武汉岩土所开发二氧化碳地下封存灌注压力设计新方法

摘要: 　　在应对气候变化背景下，CO2捕集利用与封存(CCUS)被认为是实现CO2大规模减排的最有效途径之一。针对CO2大规模地下封存对灌注安全设计的新需求，中国科学院武汉岩土力学学习所副学习员白冰、学习员李小春和伍海清 ...

　　在应对气候变化背景下，CO2捕集利用与封存(CCUS)被认为是实现CO2大规模减排的最有效途径之一。针对CO2大规模地下封存对灌注安全设计的新需求，中国科学院武汉岩土力学学习所副学习员白冰、学习员李小春和伍海清同学等经过多年学习攻关，成功开发了一套系统、严格的井口安全灌注压力高效设计新方法。该方法成功应用于我国第一个大规模CO2咸水层封存项目——神华集团CCS示范工程（10万吨/年），有效支撑了该工程运行中的井筒安全注入。
　　合理的井口注入控制参数是确保工程灌注作业有效实施的直接工艺参数。CO2地下封存的灌注与传统的水文和油气灌注工程在目标控制上有显著区别。CO2灌注涉及到井筒流动、地层换热、储层两相流以及地层安全控制等多个复杂过程。现有的工程分析方法过于简化，或者依赖较多的场地参数和大量的数值模拟而难以在早期CCS项目中有效应用，且不能同时考虑注入流量和场地安全这两个工程目标而直接给出井口控制压力的设计。
　　新方法将井口灌注控制压力的设计问题概化为一套以井口控制压力为目标，以场地稳定性和预设封存量任务为约束条件的反演-优化数学模型。该方法包括四个组成局部。一是井底地层安全性的控制标准和最危险储层确定算法。用地层破裂压力和安全储备系数所构造的最大允许压力作为地层安全性控制标准；对于多层灌注作业，确认了决定临界储层的不是地层处注入压力而是该压力与所属地层最大允许压力的比值；最危险储层采用自行开发的二叉树搜索算法进行确定。二是井口压力的计算的模型及快速显式反演算法。在模型中，井筒流动的N-S方程组被巧妙地整合为一个关于流体压力的单一非线性方程，并且发现了方程中密度和流速的乘积恰恰代表注入流量并被作为封存任务的表示参数。非线性压力方程的求解采用快速显式差分算法。井筒流体与地层传热采用解析公式并与显式反演法进行耦合。三是地层CO2-咸水两相流动模型及其显式积分解。四是设计因子数据库，可实现工程经验的定量化类比，提高设计的可靠性。
　　工程应用表明，该方法可直接一步给出井口安全控制压力设计值，计算精度高、依赖参数少、计算速度快，特别适合于新兴CO2等流体注入工程。该学习得到国家重点研发计划-中美清洁能源联合学习中心(CERC)项目(S2016G9005， 2013DFB60140)以及国土资源部公益性项目(201211063)等的资助，相关学习成果发表在Greenhouse Gases: Science and Technology 等期刊上，并获得了软件著作权。
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