由于地层沉积、构造活动以及地球化学反应等过程，含水层的渗透率往往呈现非均质性，直接影响CO₂在储层中的运移，有必要探究其对含水层压缩二氧化碳储能(CCESA)系统运行性能的影响。通过构建CCESA系统非均质三维地质模型，设计循环工况，分析储层渗透率非均质条件下CO₂运移、井筒温压演化及能量效率变化规律。结果表明：储层渗透率非均质分布时，CO₂羽体横向运移范围缩减，渗透率对数正态分布时浅部储气库CO₂运移范围缩减72.3m；渗透率完全非均质分布时井口温度和压力波动加剧，释能时井口压力降幅随层状非均质程度加强而增大，最大降幅达4.5MPa；对比储层均质条件，低压储库能量效率在渗透率非均质分布时有小幅提升，其中，对数正态分布条件下提升2.3%；储层渗透率非均质分布时，CO₂因流动受阻偏离主积聚区呈不均匀分布，不利于后续释能，可以通过增大前期注气量来改善后期压力减小的问题。