二氧化碳地質(zhì)封存系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)研究進(jìn)展

柏明星，張志超，白華明，杜思宇

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318；2.提高采收率教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163318；3.中國(guó)石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 引 言

大氣中CO2增多引起的溫室效應(yīng)導(dǎo)致了全球氣溫逐年升高，在過去的120 a中，CO2排放導(dǎo)致全球平均氣溫上升0.8 ℃[1-2]。CO2捕集與封存技術(shù)(CO2Capture and Storage，簡(jiǎn)稱CCS)是緩解全球變暖的有效方法之一[3]。在CO2注入和封存過程中，地層壓力波動(dòng)和地層水pH值降低等因素可導(dǎo)致井筒水泥環(huán)腐蝕和儲(chǔ)蓋層巖石破壞，從而誘發(fā)CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)。CO2泄漏不僅會(huì)導(dǎo)致大氣污染，同時(shí)也嚴(yán)重威脅地下水安全和人身安全。因此，對(duì)CO2地質(zhì)封存系統(tǒng)的泄漏風(fēng)險(xiǎn)研究顯得尤為重要。為此，對(duì)CO2地質(zhì)封存系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)的形成機(jī)理和綜合評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了總結(jié)，旨在為CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目的安全實(shí)施和封存場(chǎng)地選擇提供理論支持。

1 CO2地質(zhì)封存泄漏風(fēng)險(xiǎn)因素

1.1 井筒泄漏風(fēng)險(xiǎn)因素

1.1.1 固井質(zhì)量

CO2封存井的固井質(zhì)量是影響井筒完整性的重要因素，固井質(zhì)量主要受施工作業(yè)、CO2注入過程交變應(yīng)力導(dǎo)致的拉伸破壞及化學(xué)腐蝕的影響。低溫CO2沿井筒注入后導(dǎo)致井筒組合體的3種材料(套管、水泥、地層巖石)發(fā)生非均勻熱膨脹和收縮效應(yīng)，導(dǎo)致井筒經(jīng)歷動(dòng)態(tài)拉伸、收縮破壞，形成氣體泄漏微環(huán)隙[4]。CO2注入破壞井筒組合體有2種機(jī)制：一是交變應(yīng)力導(dǎo)致的組合體疲勞損傷。安峰辰等[5]通過有限元方法對(duì)其進(jìn)行了分析，認(rèn)為組合體受交變應(yīng)力破壞的最危險(xiǎn)部位在軟硬地層交界面處，該處巖層上下界面受交變應(yīng)力作用產(chǎn)生較大的應(yīng)變差異，導(dǎo)致組合體局部拉伸損傷。二是CO2低溫冷流體導(dǎo)致近井巖石熱應(yīng)力損傷破壞。李琦等[6]通過數(shù)值模擬方法研究了CO2熱應(yīng)力對(duì)井筒組合體的損傷，發(fā)現(xiàn)注入的低溫CO2會(huì)導(dǎo)致井壁巖石受冷收縮，產(chǎn)生環(huán)向拉應(yīng)力，在拉應(yīng)力作用下，井壁巖石出現(xiàn)彈性模量損傷和滲透率增大現(xiàn)象，在CO2注入200 s后，井壁巖石的彈性模量下降28 GPa左右，滲透率增加了1 D，井壁發(fā)生損傷。對(duì)于微環(huán)隙損傷，Timotheus、Wasch等[7-8]研究發(fā)現(xiàn)，在水泥環(huán)產(chǎn)生破損的裂隙內(nèi)注入含Ca2+離子的水，鈣化水會(huì)與裂隙內(nèi)的CO2發(fā)生鈣化反應(yīng)形成固化碳酸鈣，對(duì)裂隙產(chǎn)生封堵，即CO2封存井存在自愈性。Cao等[9]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究表明：井筒微環(huán)隙自愈效果與微環(huán)隙尺度和鈣化水在環(huán)隙中的停留時(shí)間有關(guān)，微環(huán)隙尺度越小，CO2-鹽水多相流速度越低，環(huán)隙內(nèi)原位鈣化越容易形成封堵；鈣化水停留時(shí)間越長(zhǎng)，原位沉淀礦物量越大，也會(huì)促進(jìn)CO2封存井的自愈性。

