本发明属于CO2地质封存领域，涉及一种最大化CO2封存效率的盐水预抽量和回注量计算方法及场地试验验证方法，并提供了一种提高CO2封存效率的预抽‑回注方法，分别将计算得到的盐水预抽量和回注量作为CO2封存过程中实际盐水抽取和回注的控制条件，同时建立了CO2注入速度与盐水抽取速度关系、盐水回注速度与CO2注入速度关系。通过本发明设计的一种最大化CO2封存效率的场地试验验证方法和装置，与场地试验对比验证了所述计算方法精度超过95％；通过计算盐水预抽量和回注量实施盐水预抽和回注策略，与常规封存试验对比封存能力提高25％、封存安全提高20％。
1.一种最大化CO2封存效率的盐水预抽量和回注量计算方法，其特征在于，具体计算步骤包括：(1)计算底部盐水层盐水预抽量V预抽
盐水预抽量指在CO2注入前的盐水抽取量；CO2注入后，盐水抽取仍会持续一段时间，但该段时间内的盐水抽取量不计入盐水预抽量内；
式中，Pw 、 为底部盐水层坍塌压力临界值和许用值，MPa；σH、σh分别为最大、最小水平主应力，由施加的水平围压获得，MPa；Pp为盐水层初始地层孔隙压力，由所施加地层孔隙压力获得，MPa；为内摩擦角，通过多组三轴压缩实验的莫尔包络线获得；c为内聚力，通过多组三轴压缩实验的莫尔包络线获得，MPa；α为比奥系数，一般为0.85；n1为安全系数，无量纲，结合工程经验设定；
②确定由盐水预抽引起的底部盐水层孔隙压力下降ΔPp预抽，以下降后的孔隙压力值Pp‑cΔPp预抽不低于坍塌压力许用值[Pw]为临界条件计算盐水预抽量V预抽；
式中，ΔPp预抽为盐水预抽引起的底部盐水层孔隙压力变化，MPa；H预抽为盐水预抽引起的‑3水位高度变化，m；γ盐水为盐水重度，KN·m ；V预抽、V渗分别为盐水预抽量、实际条件下盐水预
抽引起的地下流体从无穷远处向预抽井渗流的补给量，m ；S为底部盐水层水平面积，m ；φ下为底部盐水层孔隙度，无量纲；
式中，Pw 、 为盐水层破裂压力临界值和许用值，MPa；σt为盐水层抗拉强度，通过巴西劈裂试验获得，MPa；n2为安全系数，无量纲，结合工程经验设定；
②确定由盐水回注引起的顶部盐水层孔隙压力增加ΔPp回注，以增大后的孔隙压力值Pp+ΔPp回注不高于破裂压力许用值 为临界条件计算盐水回注量V回注；
式中，ΔPp回注为盐水回注引起的顶部盐水层孔隙压力变化，MPa；H回注为盐水回注引起的水位高度变化，m；V回注、V′渗分别为盐水回注量、实际条件下盐水回注引起的地下流体从回注
井向无穷远处渗流的溢出量，m ；S′为顶部盐水层水平面积，m ；φ上为顶部盐水层孔隙度，无量纲；
(3)底部盐水层CO2注入与盐水抽取同步发生时，建立CO2注入速度v注与盐水抽取速度v抽取的关系：式中，ΔPp注为CO2注入引起底部盐水层孔隙压力变化 MPa；v注为
CO2注入速度，m·s ；v抽取为盐水抽取速度，m·s ；v″渗‑v渗为实际条件下底部盐水层地下
流体从无穷远处向预抽井及注入井渗流的补给速度，m·s ；
(4)底部盐水层CO2注入与顶部盐水层盐水回注同步发生时，建立CO2注入速度v注与盐水回注速度v回注的关系：
式中，v回注为盐水回注速度，m·s ；v注为CO2注入速度，m·s 。
2.一种提高CO2封存效率的预抽‑回注方法，其特征在于，具体包括以下步骤：首先对底部盐水层进行盐水预抽；当盐水预抽量达到权利要求1中计算得到的盐水预抽量V预抽时，开始向底部盐水层注入CO2，同时由权利要求1中所建立的CO2注入速度与盐水抽取速度关系控制CO2注入速度；当CO2检测器检测到CO2时，停止盐水抽取；当底部盐水层孔隙压力恢复到初始孔隙压力时，开始向顶部盐水层回注盐水，同时由权利要求书1中所建立的盐水回注速度与CO2注入速度关系控制盐水回注速度；当盐水回注量达到权利要求书1中计算得到的盐水回注量V回注时，停止盐水回注；当底部盐水层孔隙压力达到破裂压力许用值时，停止CO2注入。
3.一种最大化CO2封存效率的场地试验验证方法，验证权利要求1所述的最大化CO2封存效率的盐水预抽量和回注量计算方法，其特征在于，具体操作步骤包括：步骤1：布设场地试验
通过液压支架及配重块给盐水层施加三向围压，通过液体增压器及承压钢管给盐水层施加初始地层孔隙压力；
