魏子俊（哈尔滨工业大学环境学院；南方科技大学地球与空间科学系）与高科（南方科技大学地球与空间科学系）于2025年在《地质科技通报》（Bulletin of Geological Science and Technology）发表了一项关于深部咸水层CO₂封存的热-水-力（Thermo-Hydro-Mechanical, THM）耦合模型研究。该研究聚焦于CO₂地质封存过程中断层活化与泄漏风险的核心问题，通过构建全耦合数值模型，系统揭示了CO₂注入、断层失效与羽流迁移的相互作用机制。
学术背景
CO₂地质封存是应对全球变暖的关键技术，深部咸水层因其巨大储存潜力成为首选场所。然而，CO₂的浮力效应可能通过天然断层引发泄漏，如意大利Umbria-Marche地震（1997年）和阿尔及利亚In Salah场地（2009年）的实例表明，注入活动可能诱发断层活化与CO₂逃逸。现有研究多采用顺序耦合方法（如TOUGH2+FLAC），但存在网格兼容性差、计算效率低等问题。本研究旨在开发集成化的THM耦合模型，定量评估断层构型对封存安全性的影响。
研究流程与方法
模型构建
- 控制方程：建立两相（CO₂-盐水）系统的质量守恒方程（式1）、扩展达西定律（式2）、热孔隙弹性理论下的动量守恒（式7）及能量守恒方程（式9），并纳入Span-Wagner状态方程描述CO₂热物性。
- 断层渗透率模型：提出基于莫尔-库仑准则（式10-11）的断层活化判据，结合渗透率增强因子（式12）刻画活化后渗透率阶跃变化（增强2-5个数量级）。
- 数值平台：基于COMSOL Multiphysics®开发全耦合模型，采用统一有限元法避免TOUGH2+FLAC的数据插值问题，并引入自适应时间步进算法（最大步长0.1年）。
模型验证
- 通过一维非等温热固结解析模型（图1）验证THM耦合精度，数值解与解析解在孔隙压力、位移和温度场上的误差小于1×10⁻⁴（图2）。
模拟设计
- 几何模型：二维多层储层（1500 m×600 m），含斜穿断层（倾角18°），覆盖超临界CO₂储层条件（深度1000-1600 m，地温梯度25℃/km）。
- 参数设置：断层初始低渗透（10⁻¹⁶ m²），注入速率0.02 kg/m/s（工业级），对比正断层、逆断层与走滑断层构型（图12）。
主要结果
断层活化机制
- 渗透率演化呈三阶段特征（图5）：弹性阶段缓慢增长（Δk<10%）、屈服后阶跃上升（增强因子eⁿ=10⁴）、活化后局部回降但仍高于初始值。断层激活表现为二分性，高渗区（白圈标记）与孔隙压力释放耦合，抑制全域活化（图13-14）。
CO₂迁移与温度场
- 羽流扩散速度远超冷却范围：2年内CO₂前缘迁移1500 m，而20年注入后冷却区仅200 m（图10）。低温区集中在井周（10℃），CO₂相态由液态（951.7 kg/m³）渐变为超临界态（719.1 kg/m³），黏度差异进一步限制热影响范围。
断层构型影响
- 逆断层封存效率最高（比正断层高25%），因其活化区在储层间建立水力连接（图15b,d）；正断层则直接导向泄漏（图16）。走滑断层介于两者之间。
结论与价值
理论贡献
- 首次揭示断层局部激活特征与孔隙压力场的反馈机制，提出“渗透率二分性”概念，为断层稳定性预测提供新视角。
- 阐明CO₂羽流与温度场解耦规律，证明冷却效应受限有利于长期封存安全。
应用价值
- 逆断层构型优选策略可提升封存量25%，指导场地选址；COMSOL耦合模型为CCS工程提供高精度评估工具。
研究亮点
- 方法创新：开发首个基于COMSOL的THM全耦合模型，解决多软件耦合的数据转换瓶颈。
- 发现创新：揭示断层活化“局部性”与构型依赖性，填补了断层几何影响定量研究的空白。
- 工程启示：提出“低温抑制活化”机制，为注入井布局优化提供理论依据。
其他价值
研究指出，现有增强因子模型需结合场地数据校准，未来需通过天然类比（如西宁盆地CO₂泄漏案例）验证数值结论的普适性。