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(lái)我國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和的重要選項(xiàng)之一。CO₂地質(zhì)封存目標(biāo)儲(chǔ)層深度較大，CO₂沿井筒注入或泄漏過(guò)程中溫度壓力變化幅度大，這可能導(dǎo)致CO₂發(fā)生相變，進(jìn)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(guò)程的井筒-儲(chǔ)層全耦合數(shù)值模擬研究。

　　為此，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所科研人員以國(guó)內(nèi)首個(gè)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(duì)象（圖1），采用改進(jìn)的可描述CO₂-H₂O系統(tǒng)相變過(guò)程的井筒-儲(chǔ)層耦合模擬器T2Well/ECO2M，首先對(duì)注入過(guò)程中井筒-儲(chǔ)層系統(tǒng)內(nèi)的流體行為進(jìn)行了分析，然后對(duì)井口實(shí)施定壓邊界以模擬井口閥門(mén)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(guò)程中的停注期，井筒溫度在圍巖熱傳導(dǎo)作用下增大，而壓力在儲(chǔ)層調(diào)節(jié)作用下降低，導(dǎo)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(dǎo)致的溫度壓力變化有限；受控于儲(chǔ)層滲透率及其初始和邊界壓力分布條件，儲(chǔ)層中CO₂沿注入井油管的泄漏過(guò)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(guò)程中，井筒-儲(chǔ)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(guò)程促進(jìn)了泄漏的進(jìn)行；由于儲(chǔ)層壓力不平衡，停注期間及泄漏停止后，儲(chǔ)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(yùn)行過(guò)程中井筒-儲(chǔ)層系統(tǒng)中CO₂的相變流動(dòng)特征，并預(yù)測(cè)了假定條件下儲(chǔ)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(lái)投入運(yùn)行的CCS工程設(shè)計(jì)提供理論參考。

　　研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019YFE0100100）和國(guó)家自然科學(xué)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(cè)井揭露的地層巖性柱狀圖（b）模型概念圖（c）注入井監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)　　 

圖2  工程運(yùn)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(shí)間變化等值云圖

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

圖4  停注期間不同時(shí)刻井筒附近儲(chǔ)層壓力分布及液相或超臨界CO₂流場(chǎng)圖