第一章绪论
1.1研究背景及意义
在人类的生活、生产中，会大量地使用煤、石油、天然气等化石燃料，尽管各个国家都在积极地开发太阳能、风能、水能、核能、潮汝能、生物能等一系列的新能源，但这些新能源所占的比例相当有限，因此，以煤、石油、天然气为主的化石能源仍然占据了当今人类能源消费结构的主体地位，随之会产生大量C02等废气，由此造成大气中温室气体含量的逐渐增高，会导致全球气候变暖，对人类的健康安全的生存和社会经济的可持续发展造成了严重的威胁。近年来，随着人类对化石燃料的渴望以及全球经济的快速增长，人类在社会的工业生产以及日常的生活中产生的废气排放量也日益增多，人类赖以生存的地球环境受到了大气污染和温室效应的严重威胁，因此，如何减少大气中温室气体的排放已经成为目前人类共同面临的热点话题，对于如何有效地利用或封存温室气体也逐渐成为当今社会的焦点问题。目前我国正处于经济的高速发展中，对能源的需求很大，在我国的能源消耗结构体系中，煤炭的比重高达68%，远远高于世界其他国家，比世界26.5%的平均水平要高出两倍多，甚至高于发达国家21.3%的平均水平[1]。其中产生的排放到大气中的二氧化碳有85%是来自煤炭的燃烧。根据经济合作发展组织和国际能源机构的测定，比较2000年能源消耗所排放的C02，美国以24%居世界第一，而中国则以13%紧随其后，居于世界第二位P]。2002年，我国二氧化碳的排放量与1990年相比，其排放量增加了高达44.5%。作为发展中国家的代表并且长期主要依赖于化石燃料，尤其是煤炭作为第一能源，以及世界主要二氧化碳排放国之一，我国已经成为潜在的第一排放温室气体的大国。国际上对我国参与全球减排义务的压力也越来越大，中国在减缓全球气候变暖的行动中也必须承担相应的国际义务和责任。因此，我国必须未雨绸缪，尽快制定和实施减少温室气体排放的政策，在经济增长的同时，也要保证社会的可持续发展。现阶段我国应该明确C02的减排目标，并且着重发展二氧化碳的减排技术。
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1.2 二氧化碳捕获与封存技术介绍
C02捕获与封存，即CCS技术，是Carbon Capture and Storage的缩写，具体指的是将C02从化石燃料、工业流程或火电厂的排放废气中分离出来并且汇集到一起，再输送到一个封存地点，使得本可能排入大气中的C02储存于封存结构中，并且能够长期与大气隔绝的一个过程W，见图1-1所示。在解决问题的可行性上来说，C02的捕获与封存的方法无疑是非常可行的，并且能显著地减少C02源的排放，为解决“全球平均温度和海平面持续上升”这一问题提供了可能。国际能源组织（IEA)的报告中指出：“提高效能和增加可再生能源来减少C02的能力非常有限，CCS将是最有潜力实现目标的技术原本是打算用在其他产业用途而大力发展起来的，直到二十一世纪初，这种方法才在减缓气候的变化方面上逐渐被人们所了解，并且将其用到C02的封存中去，同时也逐渐得到了各国政府及公众的认可。因此，目前我国及世界各国在解决能源和环境的问题上，最重要的便是大力研究C02的埋存技术，从此刻开始，我国将会把这一问题视作解决环境问题的焦点，依照我国可持续发展的政策，这一问题的研究也会变得更加迫切。
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第二章基于FLAC计算平台CCS技术对裂隙岩体稳定性影响模拟研究
2.1 FLAG数值模拟平台简介
FLAC软件名称源于其采用的拉格朗日连续介质法，因拉格朗日连续介质法属于有限差分法，所以，FLAC软件是有限差分软件，而非有限元软件。在模拟计算中，利用偏微分方程求解数值时，若每一处导数都是利用有限差分近似公式替代，进而把原本由求解偏微分方程的问题演变成求解代数方程的问题，这就是所谓的有限差分法。以FLAC3D为例，现以一个六面体单元划分成有限差分网格，每个离散后的立方体单元都可以进一步的被划分为若干个常应变四面体子单元。FLAC3D的计算均是在四面体上进行的，这里以一个四面体说明计算时导数的有限差分近似过程。岩土本构关系是指通过对某些岩、土体弹塑性应力一应变关系曲线的试验和测试，然后再通过岩土塑性理论及某些必要的补充假设，将这些试验结果推广到复杂应力、组合状态上去，以求应力一应变的普遍关系；将这种应力一应变关系以数学表达式的形式表示出来，即称为岩土本构模型。岩土材料的多样性及其力学特性的差异性，使得人们无法采用统一的本构模型来表达其在外力作用下的力学响应特性，因而开发出了多种岩土本构模型。
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2. 2 Sleipner CCS 工程简介
