二氧化碳地質封存場地蓋層完整性指標不確定性估計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及二氧化碳地質封存場地蓋層完整性指標不確定性估計方法，尤其涉及 復雜地層存在斷層的情況，屬于環境治理技術和能源開采與地下儲存技術領域。
【背景技術】
[0002] 由人類活動引起的溫室氣體向大氣排放量的增加，加強了溫室效應，被認為是導 致全球變暖的主要原因之一，己成為世界各國的共識。二氧化碳（co2)是主要的溫室氣體 之一，減少0)2向大氣排放是接下來幾十年內全人類需要迫切解決的問題。當前，碳捕集和 封存（C02captureandstorage,CCS)是最有前景的(1)2減排措施之一。
[0003] 在大規模0)2地質封存工程中，地質封存的C02泄漏會對人類的身體健康造成影 響，危害人身安全，同時可能污染地下水，提高地下水碳酸濃度，以及重金屬伴隨的〇) 2進入 土壤后，影響土壤生物系統及植被根系，改變生態系統平衡。
[0004] 深部咸水層〇)2地質封存，以其分布廣和儲量大等優點，被認為是最具發展前景的 封存方式，且已有實際的工程運行而備受關注。但超臨界的co2注入深部儲層后形成應力 集聚區，改變應力分布，當應力超過突破應力時可能導致斷層活化，甚至產生新的斷裂。co2 通過可導性通道逃逸，易誘發泄漏，降低封閉安全系數。
[0005] 在蓋層完整性研究方面，目前主要集中在油氣領域，通過儲層孔隙流體超壓應力 環境下巖石力學參數和地質力學特征等方面探討水壓裂縫或斷裂重新活動對蓋層完整性 的影響。本發明在CCS領域通過場地數值模擬及數理統計形成一種評估蓋層完整性的方 法，不僅保障長期安全封存，而且對指導封存場地選址和環境風險評價極具價值。

【發明內容】

[0006] 本發明的目的是提供一種蓋層完整性的評價方法，針對蓋層中有斷層和無斷層兩 種構造情況，研究C02注入對封存場地蓋層完整性的影響。通過對蓋層完整性影響指標的 敏感度研究和參數最優化設計，獲取影響蓋層完整性的指標體系最佳設計并依此評估和預 測二氧化碳地質封場地蓋層完整性，最終指導封存場地選址和環境風險評價。
[0007] 為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：
[0008] 步驟1、建立蓋層完整性影響指標體系：根據蓋層構造特點，分別對無斷層和有斷 層蓋層分別確定其完整性影響指標。
[0009] 如上所述的步驟1包括以下步驟：
[0010] 步驟1.1、對無斷層蓋層，其完整性影響指標包括：蓋層埋藏深度、蓋層滲透率、蓋 層孔隙度、地應力場、蓋層楊氏模量、蓋層泊松比、蓋層內摩擦角、蓋層密度和蓋層剪脹角。
[0011] 步驟1. 2、對存在斷層的蓋層，其完整性影響指標包括：斷層埋深、斷層傾角、斷層 摩擦系數、斷層內摩擦角、斷層楊氏模量、斷層泊松比、斷層滲透率、斷層孔隙度、斷層密度、 斷層剪脹角、地應力場。另外，還需加入蓋層滲透率、蓋層孔隙度、蓋層楊氏模量、蓋層泊松 t匕、蓋層內摩擦角、蓋層密度、蓋層剪脹角和儲層滲透率、儲層孔隙度、儲層楊氏模量、儲層 泊松比、儲層內摩擦角、儲層密度、儲層剪脹角。
[0012] 步驟2、在包含步驟1中蓋層完整性影響指標的數值模型中，由差應力的大小，確 定差應力所滿足的破壞條件和破壞模式，并計算得在該破壞模式下的孔隙壓力。
[0013] 如上所述的步驟2包括以下步驟：
[0014] 步驟2. 1、以步驟1中蓋層完整性影響指標，針對有斷層和無斷層不同地層條件， 利用數值模擬軟件（例如：FLAC，ABAQUS，C0MS0L等），考慮目標地層埋深和儲層、蓋層位置， 在流體注入情況下考慮地層彈塑性，建立目標地層包含步驟1中蓋層完整性影響指標實測 數據的數值模型。
