CO2封存誘發近斷層活化機制研究進展

收稿日期：20240301

通信作者：閆曉（1994），女，博士后，主要從事CO2地質封存誘發地震的研究。Email：xiao_yan@tongji.edu.cn。

基金項目：國家重點研發計劃項目（政府間國際科技創新合作）（2022YFE0128400）；

摘要：文中梳理了CO2地質封存誘發地震活動的典型案例和總體進展，并結合注入誘發斷層失穩理論，系統闡述熱流力化多場耦合作用下的CO2封存誘發近斷層活化機理，探討不同物理過程對斷層活化的關鍵影響因素，指出目前研究存在的問題和亟待突破的研究方向。研究結果表明：CO2地質封存誘發地震活動與孔隙壓力擴散、非等溫效應及地球化學反應等物理過程緊密相關；相較于注水活動，CO2注入觸發了涉及多相流動狀態、焦耳湯姆遜效應、CO2溶解放熱及CO2地層鹽水巖體化學作用等一系列復雜多物理場耦合過程；實際斷層活化及剪切破壞的發生是這些過程協同作用的結果，并受到地層應力狀態和斷層屬性的控制，以及注入策略和注入位置的影響。今后研究工作需要在基礎理論研究和應用實踐層面全面考慮熱流力化多場耦合效應，加強封存場地地質構造勘查，并發展多模式的流體注入策略，這對理解CO2注入誘發近斷層活化機制進而實現地震活動的精確預測至關重要。

關鍵詞：碳封存； 斷層活化； 孔隙流體壓力； 非等溫效應； 地球化學反應

中圖分類號：X 78； P 315.728文獻標志碼：A文章編號：10005013（2024）02013614

為有效應對全球氣候變暖的突出性環境問題，CO2地質封存（CO2 geological storage， CGS）已成為未來能源戰略和碳減排戰略的重要組成部分，并受到國際社會的高度關注［13］。該技術的基本原理是將收集處理后的 CO2 以超臨界態注入到地下咸水層、衰竭油氣田、深部不可開采煤層或玄武巖含水層等地質構造中，以實現 CO2的永久封存［2，4］。這一過程勢必引起深部地層流體壓力增加和巖石變形，并可能引起已有斷層活化、誘發地震，從而威脅碳封存儲層安全并降低碳封存效率［58］。因此，深刻理解CO2注入誘發已有斷層活化的機理及其影響因素是降低誘發地震風險的關鍵。

近年來隨著全球范圍內CGS項目增多，與之相關的地震活動亦呈增加趨勢。這些誘發地震事件涉及多物理場耦合過程，包括巖石力學、流體流動、非等溫效應和地球化學反應等，是多種機制共同作用的結果［912］。具體來說，CGS項目中大規模高壓流體注入導致儲層孔隙壓力及溫度場發生明顯擾動，孔隙壓力的增大和溫度的降低都會降低已有斷層上的有效應力［1314］，并且CO2地下鹽水巖體的地球化學反應會對巖層水力特性和機械性能進行改造，從而增加斷層失穩的不確定性［15］。此外，在斷層發生破壞或引發地震事件后，地應力會進行重新調整。從地質條件來看，應力狀態和斷層屬性等構造因素，如水文地質屬性、巖石力學屬性和圍巖巖性，控制著多物理場耦合作用下的已有斷層彈塑性響應［6，1618］；從人為控制因素來看，流體注入策略和注入位置，如注入壓力、注入體積、注入溫度和總注入量等進一步影響地震發生的特征［5，19］。

CGS項目中注入儲層深部的 CO2地下鹽水巖體相互作用的多場耦合過程，與工業廢液回注、油氣增產、地熱開發等注水工程明顯不同，這使得其誘發近斷層活化機制也區別于注水工程。文中圍繞CO2注入誘發近斷層活化機制，首先介紹地質碳封存誘發地震事件的典型案例，再根據注入誘發斷層失穩的基本理論，重點分析孔隙壓力擴散、非等溫效應和地球化學反應主導的斷層活化機制及其影響因素，可為地質碳封存項目的安全可持續性發展乃至實現雙碳目標提供理論指導。

1CO2封存項目誘發地震典型案例

目前為止，全球已建、在建和計劃建設的CGS項目超過300個，已在多個地區觀測到［1］與之相關的誘發地震活動，如表1所示。表1中：CO2EOR指二氧化碳氣驅強化采油。

文中就CGS項目的儲層深度、儲層巖性、儲層溫壓、誘震數量和誘震震級等特征對相關典型案例進行簡述總結，以探索CO2注入誘發地震背后的機理。挪威Sleipner天然氣田CGS項目是第一個商業規模CO2封存項目，將從生產的天然氣中分離出的CO2，通過 1 012 m 深處的水平井注入到Utsira構造的砂巖儲層中［20］。儲層本身地質構造簡單，地層相對較厚。井口注入溫度穩定在25 ℃，壓力控制在6.2～6.5 MPa，注入后儲層壓力增幅小于0.5 MPa［6］。自 1996年開始注入CO2 起，SleipnerA 地臺記錄了數次M2～M3級地震。

