地質封存工程中CO2沿井筒滲漏影響因素分析＊

唐丹 王萬福 熊煥喜 陳昌照

（中國石油安全環保技術研究院）

地質封存工程中CO2沿井筒滲漏影響因素分析＊

唐丹 王萬福 熊煥喜 陳昌照

（中國石油安全環保技術研究院）

CO2地質封存作為現階段溫室氣體減排的有效技術之一，在石油行業中具有許多優勢，CO2沿井筒滲漏是地質封存過程中所面臨的重要風險之一。為降低CO2滲漏對封存區域生態、環境和人員健康方面的不利影響，文章通過研究CO2地質封存背景和封存于地下的超臨界CO2的性質，分析CO2沿井筒區域系統滲漏的潛在通道，并以此為基礎開展CO2沿井筒區域系統滲漏主要影響因素的研究。

地質封存；CO2；井筒；滲漏；影響因素

0 引 言

氣候變化是21世紀人類共同面臨的最大挑戰和威脅，已成為社會和經濟發展的主要制約因素之一。為應對氣候變化，中國政府提出了“到2020年中國單位國內生產總值CO2排放比2005年下降40%～50%”的CO2減排承諾和一系列CO2減排措施。經過多年的發展，將地面捕集的CO2注入到深部地層中的地質封存已被國際社會認為是目前最經濟可靠的減排技術［1-3］。

進行CO2地質封存可以把CO2有效地封隔在地球深部。但研究結果顯示，由于受到地球內部溫度、壓力的變化及構造活動所引發的突發事件（如地震、火山活動等）和人為因素（采礦、鉆井等）的影響，封存在地下的CO2極有可能產生泄漏和逃逸［4］。CO2一旦發生泄漏和逃逸，將對泄漏點附近的人體健康、生態系統、土壤、地下水等產生不良影響，尤其是CO2在低洼地區聚集時會對該區域造成更大破壞；此外，泄漏和逃逸還增加了大氣中CO2的濃度，對全球氣候變化也會產生深遠影響［5-6］。本文從封存CO2沿井筒滲漏風險分析入手，探討CO2沿井筒區域系統滲漏的影響因素，并對其進行分析。

1 二氧化碳沿井筒滲漏風險

CO2的注入需要鉆井，石油行業中數量巨大的鉆井是開展CO2地質封存的有利基礎條件，但研究結果卻表明：鉆井是CO2滲漏的主要途徑，即地質封存CO2的最大風險來自于封存地區鉆井井筒的滲漏。在美國，目前有超過400個地下儲氣庫，儲集了約160萬t氣體。然而，監測發現有9處發生泄漏事件，其中5處直接與井筒的完整性有關，有3處由于上覆蓋層封閉不嚴密，還有1處與早期錯誤選址有關［7］。發生在Kansas地區的鉆井嚴重滲漏事件，直接導致3 000 t的CO2泄漏到大氣中［8］，事發后經調查，該地區至少有470個鉆井設施服役年齡超過25 a，這些鉆井設施的老化、破損及超負荷、超年限使用是導致泄漏事件發生的主要原因［9］。

為了在深部地層中注入最大量的CO2，工程中通常選擇將CO2注入到溫度和壓力超過臨界點（31.1℃，7.38 MPa）的地層，在該類地層中CO2主要以超臨界狀態存在。超臨界CO2流體是一種高密度氣流，具有氣體和液體的雙重性質，即密度高于通常氣體，接近液體，因而有常規液態溶劑的強度；黏度與氣體相似，比液體小很多；擴散系數接近于氣體，為液體的幾十倍，具有較好的流動性。一旦井筒區域系統完整性產生缺陷，超臨界CO2流體易膨脹、易流動的特性使其極易發生滲漏，且滲漏帶來的任何臨界點附近物理性質的微小變化都會造成CO2其他物理性質的劇烈變化，進一步影響井筒區域系統完整性。

