深层咸水层中块状CO2注入的井筒完整性力学评估：基于"10+1"失效机制的多层耦合分析

【编辑推荐】本研究针对地质碳封存(GCS)中CO2注入井的完整性风险，创新性建立包含套管-水泥环-岩层(C/CS/RF)三层的力学模型，通过"10+1"失效机制分析发现：封闭含水层中水泥环易出现盘状断裂、径向/剪切裂缝，开放系统风险降低但未消除。该成果为GCS工程安全设计提供关键理论支撑。

　　

随着全球碳中和进程加速，地质碳封存(Geologic Carbon Sequestration, GCS)成为应对气候变化的关键技术。然而将数百万吨CO₂注入地下咸水层时，井筒系统可能因长期高压发生机械失效，导致封存失败甚至诱发地震活动。现有研究多将套管-水泥环-岩层(Casing/Cement Sheath/Rock Formation, C/CS/RF)简化为单一体系，忽视了三层结构在钻井、固井过程中的时序性差异，导致应力预测失真。

为突破这一局限，研究人员创新开发了分层力学评估模型。通过引入水泥固化过程中的"自由应变"(free strains)校准参数，首次实现了对中间水泥环层(CS)初始应力状态的精确建模。研究采用解析法求解厚壁圆筒(Lamé-Clapeyron)和孔隙弹性(Haimson-Fairhurst)方程，模拟了30年CO₂注入过程中C/CS/RF系统的应力演化。特别关注了封闭/开放含水层两种配置下11种("10+1")失效机制，包括套管压缩/拉伸、水泥环脱粘/开裂、岩层断裂及断层活化等。

关键技术包括：1) 基于现场数据的井筒压力预测模型；2) 三层系统的独立力学建模；3) 自由应变校准的初始应力场构建；4) 封闭与开放含水层的对比分析。研究选取典型500MW燃煤电厂排放场景(79千桶/天注入量)作为案例。

【研究结果】

1. 应力分布特征：
   水泥环内缘(C/CS界面)无脱粘倾向，外缘(CS/RF界面)接近但未超过脱粘临界。套管层未出现压溃/爆裂风险，岩层界面也无纵/横向拉伸裂缝。

2. 失效模式差异：
   封闭系统中水泥环呈现显著盘状断裂(disking)、径向/剪切裂缝倾向，形成潜在CO₂泄漏通道；开放系统虽存在相同趋势但程度减轻。两种配置均不会激活井周预存断层(PEFs)。

3. 替代方案验证：
   CO₂/盐水驱替可缓解储层压力，提升封存效率但需权衡能耗成本。

【结论】
该研究首次通过力学机制阐明：长期CO₂注入主要威胁来自水泥环的拉伸失效而非套管或岩层破坏。封闭含水层中盘状断裂风险尤为突出，这为GCS井筒设计提供了关键安全阈值。成果发表于《International Journal of Greenhouse Gas Control》，建立了兼顾工程实用性与理论严谨性的评估框架，对保障碳封存项目长期安全性具有里程碑意义。