层状咸水层中 CO? 的运移与封存：垂直高渗透通道宽度的影响

《Journal of Hydrology》：CO 2 migration and storage in layered saline aquifers: effects of vertical high-permeability channel width

　　

# 摘要

近海深层咸水层储层是大规模CO?地质封存的关键储存场所。然而，多套低渗透盖层和局部高渗透通道会强烈影响CO?运移路径和封存安全性。本研究针对在高渗透通道对CO?运移及多重捕集机制耦合作用认识不足的问题，基于南海某区域地质特征建立了二维数值模型，利用CMG-GEM软件在不同垂直高渗透通道宽度（10 m和50 m）条件下系统地研究了CO?的运移行为。结果表明，通道宽度对CO?运移机制具有耦合作用：50 m宽的通道加速压力传播并促进CO?水平运移（进入通道之前），而10 m宽的通道表现出更强的流聚焦效应，增强垂直方向的气体运移。通道宽度显著控制不同盖层下CO?的积聚和侧向扩散，影响构造封存、溶解封存和残余封存的比例。两种情形下盐析均发生，但在更宽的通道中更为显著：10 m通道的孔隙率最大降幅约为0.076%，50 m通道的最大降幅约为0.11%，导致渗透率分别降低约0.23%和0.33%。对储层整体渗流能力的影响极小。本研究定量评估了高渗透通道宽度对CO?封存的耦合作用效应，为近海咸水层CO?封存的影响评估和长期安全分析提供了有价值的见解。

# 引言

随着全球温室气体排放持续攀升，减少二氧化碳（CO?）排放已成为应对气候变化的关键任务（Zhang et al., 2018, Yufei Wang, 2022, Wang et al., 2025, Zhang et al., 2025, Alcalde et al., 2018, Bourg et al., 2015, Arif et al., 2025, Qian et al., 2025, Rahmanta et al., 2025）。碳捕集与封存（CCS）技术，即将工业CO?排放长期安全封存于地下深层储层，是实现低碳目标的关键途径（Liu et al., 2021, Uddin et al., 2025）。在众多封存方案中，咸水层因其分布广泛、储存容量大和工程可行性高而受到广泛关注（Yuan Chen et al., 2025）。

然而，实际储层往往具有复杂的地质构造。例如，作为首个海上CO?封存项目的Sleipner项目，其储层包含多套低渗透盖层和烟囱状垂直非均质性（Eiken, 2019, Akai et al., 2021, Fitts and Peters, 2013, Furre, 2017, Jens Karstens et al., 2017, Varunendra Singh and Hilde Hansen, 2010, Zhang et al., 2014, Zhanga et al., 2017, Chen Zhua, 2015, Peter Zweigel, 2015）。该项目不仅凸显了独特的构造特征，也反映了咸水层中多套盖层与垂直非均质性共存的普遍地质背景。此外，由地质非均质性或废弃井筒（Cai et al., 2024, Trudel, 2013, Gao et al., 2024, Jordan et al., 2015, Hou et al., 2024）和断层（Meguerdijian and Jha, 2021, Mary Kang, 2013, Li et al., 2025）等工程因素导致的局部高渗透通道，可显著改变CO?运移路径。这些通道可能使CO?突破盖层约束并沿通道快速向上运移，从而增加泄漏风险（Ren, 2018）。

为应对此类复杂地质条件下的CO?封存问题，已有大量研究从不同视角展开探讨。在储层非均质性方面，Zhang et al. (2026) 研究了由交替砂泥岩层组成的层状咸水层中CO?的运移与扩散，发现地层非均质性通过限制垂直运移和增强侧向扩散，显著改变了CO?羽流形态和演化，导致气态CO?在多个砂岩层中分布更为分散，影响羽流规模及其时空演化。Rezk and Ibrahim (2025) 利用Sleipner咸水层的大规模三维数值模拟，表明地质非均质性对CO?羽流运移距离和空间形态有显著影响，均质模型往往低估羽流扩展范围和潜在封存风险。Kone et al. (2025) 通过数值模拟表明，多深度注入可显著改变CO?羽流运移路径，增强溶解封存和残余封存能力，从而抑制浮力驱动运移并提高封存安全性。Wu (2025) 利用二维数值模拟突出层理结构和储层非均质性对CO?羽流运移和溶解扩散的控制作用，对溶解封存效率具有决定性影响。Kong and Saar (2013) 采用高分辨率模拟表明，渗透率非均质性主导了CO?溶解诱导的密度驱动对流和指状结构演化，这关键性地影响溶解封存效率。

在溶解捕集方面，Ennis-King (2005) 通过线性稳定性分析指出，CO?溶解引起的密度不稳定性使对流混合成为深层咸水层中长期溶解封存的主导机制。Luc Steel (2016) 研究了咸水层中CO?的溶解，通过实验和地球化学模拟表明CO?溶解度的准确计算高度依赖于状态方程的选择。Soltanian et al. (2016) 研究了溶解诱导的密度驱动对流，发现储层非均质性，特别是不同沉积相之间的连通性，显著控制指状结构的程度和垂直-水平混合，从而影响CO?羽流运移和溶解封存效率。总体而言，这些研究强调了储层非均质性在不同尺度下对CO?羽流运移和溶解封存的显著影响，但许多认识仍基于理想化的储层结构假设。