阿爾及利亞中部In Salah 油田CGS 項目是第一個陸地 CGS示范工程，主要將來自多個氣田的CO2處理后注入Krechba枯竭氣田。該氣田為石炭系砂巖，以大型背斜構造為主，儲層裂縫和斷層發育［21］。井口注入溫度范圍為25～55 ℃，井底壓力較儲層初始壓力增幅為10～11 MPa。該儲層先前進行了注水活動，CO2注入會引起非混相的多相流動。自 2009 年起，微地震記錄數據表明發生了超過1 000起地震活動事件，最大震級為M0.5，其中大部分與CO2注入相關。

加拿大薩斯喀徹溫省東南的Weyburn 油田是世界上最大的CO2封存與提高采收率相結合的示范項目。CO2注入到1 430 m 的Mississippian碳酸鹽儲層中，最初注入率為 269 萬m3·a-1，隨后逐漸增加至 300 萬m3·a-1。注入后井底壓力增加8 MPa、溫度下降7 ℃。2003 年 8 月至 2004 年12 月，微震監測點監測到近 100 次M1～M3級地震發生，這些地震事件主要集中在注入段儲層內部中，其空間分布表明地震還可能受儲區化學性質變化的影響［7］。

美國伊利諾伊州 Illinois盆地中部的Decatur項目是美國第一個大規模專用CGS項目。從2011年到2014年，約100萬t的CO2注入到2 100 m深的Mount Simon高滲透砂巖儲層中，注入后井底壓力比儲層初始狀態高2.4 MPa［7］。該盆地南部靠近新馬德里地震帶和Wabash Valley斷層系統。注入開始2個月后監測到10 123次M1～M2級微地震。這些地震事件表現出與CO2注入明顯的相關性，說明CO2注入后儲層壓力增量使先前存在的臨界應力弱面發生再活化［22］。

美國德克薩斯州北部Cogdell油田在2011年發生的M4.4級地震是目前為止與CO2注入有關的最大震級地震。自2001年起，CO2被持續注入到約2 100 m深度的馬蹄環礁石灰巖儲層（初始溫壓分別為75 ℃和20 MPa），用于提高石油采收率［8］。2009年到2011年，美國地球系統觀測臺臨時陣列記錄了油田內或附近的105次M≥1地震事件，18次M3～M4.4地震事件。地震發生期間CO2注入速率達到峰值，平均40 萬m3·月-1［23］。西南側KellySynder油田與Cogdell油田的地質構造、注入活動和產量趨勢高度相似，但尚未檢測到地震活動，這表明Cogdell油田的地震事件是在先前未識別的斷層上觸發的滑動。

美國猶他州東南部的Aneth油田是美國能源部支持的CO2強化原油采收率項目試驗區。從2007年8月到2009年9月，從科羅拉多州McElmo Dome的天然儲層源通過管道輸送 CO2，并以每年12.7 萬t CO2的速率注入約1 707～1 768 m深度的Desert Creek碳酸鹽儲層。自2008年4月到2009年3月，垂直地震檢波器陣列檢測到約3 800件M0.8～M1.2微震事件，其空間分布分別沿著兩條西北至西南走向的斷層帶形成了南部集群（95%以上地震事件）和北部集群（其余5%地震事件）［24］。

法國西南部LacqRousse 枯竭氣田是法國首個CGS項目試點區域。截止到2013年3月，超過5.1萬tCO2以平均70 t·d-1的注入速率注入到4 200 m深處的裂縫性Mano碳酸鹽儲層中。注入期間氣藏儲層壓力從4.2 MPa增加到8.5 MPa，遠低于48.5 MPa的初始氣田壓力，這表明儲層壓力增加并不是地震發生誘因。地球化學分析表明，儲層巖石所含綠泥石因CO2注入而溶解，進而引起碳酸鹽沉淀［9］。自2011年3月至2014年7月，共監測到2 500個地震事件，其中超過2/3的地震活動由于不夠活躍而無法定位。因此只記錄到600多個M0.5～M2.3之間的地震事件［25］。

通過總結CGS項目誘發地震案例可以知道：CO2注入儲層為砂巖或碳酸鹽巖；誘發地震大多發生在裂縫性巖層或含已有斷層區域中；誘發地震會在注入活動開始后即刻發生，但也可能發生在流體停注一段時間后；與地下注水工程相比，碳封存儲層中超臨界CO2壓縮性更強、粘度更低，孔隙流體壓力增幅相對較小且容易消散，誘發地震頻次較低且震級通常較小。誘發地震機制復雜，涉及孔隙壓力擴散、溫度變化，以及化學作用諸多耦合過程，如圖1所示［18］。

2誘發斷層失穩理論

流體注入深部地層時，孔隙壓力增加導致斷層面上有效正應力（總應力與孔隙壓力的差值）減小。這過程可能引發巖體裂隙面或斷層破壞，進而誘發潛在地震活動。CO2注入誘發斷層活化的基本理論與注水誘發斷層活化的理論一致，即通過摩爾庫倫準則來描述斷層面的剪切滑移狀態。其計算式［7］為

