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CO_2地质封存盖层力学完整性数值模拟研究_.pdf

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东北石油大学专业学位研究生学位论文

CO地质封存盖层力学完整性数值模拟研究

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摘要

随着人类活动增加,对化石能源的需求越来越大,导致大量的CO2排放到大气中,

加剧全球温室效应,CO地质封存是当前减少CO直接排放有效的方法,其中深部咸水

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层封存是一种具有巨大封存潜力的地质封存。然而,当大量CO2注入地下会造成地层

压力过大,可能会导致盖层中的裂缝被激活或产生新的裂缝,从而造成CO泄漏,CO

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能够安全地储存在地下储层中在很大程度上取决于盖层的力学完整性。因此,本文以

深部咸水层中CO2地质封存为研究对象,深入研究CO2注入过程中盖层的力学行为特

征以及影响盖层力学完整性的主要因素。

首先,针对CO2注入非裂缝性储层中,建立CO2地质封存流固耦合数值模型,研

究CO2注入过程中盖层的孔隙压力、垂直位移和有效应力变化规律,分析CO2注入速

率、盖层弹性参数以及地应力因数对盖层发生拉伸破坏和剪切破坏的影响。研究发现,

在CO2注入初期,注入井附近盖层底部孔隙压力、垂直位移和有效应力的变化较大,

随后趋于平缓;注入井附近的盖层被认为是盖层最关键的部分,该位置发生力学破坏

的风险最大;在CO2注入过程中,注入速率和地应力因数对盖层发生力学破坏的影响

最为显著。

其次,针对CO2注入裂缝性储层中,研究CO2注入过程中盖层的孔隙压力、垂直

位移和有效应力变化规律,结合Mohr-Coulomb破坏准则和拉伸破坏准则分析裂缝孔径、

裂缝数量和储层渗透率对盖层发生拉伸破坏和剪切破坏的影响。研究发现,相较于无

裂缝储层,裂缝储层中注入CO2后盖层孔隙压力、垂直位移均较小,盖层更加稳定;

采用更高的CO2注入速率,盖层发生力学破坏;增加裂缝孔径、裂缝数量以及储层渗

透率会加速CO2的运移,缓解因CO2聚集而引起的局部高孔隙压力,降低盖层发生力

学破坏的风险。

最后,使用CO2注入速率、地应力因数和储层渗透率作为物理约束条件,利用数

值模拟结果建立数据集。采用GRU神经网络和GRU-MLP组合神经网络模型,对盖层

力学完整性进行预测。研究发现,GRU-MLP组合神经网络模型的预测精度、稳定性均

高于GRU神经网络模型,可以有效预测盖层力学完整性。

关键词:CO地质封存,盖层完整性,裂缝,数值模拟

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II

东北石油大学专业学位研究生学位论文

NumericalSimulationStudyontheMechanicalIntegrityofCaprockin

COGeologicalSequestration

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ABSTRACT

Ashumanactivitiesincrease,sodoesthedemandforfossilfuels,leadingtosignificant

COemissionsintotheatmosphereandexacerbatingtheglobalgreenhouseeffect.CO

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