在CO2注入前，通过预抽井从底部盐水层中抽取盐水并暂存于储存箱；在CO2注入后，当盐水预抽井井底处CO2检测器检测到CO2时，停止盐水抽取；
当流体压力传感器监测到的底部盐水层孔隙压力达到坍塌压力许用值时，开始通过注入井向底部盐水层中注入CO2；当流体压力传感器监测到的底部盐水层孔隙压力达到破裂压力许用值时，停止CO2注入；
当流体压力传感器监测到的底部盐水层孔隙压力值恢复到初始孔隙压力时，开始通过回注井将从底部盐水层中抽取的盐水回注到顶部盐水层中；当流体压力传感器监测到的顶部盐水层孔隙压力达到顶部盐水层破裂压力许用值时，停止盐水回注；
停止CO2注入，试验结束；记录CO2注入量、底部盐水层隆起变形值、底部盐水层孔隙压力监测值达到坍塌压力许用值时的盐水实际抽取量、顶部盐水层孔隙压力监测值达到破裂压力许用值时的盐水实际回注量；
获取底部盐水层孔隙压力监测值达到坍塌压力许用值时的盐水实际抽取量，以盐水实际抽取量的等效体积与盐水预抽量理论值对比，若误差在5％以内，表明盐水预抽量计算方法可以满足现场工程；所述盐水预抽量理论值是指权利要求1的步骤(1)所述的底部盐水层盐水预抽量V预抽；
获取顶部盐水层孔隙压力监测值达到破裂压力许用值时的盐水实际回注量，以盐水实际回注量的等效体积与盐水回注量理论值对比，若误差在5％以内，表明盐水回注量计算方法可以满足现场工程；所述盐水回注量理论值是指权利要求1的步骤(2)所述的顶部盐水层盐水回注量V回注；
(1)通过步骤2中的(1)、(2)、(3)和(4)开展最大化CO2封存效率场地试验，通过步骤2中的(5)获取CO2注入量和底部盐水层最大隆起变形；
(2)通过步骤2中的(1)和(3)开展常规CO2封存场地试验，通过步骤2中的(5)获取CO2注入量和底部盐水层最大隆起变形；
(3)对比上述(1)和(2)中的CO2注入量，确认最大化CO2封存效率场地试验具有封存能力优势；对比(1)和(2)中的底部盐水层最大隆起变形，确认最大化CO2封存效率场地试验具有封存安全优势。
4.根据权利要求3所述的一种最大化CO2封存效率的场地试验验证方法，其特征在于，所述CO2封存的场地试验装置，包括基坑、底部盐水层、盖层、顶部盐水层、位移传感器、流体压力传感器、防渗箱体、“回”字型基坑、液压支架、配重块、液体增压器、承压钢管、预抽井、储存箱、CO2检测器、定压泵、定压水箱、超临界CO2气罐、注入井、回注井。
5.根据权利要求4所述的一种最大化CO2封存效率的场地试验验证方法，其特征在于，底部盐水层、盖层、顶部盐水层构成盐水层，盐水层外部包裹有防渗箱体，盐水层和防渗箱体均布置在基坑内，防渗箱体与基坑壁面间用土回填密实；在底部盐水层上表面布置位移传感器，监测盐水层变形；在基坑外四周开挖“回”字型基坑，在“回”字型基坑内放置液压支架，施加水平围压；在盐水层顶部布置配重块，施加垂向围压；液体增压器与盐水层内的承压钢管连接，负责将增压后的盐水注入盐水层，实现初始地层孔隙压力施加；注入井一端连接超临界CO2气罐，另一端从盐水层顶部中心处垂直深入底部盐水层内，实现向底部盐水层注入CO2；预抽井设置在盐水层内，用于从底部盐水层中抽取盐水并暂存于储存箱；CO2检测器布置在预抽井井底处，用于判断CO2是否达到预抽井井底；回注井设置在顶部盐水层，负责将储存箱中存储的盐水回注到顶部盐水层；定压泵、定压水箱通过承压钢管与盐水层连通，由定压泵维持定压水箱内压力恒定且等于初始地层孔隙压力，模拟预抽盐水、CO2注入、回注盐水引起的实际条件下地下流体渗流过程，即无限大地层内孔隙压力的自调节功能；
在预抽井、注入井及回注井的井底位置处布置流体压力传感器，监测盐水层地层孔隙压力。
一种盐水预抽量和回注量的计算方法及场地试验验证方法
技术领域
[0001] 本发明属于CO2地质封存领域，涉及一种最大化CO2封存效率的盐水预抽量和回注量计算方法及场地试验验证方法。
背景技术