1.1.2 水泥環(huán)和套管腐蝕

CO2溶解于地層水中呈酸性，改變了原始地層中的水巖平衡環(huán)境，可誘發(fā)礦物溶解和沉淀。CO2主要與水泥中的Ca(OH)2和CSH反應(yīng)，并伴隨著溶質(zhì)運(yùn)移。腐蝕反應(yīng)速率主要與水泥環(huán)的孔隙度、滲透率和CO2-鹽水淋濾時(shí)間呈正相關(guān)，與水泥環(huán)孔隙迂曲度呈負(fù)相關(guān)[10-12]：水泥環(huán)的孔隙度、滲透率越大，酸性介質(zhì)在水泥環(huán)中的擴(kuò)散越快，對(duì)水泥環(huán)的淋濾作用越強(qiáng)，腐蝕越嚴(yán)重；水泥環(huán)孔隙迂曲度越高，酸性流體在水泥環(huán)中的擴(kuò)散阻力越大，水泥環(huán)腐蝕深度越淺。CO2腐蝕反應(yīng)速率不同，其導(dǎo)致的結(jié)果也有不同：腐蝕反應(yīng)速率高，溶質(zhì)運(yùn)移作用強(qiáng)，淋濾作用強(qiáng)，泄漏風(fēng)險(xiǎn)加大；腐蝕反應(yīng)速率低，水泥環(huán)內(nèi)沉淀作用強(qiáng)，淋濾作用弱，水泥環(huán)發(fā)生自愈。Wasch等[13]通過CO2埋存多場(chǎng)耦合數(shù)值模擬研究，將地層中擴(kuò)散的CO2和水泥環(huán)的反應(yīng)分為4個(gè)區(qū)域(圖1)：區(qū)域Ⅰ為CO2未滲透區(qū)域，不發(fā)生腐蝕反應(yīng)和孔隙度、滲透率變化；區(qū)域Ⅱ?yàn)镃O2前緣剛波及到的區(qū)域，CO2-水多相流滲流速率低，對(duì)水泥環(huán)的淋濾作用弱，水泥環(huán)發(fā)生鈣化反應(yīng)，產(chǎn)生自愈合；區(qū)域Ⅲ和Ⅳ，CO2在水中的溶解度達(dá)到最大值，pH降低，淋濾作用增強(qiáng)，水泥環(huán)中的Ca(OH)2完全溶解，CaCO3發(fā)生二次溶解和溶質(zhì)運(yùn)移，孔隙度和滲透率有較大幅度增加。另外，水泥與CO2反應(yīng)也會(huì)縮短孔隙水中氯離子自由通過水泥環(huán)到達(dá)套管的時(shí)間，加速套管電化學(xué)腐蝕[12]。

圖1 CO2封存井水泥環(huán)腐蝕示意圖

1.2 蓋層泄漏風(fēng)險(xiǎn)因素

1.2.1 蓋層厚度

一些學(xué)者認(rèn)為CO2氣體封閉能力與蓋層厚度無關(guān)，僅與蓋層毛管突破壓力相關(guān)[14]。而付廣等[15]通過不同厚度蓋層巖心突破實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蓋層厚度增加，突破壓力和氣體封閉能力都增加，從而增加了CO2封存系統(tǒng)安全性。郎岳等[16]通過研究南堡凹陷館陶組蓋層厚度和蓋層泥地比對(duì)氣體封閉能力的影響發(fā)現(xiàn)，蓋層封閉下伏天然氣的泥巖下限比例為30%且蓋層厚度大于180 m的區(qū)域?yàn)橛行Х馍w區(qū)，該研究結(jié)果也說明了蓋層厚度與氣體封閉能力是相關(guān)的。蓋層內(nèi)的毛管是非均勻連通的，蓋層厚度增加會(huì)降低縱向毛管間連通概率，導(dǎo)致蓋層中不連通毛管數(shù)增加，且氣-水界面張力產(chǎn)生的毛管力對(duì)氣體的阻力作用也有所增加。張占文等[17]通過研究蓋層厚度和氣體封閉能力關(guān)系發(fā)現(xiàn)，蓋層厚度增加表明蓋層形成過程中沉積環(huán)境較穩(wěn)定，平面上連續(xù)性好，被斷層、裂縫破壞的幾率較低，從而增加了蓋層對(duì)CO2封存的安全性。Tremosa等[18]的研究也表明：蓋層厚度增加，蓋層內(nèi)抑制氣體突破的毛管長(zhǎng)度變長(zhǎng)，導(dǎo)致毛管內(nèi)壓力梯度降低，毛管內(nèi)氣液多相流速度降低，蓋層內(nèi)原位沉淀反應(yīng)增強(qiáng)，CO2密封性變好；當(dāng)蓋層較薄時(shí)，氣體快速突破，突破后蓋層毛管力封閉氣體的能力失效，氣體滲漏速率增加。

