全球氣候變暖已日益成為人們所關切的重要環境問題。為減輕大氣含碳量及控制溫室效應對全球氣候的影響，二氧化碳(CO2)地質封存技術逐漸被認可為是一種安全且有效的方法來應對上述氣候問題。地下深部咸水層作為主要的封存載體因具有分布廣泛、儲存量大等特點被視為CO2長期封存的最優場地。然而，由于儲層應力場改變以及存在的天然裂縫、斷層等地質結構、構造，CO2封存過程可能存在泄漏的風險。因此，有必要對CO2運移過程包括運移路徑和前緣進行實時監測。

圖1 表面粘貼兩根FBG傳感器(a)CH1和(b)CH3監測不同溫度壓力條件下CO2注入誘導巖芯表面相對應變響應

圖2 光纖布拉格光柵傳感器CH1在恒定有效圍壓8 MPa下監測巖芯表面三個光柵初始應變響應時間差。(a)~(b)氣態CO2注入后光柵應變響應及時間差；(c)~(d)液態CO2注入后光柵應變響應及時間差；(e)~(f)超臨界CO2注入后光柵應變響應及時間差。

目前，國內外實驗室已經對CO2室內巖芯驅替實驗進行了深入研究，主要集中于CO2溶解捕獲機理及運移過程的監測，但缺乏在封存條件下針對超臨界二氧化碳(scCO2)實時運移過程中應力場變化及運移前緣的同步監測。中國科學院武漢巖土力學研究所首次利用光纖布拉格光柵(FBG)傳感技術對不同狀態CO2的驅替過程進行實時動態監測，揭示了在CO2注入壓力誘導下的應力場變化機理以及運移前緣規律。

研究人員采用的巖芯驅替夾持器可滿足在50 MPa以及60℃條件下的實驗要求，同時能夠實現scCO2(31.1℃，7.38 MPa)的穩定驅替。采用的兩根FBG傳感器，規格為單根光纖上嵌入三個中心波長連續分布的光柵且沿巖芯軸向方向對稱粘貼于巖樣表面。實驗樣本為四川盆地侏羅紀上統蓬萊鎮組紅色砂巖。實驗結果表明，巖芯表面動態應變響應與CO2注入壓力相關且保持線性增長的關系(圖1)。基于此，可進一步針對較高注入壓力條件下誘導的應力場變化進行預測且為儲層及井筒穩定性評估提供室內實驗數據及理論依據。另外，從實驗結果可以看出在45℃條件下的應變響應值略高于20℃條件下，這是由于光柵對溫度變化敏感且巖芯受熱易產生膨脹變形等因素。由于三個光柵沿軸向布設于巖樣上、中、下三個位置，當CO2注入后誘導巖芯內部應力場的波動會先后傳遞到三個光柵的感應區域從而產生相應的應變響應和初始響應時間差(圖2)。在不同溫壓條件下，初始應變時間差不同。由圖2可知，當注入壓力為2 MPa，圍壓為10 MPa時，最大時間差為0.5 s；而在20℃，孔壓增至8 MPa及圍壓保持16 MPa時，初始響應時間差已增至1.3 s。這主要是因為注入壓力的改變使CO2由氣態(gCO2)轉變為了液態(lqCO2)，而對lqCO2增溫后使其保持超臨界狀態時，初始時間差又略有減小。溫壓的變化對CO2物質屬性影響明顯，特別是流體的動力粘滯系數。根據時間差及光柵中心間隔的比值可初步估計不同狀態CO2在巖芯內部的運移速度：gCO2運移速度最快；lqCO2最慢；scCO2介于兩者之間。因此，根據FBG測量結果可知這種監測技術可用于觀測CO2流體運移路徑及相應的前緣信息，有助于應用在CO2封存現場滲漏監測。最后，針對上述實驗過程利用COMSOL軟件進行編程模擬，模擬結果與實驗結果高度一致，從而進一步驗證了實驗數據的真實性及監測技術的有效性。

該研究相關成果發表于Wiley出版社旗下的《溫室氣體：科學與技術》(Greenhouse Gases: Science and Technology)雜志，第一作者為武漢巖土所碩士研究生范成凱，通訊作者為研究員李琦。該成果得到國家自然科學基金(No. 41274111)、中澳二氧化碳地質封存(CAGS3)項目共同資助。