地质碳封存中井喷事故下CO2释放速率与温度耦合模型的定量研究

针对地质碳封存(GCS)中井喷事故的低概率高风险特性，研究人员开发了耦合井筒-储层模型，模拟CO2在超临界-液态-气态-固态相变过程中的瞬态释放。研究发现1年注气后两周内可能释放48000吨CO2，井口温度可达-58°C近三相点，为风险评估提供了关键量化工具。

　　

随着碳捕获与封存(CCUS)技术的推广，地质碳封存(GCS)的安全性问题日益凸显。尽管现代CO₂注入井通过多重屏障设计和严格管理将急性泄漏风险控制在极低水平，但历史上如1982年美国Sheep Mountain等井喷事故警示我们：一旦发生事故，CO₂释放量可达120 kg/s，并伴随-56.65°C的极端低温。这种涉及超临界态CO₂快速减压、多相流转变和声速流动的复杂过程，现有模型难以准确量化。美国能源部资助的研究团队通过开发物理机理明确的耦合模型，首次实现了对井喷事故中质量-动量-能量全耦合过程的精确模拟。

研究采用两项核心技术：1）基于密度-能量(Density-Energy)方法的均质平衡模型(HEM)，整合Span-Wagner状态方程(EOS)描述CO₂从超临界到干冰的全相态转变；2）2D轴对称储层Darcy流模型与1D井筒流动模型的动态耦合算法。模型验证参考了Munkejord等学者的管道破裂实验数据。

【网格独立性验证】
通过网格加密测试确认，井筒采用0.5m网格、储层采用10m径向网格时，计算结果误差<2%，满足工程精度要求。

【泄漏速率特征】
模拟显示：注气1年后发生井喷时，初始峰值流量达135 kg/s，两周累计释放4.8万吨CO₂。储层渗透率每提升1个数量级（如从10^-14至10^-13 m²），总泄漏量增加37%。

【温度演变规律】
井口温度在事故初期30分钟内骤降至-58°C，接近CO₂三相点(-56.65°C)。热交换分析表明，井筒-围岩传热对两周内的流量影响<3%，可简化处理。

【简化模型验证】
准稳态假设使计算速度提升15倍，与完整模型相比误差仅6.2%，证实其在应急评估中的实用性。

该研究首次实现了GCS井喷事故中储层压力耗散与井筒多相流变的协同模拟，揭示渗透率是控制泄漏规模的关键参数。建立的简化模型为保险公司风险评估提供了高效工具，其揭示的极端低温效应为井口材料选型提出新要求。成果发表于《International Journal of Greenhouse Gas Control》，为CCUS安全标准制定提供了理论依据。