式（1）中：τ，τcrit分別是作用在斷層面上的剪切應力和臨界剪切應力；σ′為有效應力； σn為作用在斷層面上的正應力；ΔσT為熱應力；p為孔隙壓力；μ=tan φ是摩擦系數；φ是內摩擦角。

當考慮巖石黏聚力作用后，摩爾庫侖剪切破壞準則為

式（2）中：c是黏聚力。CO2注入導致反映斷層應力狀態的莫爾圓整體向左偏移，當作用于某一斷層上的剪切應力超過臨界剪切應力，即莫爾圓與破壞包絡線相切時，該斷層就會發生剪切滑動。斷層滑動以無震蠕滑和有震黏滑的方式產生。發生無震滑移時，長期以來板塊運動積累的應變能得以釋放；而有震黏滑行為引起伴有地震活動的斷層快速滑動，地震活動釋放能量的大小與斷層剪切滑移面積密切相關。

3CO2封存誘發斷層活化機理

通過對之前所探討的多個實際案例進行深入研究，得出如下3個主要推斷。

1） Sleipner氣田、In Salah油田、Weyburn油田和Decatur項目中均觀測到了孔隙壓力增加現象。值得注意的是，In Salah油田在經歷注水階段后實施了CO2注入操作，該過程導致了多相流效應；Decatur項目中的地震活動則在注入開始一段時間后被檢測到。這都表明孔隙壓力擴散是CO2封存誘發地震事件的主要機制。

2） 監測數據顯示，In Salah 油田和Weyburn油田出現了溫度下降現象。這提示了溫度誘導的熱應力變化對這兩個項目的地震活動起到觸發作用。

3） 對于Weyburn油田和LacqRousse枯竭氣田，地球化學分析揭示了CO2注入導致儲層巖石水力特性和機械性能發生動態演變的過程。這表明，地球化學過程構成了誘發地震活動的重要內在機制之一。

綜合以上推斷，可以確定孔隙壓力增加、溫度效應，以及地球化學反應等多種過程共同作用，構成了誘發地震活動的關鍵機制。

3.1孔隙壓力主導的斷層活化機制

CGS項目中CO2注入改變斷層原有應力狀態，當發震斷層與儲層之間存在直接水力聯系時，孔隙壓力擾動是誘發斷層活化的主要機制；而發震斷層與儲層之間沒有直接水力聯系時，巖石基質體積變形引起的孔隙彈性效應主導誘發地震活動。

3.1.1孔隙壓力擴散自然平衡狀態下，孔隙流體壓力隨著地層深度近似線性增加。CO2注入活動會干擾天然孔隙流體壓力場，增加儲區孔隙壓力，直接引起注入點周圍斷層有效應力減小，或者通過高滲透滲流通道使遠處斷層面上有效應力減小，導致具有水力聯系的斷層活化。這是流體注入誘發地震活動的主要機制。CO2注入引起的孔隙壓力從注入位置擴散，儲層大面積區域增壓，如果在數十年注入過程中CO2前緣遷移幾千米，那么壓力擾動范圍超過數百千米［8，26］。此外，大規模的CGS項目需要全面部署多個注入點，以適用各種工業規模排放源產生的CO2體積，同一儲層中多個注入點的超壓疊加將產生更大的增壓區域［27］。當升高的孔隙壓力擴散到斷層上時，改變斷層上的應力狀態，引發斷層滑動甚至地震活動。

不同于注水誘發地震，注入儲層深部的超臨界態CO2 密度和黏性低于地層鹽水，且部分會溶于鹽水，因此，CO2地層鹽水可視為多相流系統。當以恒流速注水時，孔隙壓力隨著時間對數呈線性增加趨勢。多項解析和數值模擬研究表明，多相流系統中相對滲透率和毛細作用在流體壓力演化中起著關鍵作用。這導致CO2注入深部儲層后流體壓力在初期急劇增加，隨后隨著時間推移略微降低［2831］，這與注水活動引起的超壓演化趨勢明顯不同［16，33］，如圖2所示。圖2中：pO為超壓，t為注入時間。注入開始時，超壓急劇增加是由于注入點周圍孔隙開始去飽和時CO2的相對滲透率低，毛細邊緣完全包圍注入點。隨著CO2繼續注入，毛細邊緣遠離注入點，相對滲透率逐漸增加，最終填充注入點周圍孔隙。由于超臨界CO2粘度比鹽水低一個數量級，CO2較容易在儲層內流動，超壓達到最大值后略微降低［16，28］。考慮多相流系統超壓的長期演化趨勢，一方面，CO2溶解到鹽水中，儲區內流通流體總體積減小，壓力降低［32］；另一方面，鹽水可以流過蓋層或基巖，而CO2受毛細作用阻礙無法穿透低滲透地層，儲層內部壓力積聚降低［16］。由此可見，考慮成多相流系統時，相對滲透率和毛細作用顯著影響孔隙壓力擴散行為［13］，從而產生不同于單相流系統的地震響應，但多相流系統如何影響已有斷層應力場時空響應仍需進一步探討研究。