理論上完整的井筒區域系統可以封隔井下的CO2流體，但是在實際工程運行過程中，由于各種機理和原因，造成包括井筒本身及附近巖層和巖層中流體在內的井筒區域系統的不完整，形成包括套管、水泥塞或水泥墻、巖層內部及相互作用面之間很多潛在的CO2滲漏通道［10］。井筒區域系統中的潛在滲漏通道示意見圖1。

2 二氧化碳沿井筒滲漏影響因素

CO2地質封存工程是一項工程系統和自然系統緊密結合的產物。分析CO2沿井筒滲漏的影響因素可從這兩方面入手。自然系統包含地質條件、社會條件、自然條件等因素，工程系統包含設備、材料、施工與組織等因素。

CO2沿井筒滲漏影響因素見表1。

表1 CO2沿井筒滲漏影響因素

表1中各影響因素對井筒系統完整性的影響機理不同，作用時間與概率也不同，其影響因素具體分析如下。

2.1 自然系統

◆地形、地貌 沖溝、河谷等低洼地區由于上覆巖層壓力減小和靜水壓力下降，滲漏的CO2趨于向該區聚集，因此通常為高滲漏風險區。

◆鉆井密度 鉆井密度對井筒滲漏的影響特別大。鉆井越多，對地層完整性的破壞越大。鉆井密度高的地區極易產生井間流體竄流現象，這會造成CO2多井大面積連片滲漏。

◆地震 地震會使地層的形狀發生改變，造成井身嚴重破壞變形。且由于地震的發生，還可能在區域內形成新的斷層或改變早期斷層的產狀，斷層的變化不僅對井筒系統完整性有不利影響，還對CO2地質封存工程整體的安全性產生重大影響。

◆背斜或高陡構造 國內油氣田的勘探開發主要圍繞構造圈閉進行，鉆井多位于構造高點上，如背斜或高陡構造。從油氣成藏理論和勘探實際情況來看，這類構造是油氣易于聚集的區域。但鉆井過程中，由于地層自然井斜規律性很強，鉆進難度大，井身結構難以把握，一旦實際施工的井身結構與設計不一致，容易造成鉆井完整性缺陷。若CO2封存區域內存在這類鉆井，就增加了CO2沿井筒區域系統滲漏的通道。

◆地層巖性 地層巖性對井筒完整性的影響主要表現在巖石的軟硬程度及塑性流變性對井筒壁產生大小不同的壓力。一般軟性地層和塑性流變性大的地層更容易擠壓套管，使套管變形。在鉆進過程中鉆遇泥巖地層，可能會發生縮徑現象，擠壓井壁；鉆遇鹽巖類塑性流變性很強的地層，鹽巖的蠕動變形擠壓井筒也會影響其完整性。

◆地表水溶蝕 封存區域內，若存在目的層位或目的層位上覆地層的露頭，則地表水對這些地層的露頭進行溶蝕，溶蝕產生的影響從地表極有可能延伸到地下。鉆井經過這些溶蝕地層，由于井筒附近巖層結構不穩定，巖層易坍塌擠壓套管；已完成的鉆井井筒被地下水侵蝕會產生溶蝕孔、縫、洞等CO2逃逸通道。

◆蓋層性質 蓋層性質是影響CO2在井筒區域系統內滲流的一個重要因素。越致密的地層，孔隙度和滲透率都很低，越能有效地封堵CO2流體，但越致密的巖層也越脆，在鉆井和注入氣體的過程中，若壓力控制不夠好，在蓋層中易產生微裂縫，會大大增加潛在滲漏通道。

◆地層壓力 CO2的地質封存很大一部分是用于油氣田開發后期的驅油以提高采收率。油氣田開發后期產層中地層壓力系數普遍低于1.0，屬異常低壓地層。在異常低壓地層中可能會出現井漏和垮塌并存的復雜情況，垮塌會擠壓井筒，井漏造成地層大漏，污染儲層。

