在枯竭水库中进行二氧化碳混合物地质封存过程中，井筒的热机械响应

《Geoenergy Science and Engineering》：Wellbore Thermo-Mechanical Response During CO 2 Mixture Geological Sequestration in Depleted Reservoirs

CO2地质封存中井筒流动与管柱力学耦合模型研究，建立考虑混合气体实时物理热力学特性及高压修正的综合模型，揭示不同气体组分、注入参数对井筒温度压力场及管柱力学响应的影响规律，发现混合气体浓度显著影响压力和密度，注入温度压力速率改变井筒状态，低高温注入分别威胁井口悬挂器与底部封隔器密封性能。

　　在当今全球范围内，随着人类活动和工业生产的快速发展，碳排放量显著增加，导致了日益严重的气候变化和环境问题。各国对这一挑战的关注度不断上升，促使了碳捕集与封存（CCS）技术的广泛应用。CCS技术作为一种关键的温室气体减排手段，主要包括从大气或工业废气中捕集二氧化碳，将其压缩至液态或超临界状态，并通过井筒管道注入地质结构，如油气储层，以实现二氧化碳的永久封存。此外，CCS技术还可以与增强油藏采收率（EOR）结合，形成CCUS-EOR技术，从而在减少碳排放的同时，带来经济效益和环境效益的双重提升。根据国际能源署（IEA）2025年的全球能源回顾报告，2024年能源相关的二氧化碳排放量达到了历史最高的37.8 Gt CO?，这使得大气中的二氧化碳浓度上升至422.5 ppm，比工业化前高出50%。全球地下地质封存能力的保守估计范围在8000至55000 Gt CO?之间，这意味着理论上可以封存当前年度排放量数十年至数百年。在众多封存选项中，废弃的油气储层因其优越的储层特性、完善的注入和生产基础设施以及详尽的地质资料，成为特别有吸引力的选择。全球范围内，废弃油气储层的二氧化碳封存能力估计在67.5至90 Gt CO?之间。目前，大多数捕集的二氧化碳被用于部分枯竭储层的增强油藏采收，这表明了该技术在工程应用中的可行性和经济性。

然而，在实际操作中，CO?的来源通常包括燃煤电厂、钢铁和水泥工业、化工和化肥生产、石油精炼和天然气处理、生物质能和废物处理以及空气捕集等途径。通过这些途径获得的碳源通常包含不同浓度的氮气（N?）、甲烷（CH?）、氧气（O?）以及其他成分。这些杂质无法完全去除，会伴随CO?一起注入地质结构。不同浓度的CO?会导致不同的井筒条件，因此，研究在混合气体注入过程中井筒温度和压力的变化规律，以及其与管柱机械响应的耦合机制，对于确保废弃油气井中CO?地质封存的长期安全具有重要意义。

在CO?注入井筒的过程中，低温、高压和高流速会导致井筒温度和压力发生显著变化，可能会引起CO?在井筒中从液态向超临界状态的相变。这种变化不仅会影响CO?的流动特性，还可能改变管柱的应力状态，从而影响封存设备的密封性能。已有研究表明，随着井筒中连续管尺寸的增加，其轴向承载能力可以得到显著提升。同时，一些研究者建立了在温度和压力影响下封隔器的力计算模型，分析了封隔器失效的关键因素，并评估了在高温高压气田中封隔器的可靠性。此外，还有研究开发了用于水封堵作业的力模型，分析了在不同操作条件下封堵管与井筒之间的接触力，旨在减少水封堵作业中的管柱失效。在CO?地质封存过程中，井筒完整性是确保安全和高效封存的基础，但目前关于CO?注入过程对管柱、井口悬挂器和封隔器影响的研究仍然相对有限。

为了弥补这一研究空白，本文建立了一个耦合计算模型，用于分析CO?、氮气、甲烷和氧气混合气体注入井筒时的温度、压力与管柱力学响应。该模型考虑了多种因素，包括不同气体之间的相互作用力、混合气体物理参数的动态变化以及井筒摩擦热的影响，分析了注入气体成分、温度、压力、流速和时间对井筒温度和压力场分布模式的影响机制。同时，该模型还综合考虑了重力、粘滞摩擦、温度、膨胀和活塞效应对管柱轴向力的全面影响，探讨了在不同注入参数条件下等效轴向载荷对井筒密封性能的影响。研究结果不仅验证和优化了CO?混合气体注入过程中的井筒温度和压力演变规律，还揭示了在不同注入参数条件下管柱的应力状态和井筒密封性能的变化，为CO?地质封存工程参数的优化设计和井筒完整性评估提供了坚实的理论基础。

本文所建立的模型不仅涵盖了CO?混合气体在井筒中的流动与传热过程，还通过结合物理和热力学特性，确保了计算的准确性和可靠性。在模型建立过程中，考虑了井筒中的混合气体与管柱、套管、水泥层以及地层之间的相互作用，从而全面反映了井筒系统在CO?混合气体注入下的复杂行为。此外，模型中引入了修正措施，以适应不同压力条件下的计算需求，确保了模型在实际应用中的适用性。通过引入热力学参数和力学参数的耦合计算，模型能够更准确地预测井筒温度和压力的变化趋势，以及管柱在这些变化下的机械响应。这种耦合计算方法不仅能够提高模型的预测精度，还能够为工程设计提供更全面的指导。