（a） 注入水（b） 注入CO2

3.1.2孔隙彈性效應當大規模地向碳封存儲層中注入CO2時，其效應不僅限于直接的流體增壓作用，還將引起儲區內的巖石力學響應，并通過這種孔隙彈性應力變化影響周邊斷層應力狀態，破壞已有斷層穩定性。由于孔隙彈性應力主要通過巖石基質傳遞，因此應力擾動范圍延伸到孔隙壓力擴散以外的區域，在沒有直接水力聯系的情況下引發地震活動［3436］。瞬間（短期）孔隙彈性響應通過Biot理論來描述儲層巖石的彈性變形行為，即高壓CO2的注入直接促使巖石應力狀態向更接近屈服和破壞的方向演化［3739］。考慮CO2封存的時間尺度（數千年），巖石基質會展現出受孔隙流體影響的粘彈性行為，相比純彈性本構模型預測的瞬時變形，這種時間依賴性變形使得巖石達到破壞狀態的可能性更高［10，40］。如果不考慮巖石的時變特性，儲層變形的地質力學分析會嚴重偏差，而目前與CO2儲存相關的地質力學風險與時間依賴性變形的關聯研究有限，具體機理尚不清晰。

孔隙壓力擴散和孔隙彈性效應耦合是誘發地震活動的另一種機制。其本質是直接受孔隙壓力擴散影響的斷層自身應力狀態改變后，再通過孔隙彈性效應影響附近其他已知斷層上庫倫應力變化。其庫倫應力變化（ΔCFS）定義［4142］為ΔCFS=Δτs+μ（Δσs+ΔP）。（3）

式（3）中：μ是摩擦系數；Δτs是剪切應力變化；Δσs是正應力變化；ΔP是流體壓力變化。Δτs+μΔσs由孔隙彈性應力引起，而μΔP是由孔隙壓力貢獻的部分。

孔隙壓力通過孔隙空間擴散，孔隙彈性應力通過巖體骨架的變形傳遞［43］，因此孔隙彈性應力不受多孔介質固有滲透率約束，從而影響比孔隙壓力擴散區域更大的范圍。同時孔隙壓力隨與注入點距離的增加而衰減，遠離注入點的位置處孔隙彈性應力將直接超過孔隙壓力，占據主導地位［4445］。如果庫倫應力增加，會促進后續地震的發生；而庫倫應力減少，則可能延緩后續地震的發生［4647］。由此，孔隙彈性耦合描述了巖石變形，以及通過可變形孔隙的流體流動過程，擾動了注入增壓區外的應力場，是揭示非增壓區地震事件和注入后地震活動的重要機制。

3.2熱效應主導的斷層活化機制

注入過程中，CO2在注入井內的升溫速度低于地溫梯度，到達井底的溫度低于儲層溫度，這將引起焦耳湯姆遜冷卻效應、CO2溶解放熱，以及水蒸發吸熱等現象在內的非等溫效應［11］。由于注入引起的熱流傳播速度取決于CO2對圍巖的冷卻作用，非等溫區前鋒滯后于CO2遷移前緣，這導致熱流傳播通常比孔隙壓力傳播速度慢。因此，在長達幾十年的注入期間，CO2注入引起儲區圍巖溫度明顯變化的區域限于注入點周圍幾百米范圍內［48］。

低溫注入的CO2與高溫儲層間的熱相互作用會導致巖石體積收縮變形。一方面，引起斷層面輕微張開并減少靜摩擦，觸發已臨近破壞的斷層滑動；另一方面，熱彈性效應產生的應變會生成熱應力，進而影響有效應力分布［5，14］。熱應力區域由CO2注入引起的溫度變化區域控制，并通過應力傳遞對遠場應力場施加影響，使斷層應力狀態更加接近剪切滑動，從而誘發地震事件。如阿爾及利亞In Salah 的CCS項目中CO2到達注入井底時溫度比儲層低45 ℃，所產生的熱應力是引發該氣田微地震活動的原因之一［6，49］。Vilarasa等［18，50］基于多孔介質的線性熱彈性理論，給出了熱應力大小ΔσT的計算方法，即ΔσT=KαTΔT。其中，K是體積模量，αT是線性熱膨脹系數。由該公式可知，熱應力的大小在很大程度上依賴于溫度影響的巖石類型及其溫度變化。對于儲層巖石來說，其剛度比富含粘土成分的蓋層大，所產生的熱應力也更明顯［51］。當儲層和蓋層的熱膨脹系數存在差異時，斷層穿過蓋層并與儲層接觸時交界面產生剪切應力，加劇已有斷層的活動從而導致剪切破壞［16，52］。

3.3化學反應主導的斷層活化機制

相比于其他注水工程，CGS項目顯著特征之一是注入的CO2易溶解在地層鹽水中，引起巖石礦物化學反應。根據注入點周圍CO2飽和度的空間分布（即與注入點的距離），可依次劃分為不同區域［5354］。Ⅰ區為井筒附近充滿超臨界CO2；Ⅱ區為超臨界CO2和鹽水的兩相混合物的過渡區；Ⅲ區為酸性CO2水溶液完全飽和區；Ⅳ區為距離井筒最遠的區域不受注入影響。