社會條件和自然條件對CO2沿井筒滲漏的影響具有間接性，主要是通過對施工人員、設備、工藝等因素的影響，間接控制CO2沿井筒滲漏風險。

2.2 工程系統

◆井的年齡 井的年齡對井筒區域系統的完整性存在一定影響，主要體現在鉆井工藝上。針對不同鉆井情況有不同分析，一般井的年齡越老，井筒區域系統完整性缺失的風險也越大。

◆井的類型 在油氣田勘探開發過程中有探井、生產井、注水（氣）井、基準井、參數井、剖面井、構造井、資料井、調整井、檢查井、觀察井等多種井。各種井由于井內管柱、井口裝置、固井質量和使用頻率等的差異，對井筒區域完整性的影響不同，一般較為規范的井，如油氣生產井、注水（氣）井，監測井等對滲漏發生的影響較小。

◆井噴 井噴具有不可預知性。超臨界CO2的井噴會導致套管內溫度和壓力的急劇變化，尤其對套管的機械完整性和水泥的固井質量產生很大影響。

◆套管完整性 套管完整性是井筒區域系統完整性較為核心的部分。一般從兩方面來評價套管的完整性，一是由于套管磨損造成強度降低的風險，二是由于套管制造或者材料缺陷造成強度降低的風險。不管是磨損、材料缺陷、制造等原因，強度降低均會增加套管破損的可能性，增大滲漏風險。

◆水泥漿性能 水泥漿主要由油井水泥、配漿水和外加劑根據設計以一定比例配置而成。這些材料中，每一種均能通過化學作用和物理作用對水泥漿性能及固結后的水泥環特性產生影響。由于不同水泥類型對應力變化和化學腐蝕的抵抗力并不相同，不合適的水泥在固井和封井過程中會產生裂縫，形成CO2滲漏通道。

◆表層套管深度 隨著表層套管深度的增加，滲漏可能性也隨之增加。但在某些地形條件下，由于地層高差大，表層套管必須下入地下一定深度才能確保安全鉆井和減少地表松散巖石對鉆井的影響。

◆套管居中情況 如果套管不居中，環形空間中比較狹窄的一側會形成連續的泥漿通道，水泥漿頂替效率較低，尤其在斜度大的井段，套管不易處于居中位置，較長的泥漿通道會產生較多裂縫。

◆固井質量 固井的主要目的是形成足夠的剪切膠結力，支撐套管；形成足夠的水力膠結力，封隔油、氣、水層?？捎盟酀{頂替效率、水泥漿膠結效率等描述固井質量。固井質量不好，易在水泥環內、水泥環與套管間產生微裂縫，必要時可以采用管外封隔器固井，做到層層封隔，確保全井筒環空的密封效果；采用正反注水泥工藝確保水泥漿返至地面。而固井質量的好壞可以用聲波幅度測井（CBL）、聲波密度測井（VDL）、超聲成像測井（USI）等測井儀器進行檢測評價。

◆井斜 鉆井的造斜段和穩斜段由于井身結構比直井段復雜，鉆進方式比直井段慢且復雜。所以一般斜井的滲漏風險比直井大，且隨著斜度增大，風險也增大。

◆完井層段 一般來說，完井層段越深，井筒區域完整性越強。因為絕大多數井的深井層段比淺井層段有更好的固井質量，淺井層段通常固井質量較差或固井水泥完整性破壞嚴重。

◆完井類型 套管在地層環境下長期和礦化度較高的地層水接觸，被強烈腐蝕。由于這類腐蝕嚴重，選用套管完井的鉆井比非套管完井的鉆井具有更大的井筒完整性缺失風險。研究表明，套管完井的鉆井造成的滲漏風險占所有滲漏風險井的九成以上。

◆泥漿漏失 泥漿漏失會形成泥餅，泥餅收縮形成微裂縫是CO2沿井筒滲漏的潛在通道。

◆增產增注 在油田開發的中后期，由于產量下降，經常采取一些增產增注的方式來提高油、氣產量，增產增注產生的油層破壞和水泥環破壞會形成CO2運移的通道。

◆開采 隨著油、氣的開采，儲層壓力下降導致巖石的有效應力增大，這會增加蓋層、水泥和套管的壓力，隨著這類壓力增加，有可能會導致其破裂。

◆注氣 注入CO2流體的過程會導致井身壓力和溫度的重新分布和改變，尤其是溫度驟降會引起套管收縮，讓水泥環受到向內側拉的力，進而使套管與水泥環或水泥環與巖石之間產生微環隙或微裂縫。