1.2.2 蓋層巖性

蓋層的成巖環(huán)境不同，導(dǎo)致蓋層內(nèi)巖石礦物組成和物性存在差異，對(duì)CO2的封閉能力也存在差異[19]。付曉飛、侯連華等[20-21]研究表明：蓋層巖性對(duì)CO2的封閉能力的影響從高到低依次為鹽巖、膏巖、泥灰?guī)r、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。鹽巖、膏巖蓋層組成顆粒極細(xì)，孔隙的迂曲度高，幾乎不含有效連通孔隙，氣相滲透率非常低，對(duì)氣體的封閉能力最好；而隨著蓋層中砂巖含量增加，孔隙度和滲透率增加，巖石變得疏松，同時(shí)蓋層的脆性指數(shù)增大，產(chǎn)生裂縫的概率增大，導(dǎo)致氣體封閉能力降低。唐鑫萍[22]對(duì)三水盆地古近系布三段泥巖蓋層的氣體突破壓力進(jìn)行了評(píng)價(jià)，認(rèn)為泥巖蓋層的泥質(zhì)含量和氣體突破壓力呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.857，蓋層的泥質(zhì)含量會(huì)促進(jìn)蓋層的壓實(shí)致密和水化膨脹封堵能力，而蓋層中砂巖、白云巖含量增加則會(huì)增加蓋層的脆性，增加蓋層的壓裂風(fēng)險(xiǎn)，且認(rèn)為組成蓋層的黏土礦物蒙脫石含量越高，蓋層的壓實(shí)致密性和吸水膨脹封堵能力越好，密封氣體的效果越好。此外，泥質(zhì)含量增加也會(huì)加大孔喉非均質(zhì)性和減小喉道有效配位數(shù)，提高氣體封存安全性[23]。對(duì)于泥巖蓋層，成巖作用反映了蓋層的塑性轉(zhuǎn)變，隨著成巖作用逐漸增強(qiáng)，埋深增加，蓋層逐漸被壓實(shí)，蓋層的孔隙度、滲透率逐漸降低，氣體排替壓力逐漸增大，而砂泥巖蓋層中砂巖含量增加時(shí)，蓋層的抗壓實(shí)性強(qiáng)，且隨著蓋層中砂巖含量的增加，蓋層致密性變差，對(duì)于CO2的氣體封閉能力變差[24]。

1.2.3 蓋地比

蓋地比是指縱向由多個(gè)砂泥巖交互層疊合而成的蓋層中泥巖厚度與蓋層厚度的比值。蓋地比越高，蓋層的氣體封閉能力越強(qiáng)。Jackson等[25]基于對(duì)英格蘭南部懷特島下白堊紀(jì)蓋層平面和縱向的砂泥巖分布與層內(nèi)流體流動(dòng)能力的研究，認(rèn)為蓋層內(nèi)氣體流動(dòng)性與蓋層內(nèi)砂泥巖的分布和比例相關(guān)，并提出利用蓋地比的閾值來表征蓋層的氣體封閉能力，認(rèn)為其水平閾值為0.28，垂直閾值為0.50。當(dāng)蓋地比高于水平閾值時(shí)，蓋層水平方向泥巖連續(xù)性好，CO2在蓋層內(nèi)水平滲漏風(fēng)險(xiǎn)低；當(dāng)蓋地比高于垂直閾值時(shí)，蓋層接近泥巖性質(zhì)，CO2垂向泄漏風(fēng)險(xiǎn)低。郎岳等[26]通過井震結(jié)合的方法，對(duì)蓋層的含氣特征與泥質(zhì)特征進(jìn)行了綜合分析，認(rèn)為互層疊合蓋層有效氣體封存存在泥巖層厚度下限。高鵬博等[27]繪制了鄂爾多斯含油氣盆地互層疊合蓋層的蓋地比和含油氣特征圖版，研究表明：蓋地比高于70%時(shí)，蓋層封閉能力好；蓋地比為45%～70%時(shí)，蓋層封閉能力差；蓋地比低于45%時(shí)，縱向完全連通，無油氣遮擋能力?？傊?，蓋地比主要影響蓋層平面連續(xù)性和縱向抗氣體突破能力，蓋地比高，泥巖層的平面連續(xù)性好，蓋層被高孔隙度砂巖、斷層、裂縫貫穿的概率低，CO2沿蓋層泄漏風(fēng)險(xiǎn)也低。

1.2.4 蓋層腐蝕

CO2進(jìn)入到蓋層孔隙中會(huì)引發(fā)蓋層巖石礦物溶解和沉淀反應(yīng)，但最終的作用效果與蓋層的完整性有關(guān)。若儲(chǔ)層中斷層和裂縫未延伸至蓋層中，蓋層完整性好，CO2在蓋層中的滲流速度非常低，CO2與蓋層中礦物的反應(yīng)主要是發(fā)生原位溶解和沉淀，孔隙內(nèi)流體很快達(dá)到離子飽和，因此，CO2腐蝕對(duì)蓋層影響小。MS Elgendy等[28]應(yīng)用多場(chǎng)耦合模擬技術(shù)對(duì)中東Turkey油藏的泥巖蓋層中CO2腐蝕規(guī)律進(jìn)行了研究，研究表明：方解石、鈉長(zhǎng)石和綠泥石等在酸性水中發(fā)生溶解，同時(shí)生成伊利石、石英、鐵白云石及菱鐵礦沉淀，但經(jīng)過1 000 a封存時(shí)間，蓋層孔隙度并未明顯增加，表明CO2腐蝕對(duì)蓋層泄漏風(fēng)險(xiǎn)影響較小。Xiao等[29]通過數(shù)值模擬方法研究了CO2對(duì)頁(yè)巖和泥灰?guī)r組合蓋層的腐蝕，研究表明：CO2腐蝕導(dǎo)致在2種巖性的接觸面上生成伊利石、石英、白云石和菱鐵礦等沉淀，接觸面處的孔隙度降低了25%以上，蓋層的密封性得到強(qiáng)化；若儲(chǔ)層內(nèi)發(fā)育的斷層延伸至蓋層中形成一定的斷裂厚度時(shí)，蓋層完整性變差，CO2在蓋層中的裂縫同時(shí)發(fā)生腐蝕和快速的溶質(zhì)運(yùn)移，裂縫中不斷有新鮮酸性地層流體進(jìn)入并與裂縫面巖石發(fā)生反應(yīng)，加劇腐蝕，增加CO2氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.5 封存壓力

