控制CO2注入与流固耦合-压裂模拟协同优化：盖层完整性保护与泄漏风险最小化

本文针对地质封存CO2过程中因压力积聚导致的盖层破裂与泄漏风险，提出了一种集成流固耦合-压裂模拟与优化算法的创新框架。研究通过量化应力差与泄漏量的新型指标，结合地质不确定性分析，实现了注入策略的鲁棒优化，为碳封存安全性提供了理论支撑与技术路径。

　　

随着全球碳减排压力加剧，碳捕获与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）技术成为应对工业CO₂排放的关键策略。然而，将CO₂注入深层地质构造（如枯竭油气田或咸水层）时，压力升高可能引发盖层破裂、诱发地震或地表抬升等风险。尤其令人担忧的是，盖层一旦发生拉伸破裂（hydraulic fracturing），CO₂可能通过新生裂缝泄漏至浅层含水层甚至大气，彻底破坏封存的安全性。现有研究多聚焦单一物理过程（如仅流体流动模拟），缺乏对多场耦合机制（流固耦合、破裂演化与泄漏）的系统整合，更鲜有考虑地质不确定性的优化方法。

针对这一挑战，南加州大学的研究团队在《International Journal of Greenhouse Gas Control》发表研究，开发了首个集成流固耦合-压裂模拟与鲁棒优化的CO₂封存风险控制框架。该研究创新性地将改进的Barton-Bandis破裂模型与多相流模拟耦合，构建了同时量化破裂潜力（应力差指标）和实际泄漏量的复合风险指标，并通过先进优化算法在非均质储层中寻找最优注入策略。

关键技术方法包括：1）耦合流固力学与压裂过程的数值模拟；2）改进的Barton-Bandis模型表征裂缝渗透率演化；3）基于应力差与泄漏量的双组分风险指标设计；4）集成地质统计学的鲁棒优化算法；5）利用斯坦福地质建模软件（SGeMS）生成100组渗透率场实现以表征不确定性。

方法论
研究采用改进的Barton-Bandis模型描述裂缝粗糙度对渗透率的影响，通过最小有效应力与破裂开启应力的差值量化破裂风险。耦合模型同时求解流体质量守恒方程、岩石变形方程及破裂准则，实现了从微观破裂到宏观泄漏的全过程模拟。

确定性优化
在三口注入井的案例中，优化算法将注入速率控制为初期低-中期高-后期递减的"钟形"曲线，使盖层应力差提升37%，泄漏量减少92%。对比显示，传统流量优化方案因忽略应力耦合效应，实际泄漏风险高出优化方案3.8倍。

鲁棒优化
针对渗透率场不确定性，研究通过100组地质实现构建概率约束。优化结果显著降低了泄漏风险的方差（下降64%），证明该方法对地质参数波动具有强适应性。敏感性分析揭示，储层顶部渗透率非均质性对泄漏风险影响最大（贡献率51%）。

讨论与结论
该研究突破了传统CCS优化中"流动优先"的局限，首次实现多物理场协同的风险控制。提出的复合指标解决了破裂前风险累积与破裂后后果评估的割裂问题，为工业级封存方案设计提供了量化工具。值得注意的是，鲁棒优化将最坏情景泄漏量降低至确定性方案的1/5，凸显了地质不确定性整合的必要性。未来工作可扩展至断层活化与地震耦合分析，进一步提升CCS的全生命周期安全性。

（注：所有技术细节与数据均源自原文，未添加外部引用；作者单位名称按要求处理；专业术语如Barton-Bandis模型、流固耦合（coupled flow-geomechanics）等首次出现时均标注英文；上下标严格按原文格式呈现。）