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工业革命以来，迅猛发展的科学技术给人类的生活带来了巨大的变化，同时也向环境中排放了大量的温室气体（主要是CO2），所引起的温室效应正日益严重。在90年代全球CO2的排放量约为270亿吨，按这种发展趋势推算，到2100年，全球的CO2年排放量将达到约770亿吨，大气中CO2的平均体积分数将达到约1100ppm，全球温度将升高1～3.58℃，由此可能引起严重的全球环境问题。如何减少CO2的排放量，缓减全球气候变化成为了世界各国政府和科学家密切关注与研究的焦点。
在一系列CO2的减排方法中，CO2地质封存技术被视为最具潜力的一种。该技术是将固定的CO2排放源所产生的CO2经收集、运输和注入长期储存于相对封闭的地质构造中，来减少CO2向大气中的人为排放。主要的地质封存介质包括深部咸水含水层、枯竭的油气藏、不可采煤层和深海等。
CO2地质封存的工程实施中所面临的关键问题是注入性，储存性和安全性。其中，安全性最令人关注，因为CO2一旦泄漏，就会酸化浅层地下水源，造成地表生物窒息死亡，同样会增加大气中CO2的浓度。盖层作为防止CO2泄漏的屏障，成为了研究的焦点。目前对盖层进行评价的指标主要为厚度、面积、分布连续性、力学稳定性、孔隙度、渗透率、封气指数、断裂和裂隙发育情况等物性参数。然而CO2地质封存是一个长期的过程。即使完整连续低渗的盖层，在长期的储存过程中，也会有一定量的CO2渗入，CO2与盖层长期接触，发生的地球化学反应可能会对盖层的物性产生影响，同时会影响封闭效果。因此仅使用物性参数指标来评估盖层的封闭性是不够的，还必须考虑由盖层矿物成分、储集条件所控制的地球化学作用对盖层封闭性的影响，从而将盖层的矿物组成和储集条件纳入盖层的评价体系。然而对储存场所的地球化学变化以及储存安全性的评估等需要长期的监测和研究，同时也存在着空间尺度的问题，这些研究内容在室内和野外实验研究中都是无法完全实现的。
本文筛选江汉盆地的砂岩储层和泥岩盖层作为研究对象，使用国际先进的反应溶质运移数值模拟软件TOUGHREACT，构建一维（均质盖层）和二维（非均质盖层）模型分别研究了CO2突破毛细压力进入均质盖层（对流+扩散机制）、溶解于水扩散进入均质盖层（扩散机制）和突破毛细压力进入非均质盖层三种情况下，超临界CO2-水-岩相互作用对盖层封闭性的影响，探讨矿物成分和储集条件（温度和盐度）对盖层封闭性的作用。
通过上述研究，本文得到如下几点结论:
(1)在对流+扩散机制控制下，CO2突破毛细压后进入盖层，溶解于水中，引起pH值降低，CO2-水-岩石的相互作用对泥岩盖层的渗透率产生了一定影响:
①5000年后，盖层的最底部渗透率增加了10％，主要由于石膏在该处的溶解造成的。
②盖层中部和上部渗透率在1000年内增加，而2000年出现了降低，5000年渗透率降低了约6.7％，出现了自封闭现象，主要因为菱镁矿和铁白云石后期的沉淀。
③绿泥石的溶解为铁白云石和菱镁矿的沉淀提供了必要的Mg2+和Fe2+，对盖层渗透率的变化起到了至关重要的作用。
④石膏的溶解使得盖层中Ca2+浓度增加，从而促成方解石的沉淀，消耗了系统中的CO32-，减缓了菱镁矿和铁白云石的沉淀，并降低了沉淀量，使得自封闭性能减弱。
⑤盐度增加抑制了绿泥石和方解石的溶解，还降低了CO2在水中的溶解量，从而未能产生充足的Mg2+、Fe2+和CO32-，使得系统中未能生成菱镁矿和铁白云石，从而不能产生自封闭现象。
⑥温度的升高增大了石膏的溶解量，降低了CO2的溶解量。石膏溶解的增多增加了系统中Ca2+的含量，导致了方解石的沉淀，消耗了系统中的CO32-。同时CO2溶解量的减少会降低水溶液中CO32-的含量。总之温度的升高使得系统中CO32-减少，影响了菱镁矿和铁白云石的沉淀，自封闭仅发生在盖层底部。
(2)在扩散机制控制下，CO2气体未突破毛细压进入盖层，导致盖层水中溶解的CO2和Mg2+较对流+扩散机制条件下急剧降低，对盖层封闭性的影响也有很大差异:
①在2000年时未能生成菱镁矿和铁白云石，从而没有发生自封闭现象。
②盖层底部的溶蚀速率比对流+扩散机制条件下大，5000年渗透率增加了60％，由底部向上溶蚀作用逐渐减小，溶蚀的范围仅有2.3m。主要是由钾长石和钠长石的溶解引起的。
③温度的升高加大了盖层渗透率的增加幅度，强化了溶蚀作用，因为动力学反应速率常数随着温度的升高而增加，在温度升高的时候，矿物溶解的速率增大。
④盐度增加所产生的同离子效应抑制了矿物的溶解，可以抑制盖层的溶蚀现象，但在本次研究条件下抑制的程度不大。
(3)对于非均质的盖层，CO2会优先通过渗透率较高的地区进入盖层。CO2-水-岩石的反应引起盖层矿物的变化，从而改变盖层的孔隙度和渗透率。本次研究500年内，矿物的变化引起了盖层孔隙度的增加，势必会造成渗透率的增大，这就进一步加大了盖层的异质性，有利于CO2优先流的发生，不利于盖层的稳定。如果矿物的变化导致渗透性的降低，则会减弱盖层的异质性，避免CO2优先流，增强封闭能力。所以研究非均质性盖层的意义尤为重要。
本文通过研究江汉盆地泥岩盖层中矿物组分和储集条件对盖层渗透变化的影响，所得到的以上初步结论，有助于将盖层的矿物组成和储集条件（温度和盐度）纳入盖层的评价体系，使得盖层的评价体系更为完善，评价结果更为可靠，为盖层的安全性评价提供理论依据，有利于我国今后CO2地质储存机理的进一步深入研究和相关实际工程的广泛开展。