1.1 研究背景及选题依据
自工业革命以来，科学技术的迅速发展以及工业化进程的加快使得人类的生活水平得到了很大的提升。但随着社会发展而引发的自然环境的恶化也日益严重，其中包括煤、石油等化石能源的燃烧产生的以 CO2为主的温室气体[1-2]所引发的全球气候变暖问题已成为 21 世纪人类面临的重大挑战。据 IPCC 第五次评估报告，在 2010～2014 年这 5 年间，全球温室气体的排放量持续升高，相应的大气中的 CO2的浓度首次超过了 400mg/L[3]，比工业革命前（280mg/L 左右）高出 43%。同时大气中 CO2的浓度不断增加也导致了地球表面的温度逐年升高，与 1986～2005 年相比，预计 2016～2035 年全球平均地表温度将升高 0.3～0.7℃，2081～2100 年将升高 0.3～4.8℃。人为温室气体排放越多，增温幅度就越大[4]。全球温度的升高将会导致人类自身赖以生存的生态环境的恶化，给人类和自然生态系统带来灾难性的后果。 中国是世界上最大的碳排放国之一，据统计 2011 年中国的碳排放量达到 80×108t，占全球总排放量的 1/4，超过美国排放量的 50％左右，2005～2011 年全球新增二氧化碳排放量中，中国所占的比重达 60％以上[5]。2013 年排放到大气中的 360×108t 碳中，中国占了近 1/3，美国只占 15％左右[6]。由此可见我国的碳排放形式也是日益严峻。 气候变化无国界，应对气候变化需要国际合作。遏制全球变暖，必须减少温室气体的排放。为实现此任务，世界各国在 1992 年共同签署了《联合国气候变化框架条约》，为保护共同的生存环境迈出了第一步，1997 年的《京都协议书》和 2007 年联合国气候变化产生的“巴厘岛路线图”，则成为世界应对气候变化的基本框架和实施路线[7]，2015 年巴黎气候变化大会通过的《巴黎协定》和有关决定，标志着全球气候治理进入了新的阶段[8].
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1.2 国内外研究现状
自从 20 世纪 70 年代，美国开展了注入 CO2提高石油采收率（Enhanced Oil Recovery，EOR）项目以来，世界上许多发达国家和发展中国家也相继开展了将CO2 注入油气田、煤层或咸水层以达到永久储存的项目，经过近 40 年的研究和实践，CCS（CO2 Capture and Storage）技术已逐步发展成为气候变化背景下减排温室气体的重要手段之一[32]，目前世界上正在运行的大型 CCS 项目每年能阻止2500×104t 二氧化碳向大气中排放。截止 2013 年，全球捕集与封存研究院 2013年已经确立 65 个此类项目。正在运行的项目从 2012 年的 8 个增加到了 12 个，在建的大型项目有 8 个。中国目前有 12 个，与 2010 年的 5 个相比，在数量上仅次于美国（20 个项目）[33-37]。目前世界上具有较大规模和影响力的 CO2地质储存项目包括：Sleipner 项目，CO2被注入北海海底以下 900m 深处的咸水饱和砂岩层中，迄今尚未检测到任何泄露，证明将 CO2储存在地下深部咸水层中是可行的[38]；Weyburn 项目，利用注入 CO2提高石油采收率（EOR），迄今为止已有70 万吨 CO2被灌入油田，证明了油气田的天然地质结构非常适宜长期封存 CO2；加拿大边界大坝（Boundary Dam）项目，是世界上第二个在发电行业进行的大规模碳捕集工程；伊利诺伊工业碳捕集与封存（ICCS）项目，是美国第一个在深部咸水层封存 CO2的项目[39]。
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第 2 章 研究区概况及目标层特征
2.1 自然地理概况
鄂尔多斯盆地是我国第二大陆相沉积盆地，地处我国中西部，盆地总面 37万平方公里，北跨乌兰格尔基岩凸起与河套盆地为邻，南越渭北挠褶带与渭河盆地相望，东接晋西挠褶带与吕梁隆起呼应，西经掩冲构造带与六盘山、银川盆地对峙，地跨山西省、宁夏回族自治区、陕西省、甘肃省和内蒙古自治区五省区。 鄂尔多斯盆地 CCS 示范工程区位于鄂尔多斯盆地东部内蒙古和陕西交界地带，行政区划属内蒙古自治区伊金霍洛旗和陕西省神木县。地理坐标：东经109°53′12″～110°14′9″，北纬 39°12′～39°28′。面积 900km2。在构造单元上属于鄂尔多斯盆地伊盟隆起带东缘，研究区位置交通图见图 2.1。区内交通以公路为主，内蒙古阿勒腾席热镇～陕西省大柳塔镇一级公路南北向贯穿研究区，小霍洛-大柳塔公路东西向横跨研究区，省道府深线自西南部穿过，神木-鄂尔多斯公路从研究区东北部穿过。除此之外，府谷至东胜（鄂尔多斯）的煤炭专用铁路从研究区内经过，包头至神木的包-神铁路以西北-东南向穿过研究区东北部，区内还有鄂尔多斯飞机场，交通便利。