CO2封存壓力是導(dǎo)致蓋層發(fā)生泄漏的一個(gè)重要因素，封存壓力高于蓋層突破壓力且低于蓋層破裂壓力時(shí)，可導(dǎo)致氣體沿蓋層發(fā)生滲漏。蓋層的突破壓力除與封存壓力和蓋層巖性等因素有關(guān)外，還與封存氣體種類有關(guān)。林潼等[30]研究了CH4、N2、CO2在白云巖和膏巖蓋層巖心中的突破壓力，研究表明：3種氣體在2種蓋層中的突破壓力由大至小均為CH4、N2、CO2。導(dǎo)致出現(xiàn)這種不同蓋層突破壓力的本質(zhì)是氣體與蓋層中流體界面張力的差異。CO2與蓋層中流體界面張力相比CH4和N2小，導(dǎo)致CO2更易突破蓋層毛管力而發(fā)生氣體滲流。而CO2封存層壓力過高會(huì)壓裂泥巖蓋層，造成CO2快速泄漏。Ishida等[31]對(duì)比了油、水、超臨界CO2對(duì)花崗巖的壓裂效果，發(fā)現(xiàn)超臨界CO2對(duì)花崗巖的壓裂門限壓力為水的70%，為油的50%，且超臨界CO2壓裂后形成更為復(fù)雜的裂縫。Chen等[32]應(yīng)用室內(nèi)壓裂實(shí)驗(yàn)分析了水、油、超臨界CO2在花崗巖中形成的壓裂裂縫的復(fù)雜程度，認(rèn)為低黏度是導(dǎo)致CO2壓裂巖石形成復(fù)雜裂縫的主要原因。因此，CO2封存壓力應(yīng)控制在低于注水過程中的地層壓力，保證不壓裂蓋層，蓋層一旦被壓裂將形成較為復(fù)雜的裂縫，CO2泄漏很難補(bǔ)救。CO2封存壓力導(dǎo)致蓋層失效風(fēng)險(xiǎn)的判斷，主要應(yīng)用摩爾應(yīng)力圓與巖石應(yīng)力應(yīng)變交會(huì)曲線進(jìn)行判斷。CO2對(duì)蓋層的腐蝕會(huì)導(dǎo)致蓋層巖石力學(xué)性質(zhì)改變，增加蓋層的壓裂泄漏風(fēng)險(xiǎn)。因此，對(duì)蓋層泄漏風(fēng)險(xiǎn)的判斷，要綜合考慮蓋層的腐蝕和CO2封存壓力的共同影響。

2 CO2地質(zhì)封存系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.1 CO2沿井筒泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

井筒完整性受管柱(套管柱、套管頭、封隔器及井口四通)密封情況、固井質(zhì)量等因素影響。對(duì)于固井質(zhì)量影響井筒完整性的評(píng)價(jià)方面，武治強(qiáng)等[33]對(duì)不同水泥膠結(jié)質(zhì)量的井筒組合體進(jìn)行了突破實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為水泥膠結(jié)質(zhì)量越好、封固段長(zhǎng)度越大、套管直徑越小，井筒完整性越好。縮小套管直徑保障了井周水泥的均勻性，提高了封存井的安全性。對(duì)于多因素綜合作用下井筒氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，常用模糊綜合評(píng)價(jià)方法，即基于層次分析和因素比較矩陣、權(quán)重矩陣和模糊數(shù)學(xué)計(jì)算得到綜合評(píng)價(jià)值，指導(dǎo)井筒泄漏的最危險(xiǎn)環(huán)節(jié)評(píng)估和預(yù)防。曾德智、張智等[34-35]基于2016年發(fā)布的API RP 90-2《陸上油田環(huán)空壓力管理推薦做法》提出的井筒環(huán)空壓力MAWOPA評(píng)價(jià)值，建立了綜合考慮油套管承壓能力、井口設(shè)備和地層安全壓力及環(huán)空流體壓力對(duì)管柱作用的綜合評(píng)價(jià)圖版，評(píng)價(jià)氣井安全風(fēng)險(xiǎn)，并通過環(huán)空帶壓上升速率對(duì)高壓氣井進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)劃分：高環(huán)空帶壓上升速率井直接確定為泄漏風(fēng)險(xiǎn)井進(jìn)行治理；低環(huán)空帶壓上升速率井為常規(guī)井，還需綜合其他風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)一步進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。該方法可縮短泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)周期，提高封存井泄漏風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)效率，但評(píng)價(jià)過程屬于半定量評(píng)價(jià)，仍然需要實(shí)際封存井泄漏案例驗(yàn)證和數(shù)值模擬對(duì)比驗(yàn)證。

