页岩CO2相变注入过程中多阶段渗透率动态的力学建模与机制解析

《Geoenergy Science and Engineering》：Mechanistic Modeling of Multi-Stage Permeability Dynamics in Shale during CO 2 Phase Transition Injection

本文提出一种整合基质软化、二次吸附及力学-吸附应变滞后的双材料渗透率模型，通过并行耦合模拟准确追踪CO2相变过程中基质-裂缝应变交互机制。该模型成功捕捉页岩在气相CO2注入时的U型渗透率演化及全压力CO2注入的四阶段渗透率变化规律，揭示了力学劣化界定渗透率边界、二次吸附与应变效应引发多阶段波动的内在机理，为长期CO2封存预测提供可靠理论工具。

　　

Section snippets

Conceptual model

如图2所示，研究将岩石实体离散为物理节点网络（图2a-b），每个节点通过数学分解为四个相互关联的组分，分别由不同的控制方程主导：裂缝/基质应变场与裂缝/基质流动动力学（图2c-d）。这种双系统公式能够在并行计算框架内显式表征基质-裂缝相互作用，与传统分层模型形成显著区别。

Governing equations

裂缝与基质系统内的应变和气体流动控制方程基于以下假设：(a) 页岩为双组分连续介质，基质和裂缝系统均呈现弹性行为；(b) 应变假设为无限小；(c) 计算域为等温状态且完全被气体饱和。

Numerical simulations

图7所示的工作流程详细解析了全压力CO₂注入的耦合机制，通过集成关键控制方程的多物理场框架进行求解。基于成熟方法，COMSOL模拟基质-裂缝相互作用、流固耦合及气体运移现象；REFPROP计算气相平衡转变；MATLAB则协调组件间的双向数据通信并嵌入CO₂热力学参数。

Discussion

多数CO₂地质封存项目未达预期注入量，主要归因于渗透率衰减。因此，理解渗透率演化规律对此类工程至关重要。基于前文对渗透率演化影响因素及参数敏感性的分析，本节将深入探讨页岩CO₂注入的工程意义。为研究单因素对渗透率演化的影响，我们...

Conclusions

(1) 页岩整体渗透率是受基质与裂缝渗透率演化复杂相互作用调控的动态参数。传统双孔隙模型将裂缝视为非力学空隙，本质上只能预测孤立基质或裂缝的贡献。为此，本研究提出一种先进数值框架，用于双弹性介质的并行耦合，其中裂缝和基质呈现不同的力学行为。在此耦合体系内...