武汉岩土所井筒-储层系统CO2相变-流动-泄露多场耦合模拟研究获进展

　　二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）技术作为一种大规模温室气体减排技术，有望成为未来我国实现碳中和的重要选项之一。CO₂地质封存目标储层深度较大，CO₂沿井筒注入或泄漏过程中温度压力变化幅度大，这可能导致CO₂发生相变，进而影响注入或泄漏特征，但目前在二氧化碳地质封存领域仍然缺乏考虑CO₂相变过程的井筒-储层全耦合数值模拟研究。

　　为此，中国科学院武汉岩土力学研究所科研人员以国内首个CO₂深部咸水层封存全流程示范工程——神华CCS示范工程具体工程及地质条件为研究对象（图1），采用改进的可描述CO₂-H₂O系统相变过程的井筒-储层耦合模拟器T2Well/ECO2M，首先对注入过程中井筒-储层系统内的流体行为进行了分析，然后对井口实施定压边界以模拟井口阀门失效情况，分析了这种假定情况下CO₂-水混合物沿井筒油管泄漏的行为特征。研究结果表明：在间歇注入过程中的停注期，井筒温度在围岩热传导作用下增大，而压力在储层调节作用下降低，导致深度约300m以上井筒内的液相CO₂发生了气化（图2），但由此导致的温度压力变化有限；受控于储层渗透率及其初始和边界压力分布条件，储层中CO₂沿注入井油管的泄漏过程表现出自限制特征，即泄漏发生到一定程度后自行停止（图3a）；在泄漏过程中，井筒-储层系统中的液相或超临界CO₂发生了气化（图3b），这一相变过程促进了泄漏的进行；由于储层压力不平衡，停注期间及泄漏停止后，储层中的流体沿井筒发生了层间窜流（图4）。这些结果揭示了该CCS工程运行过程中井筒-储层系统中CO₂的相变流动特征，并预测了假定条件下储层中CO₂沿井筒的泄漏特征，该工程现已结束并封井，这些结果可为未来投入运行的CCS工程设计提供理论参考。

　　研究工作得到了国家重点研发计划项目（2019YFE0100100）和国家自然科学基金（41602255，41902309，51809259）的共同资助。相关研究成果分别以“Phase transition and fluid backflow during the non-injection period in the Ordos CCS project, China”及“Modeling of possible CO₂ leakage with phase transition in wellbore-reservoir system based on the Ordos CCS project, China”为题，发表于Journal of Cleaner Production及 International Journal of Greenhouse Gas Control。

　　论文链接：

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652622011143?via%3Dihub

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1750583621003297?via%3Dihub

图1 （a）注入井测井揭露的地层岩性柱状图（b）模型概念图（c）注入井监测数据　　 

图2  工程运行期间注入井内（a）压力（b）温度（c）气相CO2饱和度（d）液相或超临界CO₂饱和度随时间变化等值云图

图3  井口压力为1 MPa时（a）井口水相与CO2泄漏质量流量随时间变化曲线（b）井筒内气相CO₂饱和度随时间变化等值云图

图4  停注期间不同时刻井筒附近储层压力分布及液相或超临界CO₂流场图