二氧化碳捕集、利用與封存（CCUS）技術(shù)作為一種大規(guī)模溫室氣體減排技術(shù)，有望成為未來我國實現(xiàn)碳中和的重要選項之一。CO₂地質(zhì)封存目標儲層深度較大，CO₂沿井筒注入或泄漏過程中溫度壓力變化幅度大，這可能導致CO₂發(fā)生相變，進而影響注入或泄漏特征，但目前在二氧化碳地質(zhì)封存領(lǐng)域仍然缺乏考慮CO₂相變過程的井筒-儲層全耦合數(shù)值模擬研究。

　　為此，中國科學院武漢巖土力學研究所科研人員以國內(nèi)首個CO₂深部咸水層封存全流程示范工程——神華CCS示范工程具體工程及地質(zhì)條件為研究對象（圖1），采用改進的可描述CO₂-H₂O系統(tǒng)相變過程的井筒-儲層耦合模擬器T2Well/ECO2M，首先對注入過程中井筒-儲層系統(tǒng)內(nèi)的流體行為進行了分析，然后對井口實施定壓邊界以模擬井口閥門失效情況，分析了這種假定情況下CO₂-水混合物沿井筒油管泄漏的行為特征。研究結(jié)果表明：在間歇注入過程中的停注期，井筒溫度在圍巖熱傳導作用下增大，而壓力在儲層調(diào)節(jié)作用下降低，導致深度約300m以上井筒內(nèi)的液相CO₂發(fā)生了氣化（圖2），但由此導致的溫度壓力變化有限；受控于儲層滲透率及其初始和邊界壓力分布條件，儲層中CO₂沿注入井油管的泄漏過程表現(xiàn)出自限制特征，即泄漏發(fā)生到一定程度后自行停止（圖3a）；在泄漏過程中，井筒-儲層系統(tǒng)中的液相或超臨界CO₂發(fā)生了氣化（圖3b），這一相變過程促進了泄漏的進行；由于儲層壓力不平衡，停注期間及泄漏停止后，儲層中的流體沿井筒發(fā)生了層間竄流（圖4）。這些結(jié)果揭示了該CCS工程運行過程中井筒-儲層系統(tǒng)中CO₂的相變流動特征，并預測了假定條件下儲層中CO₂沿井筒的泄漏特征，該工程現(xiàn)已結(jié)束并封井，這些結(jié)果可為未來投入運行的CCS工程設計提供理論參考。

　　研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目（2019YFE0100100）和國家自然科學基金（41602255，41902309，51809259）的共同資助。相關(guān)研究成果分別以“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”為題，發(fā)表于Journal of Cleaner Production及 International Journal of Greenhouse Gas Control。

　　論文鏈接：

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

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

圖1 （a）注入井測井揭露的地層巖性柱狀圖（b）模型概念圖（c）注入井監(jiān)測數(shù)據(jù)　　 

圖2  工程運行期間注入井內(nèi)（a）壓力（b）溫度（c）氣相CO2飽和度（d）液相或超臨界CO₂飽和度隨時間變化等值云圖

圖3  井口壓力為1 MPa時（a）井口水相與CO2泄漏質(zhì)量流量隨時間變化曲線（b）井筒內(nèi)氣相CO₂飽和度隨時間變化等值云圖

圖4  停注期間不同時刻井筒附近儲層壓力分布及液相或超臨界CO₂流場圖