高温-应力-化学腐蚀耦合作用下CO2注采井壁渗透性演化机理研究

A major risk that needs to be considered in CO2 geothermal production is CO2 leakage through the CO2 injection well or production well intersecting the caprock above CO2 host formation. CO2 leakage through the fracture between the well and the caprock is the most common leakage pathway. In this work, experimental study, theoretical analysis and numerical simulation are combined to study CO2 and brine migration in the fracture between the well and the caprock. With the application of flow theory in rock joint, constitutive relation between normal stress and fracture permeability, and wellbore cement—CO2 interaction mechanism, combined with advanced material characterization techniques and numerical simulation, the mechanism of fracture permeability evolution induced by high temperature, normal stress and CO2 corrosion at the interface between the well and the caprock is revealed. A mathematical model is developed to describe the correlation between fracture permeability and influencing factors like temperature, normal stress and CO2 corrosion, and numerical simulations are conducted to investigate field-scale CO2 leakage along the CO2 injection well or production well, considering well permeability evolution. Research outcomes contribute to the understanding of CO2 migration in the fracture between CO2 well and caprock under CO2 geothermal production environment, and provide support for CO2 leakage risk assessment of CO2 geothermal production projects.

CO2通过注采井壁泄漏造成携热介质CO2损失和地下水污染，制约CO2开采地热技术发展。CO2注采井壁渗透性演化机理是研究CO2通过注采井壁泄漏的关键科学问题。本研究以CO2开采地热注采井壁为研究对象，采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的技术手段，研究CO2开采地热条件下CO2与咸水在井壁裂隙中的流动过程，揭示井壁与高浓度CO2的化学反应机制，阐明高温-应力-CO2化学腐蚀共同作用影响井壁渗透性的机理，建立可定量描述井壁渗透性在高温、外部应力、CO2化学腐蚀共同作用下演化规律的数学模型。开展场地尺度CO2通过注采井壁裂隙泄漏的数值模拟，研究场地尺度井壁渗透性演化对CO2泄漏量的影响。研究成果将有助于科学认识CO2开采地热条件下CO2在注采井壁裂隙中的渗漏过程，为CO2开采地热项目的CO2泄漏风险评价提供理论依据和分析工具。

CO2通过注采井壁泄漏的风险是评价CO2开采地热项目安全性与环境风险评价的关键，也是CO2开采地热领域中的研究前沿。为深入研究CO2通过注入井和采出井壁泄漏问题，亟需开展高温环境、外部应力和CO2化学腐蚀耦合作用影响井壁渗透性的研究。本项目以CO2开采地热注采井壁为研究对象，采用试验研究和数值模拟相结合的技术手段，研究了CO2开采地热条件下饱和CO2咸水溶液在井壁裂隙（固井水泥-盖层岩石界面裂隙）中的流动过程，揭示井壁与高浓度CO2的化学反应机制，并进行CO2通过注采井壁裂隙泄漏的数值模拟研究。项目主要开展了不同温度、外部应力、反应时间以及CO2浓度下饱和CO2咸水溶液流经井壁固井水泥-盖层岩石裂隙的流动反应试验，采用微米CT研究反应前后井壁裂隙微观尺度破裂变形以及形态结构演化，建立考虑井壁渗透性演化的 CO2井壁运移数值模型，研究井壁渗透性演化对CO2泄漏的影响。研究结果表明：水泥-盖层岩石（以花岗岩为代表）复合样品与饱和CO2咸水溶液进行静态反应后，从水泥外围至内部形成溶解-沉淀-溶解的“三明治夹层”结构，而花岗岩的形态没有发生明显变化。饱和CO2咸水溶液流经水泥-盖层岩石复合样品交界面裂隙的流通试验分为恒流模式和恒压模式，恒流模式下，交界面一侧的水泥与反应液在裂隙内反应生成沉淀，使裂隙发生“自愈合”行为。恒压模式下，饱和CO2咸水溶液流过裂隙后同样反应生成沉淀，使裂隙发生愈合，从而导致水泥-花岗岩交界面的渗透性降低。与恒流模式相似，流通试验前后花岗岩的形态无明显变化。此外，利用数值模拟对储层条件下饱和CO2咸水沿水泥-花岗岩交界面裂隙的流动过程进行了研究，发现数值模拟结果可重现从交界面向水泥内部依次形成的溶解-沉淀-溶解“夹层”结构。因此，数值模拟结果与流通试验结果较好吻合。本项目研究成果将有助于认识CO2在注采井壁裂隙中的渗漏过程，可为CO2开采地热项目的CO2泄漏风险评价提供有效的分析工具。