CO2咸水砂岩层存储中渗流－应力－化学耦合机理及岩层稳定性与CO2运移规律研究

本项目以我国CO2咸水砂岩层存储中岩层稳定性和CO2运移规律为研究核心。采用一系列室内试验和测试，揭示砂岩剪切变形和孔隙坍塌变形机理、CO2－咸水－砂岩化学反应机理以及渗流－应力－化学耦合作用机理。以试验结果和分析为基础，通过严谨的数学力学分析，建立描述砂岩短/长期力学行为的严格统一双屈服面力学模型；根据CO2－咸水－砂岩化学反应试验结果，建立CO2－咸水－砂岩化学反应模型，获得孔隙率的演化规律，并引入化学损伤，建立砂岩渗流－化学耦合模型和应力－化学耦合模型；融合上述模型和申请者已建立的渗流－应力耦合模型，结合渗流－应力－化学耦合试验，分析渗流、应力和化学三者之间的耦合机理，提出渗流－应力－化学耦合模型。进而建立岩层力学稳定性和CO2运移规律的综合数值分析方法，并对天津候选地区进行工程分析与验证。本项目的研究成果可为我国CO2咸水砂岩层存储的选址、设计和稳定性分析提供重要的理论和技术支持。

以我国 CO2 咸水砂岩层存储的安全性和稳定性为研究核心，围绕CO2注入后对砂岩储层的力学响应和水力学性质的影响展开研究。自主研制了CO2渗透-温度耦合作用过程中岩石三轴流变实验系统。通过一系列的蒸馏水饱和后试样、NaCl溶液饱和砂岩以及CO2与NaCl溶液的混合溶液渗透砂岩的三轴压缩和蠕变试验，揭示了砂岩储体的力学性质以及CO2在砂岩中的运移规律和机理。在实验数据的基础上，从水-岩作用机理出发，采用热动力学理论，建立了温度－渗流－力学－化学耦合理论模型；该模型能够描述砂岩不同矿物成分的溶解机理，并能同时考虑化学损伤和力学损伤。此外，综合考虑了两相流、力学平衡方程、二氧化碳溶解和运移以及水-岩相互作用，建立了渗流－应力－化学耦合模型。进而通过商业软件Comsol Multiphysics 模拟了二氧化碳注入阶段的压力演化、二氧化碳饱和度演化以及注入过程中岩层变形情况。该研究成果将为CO2 咸水砂岩层存储长期稳定性评估提供数据和理论支撑，能够通过数值方法定性地给予稳定性评估。