利用衰竭油气田存储二氧化碳过程中废弃井完整性变化机理研究及评价

The migration of CO2 along the wellbore is one of the risks during the process of underground storage in depleted oil and gas reservoirs, and therefore it is necessary to evaluate well integrity prior to the injection of CO2. Since it is difficult to obtain the downhole information of abandoned wells, the well integrity evalation of abandoned wells is a tough problem in the world. In recent years, many researchers have performed studies and obtained some results. However, they are very preliminary and the further studies are required. In the storage period which is at least 1000 years, some Features, Events and Process could lead to loss of well integrity, and the injected CO2 could also corrode the defected casing-cement-rock composite. In the presence of salt rock as caprock, the creep effect of salt also affects well integrity. In this project, a new method of well integrity evaluation is planned to be put forward. In this method, the coupled effect of mechanical and chemical processes are considered, and a method of evaluating the permeability of downhole cement is also planned to be established. Besides, the leakage of CO2 along wellbore is also to be simulated. In order to evaluate the effect of salt creep on salt rock, an apparatus will be built. The results of this project will bring a big step forward in the area of well integrity evaluation.

二氧化碳沿井筒逃逸是利用衰竭油气田进行二氧化碳地质存储过程中所面临的重要风险之一，因此注气前需分析评价井的完整性。由于获取井下信息比较困难，废弃井完整性评价属国际难题。近年来国内外许多学者展开大量研究，初步得到一些成果，然效果甚微。在长达上千年的存储周期中，各种特征、事件及过程会造成井的完整性损失，注入的超临界二氧化碳又会腐蚀套管-水泥-岩石组合体，进而影响存储效果。在有盐岩作为盖层的情况下，由于其蠕变特性，井的完整性呈现出特殊的变化规律。本课题拟提出废弃井完整性评价的思路及步骤；考虑动态应力与化学腐蚀的耦合作用，提出二氧化碳埋存井水泥环及水泥塞渗透性能评价方法，并建立二氧化碳埋存井应力与腐蚀耦合作用下渗漏量动态预测模型；自主研制在盐岩蠕变影响下套管-水泥-地层岩石组合体自愈能力评价实验装置，并分析井的完整性变化微观机理及规律。研究成果具有重要的学术意义。

二氧化碳沿井筒逃逸是利用衰竭油气田进行二氧化碳地质存储过程中所面临的重要风险之，其中废弃井完整性评价属国际难题。本课题研究内容包括：二氧化碳腐蚀对水泥环及水泥塞的性能影响研究，二氧化碳埋存井在盐岩蠕变作用下应力动态变化规律及水泥环自愈能力研究，以及废弃井完整性评价方法建立。课题组通过理论研究、室内实验以及数值模拟等手段，取得了以下研究成果：. 通过室内实验确定了在不同二氧化碳含量、温度和压力情况下，二氧化碳腐蚀对水泥环的抗压强度、抗拉强度、界面胶结能力以及渗透性能的影响。通过自主研制水泥环在盐岩作用下自愈能力实验装置，证实了由于盐岩的蠕变套管-水泥-岩石组合系统中微裂隙的自愈性，并分析了二氧化碳对于水泥组分固化的影响。利用数值模拟对二氧化碳注入井注气过程中温降及盐岩蠕变对井筒完整性的影响进行了分析，得出了温降的极限值。结果表明，在一定条件下套管与水泥环之间的微环隙可以通过盐岩蠕变的方式进行弥补甚至愈合。. 以德国某区块为例，建立了废弃井完整性评价方法，以及二氧化碳沿水泥环逃逸的数学模型。该方法包含特征、事件、过程分析、模型建立及数值模拟、结果分析三个主要步骤。该方法提供了对所有静态、动态因素的半定性分析。模型建立包括力学模型、化学腐蚀模型，以及二氧化碳泄漏的数值模拟。结果表明：目标区块在1000年存储周期内二氧化碳的逃逸量都没有超过最大允许值。. 此外，项目建立了二氧化碳埋存井动态应力计算模型，综合考虑温度、力学载荷及化学腐蚀等因素的影响，确定了能够实现二氧化碳有效埋存的水泥环力学参数：杨氏模量取值范围5~40GPa，泊松比取值范围0.18~0.4，热膨胀系数小于过1.6×10-5 ℃-1，大于地层的热膨胀系数。. 本次研究完成了既定目标，成果将一定程度上解决二氧化碳地下封存过程中沿井筒泄漏的评价问题，为二氧化碳安全、有效、长期封存提供依据和技术支持。