二氧化碳地质埋存中套管-水泥环-地层二维模型分析 - 应用力学学报.PDF

第 32 卷 第2 期 应 用 力 学 学 报 Vol.32 No.2 2015 年 4 月 CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS Apr. 2015 文章编号：1000- 4939(2015) 02-0288-06 二氧化碳地质埋存中套管-水泥环-地层 二维模型分析 宋力 谭雨 (大连大学 材料破坏力学数值试验研究中心 116622 大连) 摘要：在二氧化碳被注入地层过程中，井下温度和流体压力的变化会导致套管-水泥环-地层模型 发生渗透性变化，从而导致二氧化碳泄漏。针对此问题，本文通过计算机软件 FLAC ，建立了套 管-水泥环-地层的二维模型，并分析了界面处的温度变化、流体压力、固体变形对二维模型的影 响，给出了当界面处发生拉伸破坏时孔底内压与界面破坏单元数目的变化关系，得到安全系数随 井筒内部压力变化关系：当压力介于 8 MPa 和 750 MPa 之间时，安全系数的绝对值大于 1，此时 二氧化碳注入将处于安全状态，否则将会发生渗漏的风险。以此结果为实际工程提供理论依据。 关键词：二氧化碳地质埋存；套管；水泥环；渗漏；压力；界面 中图分类号：TE256 文献标识码：A DOI ：10.11776/cjam.32.02.B128 所有这些结构之间的接触面，如图 1 所示。结构中 1 引 言 流体输运性质随着过程和机制的广泛变化而发生改 变。通过注入二氧化碳到地层中，不仅达到了减少 二氧化碳减排与生态处理问题已成为国际上 二氧化碳排放量的要求，而且还可以提高天然气的 研究的重点和焦点问题[1] 。多年来，“温室效应”和 采收率。二氧化碳地质埋存项目实施的前提之一便 “全球变暖”等相关环境问题，已从学术课题进入到 是检验废弃井及二氧化碳注入井的完整性，即井筒 了世界各国首脑峰会的议程。二氧化碳作为大气中 是否能有效地隔离地层并防止流体尤其是二氧化碳 主要的温室气体，如何控制和减少其排放量，成为 的运移[5] 。目前国内外对于注入井完整性的研究方 备受人们关注的问题。在二氧化碳的减排方案中， 法比较成熟，主要以力学分析为主并加上各种检测 二氧化碳地质埋存项目是最有效的解决方案之一。 工具[6-12] ，针对老井或者废弃井也有人从风险分析 而井结构的完整性是影响二氧化碳渗漏与否的主要 的角度进行研究[13-15] 。在钻井、完井施工、随后的 因素之一[2] 。如果二氧化碳埋存后发生渗漏，将会 注入、生产等储层运行以及关井或废弃后的长期埋 引发全球风险和局部风险[3] 。 存等全寿命过程中，隔渗结构中诸组构的功能和表 井筒密闭系统主要结构包括：套管(Casing)、套 现受到连续的考验，因此井筒结构完整性的评估是 管和地层之间的水泥环(Cement Annulus)、井筒近周 至关重要的。 岩层(Near-wellbore Formation Region ；Skin)[4] 以及 在二氧化碳地质埋存过程中，注入井渗漏情况 收稿日期：2013-12-17 修回日期：2014-12-31 第一作者简介：宋力，男，1959 年生，博士，大连大学，教授；研究方向——岩土与混凝土类材料弹塑性损伤。 E-mail ：tany126.com 第 2 期 宋力，等：二氧化碳地质埋存中套管-水泥环-地层二维模