[0002] CO2地质封存已成为当前研究热点，特别是最大化CO2地质封存效率已成为重中之重。CO2封存效率密切相关于封存能力和封存安全。为了提高CO2封存能力，可以在CO2注入盐水层前预先抽取盐水增大CO2储存空间。然而，预抽盐水将降低地层孔隙压力，极易诱发地层坍塌。另外，在CO2注入后，地层孔隙压力迅速抬升从低压(盐水预抽引起)转为高压状态，又将引起地层膨胀甚至破裂。为了应对地层破裂问题，可以将抽取的盐水回注到上部毗邻的盐水层，缓解下部地层孔隙压力抬升引起的地层膨胀变形。同时，预抽盐水的再次回注还可以省去复杂的盐水处理流程、节省高额的盐水处理费用。综上分析，盐水预抽和回注可以提高CO2地质封存能力和封存安全，然而实施这一策略需要计算盐水预抽量和回注量。盐水预抽量由地层坍塌条件控制，而盐水回注量由地层破裂条件控制。鉴于此，迫切需要提出一种最大化CO2封存效率的盐水预抽量和回注量计算方法，并通过场地试验验证计算方法在实际应用中的可靠性。
[0003] 目前，已有学者研发了少数实验装置模拟CO2地质封存，如一种实验模拟CO2地质封存可行性的系统(CN202010239445.0)、一种CO2地层封存系统(CN202020387776.4)、一种CO2地层封存方法及系统(CN202010215234.3)。然而，上述实验装置主要模拟CO2在盐水层内的运移规律，难以评价盐水预抽、盐水回注对CO2封存效率的影响，更无法确定具体的盐水预抽量和盐水回注量。鉴于此，提出一种最大化CO2封存效率的盐水预抽量和回注量计算方法及场地试验验证已势在必行。
发明内容
[0004] 本发明提供了一种最大化CO2封存效率的盐水预抽量和回注量计算方法及场地试验验证方法，以地层坍塌和地层破裂为条件计算盐水预抽量和盐水回注量。
[0005] 为实现上述目的，本发明一方面提供一种最大化CO2封存效率的盐水预抽量和回注量计算方法，其计算步骤是：
[0006] (1)计算底部盐水层盐水预抽量V预抽
[0007] 盐水预抽量指在CO2注入前的盐水抽取量；CO2注入后，盐水抽取仍会持续一段时间，但该段时间内的盐水抽取量不计入盐水预抽量内；
[0008] ①确定底部盐水层坍塌压力许用值
[0009]c
[0010] 式中，Pw 、 为底部盐水层坍塌压力临界值和许用值，MPa；σH、σh分别为最大、最小水平主应力，由施加的水平围压获得，MPa；Pp为盐水层初始地层孔隙压力，由所施加地层孔隙压力获得，MPa； 为内摩擦角，通过多组三轴压缩实验的莫尔包络线获得；c为内聚力，通过多组三轴压缩实验的莫尔包络线获得，MPa；α为比奥系数，一般为0.85；n1为安全系数，无量纲，结合工程经验设定；
[0011] ②确定由盐水预抽引起的底部盐水层孔隙压力下降ΔPp预抽，以下降后的孔隙压力值Pp‑ΔPp预抽不低于坍塌压力许用值 为临界条件计算盐水预抽量V预抽；
[0012]
[0013]
[0014] 式中，ΔPp预抽为盐水预抽引起的底部盐水层孔隙压力变化，MPa；H预抽为盐水预抽引‑3起的水位高度变化，m；γ盐水为盐水重度，KN·m ；V预抽、V渗分别为盐水预抽量、实际条件下盐
3
水预抽引起的地下流体从无穷远处向预抽井渗流的补给量，m ；S为底部盐水层水平面积，
2
m；φ下为底部盐水层孔隙度，无量纲；
[0015] (2)计算顶部盐水层盐水回注量V回注
[0016] ①确定顶部盐水层破裂压力许用值
[0017]
[0018] 式中，Pwf、 为盐水层破裂压力临界值和许用值，MPa；σt为盐水层抗拉强度，通过巴西劈裂试验获得，MPa；n2为安全系数，无量纲，结合工程经验设定；
[0019] ②确定由盐水回注引起的顶部盐水层孔隙压力增加ΔPp回注，以增大后的孔隙压力f值Pp+ΔPp回注不高于破裂压力许用值[Pw]为临界条件计算盐水回注量V回注；
[0020]
[0021]
[0022] 式中，ΔPp回注为盐水回注引起的顶部盐水层孔隙压力变化，MPa；H回注为盐水回注引起的水位高度变化，m；V回注、V′渗分别为盐水回注量、实际条件下盐水回注引起的地下流体从3 2
回注井向无穷远处渗流的溢出量，m ；S′为顶部盐水层水平面积，m ；φ上为顶部盐水层孔隙度，无量纲；
[0023] (3)底部盐水层CO2注入与盐水抽取同步发生时，建立CO2注入速度v注与盐水抽取速度v抽取的关系：
[0024]
[0025] 式中，ΔPp注为CO2注入引起底部盐水层孔隙压力变化3 ‑1 3 ‑1
MPa；v注为CO2注入速度，m·s ；v抽取为盐水抽取速度，m·s ；v″渗‑v渗为实际条件下底部盐
3 ‑1
水层地下流体从无穷远处向预抽井及注入井渗流的补给速度，m·s ；
[0026] (4)底部盐水层CO2注入与顶部盐水层盐水回注同步发生时，建立CO2注入速度v注与盐水回注速度v回注的关系：
