综述：CO2地质封存中盖层完整性：地下控制因素与建模方法的综合评述

《Petroleum Research》：Caprock Integrity in CO 2 Storage: A Comprehensive Review of Subsurface Controls and Modelling Approaches

　　

盖层完整性是二氧化碳（CO2）长期安全地质封存的根本，然而其评估目前横跨地质、地质力学、地球化学和岩石物理学等多个不同领域。尽管现有研究极大地推进了对单个密封机制的理解，但对用于盖层完整性评估的建模与模拟方法进行系统性综合仍然有限。本综述通过引入一种以过程为导向的视角来弥补这一不足，该视角将盖层分类、地下控制因素和建模方法整合到一个连贯的解释性框架中。研究人员提出了一种基于机制的新型盖层分类方法，根据其对CO2运移的主要抵抗方式，将盖层系统分为毛细管主导型、应力敏感型和自封闭韧性型。在此基础上，研究人员批判性地综合了近期关于盖层完整性的关键建模研究，评估了在多相流、地质力学、反应输运以及全耦合热-水-力-化学（THMC）框架内如何表征关键的地下控制因素。研究人员的分析揭示，当前的建模实践本质上是碎片化的，大多数方法仅捕捉孤立的过程，而常常忽视了关键的耦合作用、尺度转换以及盖层属性的动态演化。局限性源于对地质结构的静态表征、地质力学与地球化学之间的不完全耦合，以及在参数化和升尺度方面存在的显著不确定性。基于此批判性分析，研究人员提出了一个新颖的盖层完整性无量纲筛选框架（CIDF）。该框架将关键因素组合成无量纲指标，以快速评估和比较初步的盖层稳定性。本综述为实现盖层表征与建模策略的对齐提供了一条结构化路径，指出了当前实践中的关键局限，并为开发用于稳健CO2封存评估的综合多尺度方法奠定了基础。这些发现直接改进了风险评估，界定了安全的注入极限，并提升了碳封存系统的预测能力。

3. 盖层类型、失效与建模

3.1. 区分密封质量、密封能力和密封完整性

密封质量指盖层固有的地质与岩石物理特征（如岩性、矿物学、孔隙结构等），决定其作为密封层的适宜性。密封能力描述盖层在毛细管突破前能承受的最大浮压或CO₂柱高度，代表其毛细管密封极限。密封完整性则指盖层确保长期封存的综合能力，涉及抵抗多种泄漏机制（如毛细管突破、机械破坏、断裂或断层再激活、地球化学蚀变等）。

3.2. 基于密封机制的盖层分类

传统按岩性分类（页岩、蒸发岩、碳酸盐岩）不足以反映CO₂注入条件下控制密封性能的潜在机制。因此，研究人员提出按主导密封机制进行分类，包括三类功能系统：毛细管主导型密封（依靠纳米级孔喉产生高毛细管入口压力）、应力敏感型密封（依赖裂缝或断层的机械稳定性）和自封闭韧性系统（依靠粘塑性变形和蠕变实现裂缝闭合与长期密封）。这些类别并非互斥，许多盖层表现出混合行为，分类应被视为基于机制的框架而非严格的岩性划分。

3.3. 盖层功能分类的诊断标准

为使分类具有可操作性，需基于可测量的属性进行识别。毛细管主导型密封的关键指标包括超低渗透率（<10^-19 m²）、高毛细管入口压力、纳米级孔喉分布、强水湿条件和高粘土含量。应力敏感型密封的特征是存在天然或诱导裂缝网络、渗透率对应力高度敏感、低抗拉强度和高脆性指数。自封闭韧性系统的诊断指标包括可测量的蠕变速率、低屈服强度、以蒸发岩相为主以及缺乏持续开放的裂缝。这些标准需结合解释，因为许多盖层表现出重叠特征。

3.4. 混合与过渡性盖层行为

自然界的盖层很少在整个CO₂封存生命周期内仅由单一机制主导。在毛细管主导系统中，注入引起的压力变化可能导致微裂缝形成，使系统转向应力敏感状态。在应力敏感系统中，CO₂环境下的化学溶解或沉淀可改变裂缝孔径。即使在韧性系统中，蒸发岩序列中的夹层也可能引入局部脆性行为。因此，盖层完整性受控于机制间的动态转变，混合行为是常态而非例外。

3.5. 各类盖层的主导失效机制

毛细管主导系统的失效主要由毛细管突破引起，当CO₂浮压超过毛细管入口压力时发生，通常从局部薄弱点开始逐步扩展。应力敏感系统的失效由机械失稳主导，表现为裂缝萌生、扩展或预存断层再激活，常导致渗透率在短时间内急剧增加。自封闭韧性系统的失效较为缓慢，主要表现为蠕变引起的变形和应力重分布，可能危及相邻地层或井筒界面的完整性。在所有类别中，失效很少由单一机制独立驱动，而是毛细管、机械和化学过程复杂相互作用的结果。

3.6. 对建模方法的启示

功能分类为选择、参数化和耦合建模方法提供了基于过程的框架。对于毛细管主导系统，建模必须解析多相流和毛细管密封的物理过程，需要精确表征毛细管压力-饱和度关系、相对渗透率和润湿性，并应考虑动态毛细管行为。对于应力敏感系统，需要采用流-固耦合建模，准确表征地应力、岩石弹性和强度属性以及不连续面至关重要。对于自封闭韧性系统，必须使用粘塑性或蠕变模型来模拟时间相关的变形。对于混合系统，单物理场模型不再足够，需要全耦合的热-水-力-化学（THMC）模型。所有类别都面临建模方法与底层控制过程之间的固有尺度不匹配问题，需要多尺度建模策略。

4. 盖层完整性建模关键文献综述

4.1. 盖层完整性的地下控制因素：描述与批判性综合

4.1.1. 地质与构造控制

地质与构造控制定义了控制盖层固有密封能力和潜在泄漏路径空间架构的因素。岩性非均质性导致渗透率和毛细管属性的空间变异，即使在同一盖层单元内，粘土层和粉砂层的互层也可形成优先通道或屏障。断层和裂缝网络是最关键的地质控制因素，它们既可通过泥岩涂抹或矿化增强密封，也可作为高渗透率通道。断层传导率并非固有属性，而是断层岩成分、位移、应力条件和流体压力的函数。各向异性（渗透率和力学属性）是另一个决定性特征，直接影响泄漏风险。从建模角度看，地质和构造控制通常通过静态结构模型表示，但其主要局限性在于对本质上动态的系统进行了静态表征——地质构造的传导率会随应力、压力和地球化学条件的变化而演变。