2.2 蓋層泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

蓋層泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)要綜合考慮多種因素影響，確定關(guān)鍵影響因素。林建品、祝志超等[36-37]分別應(yīng)用模糊綜合評(píng)價(jià)和灰色關(guān)聯(lián)方法對(duì)蓋層泄漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，劃定了蓋層泄漏風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)區(qū)間，認(rèn)為蓋層厚度、巖性與蓋層封閉能力相關(guān)性最高，蓋層厚度決定了蓋層平面封閉氣體能力，巖性決定蓋層縱向突破壓力。嚴(yán)康文等[38]應(yīng)用層次分析方法為影響蓋層的巖性、厚度、埋深和構(gòu)造曲率因素給定不同的權(quán)重，計(jì)算了蓋層綜合指數(shù)(SCI值)并對(duì)蓋層進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，SCI值和儲(chǔ)層氣體封存能力呈正相關(guān)關(guān)系，其中，對(duì)SCI值影響較大的是巖性，其次是蓋層厚度。馮國(guó)良等[39]認(rèn)為蓋層物性、巖性的影響最終會(huì)反應(yīng)在蓋層的突破壓力和泥巖連續(xù)性上，并利用基于測(cè)井參數(shù)計(jì)算的蓋地比和突破壓力綜合圖版綜合評(píng)價(jià)蓋層的氣體封閉能力，認(rèn)為蓋層的氣體封閉能力可分為三大類四小類：氣體封閉能力好(Ⅰ、Ⅱ類)、氣體封閉能力中等(Ⅲ類)、氣體封閉能力差(Ⅳ類)。綜合分析[40-42]：適合CO2封存的蓋層應(yīng)具有較大的厚度、較好的平面連續(xù)性；砂泥互層蓋層應(yīng)具有較大的有效泥巖厚度；巖性為膏巖或巖鹽層的蓋層的氣體封閉效果較好。

2.3 封存系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)

CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)方法包括定性、半定量和定量評(píng)價(jià)方法。定性評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)過程相對(duì)簡(jiǎn)單，可信度隨專家經(jīng)驗(yàn)不同而產(chǎn)生差異。半定量評(píng)價(jià)方法有風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法、模糊綜合評(píng)價(jià)方法等。評(píng)價(jià)過程結(jié)合了專家對(duì)泄漏影響因素權(quán)重的預(yù)判和理論模型對(duì)影響因素?cái)?shù)據(jù)的可靠性比較。定量評(píng)價(jià)方法(如貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法)是在已知大量CO2泄漏事件案例前提下，結(jié)合概率論、圖論及機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)泄漏影響因素和影響事件間的因果關(guān)系進(jìn)行概率計(jì)算和理論模型擬合，得出較為精準(zhǔn)的理論模型，預(yù)測(cè)不同影響因素組合下的CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)，得出的評(píng)價(jià)值更具參考意義，同時(shí)可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的更新。

2.3.1 風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法

風(fēng)險(xiǎn)矩陣(FEP)方法最早被用于對(duì)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下核廢料存儲(chǔ)系統(tǒng)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)[43]。Bai等[44]將該方法引入并應(yīng)用于廢棄油藏的CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，將CO2封存系統(tǒng)泄漏發(fā)生的影響因素和結(jié)果分解為特征(Features)、事件(Events)和過程(Processes)來進(jìn)行氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)[45]。CO2封存系統(tǒng)特征描述為影響封存系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的靜態(tài)影響參數(shù)，如儲(chǔ)層物性、井深、水泥特性等；過程描述為CO2封存過程中封存系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)物理和化學(xué)變化，比如化學(xué)腐蝕、相態(tài)變化等；事件描述為特征和過程綜合作用下導(dǎo)致的封存系統(tǒng)發(fā)生的變化，如地震、套管損壞、蓋層破裂等。所有的FEP影響因素將組成一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，即風(fēng)險(xiǎn)描述數(shù)據(jù)庫(kù)(FEP數(shù)據(jù)庫(kù))，該數(shù)據(jù)庫(kù)描述的便是所有與CO2封存系統(tǒng)完整性有關(guān)的影響因素。對(duì)于CO2封存系統(tǒng)構(gòu)建的FEP數(shù)據(jù)庫(kù)，可借鑒加拿大Weyburn CO2封存項(xiàng)目建立的Quintessa FEP數(shù)據(jù)庫(kù)和日本開發(fā)的RITE數(shù)據(jù)庫(kù)[46-47]。Bai等[48]對(duì)Quintessa FEP數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，優(yōu)選了56個(gè)與CO2泄漏特征、過程及事件相關(guān)的重要影響因素，并構(gòu)建了簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

