煤田地质与勘探

作者：杨博, 许天福, 封官宏, 朱慧星,

关键词：咸水层, CO₂地质封存, LBM−FEM耦合模拟, 方解石溶蚀, 渗透率, 弹性力学参数, 演化规律,

目的CO2溶解于水诱发矿物反应会显著改变岩石孔隙结构，进而影响其渗流与力学性质，这对CO2地质封存工程的适宜性与长期安全性具有重要影响。方法以含方解石岩样为研究对象，采用格子玻尔兹曼方法(LBM)与有限元方法(FEM)耦合模拟技术，系统分析CO2饱和溶液不同注入速率下方解石溶蚀特征，并进一步揭示岩石渗透率及弹性力学参数(包括体积模量与剪切模量)动态演化规律。结果和结论(1)在低注入速率下，生成物在样本中远端富集抑制了该区域的方解石反应，导致反应仅在注入口附近发生；随着注入速率增大，溶液穿透样本能力增强，反应物被稀释，使中远端方解石均能参与反应，溶蚀位置分布更均匀。(2)方解石溶解可显著提高岩石渗透率，且提升效应随注入速率增加而增强。在低注入速率范围(30~150 m/a)，由于溶质运移主要受扩散作用控制，渗透率增幅有限；当注入速率提高至750~18750 m/a时，对流作用逐渐主导溶质运移，导致岩石骨架结构差异性增大，渗透率提升更为显著。整体上，幂函数模型中渗透率与孔隙关系的拟合指数n为2.8~6.5，而Carman−Kozeny模型的n值则介于0.9~4.6。值得注意的是，2类模型的n值均呈现随注入速率增加而单调递增的趋势。通过对比分析发现，Carman−Kozeny模型在预测精度方面表现出更优的性能。(3)方解石溶蚀作用会显著降低岩石弹性力学性质。当孔隙度由0.44增至0.56时，剪切模量与体积模量均下降约20%。此外，以上参数在溶蚀初期下降速率较快，后期逐渐减缓，这一非线性特征使幂函数模型较传统线性模型更具优势。研究还发现，随着注入流速增大，岩石弹性力学性质劣化程度加剧，其中剪切模量相比体积模量对注入速率变化表现出更高敏感性。研究成果揭示了流体注入速率通过控制溶蚀空间分布进而主导岩石渗流−力学性质演化的关键机制，为评价CO2地质封存场的长期安全性提供了理论依据。

来源：2026年第1期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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