在二氧化碳封存于咸水含水层的过程中，由两相流体引起的地震反射现象

地质碳封存中咸水储层CO?-盐水两相流体分布对地震波传播的影响研究。基于Lo两相流体理论，采用Berea砂岩介质和扩展van Genuchten毛细管模型，模拟不同频率、温度、压力及CO?饱和度下P1-P3和S波传播特性，结合敏感性分析揭示孔隙率、流体密度、CO?密度等关键参数对波场响应的主导作用，阐明高温低压条件下P1波速度的非单调性机制，为碳封存监测提供理论支撑。

　　

徐伟晨|邢雷|李倩倩|王恩江|张宏伟

中国海洋大学教育部海底地球科学与勘探技术重点实验室，青岛266100，中国

摘要

深层咸水含水层是地质碳储存（GCS）的关键储库。然而，scCO₂–盐水两相流体分布及其相互作用对地震波传播的影响仍不清楚，这给监测储存完整性带来了不确定性。在Lo的两相流体理论基础上，本研究以Berea砂岩作为代表性的多孔介质，并结合扩展的van Genuchten（Ext-vG）毛细压力模型，模拟了在不同频率、温度、压力和饱和度条件下三种压缩波（P₁、P₂、P₃）和剪切波（S）的速度和衰减。此外，通过局部和PAWN全局敏感性分析，结合三通道分解方法，评估了关键参数（包括孔隙度、渗透率、流体密度、声速和粘度）的敏感性及其机制。结果表明，在高温和低压条件下，P₁波速度随CO₂饱和度的升高先降低后增加，转折点受温度–压力条件和储层性质的控制。P₃波的传播受毛细压力强烈影响，Ext-vG模型更准确地捕捉了其响应。敏感性分析揭示了不同参数的主要影响因素：P₁波受孔隙度和流体密度的影响；P₂波受CO₂声速和渗透率的影响；P₃波受饱和度、CO₂密度和盐水粘度的影响；S波受孔隙度的影响。在P₁波中，孔隙度和流体密度在不同饱和度范围内表现出不同的机制作用。通过改进毛细压力模型并建立多波敏感性框架，本研究量化了两相流体对地震反射的影响，为监测咸水含水层中的CO₂储存提供了依据。

引言

地质碳储存（GCS）是实现深度脱碳（清洁能源转型中的CCUS，2020年）的关键技术方法。大规模部署对于实现“到2025年温室气体排放达到峰值，并在2030年前减少43%”的气候目标至关重要（Calvin等人，2023年）。在潜在的储库中，深层咸水含水层占全球地质储存能力的90%以上，因此被认为是GCS实施的主要目标（IPCC，2005年；Jin等人，2017年）。在这些含水层中，注入的超临界CO₂（scCO₂）与地层盐水共存，形成了一个动态演变的两相系统。两相流体的空间分布和饱和度变化改变了储层岩石的弹性特性，从而直接影响地震反射波的振幅、相位和传播特性（Xue和Ohsumi，2004年）。

Biot的理论为理解饱和多孔介质中的地震波传播奠定了基础（Biot，1956a；Biot，1956b；Biot，1962）。该理论结合了固体骨架和孔隙流体的运动，并预测了第二种压缩波的存在。然而，在GCS的背景下，目标地层通常包含两种流体——盐水和scCO₂——在孔隙空间中共存。这种双流体条件引入了额外的复杂性：流体可压缩性的差异产生了局部孔隙压力梯度，进而驱动孔隙内的流体流动和扩散（Yang等人，2015年；Kumari等人，2025年）。这种局部流体流动被广泛认为是控制含有两种不相溶流体的多孔介质中地震波能量损失和速度分散的关键机制。在Biot的工作基础上，后续模型被开发出来以更好地描述不相溶两相系统中的波传播。

Berryman–Thigpen–Chin（BTC）模型通过引入第二种流体相，扩展了Biot的框架，从而考虑了双流体系统中的低频响应和惯性耦合（Berryman等人，1988年）。然而，BTC模型忽略了毛细压力，导致对CO₂–盐水系统中速度分散和衰减的严重低估。Santos–Carcione模型通过引入毛细压力并改进了两种流体相之间的惯性耦合项，改进了BTC公式（Santos等人，1990年；Carcione等人，2004年）。这使得能够预测与毛细效应相关的第三种压缩模式（P₃波）。尽管如此，该模型中的许多参数仍然是经验性的或基于一般假设，这降低了其对孔隙几何形状的敏感性。此外，惯性耦合系数难以直接与可测量的物理属性相关联。Coussy模型结合了孔隙弹性、有效应力原理和毛细效应（Coussy等人，2004年）。虽然适用于描述土壤固结和沉降等准静态流动–变形过程，但它不太适用于与GCS相关的固结岩石系统。

