全球氣候變暖已日益成為人們所關(guān)切的重要環(huán)境問題。為減輕大氣含碳量及控制溫室效應(yīng)對全球氣候的影響，二氧化碳(CO2)地質(zhì)封存技術(shù)逐漸被認可為是一種安全且有效的方法來應(yīng)對上述氣候問題。地下深部咸水層作為主要的封存載體因具有分布廣泛、儲存量大等特點被視為CO2長期封存的最優(yōu)場地。然而，由于儲層應(yīng)力場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封存過程可能存在泄漏的風險。因此，有必要對CO2運移過程包括運移路徑和前緣進行實時監(jiān)測。

圖1 表面粘貼兩根FBG傳感器(a)CH1和(b)CH3監(jiān)測不同溫度壓力條件下CO2注入誘導巖芯表面相對應(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)測巖芯表面三個光柵初始應(yīng)變響應(yīng)時間差。(a)~(b)氣態(tài)CO2注入后光柵應(yīng)變響應(yīng)及時間差；(c)~(d)液態(tài)CO2注入后光柵應(yīng)變響應(yīng)及時間差；(e)~(f)超臨界CO2注入后光柵應(yīng)變響應(yīng)及時間差。

目前，國內(nèi)外實驗室已經(jīng)對CO2室內(nèi)巖芯驅(qū)替實驗進行了深入研究，主要集中于CO2溶解捕獲機理及運移過程的監(jiān)測，但缺乏在封存條件下針對超臨界二氧化碳(scCO2)實時運移過程中應(yīng)力場變化及運移前緣的同步監(jiān)測。中國科學院武漢巖土力學研究所首次利用光纖布拉格光柵(FBG)傳感技術(shù)對不同狀態(tài)CO2的驅(qū)替過程進行實時動態(tài)監(jiān)測，揭示了在CO2注入壓力誘導下的應(yīng)力場變化機理以及運移前緣規(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℃條件下的實驗要求，同時能夠?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中心波長連續(xù)分布的光柵且沿巖芯軸向方向?qū)ΨQ粘貼于巖樣表面。實驗樣本為四川盆地侏羅紀上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組紅色砂巖。實驗結(jié)果表明，巖芯表面動態(tài)應(yīng)變響應(yīng)與CO2注入壓力相關(guān)且保持線性增長的關(guān)系(圖1)?；诖耍蛇M一步針對較高注入壓力條件下誘導的應(yīng)力場變化進行預測且為儲層及井筒穩(wěn)定性評估提供室內(nèi)實驗數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。另外，從實驗結(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。由于三個光柵沿軸向布設(shè)于巖樣上、中、下三個位置，當CO2注入后誘導巖芯內(nèi)部應(yīng)力場的波動會先后傳遞到三個光柵的感應(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)時間差(圖2)。在不同溫壓條件下，初始應(yīng)變時間差不同。由圖2可知，當注入壓力為2 MPa，圍壓為10 MPa時，最大時間差為0.5 s；而在20℃，孔壓增至8 MPa及圍壓保持16 MPa時，初始響應(yīng)時間差已增至1.3 s。這主要是因為注入壓力的改變使CO2由氣態(tài)(gCO2)轉(zhuǎn)變?yōu)榱艘簯B(tài)(lqCO2)，而對lqCO2增溫后使其保持超臨界狀態(tài)時，初始時間差又略有減小。溫壓的變化對CO2物質(zhì)屬性影響明顯，特別是流體的動力粘滯系數(shù)。根據(jù)時間差及光柵中心間隔的比值可初步估計不同狀態(tài)CO2在巖芯內(nèi)部的運移速度：gCO2運移速度最快；lqCO2最慢；scCO2介于兩者之間。因此，根據(jù)FBG測量結(jié)果可知這種監(jiān)測技術(shù)可用于觀測CO2流體運移路徑及相應(yīng)的前緣信息，有助于應(yīng)用在CO2封存現(xiàn)場滲漏監(jiān)測。最后，針對上述實驗過程利用COMSOL軟件進行編程模擬，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果高度一致，從而進一步驗證了實驗數(shù)據(jù)的真實性及監(jiān)測技術(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。該成果得到國家自然科學基金(No. 41274111)、中澳二氧化碳地質(zhì)封存(CAGS3)項目共同資助。