二氧化碳地质封存系统完整性演化机理研究及评价

Geological storage of CO2 is one of the important means of mitigating the greenhouse effect and enhancing oil and gas recovery. The integrity of the storage system, including wellbores and caprock, is quite important to ensure a long-term and effective underground storage. In the previous studies, it is found that the caprock and wellbore integrity would change under the impact of THMC multi-field, leading to abnormal phenomenon such as the self-healing of the wellbore, which would result in the leakage of CO2. Therefore, in this project various measures, such as numerical modeling, experiments, are taken to study the mechanism of the storage system integrity alteration with the help of X-ray, CT scanning, digital rock and so on. Meanwhile, reactive transport equations will be built taking the stress effect, chemical denudation into account. The equations will be used in a pilot area to model the THMC processes. At the end, the FEPs method will be used to evaluate the leakage risks. The project is quite meaningful to identify the rules of the storage system integrity alteration and its mechanism, and it will provide the basis for the storage site selection and leakage risk evaluation.

二氧化碳地质封存是缓解温室效应和提高油气采收率的重要手段。存储系统(井筒和盖层)的完整性对保证长期、安全地封存至关重要。前期研究中发现，多物理场(力学、化学等)共同作用下井筒和盖层完整性会发生变化，甚至呈现与常规认识相反的现象，如井筒自愈合，进而产生泄露的风险。据此，本课题将用室内实验与数值模拟相结合的手段进行多物理场下存储系统完整性演化规律研究及风险性评价。项目拟进行高温高压条件下二氧化碳与套管-水泥-地层岩石组合体和盖层岩石的反应实验，并借助X射线、CT扫描、数字岩心等技术分析存储系统完整性的变化机理；建立反映渗流运动、应力作用、化学溶蚀等过程的多组份溶质运移方程，进行场地规模的多场耦合数值模拟；最终，利用特征、事件及过程分析法等手段对泄露风险进行综合判断。项目的完成对揭示二氧化碳地质封存过程中存储系统的完整性演化规律和机理具有重要意义，为选址、选层及泄漏风险评估奠定基础。

二氧化碳地质封存是缓解温室效应和提高油气采收率的重要手段之一。存储系统完整性对保证长期、有效、安全的地质封存至关重要。本基金项目开展了高温高压条件下二氧化碳与水泥和盖层岩石的反应实验，借助X射线、CT扫描、核磁原位驱替等技术，并结合数值模拟的手段进行二氧化碳地质封存系统完整性演化规律和机理研究及二氧化碳泄漏风险评价。第一，开展了含裂缝水泥在二氧化碳腐蚀作用下的力学性能及微观结构的变化规律实验，并利用CT扫描技术探索了酸化、碳化两种过程对井筒完整性的影响规律。结果证实二氧化碳腐蚀会增加水泥环残余应力，导致水泥裂缝内CaCO3晶体的生成，增加抗压强度，而在富硫酸盐的环境中，碳化对水泥的降解作用更强；第二，通过自主研发的岩石力学参数和排替压力测试装置开展实验，证实随着二氧化碳注入压力增加，盖层岩石弹性模量、抗压强度降低，泊松比增加，排替压力略有下降，而温度上升导致气-水界面张力增大，排替压力升高。第三，采用核磁原位驱替的手段进行了两相流动特征的监测，并得出渗透性、孔隙度等参数变化规律。结果证实渗透率和孔隙度均出现不同程度的增大，其本质原因是盖层中矿物溶解量大于沉淀量。CO2流动实验后大部分矿物含量发生了一定量的变化，但幅度较小。第四，建立了反映渗流运动、应力作用、化学溶蚀等过程的多组份溶质运移方程，在此基础上进行了CO2对井筒水泥环、储层和盖层岩石的影响规律研究。结果证实临近套管部分水泥环会发生自愈合，而临近储层区域发生淋滤腐蚀；盖层岩石孔隙度增加幅度较小，表明二氧化碳腐蚀对其完整性影响较小。最后，利用特征、事件及过程分析法，并建立贝叶斯网络算法对二氧化碳沿封存系统的泄漏风险进行了综合评价，该方法可得出封存系统任意参数组合条件下的气体泄漏风险。项目系统地研究了二氧化碳地质封存过程中封存系统完整性的演化规律和机理，为二氧化碳泄漏风险评价提供了理论依据，对“碳达峰”和“碳中和”的实现具有重要意义。