[0027]
[0028] 式中，v回注为盐水回注速度，m3·s‑1；v注为CO2注入速度，m3·s‑1。
[0029] 本发明另一方面提供一种提高CO2封存效率的预抽‑回注方法，采用上述计算方法，具体包括以下步骤：
[0030] 首先对底部盐水层进行盐水预抽；当盐水预抽量达到上述计算得到的盐水预抽量V预抽时，开始向底部盐水层注入CO2，同时由上述建立的CO2注入速度与盐水抽取速度关系控制CO2注入速度；当CO2检测器检测到CO2时，停止盐水抽取；当底部盐水层孔隙压力恢复到初始孔隙压力时，开始向顶部盐水层回注盐水，同时由上述建立的盐水回注速度与CO2注入速度关系控制盐水回注速度；当盐水回注量达到上述计算得到的盐水回注量V回注时，停止盐水回注；当底部盐水层孔隙压力达到破裂压力许用值时，停止CO2注入。
[0031] 本发明还提供一种最大化CO2封存效率的场地试验验证方法，验证盐水预抽量和回注量计算方法，其操作步骤是：
[0032] 步骤1：布设场地试验
[0033] 布设CO2封存的场地试验装置；
[0034] 步骤2：开展场地试验
[0035] (1)施加压力
[0036] 通过液压支架及配重块给盐水层施加三向围压，通过液体增压器及承压钢管给盐水层施加初始地层孔隙压力；
[0037] (2)预抽盐水
[0038] 在CO2注入前，通过预抽井从底部盐水层中抽取盐水并暂存于储存箱；在CO2注入后，当盐水预抽井井底处CO2检测器检测到CO2时，停止盐水抽取；
[0039] (3)注入CO2
[0040] 当流体压力传感器监测到的底部盐水层孔隙压力达到坍塌压力许用值时，开始通过注入井向底部盐水层中注入CO2；当流体压力传感器监测到的底部盐水层孔隙压力达到破裂压力许用值时，停止CO2注入；
[0041] (4)回注盐水
[0042] 当流体压力传感器监测到的底部盐水层孔隙压力值恢复到初始孔隙压力时，开始通过回注井将从底部盐水层中抽取的盐水回注到顶部盐水层中；当流体压力传感器监测到的顶部盐水层孔隙压力达到顶部盐水层破裂压力许用值时，停止盐水回注；
[0043] (5)结束试验
[0044] 停止CO2注入，试验结束；记录CO2注入量、底部盐水层隆起变形值、底部盐水层孔隙压力监测值达到坍塌压力许用值时的盐水实际抽取量、顶部盐水层孔隙压力监测值达到破裂压力许用值时的盐水实际回注量；
[0045] 步骤3：验证计算方法
[0046] (1)盐水预抽量验证
[0047] 获取底部盐水层孔隙压力监测值达到坍塌压力许用值时的盐水实际抽取量，以盐水实际抽取量的等效体积与盐水预抽量理论值对比，若误差在5％以内，表明盐水预抽量计算方法可以满足现场工程；
[0048] (2)盐水回注量验证
[0049] 获取顶部盐水层孔隙压力监测值达到破裂压力许用值时的盐水实际回注量，以盐水实际回注量的等效体积与盐水回注量理论值对比，若误差在5％以内，表明盐水回注量计算方法可以满足现场工程；
[0050] 步骤4：对比封存效率
[0051] (1)通过步骤2中的(1)、(2)、(3)和(4)开展最大化CO2封存效率场地试验，通过步骤2中的(5)获取CO2注入量和底部盐水层最大隆起变形；
[0052] (2)通过步骤2中的(1)和(3)开展常规CO2封存场地试验，通过步骤2中的(5)获取CO2注入量和底部盐水层最大隆起变形；
[0053] (3)对比上述(1)和(2)中的CO2注入量，确认最大化CO2封存效率场地试验具有封存能力优势；对比(1)和(2)中的底部盐水层最大隆起变形，确认最大化CO2封存效率场地试验具有封存安全优势。
[0054] 本发明中，CO2封存的场地试验装置中设置有盖层(盖层为CO2封存选址的必备条件)，盖层上方的盐水层在本发明中称为顶部盐水层，盖层下方的盐水层在本发明中称为底部盐水层。