CO2的溶解/沉淀反應主要發生在Ⅱ區和Ⅲ區。CO2與水結合產生碳酸（H2CO3），當碳酸吸附在巖石表面時，會立即解離成H+和HCO-3，形成pH值接近中性或降至4～5的弱酸性環境［5456］。即

巖石礦物成分受酸化鹽水作用，發生化學反應并改變孔隙結構，進而影響巖石的水力特性和機械性能，引發斷層滑動使斷層活化。因此，了解溶解CO2和儲區巖石之間的化學反應對于分析誘發地震機理至關重要。

3.3.1水力特性CGS項目的目標儲層以碳酸鹽巖和砂巖為主，與CO2的化學反應包括石英長石的溶解及碳酸鹽的溶解和再沉淀；而儲存場地頂部的蓋層富含粘土礦物，與CO2的化學相互作用包括伊利石的溶解及蒙脫石的沉淀。CO2溶蝕反應引起巖石孔隙度和滲透率的增加，而礦物沉淀導致孔隙空間堵塞，孔隙度和滲透率下降。這將增強或減弱儲區與已有斷層間的水力聯系，進而引起斷層上有效應力的變化并可能增加誘發地震活動的風險。

高反應活性的巖石材料（如碳酸鹽巖）在接觸到酸化鹽水時會快速溶解，增加孔隙的平均寬度，并形成更高的孔隙率［57］，如圖3所示。這種碳酸鹽礦物的溶解和流動路徑之間的正反饋效應，會在碳酸鹽巖中形成優勢流動通道。相比之下，富含粘土礦物的巖石在暴露在酸化鹽水環境中時，其孔隙率的變化

（a） 未經CO2鹽水（b） 注入CO2鹽水的（c） 注入CO2鹽水的方解石晶體

侵蝕方解石晶體方解石晶體不均勻溶解表面粗糙度和顆粒內微孔隙

趨勢較為復雜。例如，恒定溫壓條件下注入超臨界CO2時，高嶺石和蒙脫石等粘土礦物的孔隙表面積減少［58］，而頁巖樣品浸沒在CO2飽和鹽水后卻顯示出孔隙率上升的結果［59］。這種相反的孔隙結構變化主要歸因于粘土水化、礦物溶解、孔喉中礦物再沉淀之間的相互競爭關系。孔隙結構的變化將會直接影響其水力傳輸性能。CO2注入碳酸鹽巖中通常會導致滲透率增加［60］；相反，對于鮞狀灰巖（主要由粘土礦物和碎屑石英組成），滲透率的增加表現為兩個階段：初始階段，由于孔隙連通性的改善，滲透率呈現平穩增加；隨后，隨著蟲洞突破現象的出現，滲透率大幅躍升［61］，這揭示了孔隙蝕變與流體傳輸之間的高度復雜關系。由此可見，CO2與儲區巖石的化學作用會對巖層孔隙結構、孔隙率、滲透率，以及與已有斷層間的水力聯系進行改造，增加斷層活化的不確定性。

3.3.2機械性能在運用摩爾庫倫準則評估斷層活化潛力時，關鍵在于通過抗剪強度參數（即黏聚力c和內摩擦系數μ）來計算臨界剪切應力值，進而判斷斷層是否達到失穩破壞條件。在實際的CO2封存場地中，已有斷層的剪切強度和摩擦穩定性受CO2流體引起的各種化學反應耦合作用影響，其整體機械性能減弱。Bemer等［62］在高圍壓（p = 5.2～20.3 MPa）下對Lavoux灰巖進行三軸試驗，結果表明注入CO2鹽水后巖石樣品的彈性模量和抗剪強度均有所降低；Samuelson等［63］采用直接剪切摩擦試驗，表明純干燥CO2略微降低了富含粘土斷層泥的摩擦系數；Rathnaweera等［64］的研究結果顯示，富含CO2的飽和水砂巖試樣的損傷強度大幅減少約46.44%，改變巖石剪切滑移特性。由此可見，CO2地下鹽水巖石之間的化學相互作用顯著影響斷層活化和地震活動的可能性。然而，目前儲層規模地質力學建模分析方法中，考慮巖石機械性能對地球化學反應的依賴性的研究尚顯不足，

因此需要建立嚴謹的數學模型來刻畫注入流體巖石地球化學反應所影響的力學響應特性，以準確評估這些過程誘發微震活動的可能。

綜上所述，CO2注入引起斷層活化的機制很多，如孔隙壓力擾動、巖體基質變形引起的孔隙彈性應力變化、低溫CO2引起的熱應力變化，以及CO2酸性流體引起的水力傳輸性能和機械性能變化等。圖4展示了相關機制在摩爾應力圖上的表現。實際上，斷層活化的實質在于多物理過程協同作用于已有斷層應力場，進而導致應力狀態的重分布及積累的應變能釋放，這一復雜過程由多種地質因素和工程因素共同決定。