为了进一步验证模型的有效性，本文选取了新疆地区的一口水井作为案例，分析了在CO?混合气体注入过程中井筒温度和压力的变化规律。该水井具有三段套管结构，其井筒结构示意图如图2所示。通过实际测量数据与模型预测结果的对比，验证了模型的可靠性。在案例分析过程中，重点考察了不同注入参数对井筒温度和压力分布的影响，以及这些变化对管柱轴向力和密封性能的具体作用。研究结果表明，混合气体成分对井筒温度的影响较小，但对压力和密度的影响较为显著。较高的CO?浓度会增加井底压力和流体密度，这在工程设计中需要特别关注。同时，注入温度对井筒浅层区域的影响较大，特别是在高温注入条件下，井筒中可能会出现温度倒置现象，这会进一步影响井筒系统的稳定性。

在实际工程应用中，由于井筒深度范围较大，CO?在注入过程中会经历复杂的温度和压力变化，这可能导致其发生相变。这种相变不仅会影响CO?的流动特性，还可能改变管柱的应力状态，从而影响封存设备的密封性能。因此，研究井筒中温度和压力的变化规律，以及其与管柱机械响应的耦合机制，对于确保CO?地质封存的长期安全具有重要意义。本文所建立的模型能够全面反映这些变化，并为工程设计提供有力的支持。

在模型的构建过程中，作者采用了多种方法，包括数值解法和解析解法，以提高模型的准确性和适用性。例如，一些研究者提出了快速显式有限差分方法，用于计算井筒中的温度和压力分布，这种方法主要通过解耦温度、压力和速度的计算来实现，但需要谨慎选择时间步长和空间步长，以防止数值不稳定和计算误差的产生。此外，还有研究者建立了隐式温度-压力耦合解法，这种方法能够更全面地考虑井筒中的传热和流动过程。例如，Li Xiaojiang等（Li et al., 2018）提出了一种适用于超临界CO?井筒流动的解析模型，该模型考虑了强制对流传热和浮力效应，适用于小井筒直径和低压条件下的高精度计算。Dou Liangbin等（Dou et al., 2013）建立的温度-压力耦合计算方法则忽略了管柱和套管的热阻，但需要考虑流体与管壁之间的环形对流传热系数和热辐射效应。Yang Z等（Yang et al., 2024）提出了一种适用于纯CO?注入井筒的温度-压力耦合模型，并对注入参数进行了敏感性分析。Zhang Y等（Zhang et al., 2024）则建立了适用于CO?混合气体注入的预测模型，分析了在不同工况条件下的温度和压力分布模式。为了降低计算需求，一些研究者利用了商业软件如REFPROP和CoolProp来计算CO?的物理参数。Ma Weizhen等（Ma et al., 2023）通过访问REFPROP数据库进行CO?参数计算，并采用了Wang Z等（Wang et al., 2014）提出的摩擦计算公式，用于计算海上CO?注入井的温度-压力场。He Bangchao等（He et al., 2024）开发了一种基于文献统计的快速解析模型，用于计算井筒中的流动压力，其中一些未知参数需要由专业研究人员提供，以方便工程计算。

尽管已有大量研究聚焦于纯CO?注入过程中井筒温度和压力分布的变化，但大多数CO?地质封存井选择自废弃的油气井或旧井，因此对于旧井改造为CO?注入井过程中井筒完整性的研究仍然相对有限。本文的研究填补了这一空白，不仅考虑了CO?混合气体在井筒中的实时动态变化，还引入了修正措施，以适应不同压力条件下的计算需求。此外，模型中还考虑了分子间作用力、焦-汤效应以及粘滞热源等关键因素，从而更全面地模拟了井筒系统在CO?混合气体注入下的演变过程。通过结合这些因素，模型能够更准确地预测井筒中的温度和压力变化趋势，以及管柱在这些变化下的机械响应。

在案例分析中，本文选择了新疆地区的一口水井作为研究对象，分析了在CO?混合气体注入过程中井筒温度和压力的变化规律。该水井具有三段套管结构，其井筒结构示意图如图2所示。通过实际测量数据与模型预测结果的对比，验证了模型的可靠性。研究结果表明，混合气体成分对井筒温度的影响较小，但对压力和密度的影响较为显著。较高的CO?浓度会增加井底压力和流体密度，这在工程设计中需要特别关注。同时，注入温度对井筒浅层区域的影响较大，特别是在高温注入条件下，井筒中可能会出现温度倒置现象，这会进一步影响井筒系统的稳定性。

在研究过程中，作者还对混合气体注入对井筒密封性能的影响进行了分析。井筒中的管柱轴向力变化显著，这主要受到热应力等因素的影响。轴向力的变化会直接影响井筒的密封性能，因此，对于管柱、井口悬挂器和封隔器在不同注入参数条件下的力变化进行分析，是确保井筒密封完整性的关键。在废弃油气井中，与管柱直接连接的设备包括井口悬挂器和井底封隔器。假设井口悬挂器和井底封隔器的极限等效密封载荷均为160 kN，本文对这些条件进行了详细分析。研究结果表明，低温注入会降低井口悬挂器的密封性能，而高温注入则会影响井底封隔器的完整性。因此，在实际工程中，需要根据注入参数的实际情况，合理选择注入温度和压力，以确保井筒系统的安全运行。

综上所述，本文的研究成果不仅为CO?混合气体注入过程中的井筒温度和压力演变规律提供了科学依据，还为井筒密封性能的优化设计提供了理论支持。通过建立耦合计算模型，本文能够更全面地模拟井筒系统在CO?混合气体注入下的复杂行为，从而为CO?地质封存工程的实施提供有力的指导。同时，研究结果也揭示了不同注入参数对井筒系统稳定性的影响，为未来CO?封存技术的发展提供了重要的参考。随着全球对碳减排问题的关注度不断提高，CO?地质封存技术将在未来的能源和环境治理中发挥越来越重要的作用。本文的研究不仅推动了该领域的发展，还为相关工程实践提供了科学依据和技术支持，有助于提高CO?封存的安全性和效率。