[0055] 更进一步的，本发明中，所述CO2封存的场地试验装置，包括基坑、底部盐水层、盖层、顶部盐水层、位移传感器、流体压力传感器、防渗箱体、“回”字型基坑、液压支架、配重块、液体增压器、承压钢管、预抽井、储存箱、CO2检测器、定压泵、定压水箱、超临界CO2气罐、注入井、回注井；底部盐水层、盖层、顶部盐水层构成盐水层，盐水层外部包裹有防渗箱体，盐水层和防渗箱体均布置在基坑内，防渗箱体与基坑壁面间用土回填密实；在底部盐水层上表面布置位移传感器，监测盐水层变形；在基坑外四周开挖“回”字型基坑，在“回”字型基坑内放置液压支架，施加水平围压；在盐水层顶部布置配重块，施加垂向围压；液体增压器与盐水层内的承压钢管连接，负责将增压后的盐水注入盐水层，实现初始地层孔隙压力施加；预抽井设置在盐水层内，用于从底部盐水层中抽取盐水并暂存于储存箱；CO2检测器布置在预抽井井底处，用于判断CO2是否达到预抽井井底；注入井设置在盐水层中心处，并连接超临界CO2气罐，实现向底部盐水层注入CO2；回注井设置在顶部盐水层，负责将储存箱中存储的盐水回注到顶部盐水层；定压泵、定压水箱通过承压钢管与盐水层连通，由定压泵维持定压水箱内压力恒定且等于初始地层孔隙压力，模拟预抽盐水、CO2注入、回注盐水引起的实际条件下地下流体渗流过程(即无限大地层内孔隙压力的自调节功能)；在预抽井、注入井及回注井的井底位置处布置流体压力传感器，监测盐水层地层孔隙压力。
[0056] 本发明中，以地层坍塌和破裂为条件计算最大化CO2封存效率的盐水预抽量和回注量，以计算得到的盐水预抽量V预抽为实际盐水抽取过程中的控制条件，防止底部盐水层在预抽盐水过程中引起地层坍塌；以计算得到的回注量V回注为实际盐水回注过程中的控制条件，防止顶部盐水层在回注盐水过程中引起地层破裂；同时建立了CO2注入速度与盐水抽取速度关系，盐水回注速度与CO2注入速度关系。并且，本发明设计了一种最大化CO2封存效率的场地试验验证方法和装置，结构紧凑合理，原理可靠，可行性高。
[0057] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0058] 1、本发明提出了一种最大化CO2封存效率的盐水预抽量和回注量计算方法，以地层坍塌和破裂为条件计算盐水预抽量和回注量，通过与场地试验对比验证计算精度超过95％；
[0059] 2、本发明设计了一种最大化CO2封存效率的场地试验验证方法和装置，通过计算盐水预抽量和回注量实施盐水预抽和回注策略，与常规封存试验对比封存能力提高25％、封存安全提高20％。
附图说明
[0060] 图1为本发明CO2封存的场地试验装置的结构示意图；
[0061] 图2为本发明CO2封存的场地试验装置的俯视图；
[0062] 图3为本发明盐水预抽量计算流程图；
[0063] 图4为本发明盐水回注量计算流程图；
[0064] 图5为本发明计算方法验证对比图；
[0065] 图6为本发明实施例1结果对比图；
[0066] 图中：1、基坑；2、底部盐水层；3、盖层；4、顶部盐水层；5、位移传感器；6、流体压力传感器；7、防渗箱体；8、“回”字型基坑；9、液压支架；10、配重块；11、液体增压器；12、承压钢管；13、预抽井；14、储存箱；15、CO2检测器；16、定压泵；17、定压水箱；18、超临界CO2气罐；19、注入井；20、回注井。
具体实施方式
[0067] 结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
[0068] 本实施方式一方面提供一种最大化CO2封存效率的盐水预抽量和回注量计算方法，其计算步骤是：
[0069] (1)计算底部盐水层2盐水预抽量V预抽
[0070] 盐水预抽量指在CO2注入前的盐水抽取量；CO2注入后，盐水抽取仍会持续一段时间，但该段时间内的盐水抽取量不计入盐水预抽量内；
[0071] ①根据弹性力学确定底部盐水层2预抽井13井壁围岩应力分布(见式(1))，并将径向有效应力σ′r、环向有效应力σ′θ代入Mohr‑Coulomb准则确定底部盐水层2坍塌压力临界值，见式(2)：
[0072]
[0073]
[0074] 考虑安全要求，实际工程中的坍塌压力临界值通常用许用值代替，见式(3)：
[0075]
[0076] 式中，Pw为底部盐水层2预抽井13井眼压力，MPa；Pwc、 为底部盐水层2坍塌压力临界值和许用值，MPa；σH、σh分别为最大、最小水平主应力，由施加的水平围压获得，MPa；Pp为盐水层初始地层孔隙压力，由所施加地层孔隙压力获得，MPa； 为内摩擦角，通过多组三轴压缩实验的莫尔包络线获得；c为内聚力，通过多组三轴压缩实验的莫尔包络线获得，MPa；α为比奥系数，一般为0.85；n1为安全系数，无量纲，结合工程经验设定；
