温度与孔隙压力对CO2封存过程中静态与动态孔隙弹性特性的影响机制研究

本研究针对地质碳封存(GCS)中储层完整性监测难题，通过三轴Hoek细胞实验系统评估了Gray Berea砂岩在80°C初始储层条件及CO2注入后50°C/80°C工况下的静态/动态孔隙弹性参数（Biot系数与体积模量），揭示了scCO2饱和、温度与孔隙压力的协同作用规律，为GCS工程中地应力场演变预测提供了关键理论支撑。

　　

随着全球碳中和进程加速，地质碳封存(Geological Carbon Storage, GCS)技术成为应对气候变化的关键手段。然而这项技术隐藏着"甜蜜的烦恼"——当大量超临界二氧化碳(scCO₂)被注入地下储层时，犹如给地球做"高压注射"，可能引发储层变形、盖层破裂甚至诱发地震。已有案例触目惊心：阿尔及利亚Salah项目导致地表抬升2.5厘米，威尼斯潟湖更出现20厘米的惊人隆起。更棘手的是，低温CO₂注入会在井筒附近形成"冷岛效应"，如北海Johansen储层在6500英尺深度可能产生热致裂缝。这些现象背后，是温度-压力-流体多场耦合作用下储层岩石孔隙弹性行为的复杂演变，而现有研究对此认知仍存在显著空白。

为破解这一难题，研究人员在《Geoenergy Science and Engineering》发表的重要工作中，创新性地采用三轴Hoek细胞实验系统，对Gray Berea砂岩展开多工况测试。研究首先在模拟真实储层条件（80°C、34.47MPa围压）下建立水饱和基线的孔隙弹性参数，继而通过注入scCO₂并调控温度至50°C（模拟近井筒冷却）和80°C（模拟长期稳定状态），系统捕捉Biot系数和体积模量的动态响应。关键技术包括：通过体积应变测量获取静态参数、利用声波速度反演动态参数、结合Terzaghi有效应力理论建立本构关系，并创新性地引入动态-静态校正因子量化参数差异。

【静态Biot系数与体积模量】实验数据揭示出有趣的"三重奏"效应：温度升高会同时降低Biot系数和体积模量，犹如给岩石"松绑"；孔隙压力则扮演"双面角色"——与Biot系数正相关却与体积模量负相关；而scCO₂饱和主要通过改变压缩性显著降低体积模量，对Biot系数影响却不显著。特别值得注意的是，在3000psi（20.68MPa）高压下，80°C时体积模量较50°C降低约18%，这解释了深部储层对温度变化更敏感的现象。

【动态测量与校正因子】声波速度反演结果显示，动态参数普遍高于静态值，但存在特征性的"压力敏感缺口"：动态-静态校正因子随孔隙压力增加而减小，却在scCO₂饱和时增大。这种差异映射出不同时间尺度下岩石变形的本质区别——地震监测（动态）与长期变形（静态）需要采用不同的本构模型。

【封存容量评估】基于实验数据建立的存储容量模型发出预警：忽略温度-压力耦合效应会导致容量评估偏差高达22%。当储层从初始状态（80°C）经历CO₂注入冷却（50°C）再恢复至80°C时，由于体积模量的不可逆变化，有效封存空间会产生约15%的"隐形缩水"。

这项研究犹如为GCS工程装上了"预测水晶球"，其价值体现在三个维度：首先，建立的温度-压力-饱和度的定量关系矩阵，可精确预测注入过程中的有效应力演变；其次，揭示的动态-静态参数差异为地震监测数据解释提供了校准基准；最后，提出的热-流-固全耦合模型为下一代GCS数值模拟器奠定了实验基础。正如通讯作者Hunjoo P. Lee强调的，这些发现对评估深部储层（>2000米）的长期封存安全性具有里程碑意义，特别是为北海、渤海湾等典型封存场地的工程设计提供了关键参数。未来研究可进一步拓展至页岩-砂岩互层体系，以更全面把握实际地质条件下的封存行为。