二氧化碳捕集、利用与封存（ccus）技术作为大规模温室气体减排技术，有望成为未来我国实现碳中和的重要选项之一。co2地质封存目标储层深度较大，co2沿井筒注入或泄漏过程中温度压力变化幅度大，或导致co2发生相变，进而影响注入或泄漏特征，而目前在二氧化碳地质封存领域缺乏考虑co2相变过程的井筒-储层全耦合数值模拟研究。
中国科学院武汉岩土力学研究所以国内首个co2深部咸水层封存全流程示范工程——神华ccs示范工程具体工程及地质条件为研究对象（图1），采用改进的可描述co2-h2o系统相变过程的井筒-储层耦合模拟器t2well/eco2m，对注入过程中井筒-储层系统内的流体行为进行分析，并对井口实施定压边界以模拟井口阀门失效情况，分析这种假定情况下co2-水混合物沿井筒油管泄漏的行为特征。研究表明：在间歇注入过程中的停注期，井筒温度在围岩热传导作用下上升，而压力在储层调节作用下降低，导致深度约300m以上井筒内的液相co2发生气化（图2），但由此导致的温度压力变化有限；受控于储层渗透率及其初始和边界压力分布条件，储层中co2沿注入井油管的泄漏过程表现出自限制特征，即泄漏发生到一定程度后自行停止（图3a）；在泄漏过程中，井筒-储层系统中的液相或超临界co2发生了气化（图3b），这一相变过程促进了泄漏的进行；由于储层压力不平衡，停注期间及泄漏停止后，储层中的流体沿井筒发生了层间窜流（图4）。上述成果揭示了该ccs工程运行过程中井筒-储层系统中co2的相变流动特征，并预测了假定条件下储层中co2沿井筒的泄漏特征。该工程现已结束并封井，可为未来投入运行的ccs工程设计提供理论参考。
相关研究成果分别以phase transition and fluid backflow during the non-injection period in the ordos ccs project, china和modeling of possible co2leakage with phase transition in wellbore-reservoir system based on the ordos ccs project, china为题，发表在journal of cleaner production与international journal of greenhouse gas control上。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。
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图1.（a）注入井测井揭露的地层岩性柱状图（b）模型概念图（c）注入井监测数据
图2.工程运行期间注入井内（a）压力（b）温度（c）气相co2饱和度（d）液相或超临界co2饱和度随时间变化等值云图
图3.井口压力为1 mpa时（a）井口水相与co2泄漏质量流量随时间变化曲线（b）井筒内气相co2饱和度随时间变化等值云图
图4.停注期间不同时刻井筒附近储层压力分布及液相或超临界co2流场图
研究团队单位：武汉岩土力学研究所
