碳捕获与封存（CCS）过程中老井坍塌碎屑的密封模拟实验

《Geomechanics for Energy and the Environment》：Sealing simulation experiment of old well collapse debris in carbon capture and storage (CCS)

　　碳捕集与封存（CCUS）项目中老旧井密封性能研究，通过全尺寸井筒碎屑密封模拟和小规模岩心渗透性测试，揭示含鱼（钻管）和塌陷碎屑的井筒在压力变化下的密封失效机制：高压差（1.3-2.7 MPa）时快速气体突破，以及持续气体泄漏。研究为CCUS地质封存安全评估提供实验数据支撑。

　　

张玉达|董敬南|袁广杰|夏燕|张宏|傅攀

中国石油天然气集团有限公司石油勘探开发研究院，北京 100083

摘要

在枯竭的储层中储存碳已成为减少大气中二氧化碳浓度的一项关键技术，而旧井的密封完整性是选址时的关键因素。本研究通过全面的实验方法（包括全尺寸井筒碎屑密封模拟和小规模岩心渗透性测试）来研究含有碎屑并被井筒坍塌碎片掩埋的旧井的密封性能。实验设计系统地考察了关键变量，如碎屑组成、压实程度以及在不同水压下的渗透特性。研究结果发现了两种不同的失效机制：（1）在1.3-2.7 MPa的压力差下发生气体突破，响应时间约为30秒，气体主要沿着压实碎屑（渗透率<0.031 D）与套管/碎屑结构之间的界面路径迁移；（2）通过碎屑孔隙网络持续泄漏气体，其渗透率范围为0.0024-0.031 D。这些发现为废弃井的碎屑密封失效机制提供了基本的见解，为CCS/CCUS储层候选者的安全性评估提供了重要的实证数据。实验方法建立了一个可复制的框架，用于在模拟储层条件下评估井筒的密封完整性。

引言

随着全球能源消耗的持续增加，温室气体（如二氧化碳）的排放也在增加，进一步加剧了全球气温上升[1]，[2]。2023年，全球与能源相关的二氧化碳排放量首次超过400亿吨，其中直接能源使用排放量达到350亿吨（图1）。为了降低大气中的二氧化碳浓度，近年来碳捕获与封存（CCS）和碳捕获、利用与封存（CCUS）技术发展迅速。这两种技术都需要使用碳捕获技术从大气或工业碳源（如水泥厂和钢铁厂）中回收二氧化碳，并将其储存在密封良好的地质储层中。两者之间的核心区别在于目标不同：CCS旨在实现长期二氧化碳封存（例如通过矿化作用和固化），而CCUS则强调资源利用（例如提高石油回收率、置换煤层气或合成化学品和干冰）[3]，[4]。

CCS/CCUS项目的实施需要系统地评估多个关键因素，以确保技术可行性和长期稳定性[5]，[6]。关键因素包括盖层和围岩密封的完整性、断层稳定性、地面沉降、井筒完整性、注入和生产管线的腐蚀情况以及储藏区内旧井的密封性能[7]，[8]，[9]，[10]。旧井指的是CCS/CCUS项目区域内所有已钻探的井（例如勘探井、评价井或生产井），因此已成为研究的重点。从地下储气选址规则中借鉴的筛选标准对这些井进行了评估，考虑了水泥质量、套管完整性以及与断层或高渗透率带的距离；可封堵的候选井必须遵循严格定义的封堵程序。然而，全球仍有数千口复杂的旧井难以封堵。必须对其密封性能和压力等级进行评估，但由于缺乏实验参考数据，准确评估受到了阻碍[11]，[12]，[13]，[14]。

在CCS/CCUS操作过程中，大量二氧化碳被注入地层，导致旧井或废弃井顶部和底部之间产生显著的压力差。一旦这种压力差超过临界阈值，井的密封完整性可能会受到严重损害。在一个典型的CCS/CCUS项目区域内，存在多口旧井，其中一些井已经部分充满了碎屑和碎片（如图2所示）。为了确定这些复杂旧井在CCS/CCUS操作过程中能够保持密封的最大压力，迫切需要实验验证。本研究通过全尺寸环形碎屑密封模拟实验和小规模岩心渗透性实验来评估井筒的密封完整性，模拟了旧井底部的实际碎屑沉积情况。结果为CCS/CCUS操作中的危险评估和缓解措施提供了宝贵的见解，揭示了不同压力条件下碎屑在旧井内的行为，并阐明了相关的失效机制。

部分内容摘录

密封模拟实验

利用碎屑渗透性测试设备和井筒碎屑密封模拟装置，进行了全尺寸井筒碎屑密封模拟和小规模岩心渗透性测试，考虑了井筒内外碎屑组成的差异。通常，井筒内的主要物质（钻杆）¹⁵由钻井液沉积物组成，即重晶石和膨润土。根据X6井的实际钻井液数据，实验材料的比例

对沉积物上作用力的分析

图16是全尺寸井筒坍塌碎屑密封物理模拟的简化示意图，以及三个阶段中的力条件。填充到井筒2/3的坍塌碎屑在自然沉降和水力压实后被压实到大约井筒高度的一半。根据F_f的方向，可以将套管内井筒和坍塌碎屑上的力条件简化为三个阶段。第一阶段是初始阶段

结论

实验结果不仅提供了该区块复杂旧井密封能力的直接数据，还为在各种地下能源储存条件下测试这些井的密封性能提供了解决方案。存在密封问题的旧井通常表现出两种类型的失效状态。第一种是突然的气体突破现象，通常发生在F_BTM > F_TOP时，其特征是瞬时的大规模气体泄漏，并伴随快速的压力平衡

声明

无

资金声明

本研究得到了中国石油天然气集团有限公司科技计划“地下储气储存基础理论及新方法研究”（项目编号2023DJ8308）的支持。

CRediT作者贡献声明

董敬南：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，软件开发，概念构思。袁广杰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，项目监督。夏燕：资源获取，项目管理，方法论制定。张宏：数据调查，数据分析，概念构思。傅攀：结果验证，项目监督，项目管理。张玉达：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据可视化，结果验证。

利益冲突声明

所有作者均未披露任何相关关系。