4CO2封存誘發斷層活化的關鍵影響因素

CO2封存誘發斷層活化所涉及的熱流力化耦合過程，受地質構造特征和工程操作參數的雙重制約，其中地質因素包括儲層溫壓條件、地層巖性、地應力狀態、斷層產狀及其滲透性能等；工程因素包括流體注入速率、注入壓力、注入溫度、總注入量、注入點相對斷層的位置等。針對CGS項目誘發地震的具體案例，不同影響因素對斷層活動的調控作用及其相對重要性具有顯著差異。因此在探究誘發地震的關鍵驅動機制時，必須綜合考慮多種影響因素的疊加效應，從而確保對誘發地震的準確評估。

4.1地質因素

4.1.1斷層構造應力狀態斷層區域的構造應力狀態是決定斷層滑移及活化的核心因素。CO2注入誘發地震事件時，斷層面發生剪切破壞的潛力大于張拉破壞。因此，在同等注入條件下，垂直于斷層方向的正應力增大，斷層趨于保持閉鎖狀態；相反，平行于斷層方向的剪切應力增強將更易于誘發斷層剪切滑移。Figueiredo等［65］探討了斷層橫縱應力比對斷層活化的影響，其他條件保持不變的情況下，斷層所在位置的水平應力增大，以及水平應力與垂直應力比值提高時，斷層的剪切滑動位移會越小，這意味著斷層活化的可能性降低。Passelègue等［66］在三軸應力條件下對鋸切花崗巖樣品開展流體注入實驗，結果顯示，隨著圍壓或初始剪切應力的增加，斷層活化所需的局部流體壓力及斷層面的流體壓力不均勻性增加，這增強了斷層活化時的滑移速率。Cebry等［17］使用雙軸加載設備對鋸切花崗巖斷層進行了注入實驗，并對比分析不同背景應力水平下誘發地震事件。研究發現，較高背景應力狀態下，斷層滑動由抗震滑移引起的應力傳遞所驅動，在流體增壓區外表現為失穩型破裂；較低背景應力水平下，破裂僅限于在流體增壓區內擴展，且斷層滑移程度受增壓范圍控制。Goebel等［44］給出孔隙壓力和孔隙彈性應力對斷層上應力張量的影響程度取決于斷層構造應力場分類，即正斷層（垂直應力是最大主應力）、逆斷層（垂直應力是最小主應力）或走滑斷層（垂直應力是中間主應力）的結果。Altmann等［33］進一步闡明CO2注入期間逆斷層和走滑斷層更能沿最大水平應力方向激活，而正斷層更能沿垂直應力方向激活。

此外，熱應力對斷裂穩定性的影響也受到儲層構造應力狀態的制約。Vilarasa等［18，67］通過應力莫爾圓分析了超壓和非等溫效應影響區域內不同應力狀態下斷層穩定性。僅考慮超壓時，正斷層和逆斷層分別是最穩定和最不穩定的應力狀態；當考慮冷卻效應時，走滑斷層則是最不穩定的應力狀態。例如以走滑斷層為地質特征的阿爾及利亞In Salah的非等溫模擬結果表明，誘導熱應力引起的應力場變化導致天然裂縫發生剪切破壞，從而引發蓋層下部冷卻區域的微震現象［6870］。

因此，要準確評估孔隙壓力擴散、孔隙彈性變化及溫度效應對已有斷層應力狀態的具體影響，首先必須探明斷層構造應力狀態。然而，目前構造應力狀態的量化分析至今仍然是項亟待深入研究且極具挑戰性的難題。

4.1.2斷層傾角斷層活化風險受到斷層傾角的顯著影響，然而斷層活化概率并非由傾角單因素決定，在不同的構造應力狀態下，斷層的穩定性表現出明顯差異。Wang等［71］定義斷層活化因子（η）來表示注入導致的斷層穩定性，儲層正上方的斷層活化因子（η）隨著斷層傾角的變化規律以90°為中心對稱，正斷層狀態下斷層傾角為60°時活化概率最高，逆斷層狀態下斷層傾角為30°時活化風險最高。Gheibi等［72］通過有限元離散元數值模型表明，斷層傾角的增加提高了正斷層上盤和下盤附近的儲層和蓋層的穩定性，并且降低了逆斷層下盤附近儲層和蓋層的穩定性，而逆斷層上盤附近蓋層穩定性隨著傾角的增加而增加，在30°時斷層上盤附近儲層最不穩定，在45°時最穩定。Meguerdijian等［73］ 提出注入誘發斷層活化的震源位置和滑動起始時間是斷層傾角的相關函數。

另外，斷層傾角的差異將導致壓力和溫度在斷層面不同水平位置上的分布差異，這可能導致低溫CO2誘發熱應力在斷層不同水平位置產生不同的影響程度，或者影響CO2與巖體之間的化學反應及其力學性能變化，這些均與斷層活化的潛在風險密切相關。然而，目前針對這一影響因素下的溫度效應和地球化學反應對斷層活化影響的研究尚有待開展。