FEP數(shù)據(jù)庫(kù)是描述地下存儲(chǔ)系統(tǒng)靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性相互影響的一種定性分析，不能提供定量評(píng)價(jià)[49]，而只有將FEP數(shù)據(jù)庫(kù)中的影響因素對(duì)封存系統(tǒng)構(gòu)成要件的影響轉(zhuǎn)化為影響概率才能實(shí)現(xiàn)對(duì)封存系統(tǒng)的量化評(píng)價(jià)。Hnottavange-Telleen、Duguid等[50-51]將FEP數(shù)據(jù)庫(kù)中影響因素導(dǎo)致的CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)定義為泄漏發(fā)生可能性和影響嚴(yán)重程度的乘積，針對(duì)僅有少量泄漏事件案例作為參考條件的情況，應(yīng)用專家研討會(huì)的方式確定FEP數(shù)據(jù)庫(kù)中影響因素和作用結(jié)果間的風(fēng)險(xiǎn)概率關(guān)系，將作用結(jié)果分成1～5級(jí)，其中，1級(jí)泄漏概率最小，5級(jí)泄漏概率最高。Bai等[52]在此基礎(chǔ)上，將FEP數(shù)據(jù)庫(kù)轉(zhuǎn)化為1～4級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣，風(fēng)險(xiǎn)矩陣中列舉了CO2泄漏特征、事件及過程間的相互作用對(duì)封存系統(tǒng)構(gòu)成要件(包括井筒組合體、儲(chǔ)層、蓋層等)風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別的量化評(píng)價(jià)結(jié)果，并繪制了影響因素和作用結(jié)果的因果圖對(duì)封存系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于一個(gè)不存在前期施工缺陷的地下封存系統(tǒng)，對(duì)封存系統(tǒng)影響較大的因素主要是井筒組合體因素。而要得到較為準(zhǔn)確量化的CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果，則主要依賴于專家研討會(huì)基于FEP風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣對(duì)事件風(fēng)險(xiǎn)概率和事件作用結(jié)果強(qiáng)度的分析，事件風(fēng)險(xiǎn)概率和事件作用結(jié)果強(qiáng)度的綜合評(píng)價(jià)值也會(huì)隨著參加研討會(huì)專家的意見改變發(fā)生相應(yīng)變化。

2.3.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法

貝葉斯網(wǎng)絡(luò)(BN)是一種統(tǒng)計(jì)概率模型，由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和有向邊構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系用條件概率表達(dá)，可為多因素條件下事件發(fā)生概率推斷提供一種較為合理的手段。Gerstenberger等[53]與溫室氣體研究中心(CO2CRC)的專家合作共同構(gòu)建了CO2深部咸水層封存系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，并應(yīng)用于深部咸水層的泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)先導(dǎo)項(xiàng)目中，其評(píng)價(jià)過程主要包括對(duì)CO2泄漏影響因素相關(guān)性分析，確定影響因素間層次關(guān)系，構(gòu)建影響因素間互相影響有向無環(huán)圖模型，計(jì)算根節(jié)點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)的條件概率，基于實(shí)際案例擬合和訓(xùn)練得到優(yōu)化的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，最終確定影響泄漏的主要風(fēng)險(xiǎn)因素為CO2腐蝕-應(yīng)力拉伸耦合作用。Bobbio等[54]對(duì)比多因素事故樹分析與貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法，認(rèn)為事故樹方法對(duì)CO2泄漏影響因素的分析模型可直接轉(zhuǎn)化為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)有向無環(huán)圖(Bayesian Directed Acyclic Graph, BDAG)，事故樹的作用是清晰地描述泄漏影響因素間的相互作用關(guān)系，但缺乏量化指標(biāo)，屬于對(duì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)的定性分析，而貝葉斯網(wǎng)絡(luò)除了分析泄漏影響因素間的關(guān)系，還通過條件概率的方式量化描述了各影響因素節(jié)點(diǎn)間的泄漏狀態(tài)間的相互作用。Yang等[55]以美國(guó)加州金伯利納附近的圣華金盆地CO2地質(zhì)埋存場(chǎng)地為基礎(chǔ)，應(yīng)用監(jiān)測(cè)手段聯(lián)合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型精準(zhǔn)評(píng)價(jià)了該地區(qū)的CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)，認(rèn)為用實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(廢棄井井底流壓、淺層水pH、地層水中固相顆粒含量、土壤酸堿度)修正貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果更為可靠。Wang等[56]則提出應(yīng)用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行CO2封存系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)，可從影響因素到作用結(jié)果進(jìn)行正向聯(lián)合概率計(jì)算，確定多影響因素綜合作用下的封存系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)概率，也可在給定節(jié)點(diǎn)CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)概率的情況下進(jìn)行后驗(yàn)概率計(jì)算，對(duì)封存系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行判斷。Namhata等[57]則在正向構(gòu)建CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)，將影響CO2封存系統(tǒng)發(fā)生泄漏的根節(jié)點(diǎn)影響因素描述為井筒和蓋層因素，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)則利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果。

