海底二氧化碳（CO?）和甲烷（CH?）泄漏的动态杀伤建模：差异性因素及其对海上碳封存的影响

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Dynamic kill modeling of subsea CO 2 and CH 4 blowouts: Differentiating factors and their implications for offshore carbon sequestration

CO2和CH4水下吹出动态封堵研究：基于CFD模型对比分析，揭示CO2密度显著高于CH4导致封堵效率提升（浅水深度305米时需30%-63%更低注液率），但伴随水合物生成等新风险，涵盖深水/浅水、不同封堵参数下的16种场景模拟。

　　在当前全球范围内，应对气候变化的紧迫性促使了碳捕集与封存（CCS）项目的迅速发展。随着这些项目在陆地和海上领域的广泛实施，如何有效地控制可能发生的二氧化碳（CO?）井喷成为了一个关键议题。本研究聚焦于理解使用动态压井技术（dynamic kill methods）来终止海底CO?井喷的物理机制，并通过对比甲烷（CH?）井喷的情况，揭示CO?井喷与CH?井喷在压井过程中的差异。

为了全面分析这一问题，研究团队模拟了十六种井喷/动态压井情景，涵盖了不同的水深（305米或762米）、井喷速率（2.83百万立方米/天或11.34百万立方米/天）、泄压井拦截深度（1220米或1830米真垂直深度，TVD BML）以及储层流体类型（CO?或CH?）。这些情景构成了一个足够广泛的模拟空间，以深入探讨动态压井技术在海底CO?井喷控制中的作用，以及它与其他气体井喷的异同。

研究发现，CO?的热物理特性在很大程度上决定了其压井所需流量的差异。在使用1801千克/立方米的压井流体时，CO?井喷所需的压井流量通常仅为CH?井喷所需流量的三分之一。这种显著的差异主要源于CO?在高压环境下的相变特性。在动态压井过程中，井内压力的增加会导致CO?的密度发生剧烈变化，从68千克/立方米迅速上升至904千克/立方米，而CH?的密度变化则相对温和，仅在22至192千克/立方米之间。这种密度与压力之间的强烈关联，使得CO?井喷在压井过程中更容易被控制。

除了密度的变化，CO?与CH?在动态压井过程中的多相流行为也存在显著差异。CO?的高密度特性使其在井喷时能够更快地被压井流体覆盖，从而减少了流体在井筒中上升的速度。相比之下，CH?的密度较低，导致其在井喷过程中更容易形成多相流，增加了压井的复杂性和难度。此外，CO?在高压下可能形成固态冰或水合物，这在浅水环境中尤为明显。当CO?井喷发生在较浅水域时，井口附近可能会出现低于冰点的温度，从而引发冰和/或水合物的形成。这些现象不仅影响压井过程的物理行为，还可能引入额外的复杂性，增加应对井喷的难度。

尽管如此，CO?井喷的控制仍然比CH?井喷更加容易。这一结论基于对压井流量和井筒压力变化的分析。CO?的高密度特性使得其在井喷过程中能够更快地被压井流体抑制，从而减少了压井所需的时间和资源。相比之下，CH?的低密度特性导致其在井喷时更难被控制，需要更高的压井流量和更长的处理时间。这种差异在不同水深和井喷速率的条件下尤为明显。例如，在305米水深的情况下，CO?井喷所需的压井流量比CH?井喷低30%至63%；而在762米水深的情况下，CO?井喷所需的压井流量则比CH?井喷低67%至83%。这种压井流量的显著差异，使得CO?井喷在动态压井过程中具有更高的可控性。

此外，研究还探讨了CO?井喷与CH?井喷在动态压井过程中的其他关键差异。例如，CO?在井筒中的流动行为可能受到其相变特性的影响，导致流体在井筒中表现出不同的运动模式。而在CH?井喷中，由于其较低的密度和相对稳定的相态，流动行为可能更加复杂。这些差异对于压井操作的规划和实施具有重要影响，需要在实际操作中加以考虑。

本研究的结果对于海上CO?封存项目的实施具有重要意义。尽管海上CO?封存项目面临一定的技术挑战，但其对地下水和人类社区的风险相对较低。相比之下，陆上CO?封存项目虽然在经济性上更具优势，但其对地下水和人类安全的影响更为直接和严重。因此，海上CO?封存项目在长期规划中可能具有更大的发展潜力。然而，这一结论并不意味着海上项目可以完全忽视技术风险。研究团队通过模拟不同水深和井喷条件下的动态压井过程，为海上CO?封存项目的安全实施提供了科学依据。

为了支持这一结论，研究团队还分析了CO?井喷在不同水深下的模拟结果，并将其与陆上CO?井喷的实际情况进行了对比。例如，已知的CO?井喷案例中，仅有一次成功通过动态压井技术控制，即1982年的Sheep Mountain 4–15-H井喷事件。这一事件中，CO?在井口形成了水合物和冰块，并产生了水蒸气雾云，这些现象在动态压井过程中对操作提出了额外的挑战。然而，尽管存在这些复杂因素，CO?井喷的总体可控性仍然优于CH?井喷。

综上所述，本研究通过广泛的模拟分析，揭示了CO?井喷与CH?井喷在动态压井过程中的关键差异。这些差异主要体现在流体的密度变化、相变行为以及井口附近可能形成的固态物质等方面。研究结果表明，CO?井喷在动态压井过程中具有更高的可控性，所需的压井流量较低，且井筒压力变化较为剧烈。这些发现对于海上CO?封存项目的规划和实施具有重要的指导意义，同时也为未来相关技术的发展提供了科学依据。