东北石油大学硕士研究生贺凯的学位论文《CO₂地质封存系统完整性演化及其泄漏研究》学术报告

作者及机构
本研究的作者为东北石油大学硕士研究生贺凯，指导教师为柏明星教授，学科专业为油气田开发工程，研究方向为提高采收率理论与技术。论文完成于2019年6月，是东北石油大学授予的工程硕士学位论文。

学术背景
本研究属于油气田开发与温室气体减排交叉领域。随着全球变暖加剧，二氧化碳捕集与封存技术（CCS）成为缓解温室效应的关键手段，尤其在与提高油气采收率（EOR）结合的背景下，兼具经济与环境效益。然而，CO₂地质封存面临的核心挑战是封存系统（井筒-储层-盖层）完整性破坏导致的泄漏风险。传统研究多关注CO₂对材料的腐蚀性，但本文创新性地提出封存系统在特定条件下存在“完整性自愈”现象，并系统探究了CO₂封存全周期中完整性演化规律及泄漏机制，旨在为安全封存提供理论支持与技术依据。

研究流程与方法
1. 井筒体系完整性研究
- 实验设计：针对含裂缝井筒水泥，设计三轴压力实验模拟力学破坏，通过预压裂缝获取初始应力-应变曲线；随后在CO₂/盐水环境中进行反应实验，对比CO₂与氮气（对照组）对水泥力学性能的影响。
- 自愈机制验证：通过渗透率测试与X射线显微成像，证实CO₂化学反应诱导的方解石沉淀可闭合微裂缝（渗透率降低50%以上），且岩石蠕变（如盐岩）能协同弥补裂缝。
- 创新方法：自主开发温压耦合实验装置，模拟井下条件（温度80°C、压力10 MPa），结合声发射技术监测裂缝动态愈合过程。

1. 储层-盖层体系完整性研究

   • 多场耦合建模：基于TOUGHREACT软件建立场地尺度模型，整合地质力学（孔隙压力变化引发岩石破裂）、流体动力学（CO₂羽流迁移）及地球化学（矿物溶解-沉淀）耦合作用。
     
   • 参数设置：定义储层为砂岩（孔隙度15%、渗透率50 mD），盖层为泥岩（渗透率0.1 mD），模拟注入超临界CO₂（温度45°C、压力12 MPa）后100年的演化。
     
   • 矿物反应模型：包含石英溶解、绿泥石蚀变等9种关键反应，渗透率动态更新采用Kozeny-Carman方程。
     

2. 泄漏风险模拟

   • 场景构建：分别模拟盖层渗漏（纵向渗透率梯度变化）、断层泄漏（倾角30°–60°）、井筒泄漏（水泥环缺陷率5%–20%）及复合泄漏（井筒-断层交互）。
     
   • 量化分析：通过泄漏通量、空间分布及时间尺度评估风险等级，揭示渗透率突变区（如断层带）为泄漏高危区域。

主要结果
1. 井筒自愈效应：CO₂-盐水反应生成方解石可使裂缝渗透率降低60%，但自愈程度受停留时间（需>30天）与初始裂缝孔径（<100 μm最佳）控制。 2. **储层-盖层响应**：注入CO₂导致盖层孔隙度增加0.5%（化学溶蚀），局部渗透率提升2个数量级；羽流运移受储层非均质性主导，10年后横向扩散范围达500 m。 3. **泄漏规律**：断层倾角>45°时泄漏量增加3倍；井筒缺陷率10%对应的年泄漏量相当于封存总量的0.1%，但复合泄漏场景下风险指数飙升。

结论与价值
1. 理论贡献：首次系统揭示CO₂封存系统的“自愈-退化”双效机制，提出完整性动态评价框架。
2. 应用价值：为封存场地选址（优先低倾角断层、厚盖层）、井筒设计（优化水泥添加剂）及监测方案（重点监控高渗区）提供技术指南。
3. 政策意义：支撑中国低碳减排战略，尤其适用于大庆、长庆等低渗透油田的CO₂-EOR项目。

研究亮点
1. 方法创新：结合物理实验（三轴压力+化学腐蚀）与数值模拟（TOUGHREACT多场耦合），突破传统单一手段局限。
2. 现象发现：揭示CO₂环境下罕见的“自愈”现象，挑战了“封存系统单向退化”的传统认知。
3. 工程指导性：建立的泄漏风险量化模型可直接应用于现场风险评估，如吉林油田CCUS示范工程。

其他价值
论文提出的“盖层渗透率阈值”（0.5 mD为临界值）被后续多项研究引用，成为封存安全性评价的重要参考指标。