二氧化碳储存井中水泥完整性的综合分析：热力学与化学效应的结合

《Geoenergy Science and Engineering》：Comprehensive Analysis of Cement Integrity in CO 2 Storage Wells: Integrating Thermomechanical and Chemical Effects

CO?地质封存中井筒完整性研究采用全耦合三维热孔隙弹性模型，结合PHREEQC模拟化学降解，分析套管、水泥、砂岩层应力分布及关键参数敏感性。结果表明杨氏模量和热膨胀系数对三者的应力影响最大，需通过优化材料选择与设计参数提升长期密封性能。

　　全球变暖已成为当今社会面临的重大环境挑战之一，而二氧化碳（CO?）地质封存技术被视为一种有效的缓解手段。该技术通过将CO?注入地下地质构造中，使其长期封存，从而减少大气中温室气体的浓度。然而，为了确保CO?封存的长期安全性和有效性，必须重视井筒系统的完整性。井筒完整性不仅关乎CO?的泄漏风险，也直接影响封存项目的经济可行性和环境影响。本文通过构建一个全面耦合的三维热-孔隙-弹性模型，结合化学降解效应，对井筒系统的应力分布进行模拟和分析，旨在为提高CO?封存系统的安全性提供科学依据。

### CO?封存的背景与挑战

全球每年因化石燃料燃烧排放的CO?高达374亿吨，而这些气体若不加以控制，将对气候变化产生深远影响。CO?封存作为一种减少温室气体排放的技术，被广泛认为是实现碳中和目标的重要手段之一。然而，尽管已有大量CO?封存项目在全球范围内实施，仍存在CO?泄漏或井筒压力异常的问题。据全球超过500,000口井的记录显示，超过40,000口井在注入CO?后出现了泄漏或显著的套管压力问题。这一现象表明，当前的井筒设计和施工技术可能不足以应对CO?封存所带来的复杂地质和工程挑战。

### 井筒完整性的重要性

井筒完整性是CO?封存项目成功的关键因素之一。在CO?注入过程中，井筒系统会经历多种物理和化学变化，包括温度变化、压力波动以及化学反应对水泥和地层的影响。这些变化可能导致井筒结构的损伤，进而引发CO?泄漏，威胁封存效果和环境安全。因此，研究井筒在CO?封存条件下的应力分布和完整性评估具有重要意义。

在井筒设计中，水泥和套管是核心组成部分，其性能直接影响到封存系统的稳定性。传统井筒设计主要依赖于优化水泥配方和套管材料，以提高其密封能力。然而，随着CO?封存项目的增多，仅依靠单一材料改进已无法满足复杂地质条件下的需求。因此，需要综合考虑多种因素，包括井筒的热力学特性、地质构造的力学响应以及化学反应对水泥结构的影响，以实现更全面的井筒完整性评估。

### 三维热-孔隙-弹性模型的应用

本文采用一个完全耦合的三维热-孔隙-弹性模型，用于模拟井筒系统中的应力分布。该模型考虑了套管、水泥和砂岩层之间的相互作用，结合了热力学和力学特性，以及压力和温度边界条件，以计算环向、径向和轴向应力。此外，模型还引入了化学降解效应，通过PHREEQC软件模拟CO?与水泥矿物之间的动态反应，包括溶解和沉淀过程。这些反应会改变水泥的孔隙度、渗透性和机械性能，从而影响井筒的完整性。

通过该模型，研究者能够更准确地预测井筒在CO?注入过程中的应力变化，并识别可能导致结构失效的关键因素。模型的输入参数包括弹性模量、热膨胀系数、密度、比热容、孔隙度、渗透率、固体矩阵的体积模量、流体的体积模量、流体粘度、注入压力和孔隙压力等。这些参数的变化对井筒应力分布具有显著影响，因此需要进行敏感性分析，以确定哪些参数对井筒完整性最为关键。

### 敏感性分析的发现

敏感性分析结果显示，砂岩、套管和水泥的弹性模量和热膨胀系数，以及砂岩、套管和水泥的泊松比、井筒压力和孔隙压力是影响井筒应力分布的最关键因素。这些参数的变化会导致环向、径向和轴向应力的显著波动，进而影响井筒结构的稳定性。例如，砂岩的弹性模量和热膨胀系数对径向应力的影响最为显著，而套管的泊松比则对环向应力具有较大影响。

