Bunter砂岩层CO2封存中盖层复杂性与储存安全性：多尺度耦合机制与泄漏风险调控

为解决复杂地质条件下CO2封存安全性问题，英国诺丁汉大学团队通过CMG-GEM多物理场耦合模拟，揭示了多层级盖层-断层-裂缝系统中CO2运移规律。研究发现：多层盖层系统中裂缝再激活导致CO2通过烟囱结构泄漏量达60%，而单层盖层仅25%；断层渗透性差异使矿物反应（如方解石溶解/沉淀）呈现显著层间异质性。该研究为北海Bunter砂岩等复杂储层的安全评估提供了关键理论支撑。

　　

在全球碳中和背景下，地质封存被视为缓解温室效应的关键手段。然而，北海Bunter砂岩等潜在封存场所普遍存在盖层结构复杂、断层发育等地质挑战——多层盖层中可能包含页岩-砂岩互层、天然裂缝网络和盐构造相关断层，这些异质性结构如何影响CO₂的长期封存安全性？传统简化模型往往忽略盖层内部矿物反应与力学变形的耦合效应，导致泄漏风险评估存在偏差。

针对这一科学难题，诺丁汉大学研究团队在《International Journal of Greenhouse Gas Control》发表最新成果。该研究采用CMG-GEM软件构建了包含流动-力学-化学（FMC）全耦合的三维模型，设置了4种典型情景：Case1-2对比单层/多层盖层系统中"三明治"状页岩-砂岩互层（含可激活裂缝）的影响；Case3-4则引入贯穿盖层的断层，分析其再激活行为。关键技术包括：基于Barton-Bandis模型的裂缝渗透率动态计算、滑移趋势（ST）断层再激活判据、以及多组分矿物反应动力学模拟。

盖层-互层系统中的CO₂运移
研究发现：多层盖层系统（Case1）中，裂缝再激活导致CO₂通过烟囱结构垂直迁移350米，泄漏量达60%，显著高于单层系统（Case2）的25%。这是由于多层盖层的应力再分配使裂缝渗透率骤增233倍，而单层系统仅增35倍。矿物行为也呈现显著差异：多层系统中互层内的岩盐（Halite）以沉淀为主，而单层系统则以溶解为主导。

断层再激活的层控效应
当模型引入断层时（Case3-4），多层盖层系统（Case3）的断层再激活延迟至注气25年后，但一旦激活，其垂向渗透率增幅（13.3 mD）是单层系统（Case4）的20倍。这源于Solling黏土与R?t盐岩的力学性质差异：多层系统中断层穿过不同岩性时，局部剪切应力（τ_max）变化更剧烈，符合Mohr-Coulomb准则预测。

矿物反应的空间分异
长期模拟显示，方解石（Calcite）是调控盖层孔隙度的关键矿物。多层盖层中R?t盐岩带因方解石沉淀使孔隙度降低0.33%，而单层系统的白垩（Chalk）层则因溶解增加0.1%孔隙度。值得注意的是，pH值在多层系统的烟囱结构中异常升高（5.4→5.9），这是碳酸（H₂CO₃）与方解石反应消耗H⁺所致。

该研究首次系统揭示了复杂盖层系统中"裂缝-断层-矿物"三元耦合机制：多层盖层通过应力屏障效应延缓断层激活，但一旦失效会导致更严重的CO₂泄漏；而矿物反应的空间异质性可能形成自修复或自加剧的反馈循环。这些发现为北海Bunter砂岩等场地的安全评估提供了量化工具，也为国际碳封存协会（IEAGHG）的泄漏风险评估指南提供了理论依据。未来研究需结合四维地震数据验证模型预测，并扩展至盐碱化等环境效应评估。