二氧化碳地质封存场地盖层完整性指标不确定性估计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及二氧化碳地质封存场地盖层完整性指标不确定性估计方法，尤其涉及 复杂地层存在断层的情况，属于环境治理技术和能源开采与地下储存技术领域。
【背景技术】
[0002] 由人类活动引起的温室气体向大气排放量的增加，加强了温室效应，被认为是导 致全球变暖的主要原因之一，己成为世界各国的共识。二氧化碳（co2)是主要的温室气体 之一，减少0)2向大气排放是接下来几十年内全人类需要迫切解决的问题。当前，碳捕集和 封存（C02captureandstorage,CCS)是最有前景的(1)2减排措施之一。
[0003] 在大规模0)2地质封存工程中，地质封存的C02泄漏会对人类的身体健康造成影 响，危害人身安全，同时可能污染地下水，提高地下水碳酸浓度，以及重金属伴随的〇) 2进入 土壤后，影响土壤生物系统及植被根系，改变生态系统平衡。
[0004] 深部咸水层〇)2地质封存，以其分布广和储量大等优点，被认为是最具发展前景的 封存方式，且已有实际的工程运行而备受关注。但超临界的co2注入深部储层后形成应力 集聚区，改变应力分布，当应力超过突破应力时可能导致断层活化，甚至产生新的断裂。co2 通过可导性通道逃逸，易诱发泄漏，降低封闭安全系数。
[0005] 在盖层完整性研究方面，目前主要集中在油气领域，通过储层孔隙流体超压应力 环境下岩石力学参数和地质力学特征等方面探讨水压裂缝或断裂重新活动对盖层完整性 的影响。本发明在CCS领域通过场地数值模拟及数理统计形成一种评估盖层完整性的方 法，不仅保障长期安全封存，而且对指导封存场地选址和环境风险评价极具价值。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种盖层完整性的评价方法，针对盖层中有断层和无断层两 种构造情况，研究C02注入对封存场地盖层完整性的影响。通过对盖层完整性影响指标的 敏感度研究和参数最优化设计，获取影响盖层完整性的指标体系最佳设计并依此评估和预 测二氧化碳地质封场地盖层完整性，最终指导封存场地选址和环境风险评价。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0008] 步骤1、建立盖层完整性影响指标体系：根据盖层构造特点，分别对无断层和有断 层盖层分别确定其完整性影响指标。
[0009] 如上所述的步骤1包括以下步骤：
[0010] 步骤1.1、对无断层盖层，其完整性影响指标包括：盖层埋藏深度、盖层渗透率、盖 层孔隙度、地应力场、盖层杨氏模量、盖层泊松比、盖层内摩擦角、盖层密度和盖层剪胀角。
[0011] 步骤1. 2、对存在断层的盖层，其完整性影响指标包括：断层埋深、断层倾角、断层 摩擦系数、断层内摩擦角、断层杨氏模量、断层泊松比、断层渗透率、断层孔隙度、断层密度、 断层剪胀角、地应力场。另外，还需加入盖层渗透率、盖层孔隙度、盖层杨氏模量、盖层泊松 t匕、盖层内摩擦角、盖层密度、盖层剪胀角和储层渗透率、储层孔隙度、储层杨氏模量、储层 泊松比、储层内摩擦角、储层密度、储层剪胀角。
[0012] 步骤2、在包含步骤1中盖层完整性影响指标的数值模型中，由差应力的大小，确 定差应力所满足的破坏条件和破坏模式，并计算得在该破坏模式下的孔隙压力。
[0013] 如上所述的步骤2包括以下步骤：
[0014] 步骤2. 1、以步骤1中盖层完整性影响指标，针对有断层和无断层不同地层条件， 利用数值模拟软件（例如：FLAC，ABAQUS，C0MS0L等），考虑目标地层埋深和储层、盖层位置， 在流体注入情况下考虑地层弹塑性，建立目标地层包含步骤1中盖层完整性影响指标实测 数据的数值模型。