盐析问题也受到广泛关注。Javad Jeddizahed (2016) 研究了CO?注入过程中盐析对储层渗透率和注入效率的影响，揭示在高矿化度和低注入速率条件下，盐析显著降低储层孔隙率和渗透率。Khosravi et al. (2024) 研究了CO?注入过程中近井筒的盐析和干燥机制，强调了干燥区演化对注入损失和储层管理的临界影响。Pratama et al. (2023) 考察了深层咸水层CO?注入过程中近井筒的盐析和水锁现象，发现水锁加剧盐析，导致注入效率降低。他们建议通过疏水处理改善岩石润湿性以缓解盐析效应。然而，这些研究主要关注实验室尺度或局部近井条件，其向复杂储层尺度的适用性需进一步验证。

同时，对于断层、裂缝和废弃井等潜在泄漏通道，Jing et al. (2024) 定量分析了盐度、构造倾角和断层相关参数如何共同影响CO?羽流运移、封存容量以及气态和溶解态之间的分配。总体而言，现有研究主要关注高渗透通道的存在与否以及渗透率对比对CO?运移和泄漏行为的影响，而高渗透通道几何尺寸影响CO?运移的机制则认识不足。

然而，除通道连通性和渗透率外，通道几何特征也是控制流体运移的重要因素。作为关键的几何属性，高渗透通道的宽度可能改变有效流通截面积，从而影响CO?的垂直输运能力、压力传播和气液接触。尽管如此，这种几何尺度变化是否进一步影响不同封存机制的演化及其影响程度，目前仍有待量化。

研究区三维地震解释表明发育多组伸展正断层，断层位移主要为10至40 m（Duanxin Chen, 2011）。前人研究表明断层位移与损伤带宽度之间存在统计相关性，尽管这种比例关系高度分散，可能从米级跨越至几十米甚至更大尺度（Alaei and Torabi, 2017）（支持材料1）。因此，该位移范围提示研究区可能发育不同尺度的断层相关高渗透流动结构。

同时，实际储层表征通常受限于地震分辨率和地质模型离散化尺度。因此，不同尺度高渗透结构的空间分布及其潜在影响难以精确评估，增加了预测CO?封存行为的不确定性。因此，本研究将高渗透通道概念化为断层损伤带形成的优势流动路径，选取两个代表性通道宽度——10 m和50 m。所选宽度并非旨在精确复现断层带的实测宽度，而是代表受地震分辨率和已报道断层损伤带尺度约束的两种典型概念尺度。该设置用于评估通道尺度变化对CO?运移特征和封存机制演化的影响。

基于上述背景，本研究利用南海某近海区域的精细地质模型建立了二维数值模型，纳入多套低渗透盖层和局部高渗透通道共存的地质条件。该模型用于系统研究CO?注入及注入后气液两相流、溶解诱导的密度驱动混合和盐析的耦合演化。定量分析了不同阶段的储层压力响应，利用空间分布特征揭示不同尺度高渗透通道对CO?羽流运移路径、侧向扩展能力和盐析分布的影响。此外，比较了超临界CO?、溶解态CO?和残余捕集态CO?的时空演化，以评估通道尺度变化对不同封存机制和长期封存安全性的影响。研究结果有助于阐明高渗透通道几何特征在CO?运移和封存过程中的作用，为发育高渗透通道的储层优化注入策略提供科学依据。

# 数值模拟方法

本研究使用CMG-GEM数值模拟器，该模拟器能够对储层中多相多组分流体的流动行为进行建模（Kasala et al., 2025）。近期，该模拟器已被开发用于精确模拟CO?注入储层或含水层中的长期影响，包括溶解机制、因滞后效应导致的气体捕集以及由溶解度和盐析引起的孔隙变化（Duanxin Chen, 2011）。在本研究中，采用CO?气液两相流、溶解……

# 压力分布

如图3所示，在不同宽度（10–50 m）的高渗透通道条件下，监测点之间的压力差异总体上较小。然而，50 m通道条件下的压力升高始终略高于10 m通道条件，表明更宽的通道有利于压力扰动在储层中的传播和积聚，导致整体压力水平偏高。

图4展示了时空演化特征……

# 结论

基于南海层状咸水层储层的地质特征，本研究系统研究了不同高渗透通道宽度（10 m和50 m）下CO?运移与多重封存机制的耦合作用。本研究定量评估了通道宽度对压力响应、气液流动行为、溶解-对流过程和盐析的影响。主要结论如下：

（1）

# CRediT作者贡献声明

Wenyu Geng（耿文宇）：写作—审阅与编辑、写作—初稿撰写、可视化、方法论、概念构思。Ke Chen（陈科）：写作—审阅与编辑、正式分析。Jingru Zhang（张静如）：验证、正式分析。Weiming Cheng（程伟明）：资源、调研。Yi Zhang（张毅）：正式分析、验证。Lanlan Jiang（蒋兰兰）：监督、项目管理。Yongchen Song（宋永晨）：项目管理、资助获取。

# 利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些因素可能影响本研究所报告的工作。

# 致谢

本项目得到国家自然科学基金（52227812）和国家重点研发计划（2023YFB4104200）的资助。

Wenyu Geng（耿文宇）| Ke Chen（陈科）| Jingru Zhang（张静如）| Weiming Cheng（程伟明）| Yi Zhang（张毅）| Lanlan Jiang（蒋兰兰）| Yongchen Song（宋永晨）