CO2地质封存中相交断层注入诱发破裂的控制因素研究

本研究针对CO2地质封存过程中注入诱发相交断层活化问题，通过建立增强型断层表征耦合流体力学模型，系统分析了断层渗透性、滑移弱化行为、注采井位布置等关键因素对断层破裂的影响机制。研究发现低渗透性断层易导致高压积聚促进破裂，滑移弱化行为会扩大破裂时空分布，井位布置通过控制压力扩散路径显著影响破裂发生位置。该研究为安全实施大规模CO2封存工程提供了重要理论依据。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，碳捕集与封存（CCS）技术被视为缓解温室效应的重要途径。其中，将CO₂注入深部咸水层进行地质封存因其巨大储存潜力而备受关注。然而，在实际工程实施过程中，注入操作可能诱发断层活化甚至地震事件，这已成为制约该技术规模化应用的瓶颈问题。特别是在美国德克萨斯州、俄亥俄州等地，已有大量案例表明废水处置、页岩气开采等地下能源活动与地震事件存在关联。

传统研究多采用简化平面断层模型，未能充分考虑真实地质环境中断层相交等复杂几何特征的影响。断层相交区域会显著改变压力/应力分布特征，从而影响诱发破裂的发生位置和规模。为此，劳伦斯伯克利国家实验室能源地球科学分部的研究团队开展了系统性研究，旨在揭示CO₂注入过程中相交断层活化机制。研究成果发表于《Energy Geosciences》期刊，为安全实施CO₂地质封存提供了重要理论支撑。

研究团队采用TOUGH-FLAC耦合模拟器，创新性地开发了界面生成器（IFM）算法，实现了零厚度断层界面与有限厚度损伤带的组合表征。该模型嵌入了走向滑动应力 regime（Sh_max > S_v > Sh_min）的盖层-储层-基底系统，其中两条垂直相交断层采用局部网格加密技术进行离散。通过设置断层监测点，实时追踪压力、CO₂饱和度、剪切状态、位移和应力路径等五类指标的动态变化。

关键技术方法包括：1）建立三维盖层-储层-基底地质模型（规模5km×5km×0.6km）；2）采用TOUGH3-FLAC3D耦合模拟器实现多相流-固耦合计算；3）开发界面生成器算法处理相交断层几何复杂性；4）设置四种井位布置方案（单井/多井，不同象限位置）；5）采用线性滑移弱化模型表征断层强度演化特征。

断层渗透性影响研究表明，低渗透性断层（10^-16 m²）会形成压力屏障，在断层相交楔形区域产生快速压力积聚，使有效正应力显著降低，最终诱发断层破裂。相比之下，高渗透性断层（10^-14 m²）允许压力快速扩散，显著降低破裂风险。监测点应力路径分析显示，距注入井不同距离的位点呈现差异化的破裂萌生过程。

滑移弱化效应分析发现，采用线性滑移弱化模型（初始摩擦角29°，残余摩擦角20°，特征滑移距离0.08m）的案例表现出更广泛的破裂分布范围。与恒定摩擦模型相比，滑移弱化不仅使最大剪切位移增加至2.0cm（恒定摩擦模型仅为0.35cm），还促使破裂向盖层底部和基底顶部扩展。这种摩擦强度降低与滑移量增加形成的正反馈机制，导致滑移持续时间延长至4.32年。

井位布置影响研究表明，注入井相对于断层走向的位置直接控制剪切应力变化方向。当注入井位于断层特定象限时，可分别引起剪切应力增加或减小，从而影响破裂动态萌生过程。例如位于F1-1和F2-2象限的注入井会导致剪切应力减小，而位于F1-2和F2-1象限则引起应力增加。

多井注采方案分析揭示，井位布置方式通过控制压力扩散路径影响破裂空间分布。当两口注入井分别布置在断层同一侧时，仅能激活断层对应区段；而跨断层布置井位可实现全断层压力积聚，诱发更广泛的破裂。值得注意的是，大注入量工况下（四口井同时注入），储层滑移产生的应力传递可激活盖层破裂，表明远场破裂主要受应力转移控制。

研究结论强调，相交断层的几何复杂性显著影响CO₂注入诱发破裂行为。低断层渗透性、滑移弱化行为、临界应力状态井位以及大注入量是诱发破裂的关键因素。特别值得注意的是，剪切位移演化过程中的突然跳跃可能是地震滑移的信号，这为地震风险评估提供了重要指标。

该研究的创新性在于首次系统量化了相交断层在CO₂注入过程中的耦合响应机制，建立了从断层属性到工程操作的完整分析框架。研究成果不仅对CO₂地质封存安全评估具有直接指导意义，还可推广至地热开发、油气储运等地下工程领域，为复杂地质条件下流体注入风险管控提供了科学依据。