Yang等[58]在對(duì)CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)影響因素進(jìn)行事故樹分析基礎(chǔ)上將事故樹轉(zhuǎn)化成貝葉斯模型有向無環(huán)圖，認(rèn)為事故樹中的事件層級(jí)分別對(duì)應(yīng)了貝葉斯有向無環(huán)圖的節(jié)點(diǎn)。任偉建等[59]則指出當(dāng)事故樹的頂層事件(父節(jié)點(diǎn))間相互獨(dú)立時(shí)，貝葉斯有向無環(huán)圖的節(jié)點(diǎn)間滿足Noisy-ORgate模型的使用條件，事故樹的中間環(huán)節(jié)(包括井筒和蓋層因素)可轉(zhuǎn)化為貝葉斯模型中間節(jié)點(diǎn)，底層事件即CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)可轉(zhuǎn)換為貝葉斯模型的子節(jié)點(diǎn)。

應(yīng)用貝葉斯聯(lián)合概率模型對(duì)CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，父節(jié)點(diǎn)引發(fā)的泄漏風(fēng)險(xiǎn)用先驗(yàn)概率計(jì)算，數(shù)據(jù)來源主要參考封存施工項(xiàng)目的先驗(yàn)數(shù)值模擬、多周期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析以及專家對(duì)于泄漏風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)判[60]。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的中間節(jié)點(diǎn)概率用條件概率表(Conditional Probability Tables，簡(jiǎn)稱CPT)表征，張旭等[61]指出貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的中間節(jié)點(diǎn)的CPT是多父節(jié)點(diǎn)組合對(duì)中間節(jié)點(diǎn)泄漏風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的概率表征，且CPT的確定方法較為復(fù)雜，一般隨父節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)增加，復(fù)雜程度呈指數(shù)增加。Wang等[62]則應(yīng)用開源版地下封存系統(tǒng)完整性綜合評(píng)估模塊(NRAP-Open-IAM)對(duì)1 000個(gè)CO2泄漏案例進(jìn)行了模擬，并以模擬結(jié)果作為訓(xùn)練貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的條件概率參數(shù)，同時(shí)以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的泄漏數(shù)據(jù)為約束，得到符合率為99.99%的CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)貝葉斯模型。

CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)程度除與泄漏風(fēng)險(xiǎn)概率相關(guān)還與泄漏事件引發(fā)結(jié)果的嚴(yán)重程度相關(guān)。對(duì)于該方面的研究，何雨、何蕾等[63-64]將貝葉斯聯(lián)合概率計(jì)算的泄漏風(fēng)險(xiǎn)概率和泄漏風(fēng)險(xiǎn)影響強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行了模糊計(jì)算，確定了CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)影響的綜合評(píng)估值，并利用該評(píng)估值評(píng)價(jià)了CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)對(duì)封存系統(tǒng)的綜合影響，認(rèn)為井筒泄漏是封存系統(tǒng)的最危險(xiǎn)環(huán)節(jié)。Farha等[65]結(jié)合FEP數(shù)據(jù)庫(kù)和貝葉斯有向無環(huán)圖建立了相互關(guān)聯(lián)的CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)概率評(píng)價(jià)矩陣(ACM)和補(bǔ)救措施矩陣(CPM)，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)泄漏的概率和影響強(qiáng)度，配置相應(yīng)的補(bǔ)救資源，預(yù)防泄漏風(fēng)險(xiǎn)。貝葉斯模型對(duì)于CO2地質(zhì)封存系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)主要優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)更新模型，進(jìn)行封存系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)跟蹤和分析，模型的預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度依賴于實(shí)際案例和數(shù)值模擬案例的訓(xùn)練擬合精度。