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2.2 社会经济概况
鄂尔多斯盆地内矿产资源丰富，煤炭广布于全区，尤以渭北、华亭、石咀山、晋西等地最为著称。铁、锰、铜、铅等金属矿产，在外围山区已有发现。天然碱和食盐的储量也很丰富。长城以北人口稀少，为汉、蒙杂居区，以畜牧业为主。宁夏地区回、汉杂居，其他地区均以汉民为主，主要从事农业生产。邻区银川平原的大米久负盛名，关中平原主产小麦，产量占陕西全省产量的半数以上。陕北、陇东则产小麦、玉米、小米等。 神华 CCS 示范工程研究区所在的乌兰木伦镇地处鄂尔多斯市伊金霍洛旗东南部，与陕西省神木县大柳塔镇隔河相望。境内矿产资源丰富，以煤炭为主，探明储量已达百亿吨，具有低灰、低硫、低磷、高发热量的特点，以质优、层厚、储量丰富、易于开采而闻名，素有“太阳石故乡”之美誉，是神华神东煤炭集团的主采区。农牧业经济持续发展，全镇现有农耕地 4.16 万亩，水浇地 1.42 万亩，人工种草保存面积 14.63 万亩。近年来，依托资源、区位、交通等优势，在矿区开发建设的带动下，乡镇经济和社会各项事业得到快速发展，人民生活水平明显提高。2013 年，全镇地区生产总值完成 350 多亿元，全年地区产生税收达到 80亿元，城镇居民人均可支配收入达到 48650 元，农牧民人均纯收入达到 19450 元。
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第 3 章 孔隙压力对渗透率影响的实验研究 ........ 23
3.1 实验方案设计 ..... 23
3.2 实验岩样物性和地球化学特征 ....... 28
3.2.1 岩样物性特征 ...... 28
3.2.2 岩样矿物和微观结构特征 ...... 34
3.3 渗透率随孔隙压力变化规律的实验研究 ........... 36
3.4 孔隙压力与岩石渗透率的数学模型构建 ........... 40
3.5 本章小结.... 43
第 4 章 储层力学响应对 CO2地质储存影响的数值模拟研究 .......... 45
4.1 模拟软件.... 45
4.2 二氧化碳地质储存过程考虑储层力学响应的实现方法 ....... 45
4.3 数值模拟模型建立 ....... 51
4.4 固定注入压力下储层力学响应对 CO2地质储存的影响 ....... 55
4.5 不同注入压力下储层力学响应对 CO2地质储存的影响 ....... 65
4.6 本章小结.... 72
第 5 章 结论与建议 ........ 75
5.1 结论 ............ 75
5.2 建议 ............ 75
第 4 章 储层力学响应对 CO2地质储存影响的数值模拟研究
CO2 地质储存是一个复杂的渗流场、温度场、应力场、化学场多场耦合过程，这一过程包含了多相流体的渗流、热量的转移、储层力学响应以及化学物质的反应和运移等，储层的孔隙度和渗透率对 CO2在储层中的运移和封存量均有显著影响。CO2注入会导致注入区域岩体原有的应力状态发生改变，进而改变储层的孔隙度和渗透率。本章采用数值模拟手段，研究储层力学响应对储层环境条件、物性参数、CO2注入速率、CO2的运移及封存量的影响。
4.1 模拟软件
本文采用在 TOUGH2 软件基础上耦合力学模块所形成的模拟器进行数值模拟研究，模拟器的主干为 TOUGH2 ECO2N 模块。TOUGH2 是由美国劳伦斯-伯克利国家实验室（LBNL）开发而成，该软件能够应用于模拟一维、二维和三维孔隙或裂隙介质中，多相流、多组分及非等温的流体及热量运移的数值模拟程序。它运用积分有限差分法进行空间离散，采用完全隐式的迭代方法对方程组进行求解。可以应用于解决诸多大尺度（空间、时间）复杂地质体系和环境问题，例如：CO2 地质储存、核废料的处理、地热开发、污染物的运移及环境评价与修复等。 TOUGH2 软件针对不同的问题提供不同的模块。其中的 ECO2N 模块是针对深部咸水层 CO2地质储存而设计，可以较为准确的模拟储层中 CO2在构造、应力、温度、渗流等多方面因素影响下的运移