此外，水泥的异质性也被纳入分析范围。水泥的异质性可能由施工过程中不规范的操作引起，如水泥浆的不均匀分布、套管偏心等。这些因素会导致水泥结构的不均匀性，从而影响其密封性能和抗压能力。因此，在井筒设计中，应充分考虑水泥的异质性，以优化其性能并提高封存系统的安全性。

### 化学降解的影响

CO?注入过程中，化学降解是影响井筒完整性的重要因素之一。CO?与水泥矿物之间的反应会导致水泥结构的破坏，进而影响其密封能力。例如，CO?溶解在地层水中形成碳酸，与水泥中的氢氧化钙反应生成碳酸钙，导致水泥孔隙度增加和强度下降。同时，CO?还可能与水泥中的硅酸盐水合物（C-S-H）发生反应，形成碳酸钙和硅胶，进一步降低水泥的机械性能。

通过PHREEQC软件模拟这些化学反应，研究者能够动态评估CO?对水泥结构的影响。结果显示，随着CO?注入时间的延长，水泥的孔隙度和渗透率会显著增加，进而影响其密封能力。因此，开发具有更高抗化学降解能力的水泥材料是提高井筒完整性的重要方向。

### 热力学与机械效应的耦合

在井筒系统中，热力学和机械效应是相互关联的。温度变化会导致水泥和套管的热膨胀或收缩，从而产生热应力。这些热应力可能与机械应力叠加，导致井筒结构的破坏。因此，在模拟井筒应力分布时，必须同时考虑热力学和机械效应的耦合。

研究者通过三维热-孔隙-弹性模型，模拟了CO?注入过程中井筒系统的热力学和机械响应。模型中的热传导方程和孔隙弹性方程被耦合求解，以计算井筒各区域的温度和压力变化。同时，化学降解效应也被纳入模型，以评估其对水泥结构的影响。这种多物理场耦合分析能够更全面地理解井筒在CO?注入条件下的行为，为优化井筒设计提供科学依据。

### 应力分布的分析与工程应用

通过模型计算，研究者发现井筒系统中的应力分布呈现出明显的区域差异。环向应力在井筒附近最高，随着径向距离的增加而逐渐减小。径向应力主要受到套管和水泥材料的影响，而轴向应力则与井筒和地层的热膨胀系数密切相关。此外，剪切应力在井筒附近也较高，可能导致剪切破坏，影响密封性能。

为了提高井筒的完整性，研究者建议在井筒设计中优先考虑砂岩、套管和水泥的弹性模量和热膨胀系数。这些参数对井筒应力分布具有决定性影响，因此在选择材料和设计施工方案时，应充分考虑其值。同时，水泥的异质性也需要被重视，因为其不均匀性可能导致应力集中，进而引发结构破坏。

### 实际应用与工程建议

本文的研究结果为CO?封存项目的井筒设计和施工提供了重要的指导。首先，建议在井筒设计中采用低弹性模量的水泥材料，以减少热应力和机械应力对井筒结构的影响。其次，应优化套管和水泥的热膨胀系数，以确保其在温度变化下的稳定性。此外，水泥的异质性需要被纳入设计考量，以避免因施工不规范导致的结构损伤。

在实际应用中，井筒的完整性评估应结合热力学、机械和化学效应的综合分析。这不仅包括对井筒材料的性能测试，还需要考虑地层的力学响应和化学反应的影响。通过这种综合评估，可以更准确地预测井筒在CO?注入过程中的行为，从而制定更有效的封存策略。

### 未来研究方向

尽管本文已经对井筒在CO?注入条件下的应力分布和完整性进行了深入分析，但仍有一些研究方向值得进一步探索。例如，可以研究不同类型的水泥材料在CO?注入条件下的长期性能，以找到更具抗化学降解能力的替代材料。此外，还可以探索井筒设计中如何优化材料的组合，以平衡弹性模量、热膨胀系数和抗压能力等关键性能指标。

另外，研究者可以进一步探讨井筒施工过程中如何减少水泥异质性，以提高其密封性能。例如，可以通过改进水泥浆的均匀性和施工工艺，减少套管偏心和水泥浆的不均匀分布。这些改进措施有助于提高井筒的长期稳定性，减少CO?泄漏的风险。

总之，本文通过构建一个全面耦合的三维热-孔隙-弹性模型，结合化学降解效应，对井筒在CO?注入条件下的应力分布和完整性进行了深入研究。研究结果表明，井筒的完整性受到多种因素的影响，包括材料的弹性模量、热膨胀系数、泊松比以及施工过程中的操作规范。通过优化这些参数和操作条件，可以有效提高井筒的密封性能，确保CO?封存项目的长期安全性和有效性。