[0077] ②预抽盐水引起底部盐水层2孔隙压力下降ΔPp预抽，下降后的孔隙压力值不低于坍塌压力许用值，即 以此为控制条件计算盐水预抽量V预抽；
[0078] 根据水头压力计算公式，底部盐水层2孔隙压力下降ΔPp预抽表示为式(4)：
[0079]
[0080] 将式(4)代入 即可计算盐水预抽量V预抽，见式(5)：
[0081]
[0082] 式中，ΔPp预抽为盐水预抽引起的底部盐水层2孔隙压力变化，MPa；H预抽为盐水预抽‑3引起的水位高度变化，m；γ盐水为盐水重度，KN·m ；V预抽、V渗分别为盐水预抽量、实际条件下
3
盐水预抽引起的地下流体从无穷远处向预抽井13渗流的补给量，m ；S为底部盐水层2水平
2
面积，m；φ下为底部盐水层2孔隙度，无量纲；
[0083] 以V预抽为实际盐水抽取过程中的控制条件，防止底部盐水层2在预抽盐水过程中引起地层坍塌；
[0084] (2)计算顶部盐水层4盐水回注量V回注
[0085] ①将式(1)中的径向有效应力σ′r、环向有效应力σ′θ代入最大拉应力准则确定地层破裂压力，见下式(6)：
[0086] Pwf＝3σh‑σH‑αPp+σt (6)
[0087] 考虑安全要求，实际工程中的破裂压力临界值通常用许用值代替，见式(7)：
[0088]f
[0089] 式中，Pw 、 为盐水层破裂压力临界值和许用值，MPa；σt为盐水层抗拉强度，通过巴西劈裂试验获得，MPa；n2为安全系数，无量纲，结合工程经验设定；
[0090] ②回注盐水引起顶部盐水层4孔隙压力增加ΔPp回注，增加后的孔隙压力值不高于破裂压力许用值，即 以此为控制条件计算盐水回注量V回注；
[0091] 根据水头压力计算公式，顶部盐水层4孔隙压力增加ΔPp回注表示为式(8)：
[0092]
[0093] 将式(8)代入 即可计算盐水回注量V回注，见式(9)：
[0094]
[0095] 式中，ΔPp回注为盐水回注引起的顶部盐水层4孔隙压力变化，MPa；H回注为盐水回注引起的水位高度变化，m；V回注、V′渗分别为盐水回注量、实际条件下盐水回注引起的地下流体3 2
从回注井20向无穷远处渗流的溢出量，m ；S′为顶部盐水层4水平面积，m ；φ上为顶部盐水层
4孔隙度，无量纲；
[0096] 以V回注为实际盐水回注过程中的控制条件，防止顶部盐水层4在回注盐水过程中引起地层破裂；
[0097] (3)建立CO2注入速度与盐水抽取速度关系
[0098] 在抽取盐水与注入CO2同步发生时，以盐水抽取引起的底部盐水层2孔隙压力下降等于CO2注入引起的底部盐水层2孔隙压力增加为控制条件，建立CO2注入速度与盐水抽取速度的关系，见下式(10)：
[0099]
[0100] 式中，ΔPp注为CO2注入引起底部盐水层2孔隙压力变化3 ‑1 3 ‑1
MPa；v注为CO2注入速度，m·s ；v抽取为盐水抽取速度，m·s ；v″渗‑v渗为实际条件下底部盐水层2地下流体从无穷远处向预抽井13及注入井19渗流的补给速度，通过地层孔隙压力与定压水箱17的压力差及达西定律求得，见下式(11)：
[0101]
[0102] 式中，k为地层渗透系数，通过渗透率实验获得，m·s‑1；A为垂直于渗流方向的地层2
横截面积，m；L为渗径长度，m；
[0103] (4)建立盐水回注速度与CO2注入速度关系
[0104] 在注入CO2与回注盐水同步发生时，以CO2注入引起的底部盐水层2孔隙压力增加等于盐水回注引起的顶部盐水层4孔隙压力增加为控制条件，建立盐水回注速度与CO2注入速度关系，见下式(12)：
[0105]
[0106] 式中，v回注为盐水回注速度，m3·s‑1；v注为CO2注入速度，m3·s‑1；v′渗为实际条件下3 ‑1
地下流体从回注井20向无穷远处渗流的外溢速度，m·s ；v″渗为实际条件下地下流体从注
3 ‑1
入井19向无穷远处渗流的外溢速度，m·s ；
[0107] 特别地，由“CO2注入引起的底部盐水层2孔隙压力增加等于盐水回注引起的顶部盐水层4孔隙压力增加”这一条件可以确定底部盐水层2、顶部盐水层4与定压水箱17之间的压差相等，进一步结合达西定律求得v′渗＝v″渗，为此式(12)进一步简化为式(13)：