4.1.3斷層滲透率CO2流體沿著儲層內部裂隙通道自注入點向周邊擴散時，斷層滲透率的降低會增加流體在斷層區域的聚集，進而造成該區域孔隙壓力升高，增加誘發斷層活化的可能性。Taghipour等［74］進行了Gachsaran 油田 Asmari 油藏的地質力學模擬研究，揭示了低滲透斷層的存在引起注入井和斷層之間的儲層壓力增強，而遠離注入井的斷層另一側的超壓相對較小。Figueiredo 等［65］通過TOUGHFLAC 水力耦合軟件，探討了滲透率對斷層活化的影響，結果展示出在其他條件相同時，滲透率低（小于0.987 nm2）的斷層，流體更易在斷層處富集，誘發斷層活化的風險更高。Vilarrasa等［75］通過模擬CO2注入引起的地質力學響應指出，低滲透性斷層會引起斷層周圍孔隙壓力和應力的顯著變化并降低其穩定性;反之，高滲透性斷層對斷層穩定性的影響相對較小。

4.1.4其他因素溫度、地層鹽水成分和巖石礦物成分等諸多因素共同影響地球化學反應速率。不同地質深度導致的儲層溫度差異直接影響相關化學反應的反應速率。如在較低的溫度（小于60 ℃）下，碳酸鹽巖與CO2反應時傾向于溶解；而當深層儲層溫度高于60 ℃時，則更易于促使碳酸鹽礦物沉淀，這將會增加孔隙度和滲透率。咸水層中鹽水含鹽量也會影響滲透率的變化，如在注入25%鹽溶液的砂巖巖芯驅替實驗中，鹽沉淀導致絕對滲透率降低了60%［76］。在CO2溶于鹽水產生的酸性環境中，礦物質表現出不同的溶解特性：如長石礦物易于溶解，鈣和鈉長石的溶解性較強，鉀長石的溶解力較弱［15］。因此，針對巖石所發生的地球化學反應及其效應，必須緊密聯系實地具體條件來進行評估和預測，以確保準確理解其對流體傳輸性能及地質結構穩定性的影響。

CO2鹽水礦物間的地球化學反應引起的巖石力學性質演化受圍壓、礦物質和含水量等因素的共同調控，巖石強度降低將誘使儲層已有斷層的剪切滑動。在高圍壓條件下巖石易發生塑性破壞；低圍壓環境下，低蝕變程度表現為脆性破壞，而高蝕變程度呈現為塑性破壞［77］；干燥條件下CO2略微降低富含粘土斷層泥的摩擦系數［63］，而水和CO2共同作用于硬石膏斷層泥時，其摩擦系數降低15%，大幅增加誘發地震的可能性［78］。在恒定的機械應力下，由于機械和化學過程的相互作用，儲層巖石會發生與時間相關的壓實變形。已有試驗結果表明，蠕變變形受晶粒尺寸、礦物成分、溫度、含水量、孔隙流體pH值等多種因素的影響［12］。如在高溫高壓（溫度為28～100 ℃，壓力為4～40 MPa）條件下，超臨界CO2溶液作用使得預壓多孔方解石聚集體發生了顯著的蠕變；對于小晶粒尺寸，主要的破壞機制是壓溶蠕變，而對于大晶粒尺寸，亞臨界微裂紋普遍存在；由于水會降低粘土礦物的摩擦系數［7980］，孔隙空間含水量會影響巖石蠕變，粘土或有機物含量增多會加強蠕變變形；不同礦物的化學反應活性也是決定蠕變速率的關鍵，如砂巖相對于石灰巖表現出低幾個數量級的蠕變速率。

4.2工程因素

4.2.1CO2注入策略流體注入策略的關鍵參數，如流體總注入量、注入壓力和注入速率等對孔隙壓力積累及斷層活化特征具有顯著調控作用，進而影響誘發地震的能量釋放規模。一般來說，當其他條件相同時，注入速率越高、注入壓力越高、總注入量越大，斷層活化的可能性越高。Nicol等［81］基于對多個CGS項目誘發地震活動的公開數據的統計分析發現，隨著注入過程的推進，發生等于或超過某一特定震級閾值地震的概率與累積注入量呈正比關系。Taghipour等［74］利用數值模擬研究了不同注入壓力下伊朗Gachsaran油田Asmari儲層已有斷層活化的可能性，研究發現，5 a的持續注入期間注入壓力保持為30 MPa時不會引起新裂縫或斷層滑動，而注入壓力增加到50和60 MPa時，分別在100和12 d內產生塑性應變和斷層滑動。Konstantinovskaya等［82］通過建立St. Lawrence盆地的儲層地質力學耦合模型評估了注入速率對該地區正斷層剪切破壞可能的影響，結果顯示，注入井周圍和斷層帶內的流體壓力積聚在很大程度上取決于注入速率：注入速率越高，井周圍和斷層帶內流體壓力積聚越強，斷層越早發生剪切破壞。

