全球氣候變暖已日益成為人們所關(guān)切的重要環(huán)境問(wèn)題。為減輕大氣含碳量及控制溫室效應(yīng)對(duì)全球氣候的影響，二氧化碳(CO2)地質(zhì)封存技術(shù)逐漸被認(rèn)可為是一種安全且有效的方法來(lái)應(yīng)對(duì)上述氣候問(wèn)題。地下深部咸水層作為主要的封存載體因具有分布廣泛、儲(chǔ)存量大等特點(diǎn)被視為CO2長(zhǎng)期封存的最優(yōu)場(chǎng)地。然而，由于儲(chǔ)層應(yīng)力場(chǎng)改變以及存在的天然裂縫、斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造，CO2封存過(guò)程可能存在泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。因此，有必要對(duì)CO2運(yùn)移過(guò)程包括運(yùn)移路徑和前緣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 表面粘貼兩根FBG傳感器(a)CH1和(b)CH3監(jiān)測(cè)不同溫度壓力條件下CO2注入誘導(dǎo)巖芯表面相對(duì)應(yīng)變響應(yīng)

圖2 光纖布拉格光柵傳感器CH1在恒定有效圍壓8 MPa下監(jiān)測(cè)巖芯表面三個(gè)光柵初始應(yīng)變響應(yīng)時(shí)間差。(a)~(b)氣態(tài)CO2注入后光柵應(yīng)變響應(yīng)及時(shí)間差；(c)~(d)液態(tài)CO2注入后光柵應(yīng)變響應(yīng)及時(shí)間差；(e)~(f)超臨界CO2注入后光柵應(yīng)變響應(yīng)及時(shí)間差。

目前，國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)對(duì)CO2室內(nèi)巖芯驅(qū)替實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了深入研究，主要集中于CO2溶解捕獲機(jī)理及運(yùn)移過(guò)程的監(jiān)測(cè)，但缺乏在封存條件下針對(duì)超臨界二氧化碳(scCO2)實(shí)時(shí)運(yùn)移過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)變化及運(yùn)移前緣的同步監(jiān)測(cè)。中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所首次利用光纖布拉格光柵(FBG)傳感技術(shù)對(duì)不同狀態(tài)CO2的驅(qū)替過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，揭示了在CO2注入壓力誘導(dǎo)下的應(yīng)力場(chǎng)變化機(jī)理以及運(yùn)移前緣規(guī)律。

研究人員采用的巖芯驅(qū)替夾持器可滿足在50 MPa以及60℃條件下的實(shí)驗(yàn)要求，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)scCO2(31.1℃，7.38 MPa)的穩(wěn)定驅(qū)替。采用的兩根FBG傳感器，規(guī)格為單根光纖上嵌入三個(gè)中心波長(zhǎng)連續(xù)分布的光柵且沿巖芯軸向方向?qū)ΨQ粘貼于巖樣表面。實(shí)驗(yàn)樣本為四川盆地侏羅紀(jì)上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組紅色砂巖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，巖芯表面動(dòng)態(tài)應(yīng)變響應(yīng)與CO2注入壓力相關(guān)且保持線性增長(zhǎng)的關(guān)系(圖1)。基于此，可進(jìn)一步針對(duì)較高注入壓力條件下誘導(dǎo)的應(yīng)力場(chǎng)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)且為儲(chǔ)層及井筒穩(wěn)定性評(píng)估提供室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。另外，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出在45℃條件下的應(yīng)變響應(yīng)值略高于20℃條件下，這是由于光柵對(duì)溫度變化敏感且?guī)r芯受熱易產(chǎn)生膨脹變形等因素。由于三個(gè)光柵沿軸向布設(shè)于巖樣上、中、下三個(gè)位置，當(dāng)CO2注入后誘導(dǎo)巖芯內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的波動(dòng)會(huì)先后傳遞到三個(gè)光柵的感應(yīng)區(qū)域從而產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變響應(yīng)和初始響應(yīng)時(shí)間差(圖2)。在不同溫壓條件下，初始應(yīng)變時(shí)間差不同。由圖2可知，當(dāng)注入壓力為2 MPa，圍壓為10 MPa時(shí)，最大時(shí)間差為0.5 s；而在20℃，孔壓增至8 MPa及圍壓保持16 MPa時(shí)，初始響應(yīng)時(shí)間差已增至1.3 s。這主要是因?yàn)樽⑷雺毫Φ母淖兪笴O2由氣態(tài)(gCO2)轉(zhuǎn)變?yōu)榱艘簯B(tài)(lqCO2)，而對(duì)lqCO2增溫后使其保持超臨界狀態(tài)時(shí)，初始時(shí)間差又略有減小。溫壓的變化對(duì)CO2物質(zhì)屬性影響明顯，特別是流體的動(dòng)力粘滯系數(shù)。根據(jù)時(shí)間差及光柵中心間隔的比值可初步估計(jì)不同狀態(tài)CO2在巖芯內(nèi)部的運(yùn)移速度：gCO2運(yùn)移速度最快；lqCO2最慢；scCO2介于兩者之間。因此，根據(jù)FBG測(cè)量結(jié)果可知這種監(jiān)測(cè)技術(shù)可用于觀測(cè)CO2流體運(yùn)移路徑及相應(yīng)的前緣信息，有助于應(yīng)用在CO2封存現(xiàn)場(chǎng)滲漏監(jiān)測(cè)。最后，針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程利用COMSOL軟件進(jìn)行編程模擬，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度一致，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性及監(jiān)測(cè)技術(shù)的有效性。

該研究相關(guān)成果發(fā)表于Wiley出版社旗下的《溫室氣體：科學(xué)與技術(shù)》(Greenhouse Gases: Science and Technology)雜志，第一作者為武漢巖土所碩士研究生范成凱，通訊作者為研究員李琦。該成果得到國(guó)家自然科學(xué)基金(No. 41274111)、中澳二氧化碳地質(zhì)封存(CAGS3)項(xiàng)目共同資助。