◆封井 封井過程中有一系列的切割套管、注入水泥基測試等工藝，這些工藝會引起井身完整性的變化。

◆腐蝕 CO2注入地下后，與地層水接觸，部分溶于地層水形成酸性液體。研究表明，這些酸性液體的p H值最低可降至3，如此低p H值的溶液對井筒區域系統中的套管和水泥腐蝕性很強（易腐蝕套管中強度減弱和材質缺陷部位），腐蝕的套管和水泥會產生孔、縫、洞等，對井的完整性危害較大。

3 結束語

地質封存工程中發生CO2沿井筒區域系統滲漏的風險很大，究其原因主要是封存區域內鉆井數量大，且井筒區域系統完整性受多種因素影響，某些因素產生的影響無法避免（如地震、封井、注采等）。地質封存工程中影響CO2沿井筒滲漏的各種因素均能影響井筒區域系統的完整性，但由于其引發風險的機理不同，產生風險的大小也不同。因此，應將各種影響因素進行分類研究后，開展分級、分主次控制?，F階段采用一定的方式方法可以對套管完整性、腐蝕、水泥類型和固井質量等因素開展定量研究，分析其風險大小，其余不能進行定量分析的因素帶來的影響只能根據具體情況開展定性分析。

［1］ 張洪濤，文冬光，李義連，等.中國二氧化碳地質埋存條件分析及有關建議［J］.地質通報，2005，24（12）：1101-1110.

［2］ Bruant R G，Guswa A J，Celia M A，et al.Sate Storage of CO2Deep Aquifer［J］.Environment Science and Technology，2002，36（11）：240-245.

［3］ Benson S M，Hepple R，Apps J，et al.Lesson Learned from Natural and Industrial Analogues for Storage of Carbon Dioxide in Deep Geological Formations，Earth Sciences Division［M］.Berkeley：E.O.Lawrence Berkeley National Laboratory，2002.

［4］ 許志剛，陳代釗，曾榮樹.CO2地質埋存滲漏風險及補救對策［J］.地質評論，2008，54（3）：373-386.

［5］ 曾榮樹，孫樞，陳代釗，等.減少二氧化碳向大氣層的排放［J］.中國科學基金，2004，18（4）：196-200.

［6］ 于貴瑞.全球變化與陸地生態系統碳循環和碳蓄積［M］.北京：氣象出版社，2003.

［7］ Perry K F.Natural Gas Storage Industry Experience and Technology：Potential Application to CO2Geological Storage［C］.／／Benson S M.CO2Capture for Storage in Deep Geologic Formations Results from the CO2Capture Project，Vol.2：Geologic Storage of CO2with Monitoring and Verification.London：Elsevier，2005：815-826.

［8］ Bert M，Ogunlade D，Manuela L.IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage［M］.New York：Cambridge University Press，2005.

［9］ Lee A M.The Hutchinson Gas Explosions：Unravelling a Geologic Mystery，Kansas Bar Association［C］.26thAnnual KBA／KIOGA Oil and Gas Law Conference，2003：3-29.

［10］Celia M A，Bachu S，Nordbotten J M，et al.Quantitative Estimation of CO2Leakage from Geological Storage：Analytical Models，Numerical Models，and Date Needs［C］. Proc.GHGT-7 Meeting，Vancouver，September 2004.

1005-3158（2014）03-0001-04

2013-10-08）

（編輯 王薇）

10.3969／j.issn.1005-3158.2014.03.001

＊中國石油低碳關鍵技術研究子課題-溫室氣體捕集與利用關鍵技術研究（課題編號：2011E-2409）。

唐丹，2009年畢業于西南石油大學礦產普查與勘探專業，碩士，現在中國石油安全環保技術研究院環保技術研究所從事石油行業二氧化碳封存技術研究。通信地址：北京市昌平區沙河鎮西沙屯橋西中國石油創新基地A座621室，102206