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CO2地质封存（CGS）指的是将CO2从工业的排放源捕获和收集,运输并封存在含有较多孔隙的地质构造中,使CO2长期与大气隔绝的减排技术,它是目前实现CO2减排的有效手段之一。CO2地质封存的两个重要的地质单元体为储层和盖层,储层的作用是储存并让CO2驻留在地质单元的孔隙中,储层上覆的盖层则是阻止CO2从储层逃逸,起到封存作用。本文通过数值模拟手段,以新疆准噶尔盆地阜康北部地区东沟组储层上覆的紫泥泉子组作为研究盖层,结合盖层的物性特征和矿物组成特征,系统研究了CO2注入压力、裂隙和盖层的非均质性等因素对CO2在盖层中的扩散、侵入距离、盖层中矿物的溶解与沉淀、盖层孔渗条件变化的影响。取得以下主要成果:1.系统分析并明确了不同压差情况下均质盖层中CO2的空间分布特征、矿物的溶解/沉淀特征,以及盖层的封闭性能变化不同的注入压力条件影响气态和溶解态CO2侵入盖层的距离,随着注入压力的增大,气态和溶解态CO2垂向上侵入盖层的距离增加。当压力差分别为1.0 MPa、2.0 MPa、3.0 MPa和4.0 MPa时,第1000年,气态CO2垂向上最大侵入距离分别为0.5 m、14 m、32 m和52 m;溶解态CO2的空间分布与气态CO2的空间分布差异不大,溶解态CO2的最大侵入距离要稍大于气态CO2的最大侵入距离,但是增大的幅度很微小,四种方案下,第1000年,溶解态CO2的最大侵入距离分别为2 m、16 m、32 m和55 m。盖层中溶解矿物主要有奥长石、钾长石和绿泥石等,矿物的溶解发生在盖层水PH值较小的区域,但是溶解的强度随着盖层的埋深差别较大,强度最大的区域出现在盖层底板与储层顶板的交界面上,四种方案下,矿物溶解分别发生在盖层底板以上2.0 m、14.5 m、31 m和52 m的区域。沉淀矿物主要有石英、钠蒙脱石、伊利石、铁白云石、菱镁矿以及菱铁矿等,其中铁白云石、菱镁矿、菱铁矿等为次生矿物,四种方案下,沉淀发生的区域和溶解发生的区域几乎重合,即沉淀分别发生在盖层底板以上2.0 m、14.5m、31 m和52 m的区域。既溶解又沉淀的矿物主要包括:方解石和钙蒙脱石。方解石在H+充足的区域以溶解为主,H+不太充足的区域则以沉淀为主,四种方案下,方解石溶解分别发生在盖层底板以上0-1.6 m、0-12 m、0-20 m和0-30 m的区域,方解石沉淀分别发生在盖层底板以上1.6-2.0 m、12-14.5m、20-31 m和30-52 m的区域。钙蒙脱石的沉淀区域发生在PH较小富含H+的区域,而方解石的溶解区域发生在PH较小富含H+的区域。不同的注入压力差,第1000年,孔隙度和渗透率发生变化的区域不同,当压力差为1.0 MPa、2.0 MPa、3.0 MPa和4.0 MPa时,孔渗变化的区域分别为盖层底板以上1.4m、8.75 m、17.5 m和25.0 m。随着注入时间的增长,孔隙度的改变量也增大,孔隙度改变量的最大值约为+0.021,增幅111%,该区域渗透率的变化也最大,最大值变为1.1mD,相比较原来的渗透率0.1 mD,渗透率的变化量为+1 mD,增幅1000%。相比较盖层原来的封闭能力,孔渗改变较大的区域,盖层的封闭性能力有着较大的消弱。盖层封闭性有多种评价指标,如气态CO2的最大侵入距离、溶解态CO2最大侵入距离和盖层的孔隙度变化情况等。