随着全球能源需求持续增长及气候变化的加剧,碳捕集、利用与封存(CCUS)技术成为实现“双碳”目标的核心路径之一。中国“富煤、缺油、少气”的资源禀赋决定了煤炭在能源体系中的长期主导地位,但其开发过程伴随着大量碳排放。煤层CO₂封存技术通过“驱替置换”机制,既能实现CO₂长期地质封存,又能提升煤层气(CH₄)采收率,形成“碳封存-气增产”的协同效应。然而,深部低渗煤层普遍存在高地应力、低渗透率及复杂地质条件,导致CO₂封存稳定性差、注气效率低及潜在泄漏风险等问题,制约其规模化应用。本研究以沁水盆地柿庄南区块太原组15^#煤层为研究对象,聚焦深部低渗煤层CO₂封存注气过程的动态特性,系统探究其稳定性评价体系、多场耦合作用机制及风险演化规律,旨在为工程选址、参数优化及风险防控提供理论支撑。 本研究基于理论建模、数值模拟与风险分析相结合的方法,构建了覆盖“评价-模拟-防控”的全流程技术体系,开展的主要研究工作如下: (1)煤层CO₂封存稳定性分析模型构建:针对传统模糊评价法主观依赖性强的问题,提出融合q-阶正交模糊数(量化专家经验不确定性)、随机森林(RF,提取数据驱动权重)与高斯云模型(GCM,可视化模糊随机性)的混合评价框架。通过主客观权重博弈组合与变权理论优化,构建动态评价体系,涵盖煤层埋深、温压比、渗透率等8项一级指标及断层密度、围岩特性等4项二级指标。以柿庄南15#煤层为例,验证模型可靠性,综合云参数为Ex=87.39、En=2.53、He=1.37,评价等级为“较稳定”。提出的q-阶正交模糊数-RF-GCM模型较传统模糊法精度提升,可动态反映主客观权重的协同效应,为深部煤层封存选址提供科学依据。 (2)多物理场耦合数值模拟:基于COMSOL Multiphysics平台,建立热-流-固(T-H-M)全耦合模型,引入广义Langmuir方程描述CO₂-CH₄竞争吸附,结合孔隙率-渗透率动态方程与热膨胀效应,揭示地质条件(压力、温度、渗透率)与工程参数(注气压力、温度)的协同作用规律。研究发现:(1)初始煤层压力由2MPa增至6MPa时,CO₂封存量提升57.4%,但压力梯度超过0.97MPa/100m会诱发煤基质膨胀,抑制长期封存效率。(2)煤层温度从300K升至310K时,CO₂吸附量减少12.7%,CH₄解吸速率下降4.9%,热应力非均匀分布加剧裂隙扩展风险。 (3)注气压力由2.5MPa增至6.5MPa时,CO₂封存量提升389%,但压力超过4.5MPa可能诱发微裂隙,需通过多井抽采平衡压力场。CO₂封存效率受多因素非线性调控,优化注气压力(4-4.5MPa)、温度(接近原始温度299-305K)及渗透率(0.3-0.5m D)可平衡封存稳定性与CH₄采收率。 (3)风险因素层级化分析:构建基于DEMATEL-AISM风险分析识别模型,从“人-机-环-管”四维度识别出深部低渗煤层CO₂封存注气过程存在的16项核心风险因素,构建了对抗多级递阶解释结构模型:分析得到根源层因素为:地层构造(S₁₀)、煤层埋深(S₉)及作业人员安全意识(S₁)是驱动系统风险的关键因素。直接层因素为:作业人员专业技能熟练程度(S₃)、封存设备防护装置(S₅)、CO₂气体压注装置(S₆)、煤层温度(S₁₁)、项目安全监管能力(S₁₃)、项目管理机构与协调(S₁₅)其异常状态可直接引发注气过程的功能失效与事故连锁反应。间接层因素为:作业人员安全防护措施(S₂)、井筒装置(S₄)、作业人员工作环境(S₈)、煤层渗透率(S₁₂)其受到其他风险因素的影响。