[0108]
[0109] 本发明另一方面提供一种最大化CO2封存效率的场地试验，验证盐水预抽量和回注量计算方法，其操作步骤是：
[0110] 步骤1：布设场地试验
[0111] 如图1‑2所示，所述一种最大化CO2封存效率的场地试验装置包括基坑1、底部盐水层2、盖层3、顶部盐水层4、位移传感器5、流体压力传感器6、防渗箱体7、“回”字型基坑8、液压支架9、配重块10、液体增压器11、承压钢管12、预抽井13、储存箱14、CO2检测器15、定压泵16、定压水箱17、超临界CO2气罐18、注入井19、回注井20；
[0112] 开挖基坑1，体积为长3km×宽3km×深100m，在基坑1内部自下而上依次填充高度分别为50m、10m、40m的底部盐水层2、盖层3、顶部盐水层4，共同构成盐水层；底部盐水层2、顶部盐水层4的砂浆质量配比为水泥：砂子：水等于1：0.33：0.42，盖层3砂浆质量配比为水泥：砂子：水等于1：0.11：0.42；盐水层外部包裹有防渗箱体7(通过薄钢板制造)，避免盐水在高压条件下从盐水层中渗出，防渗箱体7与基坑1壁面间用土回填密实；在底部盐水层2上表面每隔600m横纵布置位移传感器5，监测盐水层变形；
[0113] 在基坑1外四周间隔50m开挖宽2m高100m的“回”字型基坑8，并在“回”字型基坑8内放置液压支架9，液压支架9底部固定在“回”字型基坑8外壁面(即远离基坑1的壁面)，液压支架9顶部固定在“回”字型基坑8内壁面(即靠近基坑1的壁面)，施加水平围压；在盐水层顶部每隔300m横纵布置配重块10，施加垂向围压；液体增压器11与盐水层内的承压钢管12连接，负责将增压后的盐水注入盐水层，实现初始地层孔隙压力施加；
[0114] 注入井19一端连接超临界CO2气罐18，另一端从盐水层顶部中心处垂直深入底部盐水层2内20m，实现向底部盐水层2注入CO2；预抽井13设置在注入井19左右两侧各1km处且深入底部盐水层2内20m，用于从底部盐水层2中抽取盐水并暂存于储存箱14；CO2检测器15布置在预抽井13井底处，用于判断CO2是否达到预抽井13井底；回注井20设置在顶部盐水层4中心的左右两侧1km处且深入顶部盐水层4内15m，负责将储存箱14中存储的盐水回注到顶部盐水层4；定压泵16、定压水箱17通过承压钢管12与盐水层连通，由定压泵16维持定压水箱17内压力恒定且等于初始地层孔隙压力，用于模拟预抽盐水、CO2注入、回注盐水引起的实际条件下地下流体渗流过程(即无限大地层内孔隙压力的自调节功能)；在预抽井13、注入井19及回注井20的井底位置处布置流体压力传感器6，监测盐水层地层孔隙压力；
[0115] 步骤2：开展场地试验
[0116] (1)施加压力
[0117] 通过液压支架9及配重块10给盐水层施加三向围压；通过液体增压器11给盐水增压，然后通过承压钢管12将增压后的盐水注入盐水层，实现初始地层孔隙压力施加；
[0118] (2)预抽盐水
[0119] 通过预抽井13从底部盐水层中抽取盐水并暂存于储存箱14，根据工程经验设定盐水抽取速度v抽取；同时通过定压水箱17及承压钢管12模拟实际条件下底部盐水层由预抽盐水引起的地下流体从无穷远处向预抽井渗流的补给过程；
[0120] (3)注入CO2
[0121] 当预抽井13井底位置处的流体压力传感器6监测到的底部盐水层2孔隙压力达到坍塌压力许用值时，开始通过注入井19向底部盐水层2中注入CO2，同时根据式(10)计算CO2注入速度v注；
[0122] (4)停止盐水抽取
[0123] 当盐水预抽井13井底处设置的CO2检测器15检测到CO2时，停止盐水抽取；
[0124] (5)回注盐水
[0125] 当注入井19井底位置处的流体压力传感器6监测到的底部盐水层2孔隙压力恢复到初始地层孔隙压力时，开始通过回注井20将从底部盐水层2中抽取的盐水回注到顶部盐水层4中，同时根据式(13)计算盐水回注速度v回注；
[0126] (6)停止盐水回注
[0127] 当流体压力传感器6(回注井20井底位置处)监测到的顶部盐水层4孔隙压力达到破裂压力许用值时，停止盐水回注；
[0128] (7)停止CO2注入
[0129] 当流体压力传感器6(注入井19井底位置处)监测到的底部盐水层2孔隙压力达到破裂压力许用值时，停止CO2注入；
