盖层复杂性对Bunter砂岩层二氧化碳羽流行为及封存安全性的影响研究

本研究针对Bunter砂岩层CO2 封存中盖层结构复杂性导致的泄漏风险，通过构建四种地质场景（Cases 1-4），采用CMG-GEM模拟器开展多物理场耦合模拟。结果表明，简化单层盖层模型会低估20%的CO2 泄漏量，而多层盖层中的烟囱结构会引发重力不稳定性导致的羽流侧向迁移。研究为复杂地质条件下的CCS安全评估提供了关键理论支撑。

　　

全球变暖背景下，二氧化碳地质封存(CCS)成为应对气候变化的关键技术。英国南部北海的Bunter砂岩层因其巨大封存潜力被列为优先靶区，但该储层存在盖层结构异质性、裂缝和页岩夹层等复杂地质特征，传统单层盖层模型难以准确预测CO₂
羽流行为。更棘手的是，现有研究多忽视盖层内部结构细节与多物理场耦合效应，导致封存安全性评估存在重大不确定性。

为解决这一难题，Sean Rigby和Ali Alsayah团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表研究，首次将Bunter砂岩储层及其盖层建模为包含多层相变、裂缝和烟囱结构的复合体，采用CMG-GEM模拟器开展为期1000年的全耦合流动-力学-地球化学模拟。通过设计四种地质场景（单层盖层、多层盖层、含烟囱结构、含页岩夹层），模拟了25百万吨超临界CO₂
分50年注入及后续950年监测过程。

关键技术包括：1) 基于CMG-GEM构建三维笛卡尔网格模型；2) 整合流动-力学-地球化学全耦合算法；3) 设置四种典型地质场景对比分析；4) 采用长期模拟（1000年）追踪羽流演化。数据来源于英国北海过渡管理局公布的Bunter穹隆地质资料。

【Results and Discussion】部分揭示：

1. 盖层结构差异导致20%的CO₂
   泄漏量差异，多层盖层因矿物相变（方解石/岩盐）产生优先渗漏通道；
2. 烟囱结构引发重力不稳定性，促使CO₂
   富集卤水指状下渗，形成传统模型未预测的侧向迁移模式；
3. 页岩夹层在多层盖层中使裂缝再激活时间显著提前；
4. 超临界CO₂
   相态占主导（占比>60%），矿化作用在千年尺度贡献不足5%。

【Conclusions】强调：忽略盖层内部复杂性会严重低估泄漏风险，特别是烟囱结构导致的局部高渗区会改变羽流运移路径。研究首次揭示了多物理场耦合作用下"盖层-储层反馈机制"对长期封存安全性的控制作用，为英国北海CCUS枢纽（如Northern Endurance Partnership项目）提供了关键设计依据。该成果对复杂地质条件下的CO₂
封存选址与监测具有普适性指导价值。