CO2地质封存中腐蚀环境下封闭井筒密封完整性失效的风险评估框架研究

针对CO2地质封存中井筒密封因腐蚀导致失效的难题，研究人员构建了融合数值模拟、K-RBFN机器学习与蒙特卡洛模拟的风险评估框架，揭示了失效概率随时间加速增长的规律（百年增长1%），并划分了潜伏期（0-30年）、缓增期（30-70年）和速增期（70年后）三阶段风险特征，为工程安全提供了量化决策依据。

　　

在应对气候变化的全球行动中，碳捕集与封存（CCS）技术扮演着关键角色，而CO₂地质封存作为其核心环节，通过将CO₂注入枯竭油气藏或深层咸水层实现长期固存。然而，封存井筒在CO₂饱和盐水腐蚀环境下的密封失效风险，始终是威胁工程安全的"阿喀琉斯之踵"。尤其当井筒永久封闭后，水泥塞-套管组合结构界面在腐蚀作用下可能形成泄漏通道，但传统研究多聚焦水泥碳化而忽视界面损伤演化与风险量化关联，导致长期安全性评估存在盲区。

针对这一挑战，江苏国际科技合作项目等资助的研究团队在《Geoenergy Science and Engineering》发表论文，首次构建了腐蚀环境下封闭井筒密封完整性失效的全链条风险评估框架。研究通过多物理场耦合数值模拟生成原始数据集，结合公式拟合增强数据，开发了集成K均值聚类与径向基函数网络（K-RBFN）的代理模型预测剩余寿命，基于蒙特卡洛模拟量化时变失效概率，最终通过失效后果加权实现风险动态评估。

关键技术方法包括：1）建立涵盖地层深度、地温梯度等6参数的数值模拟数据集；2）开发K-RBFN混合机器学习架构预测剩余寿命；3）采用蒙特卡洛模拟计算失效概率分布；4）整合经济损耗与碳排放量化失效后果。研究选取三类地质条件与五种储层深度场景进行验证。

结果部分显示：

1. 参数敏感性分析揭示地层深度与水泥塞长度是主导失效概率的关键变量；
2. 失效概率演化呈现非线性加速特征，百年内增长1%，可划分为潜伏期（0-30年，风险累积）、缓增期（30-70年，线性增长）和速增期（70年后，指数跃升）三阶段；
3. 场景对比表明松散砂层地质的失效风险较致密岩层高37%，而储层深度每增加500米，风险峰值出现时间推迟约15年。

讨论与结论指出：该框架首次将腐蚀损伤演化与风险量化耦合，突破了传统静态评估局限。提出的三阶段风险规律为封存设施全生命周期监测提供了时间节点依据，而场景化分析结果可直接指导靶向加固措施设计。尽管存在数据量有限、未考虑微生物腐蚀等局限，但该研究为CO₂封存工程建立了可动态更新的风险预警体系，对实现"双碳"目标下的能源安全转型具有重要实践价值。