[0015] 步骤2. 2、在步骤2. 1中建立的数值模型中，利用摩尔库伦破坏准则，以库伦破坏 应力（简称库伦应力，CFS)的大小为检验盖层破坏程度的标准，即：
[0016] GFS=X+p( 〇_Pf)
[0017] 式中，T，0,il，Pf分别为剪应力，正应力，摩擦系数，孔隙压力。另外，在在步 骤2.1中建立的数值模型中计算盖层的最大主应力 〇1，最小主应力〇3和剪应力T。根 据R.H.Sibson于 1996 年提出的系统技术应用框架（FrameworkfortheApplicationof SystemsTechniques,FAST),由差应力（〇「〇 3)的大小，确定差应力所满足的破坏条件和 破坏模式，并计算得在该破坏模式下的孔隙压力。
[0018] 步骤3、在步骤2中建立的数值模型中，对步骤1中盖层完整性影响指标做5水平 的龙卷风分析，计算盖层中的库伦破坏应力。将其中影响因素为〇的因子删除，获得一次剔 除指标。
[0019] 如上所述的步骤3包括以下步骤：
[0020] 步骤3. 1、以步骤2. 2得到的孔隙压力作为注入压力的上限，对步骤1中盖层完整 性影响指标，指标的个数为N，分别取指标实测数据的60 %，80 %，100 %，120 %，140 %，建 立N组指标的5水平模型。
[0021] 步骤3. 2、将步骤3. 1建立的N组指标的5水平模型分别导入步骤2. 1中建立的数 值模型，计算各自的盖层库伦破坏应力。
[0022] 步骤3. 3、对此N组指标的5水平模型的盖层库伦破坏应力做龙卷风分析，删除其 中敏感度为〇的指标，获得一次剔除指标N1个，进入步骤4 (控制剩余的指标个数< 10,若 剩余的指标个数大于10个，则取敏感度较大的前10个指标）。
[0023] 步骤4、对于步骤3获得的一次剔除指标进行3水平全因子实验，利用响应面分析 法提取二次多项式回归方程。
[0024] 如上所述的步骤4包括以下步骤：
[0025] 步骤4. 1、对于步骤3. 3获得的一次剔除指标进行3水平全因子实验，其中3水平 分别取指标实测数据的60%，100%，140%。一次剔除指标的3水平全因子实验需要3，欠 实验，为了降低总实验数，根据Box-Benhnken实验设计原理设计实验，得到M组一次剔除指 标的3水平数据组合，将M组一次剔除指标的3水平数据组合导入步骤2. 1中建立的数值 模型中，计算M组一次剔除指标3水平数据组合的盖层库伦破坏应力。
[0026] 步骤4. 2、以步骤4. 1中获得的M组一次剔除指标3水平数据组合的盖层库伦破坏 应力为预测响应值，对步骤3获得的一次剔除指标做响应面分析，得到二次多项式回归方 程。
[0027] 响应面分析包括以下步骤：利用数理统计软件（例如：SPSS，SAS，DESIGN-EXPERT 等），通过对步骤4. 1中获得的M组一次剔除指标3水平数据组合实验的盖层库伦破坏应力 进行多元回归，最终得到库伦破坏应力对于步骤3获得的一次剔除指标的二次多项式回归 方程：
【主权项】
1. 二氧化碳地质封存场地盖层完整性指标不确定性估计方法，其特征在于，包括以下 步骤： 步骤1、根据盖层构造特点，对无断层和有断层盖层分别确定完整性影响指标； 步骤2、在包含步骤1中盖层完整性影响指标的数值模型中，由差应力的大小，确定差 应力所满足的破坏条件和破坏模式，并计算得在该破坏模式下的孔隙压力； 步骤3、在步骤2中建立的数值模型中，对步骤1中盖层完整性影响指标做5水平的龙 卷风分析，计算盖层中的库伦破坏应力，将其中影响因素为〇的因子删除，获得一次剔除指 标； 步骤4、对于步骤3获得的一次剔除指标进行3水平全因子实验，利用响应面分析法提 取二次多项式回归方程； 步骤5、根据步骤4中确定的二次多项式回归方程的线性系数和二次项系数的敏感度，