲线，注入开始时CO₂饱和度为0，其无法在岩石内部流动，仅在浓度差的作用下缓慢运移至岩石孔隙内。因此，注入早期A点压力会迅速增加，直到A点附近岩石孔隙内CO₂饱和度增加至临界值后，其可在岩石孔隙内流动，从而使注入点压力逐渐降低；注入5 a后，由于没有CO₂的额外注入，且CO₂逐渐溶解至咸水中，因此A点压力进一步降低。

注入速率从10×10⁴ t/a增大到40×10⁴ t/a时，A点处压力增幅由4.7 MPa增大至14.7 MPa，且注入速率越大，到达压力峰值点的时间越早，压力开始降低的时间也越早；其中，取神华平均注入速率10×10⁴ t/a时，压力增幅结果与其他研究者的模拟结果一致^[45]。分析认为，注入速率越大，相同时间内需要驱替的咸水也就越多，导致压力累积越显著；另一方面，CO₂注入速率越大，其在A点处浓度越大，在浓度差的作用下能够更快地进入岩石孔隙内。CO₂更快进入孔隙使得孔隙压力上升更快，饱和度也更快达到临界值，进而使CO₂开始流动的时间更早；同时，注入速率越大，相同时间内进入岩石孔隙中的CO₂量越大，压力累积增幅也越显著。

使用Mohr-Coulomb准则判定储层岩石的完整性，判定结果见图12。可以看出，注入速率的增加会使注入点孔隙压力峰值增大，有效应力减小，Mohr圆左移。当注入速率低于20×10⁴ t/a时，其未与包络线相交，储层岩石没有破坏风险，这与神华CCS项目现场观察到的情况一致^[17]；当注入速率增加至30×10⁴ t/a时，其与包络线相交，储层岩石发生剪切破坏。因此，CO₂注入速率的选择应考虑储层岩石剪切破坏的风险。

2）储层渗透率对储层完整性的影响

设置储层渗透率分别为5×10^-3、10×10^-3、20×10^-3、40×10^-3μm²，分析储层渗透率对注入点处压力累积的影响，结果见图13。注入初期A点处压力迅速增加，达到峰值后下降至稳定状态，注入停止后，压力进一步降低。其中，注入初期压力增加速率与渗透率密切相关。储层渗透率越低，注入点附近的咸水越难被注入的CO₂驱替，由此导致压力增加越快，压力峰值越大；此外，渗透率较低时，流动性较差，阻碍了CO₂的进一步溶解，孔隙内游离态CO₂量更大，因此压力累积更为显著。从图13b中压力-时间曲线的峰值及斜率可以看出：储层渗透率越低，压力累积越显著，压力增加速度越快。储层渗透率从40×10^-3μm²降低到5×10^-3μm²时，A点处压力最大增幅由2.7 MPa增大至16.8 MPa，增幅扩大6倍左右；注入时间达1 d，储层渗透率分别为40×10^-3、5×10^-3μm²时，后者压力增幅为前者的3倍左右。

以不同储层渗透率条件下注入点压力增幅为基础，使用Mohr-Coulomb准则判定储层岩石的完整性，结果如图14所示。储层渗透率降低时，岩石孔隙压力的增大导致Mohr圆左移。当储层渗透率降低到5×10^-3μm²时，Mohr圆与包络线相交，储层岩石发生剪切破坏；而当渗透率大于10×10^-3μm²时，储层不存在剪切破坏的风险。因此，CO₂地质封存选址过程中应确保储层渗透率高于一定值，保证注入过程中储层岩石的完整性。

根据不同工程地质条件对储层注入点处压力累积的影响及储层岩石Mohr圆状态变化可知：注入速率、储层渗透率对储层完整性的影响显著，注入速率超过30×10⁴ t/a或储层渗透率低于5×10^-3μm²均会威胁到储层岩石的完整性。

2.3.2　盖层压力响应及完整性

1）注入方式对盖层完整性的影响

设置注入速率分别为10×10⁴、20×10⁴、30×10⁴、40×10⁴ t/a，分析注入速率对盖层底部监测点B处压力累积的影响，结果如图15a所示。注入初期，监测点B处压力逐渐增加，达到峰值后缓慢降低，注入停止后，压力进一步降低。缓慢降低的原因是CO₂会更趋向于在渗透率较大的储层中横向运移，盖层下部CO₂浓度缓慢减小，通过渗透作用进入盖层的CO₂量缓慢降低，导致B点压力在到达峰值后缓慢减小。不同注入速率条件下，注入速率越大，压力累积峰值越大。当注入速率由10×10⁴t/a升高至40×10⁴t/a时，B点压力增幅从1.1 MPa升高至3.6 MPa，增幅扩大为原来的3倍左右。