四种方案千年尺度下,气态CO2的最大侵入距离分别为0.5 m、14 m、32 m和52 m,最大侵入距离为52 m;溶解态CO2的最大侵入距离分别为2 m、16 m、32 m和55 m,最大侵入距离为55 m;孔隙度和渗透率增大的区域分别为盖层底板以上1.4 m、9.0 m、17.0 m和27.5 m,孔渗条件增大的最大距离为盖层底板以上27.5 m,则四种方案同样均能够保证千年尺度盖层的封闭效果。因此,实际的工程注入情况,紫泥泉子组盖层的封闭性能有保证。2.明确了盖层中存在裂隙的情况下,盖层中CO2的空间分布特征、矿物的溶解/沉淀特征以及盖层的封闭性能变化当盖层中存在裂隙时,CO2会优先沿着裂隙向上扩散运移,同时也会缓慢的侧向侵入盖层内部。不同的注入压力差,不仅影响CO2在垂向上的迁移距离,而且对水平方向上的侵入也有较大影响。由于裂隙处孔隙度和渗透率都比较大,最大注入压力（与静水压力的差值为4.0 MPa）情况下垂向上CO2能够短时间（不到2年）内突破盖层裂隙侵入到上部;对于水平方向上,随着注入压力的增大,CO2的侵入距离越大,四种方案千年尺度下,气态CO2水平方向的最大侵入距离分别为0.4 m、0.8 m、18 m和73 m,溶解态CO2水平方向的最大侵入距离分别为1.8 m、4.0 m、19 m和81 m。不同的注入压力差条件下,裂隙及其附近区域都表现出孔隙度增大的趋势,裂隙处的孔隙度随着注入压力的增大而增大。不同的注入压力差条件下,裂隙及其附近区域都表现出孔隙度增大的趋势,裂隙处的孔隙度改变的最大值随着注入压力的增大而增大。四种注入压力条件下,裂隙处孔隙度改变的最大值相比初始值分别提高了3.23%、4.46%、4.64%和4.67%;渗透率改变的最大值相比初始值分别提高了0.78%、1.133%、1.178%和1.186%。可见,通过裂隙泄露CO2的能力有增强趋势,相较于原来的封闭性能,盖层封闭效果有消弱趋势。由于裂隙区初始渗透率值较大,即使CO2注入对盖层渗透率改变不大,其泄露风险也很大。因此,在实际的CO2注入场地选址中,应该充分注意含有裂隙的盖层泄露风险。3.明确了盖层物性（孔隙度、渗透率）非均质和矿物非均质性对盖层中CO2的空间分布特征、矿物的溶解/沉淀特征以及盖层的封闭性能的影响规律和影响程度盖层的物性（孔隙度、渗透率）和矿物空间分布的非均质性对于气态和溶解态CO2的垂向最大侵入距离有着比较大的影响,在千年尺度下,气态CO2在均质和非均质盖层中的最大侵入距离分别为43.5 m和48 m,溶解态CO2在均质和非均质盖层中的最大侵入距离分别为45 m和50 m。由于盖层的非均质性使得气态CO2在垂向上扩散运移出现非均匀分布的绕行现象,相比气态CO2在均质盖层垂向上“平推式”运移,气态CO2在非均质盖层中的最大侵入距离有所增加。但对于气态CO2侵入扩散盖层的总体积来说,千年尺度内,气态CO2在均质盖层中的扩散程度要大于非均质盖层,气态CO2在均质和非均质盖层中侵入盖层的总体积分别为44%和30%。盖层封闭性有多种评价指标,如气态CO2的最大侵入距离、溶解态CO2最大侵入距离和盖层的孔隙度变化情况等。均质和非均质盖层千年尺度下,气态CO2的最大侵入距离分别为为43.5 m和48 m,最大侵入距离为48 m;溶解态CO2的最大侵入距离分别为45 m和50 m,最大侵入距离为50 m;孔隙度和渗透率增大的区域分别为盖层底板以上25 m和46 m,孔渗条件增大的最大距离为盖层底板以上46 m。可见三种评价指标非均质盖层发生变化的范围要大于均质盖层,但二者均能够保证千年尺度上盖层封闭的安全性。总的来说,通过本文研究CO2侵入盖层的几种模型,可以发现,在千年尺度下,紫泥泉子组泥岩作为盖层封存效果有保证,但是要对裂隙在盖层的空间分布引起足够的注意。