[0015] 步驟2. 2、在步驟2. 1中建立的數值模型中，利用摩爾庫倫破壞準則，以庫倫破壞 應力（簡稱庫倫應力，CFS)的大小為檢驗蓋層破壞程度的標準，即：
[0016] GFS=X+p( 〇_Pf)
[0017] 式中，T，0,il，Pf分別為剪應力，正應力，摩擦系數，孔隙壓力。另外，在在步 驟2.1中建立的數值模型中計算蓋層的最大主應力 〇1，最小主應力〇3和剪應力T。根 據R.H.Sibson于 1996 年提出的系統技術應用框架（FrameworkfortheApplicationof SystemsTechniques,FAST),由差應力（〇「〇 3)的大小，確定差應力所滿足的破壞條件和 破壞模式，并計算得在該破壞模式下的孔隙壓力。
[0018] 步驟3、在步驟2中建立的數值模型中，對步驟1中蓋層完整性影響指標做5水平 的龍卷風分析，計算蓋層中的庫倫破壞應力。將其中影響因素為〇的因子刪除，獲得一次剔 除指標。
[0019] 如上所述的步驟3包括以下步驟：
[0020] 步驟3. 1、以步驟2. 2得到的孔隙壓力作為注入壓力的上限，對步驟1中蓋層完整 性影響指標，指標的個數為N，分別取指標實測數據的60 %，80 %，100 %，120 %，140 %，建 立N組指標的5水平模型。
[0021] 步驟3. 2、將步驟3. 1建立的N組指標的5水平模型分別導入步驟2. 1中建立的數 值模型，計算各自的蓋層庫倫破壞應力。
[0022] 步驟3. 3、對此N組指標的5水平模型的蓋層庫倫破壞應力做龍卷風分析，刪除其 中敏感度為〇的指標，獲得一次剔除指標N1個，進入步驟4 (控制剩余的指標個數< 10,若 剩余的指標個數大于10個，則取敏感度較大的前10個指標）。
[0023] 步驟4、對于步驟3獲得的一次剔除指標進行3水平全因子實驗，利用響應面分析 法提取二次多項式回歸方程。
[0024] 如上所述的步驟4包括以下步驟：
[0025] 步驟4. 1、對于步驟3. 3獲得的一次剔除指標進行3水平全因子實驗，其中3水平 分別取指標實測數據的60%，100%，140%。一次剔除指標的3水平全因子實驗需要3，欠 實驗，為了降低總實驗數，根據Box-Benhnken實驗設計原理設計實驗，得到M組一次剔除指 標的3水平數據組合，將M組一次剔除指標的3水平數據組合導入步驟2. 1中建立的數值 模型中，計算M組一次剔除指標3水平數據組合的蓋層庫倫破壞應力。
[0026] 步驟4. 2、以步驟4. 1中獲得的M組一次剔除指標3水平數據組合的蓋層庫倫破壞 應力為預測響應值，對步驟3獲得的一次剔除指標做響應面分析，得到二次多項式回歸方 程。
[0027] 響應面分析包括以下步驟：利用數理統計軟件（例如：SPSS，SAS，DESIGN-EXPERT 等），通過對步驟4. 1中獲得的M組一次剔除指標3水平數據組合實驗的蓋層庫倫破壞應力 進行多元回歸，最終得到庫倫破壞應力對于步驟3獲得的一次剔除指標的二次多項式回歸 方程：
【主權項】
1. 二氧化碳地質封存場地蓋層完整性指標不確定性估計方法，其特征在于，包括以下 步驟： 步驟1、根據蓋層構造特點，對無斷層和有斷層蓋層分別確定完整性影響指標； 步驟2、在包含步驟1中蓋層完整性影響指標的數值模型中，由差應力的大小，確定差 應力所滿足的破壞條件和破壞模式，并計算得在該破壞模式下的孔隙壓力； 步驟3、在步驟2中建立的數值模型中，對步驟1中蓋層完整性影響指標做5水平的龍 卷風分析，計算蓋層中的庫倫破壞應力，將其中影響因素為〇的因子刪除，獲得一次剔除指 標； 步驟4、對于步驟3獲得的一次剔除指標進行3水平全因子實驗，利用響應面分析法提 取二次多項式回歸方程； 步驟5、根據步驟4中確定的二次多項式回歸方程的線性系數和二次項系數的敏感度，