间歇注入可以有效缓解盖层底部的压力累积。保持注入参数不变，以持续注入7 d为基础条件，设置不同间歇时间，分析B点处的压力累积。如图15b所示，间歇时间越长，压力累积增幅越小，当间歇时间超过一定值后，无法进一步降低压力累积。对于注入7 d间歇15 d的情况，压力累积无明显降低；间歇20 d后，压力累积可减小25.5%；进一步增加间歇时间至25 d，此时压力累积减小效果并不显著；而降低注入时间为5 d，间歇时间保持不变，压力累积可减小50.9%。分析认为，间歇时间较短时羽流未发生明显运移，盖层底部仍具有较高浓度的CO₂；间歇时间较长时，羽流的运移能够一定程度地降低盖层底部的压力累积；随着间歇时间进一步增加，盖层底部压力累积的峰值受到注入持续时间的影响更大，导致盖层底部压力降低幅度受限。建议CCS项目开展过程中，通过数值模拟优化间歇时间并采用间歇注入有效缓解盖层底部的压力累积。

使用Mohr-Coulomb准则分析不同注入速率条件下的盖层完整性，分析结果如图16所示。提高注入速率虽会使B点压力增加，但增幅较小，因此，盖层完整性受注入速率的影响较小。

2）盖层渗透率对盖层完整性的影响

盖层渗透率也是影响盖层底部压力累积的重要因素，分析结果表明：盖层渗透率越低，B点处压力累积增幅越大，如图17a所示。此外，从Mohr-Coulomb判定结果来看，盖层底部B点压力累积并不足以使盖层底部岩石发生剪切破坏，其Mohr圆状态如图17b所示。

3）储层渗透率对盖层完整性的影响

储层渗透率对盖层底部压力累积具有一定影响，分析结果表明：储层渗透率越低，盖层底部压力累积越明显，如图18a所示。其原因与储层渗透率降低情况下CO₂泄漏率升高的原因基本一致。根据Mohr-Coulomb准则的判定结果来看，即使储层渗透率减小至5×10^-3μm²，B点有效应力仅减少3.3 MPa，盖层完整性基本不受影响，如图18b所示。

对比不同工程地质条件下盖层底部研究点的压力响应及盖层岩石Mohr圆的状态变化可知：注入方式对盖层底部压力累积的影响最显著，但不会对盖层完整性造成威胁，且间歇注入可有效降低盖层底部的压力累积；在基本参数条件下，仅改变盖层渗透率或储层渗透率均不会对盖层完整性造成威胁。

3　结论

收起

1）注入地层后的CO₂会首先聚集在注入点附近并驱替周围咸水，后逐步运移至盖层底部，在浓度差和压力差的作用下进一步横向运移，达到初始羽流范围后开始缓慢运移。注入速率主要影响羽流横向运移范围；盖层渗透率是影响羽流达到盖层底部后继续向上运移的关键，渗透率小于0.01×10^-3μm²的良好盖层可有效防止CO₂持续纵向运移；较大的储层渗透率能让CO₂更快在储层中运移，便于CO₂溶解于地层咸水，降低泄漏风险。

2） CO₂泄漏率的主控因素为盖层渗透率，次控因素为储层渗透率。泄漏率随盖层渗透率增大而呈指数增大，盖层渗透率超过1.25×10^-3μm²时，长期封存条件下CO₂泄漏率会超过IPCC规定的临界值1%；盖层封闭性能良好时，储层渗透率与注入速率变化条件下CO₂泄漏率均小于0.02%。

3）储层渗透率小于5×10^-3μm²或注入速率超过30×10⁴ t/a时，储层岩石将会发生剪切破坏。注入方式、注入速率变化对盖层底部压力累积的影响较大；10×10⁴ t/a的注入速率及20×10^-3μm²储层渗透率条件下，盖层渗透率的变化并不会导致较大的压力累积；良好的储盖层组合及合适的注入方案可使盖层底部的压力累积降低50%左右。

参考文献

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文献

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2026年第16卷第1期

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doi: 10.13809/j.cnki.cn32-1825/te.2024496

接收时间：2024-11-04
首发时间：2026-10-30
出版时间：2026-01-26

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收稿日期：2024-11-04

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¹　中国石油大学（北京）石油工程学院，北京　102249

²　中国石油大学（北京）克拉玛依校区新疆二氧化碳高效利用与封存重点实验室，新疆　　克拉玛依　834000

³　中国石油大学（北京）海南研究院，海南　　三亚　572025

⁴　中国石油新疆油田分公司采油工艺研究院，新疆　　克拉玛依　834000

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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持续注入速率/（10⁴ t/a）	间歇注入周期		盖层渗透率/10^-3 μm²	储层渗透率/10^-3 μm²
持续注入速率/（10⁴ t/a）	注入/d	停注/d	盖层渗透率/10^-3 μm²	储层渗透率/10^-3 μm²
10	7	15	0.01	5
20	7	20	0.10	10
30	7	25	1.00	20
40	5	25	10.00	40