[0130] (8)结束试验
[0131] 停止CO2注入，试验结束；记录CO2注入量、底部盐水层2隆起变形值、底部盐水层2孔隙压力监测值达到坍塌压力许用值时的盐水实际抽取量V预抽‑试验、顶部盐水层4孔隙压力监测值达到破裂压力许用值时的盐水实际回注量V回注‑试验；
[0132] 步骤3：验证计算方法
[0133] 特别地，场地试验中盐水层的初始孔隙压力是通过液体增压器11对盐水增压实现的，而非实际条件下盐水依靠自身重力达到的初始孔隙压力，因此场地试验中注入盐水层的盐水体积(记为盐水增压体积V盐水‑增压，由场地试验直接获得)远小于实际条件下产生相同孔隙压力的盐水体积(记为盐水原始体积，表示为 或 )；鉴于此，应对场地试验中盐水的增压体积和实际条件下盐水的原始体积进行等效转换，以便与理论计算方法得到的盐水预抽量和盐水回注量进行比较；
[0134] (1)盐水预抽量验证
[0135] 获取底部盐水层2孔隙压力监测值达到坍塌压力许用值时的盐水实际抽取量V预抽‑试验，等效后获得 并与盐水预抽量理论值V预抽‑理论对比，若误差在5％以内，表明盐水预抽量计算方法可以满足现场工程；
[0136] (2)盐水回注量验证
[0137] 获取顶部盐水层4孔隙压力监测值达到破裂压力许用值时的盐水实际回注量V回注‑试验，等效后获得 并与盐水回注量理论值V回注‑理论对比，若误差在5％以内，表明盐水回注量计算方法可以满足现场工程；
[0138] 步骤4：对比封存效率
[0139] (1)通过步骤2中的(1)‑(7)开展最大化CO2封存效率场地试验，通过步骤2中的(8)获取CO2注入量V1和底部盐水层2最大隆起变形u1；
[0140] (2)通过步骤2中的(1)、(3)和(7)开展常规CO2封存场地试验，通过步骤2中的(8)获取CO2注入量V2和底部盐水层2最大隆起变形u2；
[0141] (3)对比上述(1)和(2)中的CO2注入量V1、V2，确认最大化CO2封存效率场地试验具有封存能力优势；对比(1)和(2)中的底部盐水层2最大隆起变形u1、u2，确认最大化CO2封存效率场地试验具有封存安全优势。
[0142] 实施例1：
[0143] 根据步骤1布设场地试验；通过岩石强度实验获取底部盐水层2、顶部盐水层4抗拉强度σt为4MPa、内聚力c为9MPa、内摩擦角 为40°；通过渗透率实验获取底部盐水层2、顶部‑10盐水层4渗透率k为1×10 m/s、孔隙度φ为0.15；根据步骤2中的(1)设定水平最大、水平最小、垂向围压为20MPa、16MPa、10MPa，设定初始地层孔隙压力为12MPa；根据工程经验设定安全系数n1、n2分别为1.25、1.35，根据式(3)、式(7)计算坍塌压力许用值及破裂压力许用值分别为‑3 ‑3
10.9MPa、14.8MPa；通过资料获取盐水及超临界CO2重度分别为9.8KN·m 、4.48KN·m ；根据步骤2中的(2)‑(7)开展最大化CO2封存效率场地试验，设定盐水抽取速度为0.5kg/s，根据式(10)及式(11)计算CO2注入速度为1.13kg/s，然后根据式(13)计算盐水回注速度为0.52kg/s；
根据步骤2中的(3)、(7)开展常规CO2封存场地试验；根据步骤3中的(1)和(2)分别获取最大化CO2封存效率场地试验下盐水预抽量(等效体积) 并分别
与盐水预抽量理论值V预抽‑理论、盐水回注量理论值V回注‑理论对比，如图5所示；根据步骤4中的(1)和(2)分别获取最大化CO2封存效率场地试验、常规CO2封存场地试验下CO2注入量V1、V2、底部盐水层2最大隆起变形u1、u2；根据步骤4中的(3)对比两种条件下CO2注入量V1、V2、底部盐水层2最大隆起变形u1、u2，如图6所示。
[0144] 由图5可知，本发明所述最大化CO2封存效率的盐水预抽量和回注量理论值与场地试验的实际抽取量、实际回注量相差仅为3.1％、4.3％，表明一种最大化CO2封存效率的盐水预抽量和回注量计算方法可以满足现场工程需要。
[0145] 由图6可知，本发明所述最大化CO2封存效率场地试验比常规CO2封存场地试验具有封存能力优势，CO2注入量提高25％；最大化CO2封存效率场地试验比常规CO2封存场地试验具有封存安全优势，底部盐水层2最大隆起变形降低20％。