Lo的两相流体理论是在混合理论和欧拉框架内发展的，为固体骨架、润湿相流体和非润湿相流体分别制定了质量守恒和动量守恒方程（Lo等人，2002年、2005年、2010年、2015年）。这些相之间的动态相互作用通过粘性阻力和惯性耦合系数明确耦合。与BTC和Santos–Carcione模型中对毛细效应和耦合参数的简化处理相比，Lo模型明确纳入了毛细压力–饱和度关系，并定义了物理上可解释的流体–流体和流体–固体耦合参数。这种公式能够更准确地预测三种压缩模式——包括快波和两种慢波——以及它们在低频范围内的相关分散和衰减特性。Lo模型为GCS中盐水–scCO₂系统的地震监测提供了必要的理论框架。量化两相流中的耦合速度–衰减机制有助于更可靠地解释CO₂注入和储存过程中的动态波场响应。通过这种方式，Lo模型为理解咸水含水层中两相流动引起的地震响应变化建立了坚实的物理基础。

基于Lo的两相流体理论、Berea砂岩储层模型和修改后的van Genuchten毛细压力公式，本研究考察了在激发频率、温度、压力和CO₂饱和度耦合条件下三种压缩波（P₁、P₂和P₃）和剪切波（S）的传播特性。进一步对关键参数（包括孔隙度、渗透率、饱和度、密度、声速和流体粘度）进行了局部敏感性分析。结果定量评估了地震波场对关键储层变量的响应，并阐明了其行为背后的机制。

Lo的两相流体理论

Lo的模型基于欧拉框架（Lo等人，2002年、2005年）。它将固体骨架、非润湿相流体和润湿相流体视为三相系统。该模型遵循宏观的质量守恒和动量守恒定律，并采用线性应力–应变本构关系。此外，它还考虑了固体和流体相之间以及不同流体相之间的惯性和粘性耦合。

Berea砂岩的弹性模量

Berea砂岩是一种高纯度的石英砂岩，具有细到中粒度的纹理，形成于美国俄亥俄州的Berea地区，时间跨度为晚泥盆世至早密西西比世（?ren和Bakke，2003年）。其均匀的孔隙度、稳定的孔隙结构和高机械强度使其成为岩石物理学研究中的标准参考材料。

矿物学分析显示，Berea砂岩主要由石英（81%）和长石（12%）组成，还含有少量方解石

数值模拟

本研究系统分析了Lo模型中关键控制参数之间的耦合机制及其对地震波速度和衰减的影响。CO₂饱和度直接调节毛细压力场以及与波诱导的流体流动相关的频率依赖性分散和衰减（Grana等人，2021年）。温度和压力作为环境变量间接影响

P₁波速度曲线中的转折点现象

在scCO₂–盐水–砂岩系统中，基于Lo模型的模拟表明，在特定的温度和压力条件下，P₁波速度对CO₂饱和度的依赖性是非单调的，表现为初始下降后随后的增加（图8a）。这种转折行为是由有效体积模量和有效密度的相对敏感性共同作用的结果，它们对CO₂饱和度的不同敏感性共同决定了这种非线性行为

结论

利用Lo的两相流体模型和Berea砂岩，本研究考察了两相流体对咸水含水层中CO₂储存四种类型地震反射波的影响，并得出以下结论：

1.

数值模拟表明，Lo的两相流体模型结合改进的毛细压力参数模型，能够有效捕捉scCO₂–盐水–砂岩系统中的地震波传播。在频率、温度和压力的共同作用下，

CRediT作者贡献声明

王恩江：监督、软件。 张宏伟：撰写 – 审稿与编辑，方法论。 邢雷：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。 李倩倩：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论。 徐伟晨：撰写 – 原稿，软件，形式分析

未引用的参考文献

二氧化碳捕获与储存，2005年；Pini等人，2012年；Yam和Schmitt，2011年。

资助

本工作部分得到了国家自然科学基金（资助编号U24A20608）的支持；部分得到了国家重点科技项目（资助编号2024ZD1004300）的支持；部分得到了青岛新能源山东实验室开放项目（资助编号QNESL OP202304）的支持；以及部分得到了山东省自然科学基金（资助编号ZR2022MD067）的支持。

利益冲突声明

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