地质二氧化碳储存（GCS）最近受到了广泛关注，因为它对于遏制气候变化和全球变暖至关重要。Krevor等人（2023年）预测，在未来几十年内，作为实现政府间气候变化专门委员会（IPCC）目标的一部分，二氧化碳注入量将呈指数级增长。地下地质构造为安全、长期的二氧化碳储存提供了许多机会（Eiken等人，2011年）。潜在的储存地点包括枯竭的碳氢化合物储层（Li等人，2006年；Zhang等人，2025年）、咸水含水层（Bentham和Kirby，2005年；Michael等人，2009年）以及未开采的煤层（Shi和Durucan，2005年；Jiang等人，2022年）。在这些选项中，咸水含水层具有最大的储存容量（Bachu，2002年）。注入这些构造中的二氧化碳可以通过多种机制被捕获，例如结构捕获、残余捕获、溶解捕获和矿物捕获（Benson和Cole，2008年）。
结构捕获是指注入的二氧化碳通过浮力上升到其注入的渗透性构造顶部，并被盖层岩石捕获。相比之下，残余捕获是指二氧化碳羽流迁移并上升，但其流经的构造的饱和度并未降至残余气体饱和度以下（Ide等人，2007年）。溶解捕获发生在超临界二氧化碳与储层中的未饱和盐水接触时，导致盐水密度增加并引发密度驱动的对流（Emami-Meybodi等人，2015年；Neufeld等人，2010年）。此外，溶解的二氧化碳与水反应生成碳酸，从而触发岩石中的矿物溶解或沉淀（Dai等人，2020年）。由于咸水含水层通常由以石英为主的砂岩构成，因此促进矿物捕获的地球化学反应较少（Gunter等人，2000年）。
值得注意的是，不同的捕获机制在不同的时间尺度上起作用，有些机制在永久储存注入的二氧化碳方面比其他机制更有效。例如，结构捕获在相对较短的时间框架内通常是主要的储存机制，但它最容易通过储层和盖层中的断层/裂缝发生二氧化碳泄漏。下一个最快的捕获机制是残余捕获或滞后捕获，如果残余气体饱和度发生变化，这也容易导致二氧化碳泄漏。正如预期的那样，溶解捕获机制比残余捕获慢，但泄漏风险较低。最后，矿物捕获机制是永久封存二氧化碳在地质构造中的最安全方式，但通常非常缓慢——需要数百年到数千年的时间。
GCS项目的一个关键目标是确保注入的二氧化碳不会泄漏到较浅的淡水含水层中，这些含水层通常作为饮用水来源。为了实现这一目标，准确模拟二氧化碳的传输至关重要。不幸的是，一些作者表明，现有的最先进的地下数值模拟技术在预测地下二氧化碳羽流迁移方面存在不足（Cavanagh和Haszeldine，2014年；Ringrose等人，2009年）。普遍认为，二氧化碳羽流的迁移比大多数模拟模型所显示的更加不均匀。为了解决这一限制，Ringrose等人（2009年）指出，这可能是由于断层/裂缝网络以及其他储层特征不确定性造成的。二氧化碳羽流迁移的物理特性之一是浮力与二氧化碳/水流动性对比度的结合（Bryant等人，2008年）。在这种系统中，二氧化碳沿断层裂缝（或平行于断层表面的方向）的优先流动控制了二氧化碳羽流的迁移。不幸的是，最先进的储层模拟器仅使用断层渗透率乘数来模拟沿断层的流动（Manzocchi等人，2008年；Pettersen，2006年）。忽略沿断层的流动会导致这些模拟模型中二氧化碳传输量的低估，因为浮力的二氧化碳更倾向于沿着这些导电路径迁移。因此，类似于传统模拟器无法预测与含水层相连的断层储层中的产水量（Fisher和Jolley，2007年），未能考虑沿断层的加速二氧化碳流动也会导致实际泄漏率大大低于预测值。
商业储层模拟器通常使用角点网格来准确表示实际现场储层几何形状。这些网格使用一系列坐标和深度构建，便于创建储层或结构模型（Wadsley，1980年）。在角点网格中，每个网格块的八个顶点都是单独指定的，这比笛卡尔网格提供了更灵活的单元几何定义。这种灵活性使得能够表示各种地质特征，如倾斜的断层/裂缝、交错层理的层和复杂的储层边界（Ding和Lemonnier，1995年）。在这些地质特征中，断层和裂缝几乎存在于所有地质岩石中。虽然可以在角点网格中调整坐标线以表示有限数量的裂缝方向，但以这种方式明确地对所有裂缝进行网格划分既具有挑战性又不现实。因此，需要一种有效的方法在角点网格中模拟裂缝。
嵌入式离散裂缝模型（EDFM）的开发旨在准确高效地模拟标准储层模拟器中的裂缝。它涉及独立地对基质和裂缝进行网格划分，并使用非相邻连接（NNCs）来考虑基质和裂缝单元之间的连通性。这种方法不需要基质网格符合域中裂缝的几何形状。EDFM最初是为模拟导电断层而提出的（Lee等人，2000年；2001年），但后来被多位研究人员扩展（Li等人，2008年；Hajibeygi等人，2011年；Moinfar等人，2013年；Olorode等人，2020年；Rashid等人，2022年；Rashid和Olorode，2024年）。EDFM的一个优点是它与传统储层模拟器的兼容性，使其应用范围广泛。然而，将其应用于角点网格会遇到挑战，因为网格的几何形状不规则，专门的块连接使渗透率计算复杂化。Xu和Sepehrnoori（2019年）提出了一种适用于具有复杂几何形状的一般角点网格的EDFM算法（EDFM-CPG）。
尽管EDFM已在模拟自然裂缝储层中找到应用，但它假设基质/裂缝传递项中的压力依赖性是线性的，这可能会引入显著误差，特别是在基质渗透率极低的情况下。Rao等人（2019a）提出使用局部网格细化和边界积分（Rao等人，2019b）方程来解决这个问题。然而，这些方法计算成本较高。因此，Olorode和Rashid（2022年）引入了一种分析修改方法，该方法将标准的NNC基质/裂缝通量项乘以一个瞬态因子，类似于双连续介质模型。这种瞬态NNC项适用于早期和晚期。他们修改后的EDFM模型称为瞬态EDFM（tEDFM）方法，并已实现于笛卡尔网格中。
本文通过提出一种适用于角点网格的tEDFM方法（tEDFM-CPG）来填补本节讨论的知识空白。与现有的标准EDFM及其角点实现（EDFM-CPG）相比，所提出的tEDFM-CPG引入了一个瞬态因子，该因子用于乘以基质-裂缝非相邻连接（NNC）通量，用一个在早期和晚期都有效的公式替换了伪稳态传递假设。这种校正提高了预测精度，而无需局部细化，这意味着tEDFM-CPG在评估具有断层和裂缝的现场规模储存地点的可行性时，能够以未细化模型的成本获得细化/显式模型的精度。tEDFM-CPG提供了一个灵活高效的模型，用于准确预测现场规模下沿断层和裂缝在盖层和储层岩石中的二氧化碳传输。为了展示所提出模型的重要性，我们使用Johansen储层（一个有断层的储层）比较了考虑和不考虑沿断层表面流动的二氧化碳传输结果。本文的其余部分讨论了tEDFM-CPG的控制方程、其对高分辨率参考解的验证、其在裂缝盖层和储层岩石中二氧化碳泄漏的应用，以及Johansen储层内大断层沿其长度的二氧化碳泄漏研究。