盖层岩石模型是基于FLAC两相流数值模拟模型，采用有限差分法进行计算分析0其目的是在不同的工况、不同的裂隙走向及分布的情况下，研究相应岩石的稳定性，特别是C02地质封存后对裂隙岩层的稳定性的影响，通过对含有裂隙或者缺陷的盖层岩石计算，粗估盖层的安全性，是否会因材料破坏导致盖层封盖能力失效，甚至出现地表隆起、开裂、井喷等情况，进而，对裂隙岩层的安全性进行预估和评价。模型选用的是二维FLAC模型，在进行FLAC2D数值模拟时，有三个基本部分必须指定：有限差分网格、本构关系和材料特性、边界和初始条件，以下将具体介绍上述三个部分的具体选取。盖层土体的计算尺寸取为200mxl00m的矩形状岩石，采用块体单元进行网格划分。地质模型的建立，主要是要考虑到两点：第一点是对不同走向及节理的裂隙的模型进行研究，第二是数值模拟模型的边界条件的选取。在整个岩层中，不考虑分析上盖层和下垫层的应力情况，只抽取整个岩体中间部分100m厚度的盖层岩石进行分析，盖层岩石中所受地应力情况按照Z=-1200m处开始计算。
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第三章数值模拟结果分析与比较..........35
3.1同种工况、不同裂隙走向岩石的分析与比较.........35
3.1.1相同单轴抗压强度、不同渗透率时的比较.........36
3.1.2相同渗透率、不同单轴抗压强度时的比较.........42
3.2同种裂隙走向、不同工况岩石的分析比较.........43
3.2.1相同单轴抗压强度、不同渗透率时的比较.........43
3.2.2相同渗透率、不同单轴抗压强度时的比较.........44
3.2.3渗透时间对裂隙岩层中部竖向位移的影响.........46
3.3本章小结.........47
第四章结论与展望.........48
4.1结论.........48
4. 2展望.........49
第三章数值模拟结果分析与比较
3.1同种工况、不同裂隙走向岩石的分析与比较
这里，针对的是在同一种工况下，分别对不同裂隙走向的盖层岩石模拟的结果进行比较。选取整个盖层岩石的中间部分，即50??高，200w宽的岩层，对这一部分含有裂隙的盖层岩石的模拟结果，进行竖向位移上的比较与分析。根据九种工况给出的不同力学参数，按照上一章所示分别对四种不同裂隙走向及分布的盖层岩石建立计算模型，并且对含有裂隙的盖层岩石的中部产生的竖向位移沿水平方向的分布情况进行对比，在每种工况下，四种不同裂隙走向的岩石模型中，产生竖向位移的最大值见表3-1所示。以工况一为例，从上表中可以看出，在模拟参数为工况一的情况下，裂隙分布的走向为45°倾斜时，整个岩层的竖向位移最大；其它对岩层的竖向位移变化影响依次递减的是45°交叉分布的裂隙和竖向分布的裂隙岩层；当裂隙分布的走向为横向时，对岩层竖向位移变化的影响最小。
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结论
本文是以当下最热议的有关温室气体的埋存为背景，以挪威的SleipnerCCS工程实例为参考，应用有限元软件FLAC2D来模拟封盖(：02的岩层，对含有不同裂隙或者缺陷的盖层岩石进行应力计算，预估盖层的安全性，考察是否会因材料的破坏而导致盖层封盖能力的实效，甚至出现地表隆起、幵裂、井喷等情况，引起C02埋存后出现长期的逃逸问题，从而对相关C02的封存技术提供一些参考与建议。本文研究所得的结果总结如下：
(1)在模型的计算工况相同的情况下，四种不同走向与分布的裂隙岩层中，裂隙的走向为45°倾斜分布的盖层岩石在封存C02时，岩层的中部所产生的竖向位移最大，有可能造成C02的渗出与逃逸，因此含这种裂隙走向的岩层最不利于C02的封存。当裂隙的走向为横向分布时，岩层中部沿竖直方向上产生的位移在四种裂隙走向的岩层比较中最小，与之相比，位移依次增加的是竖向分布的裂隙岩层和45°交叉分布的裂缝岩体，因此在C02的埋藏中，横向分布的裂隙岩层最有利于C02的封存。
(2)同种裂隙走向与分布的岩层中，在盖层岩石的单轴抗压强度相同的条件下，岩层沿水平方向在竖直方向上产生的位移随着渗透率的增加而增加，当渗透率最大时，岩层的安全性最小，岩层的竖向位移最大。在三种不同的岩石渗透率的比较下，在渗透率变化时，岩层竖向位移的变化量相差不大，即当岩层的渗透率改变时，对竖向位移的影响不是很大。(3)在盖层岩石的渗透率相同的前提。
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参考文献（略）