如果注入的CO2和地層之間存在一定溫差，熱應力效應顯現出來，應力場將受到熱應力和孔隙彈性效應耦合的影響。高CO2注入速率下，注入引起的冷鋒前緣遠遠滯后于孔隙壓力前緣，孔隙彈性效應主導裂縫擴展和斷層滑移，非等溫效應的影響相對較小；低CO2注入速率下，冷鋒前緣和CO2遷移前緣幾乎一致，非等溫效應成為控制裂縫擴展和斷層滑移的主導因素［3］。Goodarzi等［83］通過Ohio流域 Rose Run儲層的熱流地質力學耦合模擬說明，隨著CO2注入速率的增加，熱效應對裂縫擴展的影響減弱，且不論熱效應大小如何，斷層不穩定性都會增加。在足夠小的注入速率下，低溫CO2注入和等溫CO2注入所引起的裂縫長度差異會增加，并且這種差異將隨著注入溫度的降低而加速擴大。

CO2注入溫度是調控多物理過程的關鍵因素，不同的注入溫度會導致注入點附近地層溫度的差異。高溫條件下，流體粘度增加促進更高的遷移速率，從而可能減輕壓力積聚效應；同時，注入溫度差異還會造成不同的熱應力分布，影響斷層的地應力狀態。此外，CO2在鹽水中的溶解度隨著溫度的升高而下降［84］，這引起不同的地層水pH值，進而觸發不同的地球化學反應過程。然而，關于這些溫度變化引起的多物理過程如何具體作用并影響斷層活化風險的研究尚顯不足，亟待開展進一步研究與探討。

4.2.2CO2注入位置含斷層儲層中的孔隙壓力分布受注入井距斷層距離的影響，當注入井遠離斷層時孔隙壓力的演化相對穩定和均勻，如挪威Sleipner的Utsira地層和Illinois盆地的西蒙山砂巖；而注入井附近存在低滲透性斷層時，超壓迅速增加并達到臨界閾值，進而誘發斷層活化，如挪威Snhvit項目［3］。Rutqvist等［82］也證實相同注入速率下，距注入井較近斷層（1.5 km）比較遠斷層（4.4 km）更早活化。相對而言，CO2從斷層上盤注入或從下盤注入對斷層穩定性的影響基本相似，下盤注入時的最大動摩擦角僅略高于上盤注入，但引起的斷層周圍應力變化都將導致斷層穩定性顯著降低［75］。

5總結和討論

CO2封存項目存在誘發地震活動的風險，與其他工業注水項目相比，CO2注入誘發地震機制具有諸多典型特征。文中介紹了CO2注入誘發地震的典型工程案例，并結合摩爾庫倫準則，分析了熱流力化耦合作用下的斷層活化機制，主要包括壓力擴散、非等溫效應和化學反應對斷層活化的影響。通過對多場耦合過程及其影響因素與斷層失穩活動關聯的闡述分析，得出以下幾點主要認識。

1） CO2注入誘發地震與熱流力化耦合過程密切相關，如孔隙壓力擾動、低溫CO2引起的熱應力變化，以及CO2酸性流體引起的地球化學反應等，實際誘發地震事件是多物理過程協同作用于已有斷層應力場進而導致斷層破壞和失穩的結果。

2） 超臨界狀態CO2 注入地層鹽水，形成多相流系統。相對滲透率和毛細作用對流體壓力的演化非常關鍵，這將產生不同于單相流系統的地震響應。此外，考慮巖石時變力學特性的孔隙彈性效應是揭示誘發地震活動的重要機制，但目前與之相關的研究較為有限。

3） 低溫CO2注入將引發焦耳湯姆遜冷卻效應、CO2溶解放熱，以及蒸發吸熱等一系列非等溫效應，這將導致巖石熱收縮產生熱應力。結合流體注入引起的孔隙壓力增加，斷層上有效應力將進一步降低，增加斷層活化風險。

4） CO2地下鹽水巖體相互作用改變儲層巖石水力傳輸性能和機械性能，增加斷層活化的不確定性。但由于短時間尺度內化學場作用不明顯，當前考慮化學反應的熱流力化全耦合模擬研究相對有限，并且如何將建模研究外推到儲層條件尚不清楚。

5） 構造應力狀態是影響斷層活化的主控因素，決定了孔隙壓力和熱應力對已有斷層穩定性的影響。斷層的傾角、滲透性、礦物成分等屬性是斷層活化的內因。盡管已明確CO2注入導致儲層應力變化并誘發地震活動，但斷層系統的復雜性及其與注入CO2相互作用機制的定量評估與解釋仍限制了誘發地震的精準預測。

6） CO2注入策略是觸發斷層活化的誘發因素和可控因素。然而，在實際工程應用中，由于儲層深部復雜的地質構造環境及其高精度表征的局限性，很難準確量化注入行為與誘發地震級別之間的相關關系。

因此，針對CGS項目的誘發地震災害風險，當前存在一系列關鍵科學問題和工程技術挑戰尚待攻克。未來研究方向應聚焦于：多場耦合框架下深入剖析巖體變形與失穩機理；探究注入CO2與復雜斷層系統間的相互作用機制；提升深部儲區地質力學狀態及構造背景的表征技術；以及研發高效安全的CO2注入調控策略等，旨在有效防控CO2封存誘發的地震災害風險。

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（責任編輯： "黃仲一英文審校： 方德平）