2.3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)方法

模糊綜合評(píng)價(jià)方法是將多因素共同影響下的模糊定性問題轉(zhuǎn)化成定量問題的一種常用風(fēng)險(xiǎn)分析手段[66]，這種模糊轉(zhuǎn)化的精度主要依賴選擇的隸屬函數(shù)和評(píng)估專家的經(jīng)驗(yàn)。Zou[67]將模糊綜合評(píng)價(jià)方法應(yīng)用于CO2封存系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)，并依據(jù)封存項(xiàng)目投資成本、工藝復(fù)雜性、政府支持力度等因素建立了CO2泄漏影響因素的事故樹，構(gòu)建了因素比較矩陣及指標(biāo)權(quán)重矩陣，通過模糊計(jì)算發(fā)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)塊發(fā)生CO2泄漏的風(fēng)險(xiǎn)較高，并不適宜建立CCS項(xiàng)目。王永勝[68]應(yīng)用CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)事故樹對(duì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)因素和泄漏風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果間的相互影響關(guān)系的層次進(jìn)行表征，將CO2封存系統(tǒng)的模糊評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)分為：評(píng)價(jià)指標(biāo)層(泄漏風(fēng)險(xiǎn))、中間因素層(井筒和蓋層)和頂層因素(影響CO2泄漏的井筒和蓋層因素)。Zeng等[69]則將層次分析方法(Analytic Hierarchy Process，簡(jiǎn)稱AHP)應(yīng)用于CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)分析，發(fā)現(xiàn)該分析方法和事故樹分析類似，但通過AHP因素間作用關(guān)系和強(qiáng)度值的比較，可確定因素的權(quán)重，而事故樹只是對(duì)CO2封存系統(tǒng)影響因素相互作用關(guān)系的定性分析和描述。

CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)的因素權(quán)重矩陣構(gòu)建是得到模糊評(píng)價(jià)值的另一個(gè)重要參數(shù)。張智等[70]基于CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)事故樹分析，提出應(yīng)用AHP方法建立底層因素對(duì)中間因素(井筒和蓋層)影響和中間因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)(CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn))影響的因素比較矩陣，認(rèn)為比較矩陣滿足一致性檢驗(yàn)后，矩陣最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量作為封存系統(tǒng)事故樹的底層和中間因素矩陣相對(duì)應(yīng)的權(quán)重矩陣是比較合理的。

模糊綜合評(píng)價(jià)方法的關(guān)鍵是將CO2泄漏影響因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)間的模糊關(guān)系轉(zhuǎn)化為量化的隸屬度概率，常用的隸屬函數(shù)主要有階梯函數(shù)、三角函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、正態(tài)分布函數(shù)等[71]。隸屬函數(shù)的選取主要依賴于咨詢專家對(duì)于泄漏影響因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)間關(guān)系的作用規(guī)律的熟悉程度，比較精確的方法是在實(shí)際案例或數(shù)值模擬結(jié)果基礎(chǔ)上對(duì)隸屬函數(shù)的參數(shù)值進(jìn)行修正。

模糊綜合評(píng)價(jià)方法的模糊計(jì)算步驟包括：基于隸屬函數(shù)，利用CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)泄漏風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行隸屬度矩陣轉(zhuǎn)化，以及求取泄漏風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重矩陣等。計(jì)算后可得到氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)區(qū)間，并在最大隸屬度原則下，確定CO2封存系統(tǒng)的泄漏風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別和類型。Mi等[72]對(duì)CO2封存系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)時(shí)發(fā)現(xiàn)，泄漏風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)價(jià)結(jié)果可能根據(jù)不同專家給出的意見和選擇的隸屬函數(shù)的不同，得出不同的CO2綜合泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果。Diao等[73]基于中國(guó)安全技術(shù)研究院2006年出版的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)CO2注入動(dòng)態(tài)、地質(zhì)參數(shù)、礦產(chǎn)開發(fā)破壞、井筒和設(shè)備等風(fēng)險(xiǎn)因素建立了神華深部咸水層CO2封存場(chǎng)地短期埋存的模糊綜合評(píng)價(jià)模型，并考慮了泄漏風(fēng)險(xiǎn)概率和泄漏風(fēng)險(xiǎn)后果對(duì)泄漏的綜合影響。張紹輝等[74]則綜合運(yùn)用AHP和模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)CO2封存井泄漏風(fēng)險(xiǎn)影響因素進(jìn)行了綜合分析，將CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)劃分為5級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，認(rèn)為導(dǎo)致封存系統(tǒng)泄漏的主要因素是井筒因素，包括水泥環(huán)和封隔器等，在CO2腐蝕與交變應(yīng)力載荷下極易引起井筒組合體的疲勞破壞。

3 結(jié) 論

(1) CO2地質(zhì)封存系統(tǒng)中井筒的破壞主要是受CO2注入過程產(chǎn)生的交變應(yīng)力拉伸損壞、CO2冷流體的熱應(yīng)力損傷和CO2對(duì)組合體腐蝕的綜合影響。且腐蝕對(duì)井筒水泥環(huán)不同位置產(chǎn)生不同的影響，對(duì)靠近封存層區(qū)域的水泥環(huán)淋濾作用強(qiáng)，腐蝕嚴(yán)重。近套管水泥環(huán)區(qū)域CO2淋濾作用弱，水泥鈣化作用強(qiáng)，可促使水泥環(huán)自愈。對(duì)封存井筒組合體損壞后形成的CO2泄漏通道的治理，可通過注入高含鈣離子溶液發(fā)生鈣化原位沉淀反應(yīng)，形成封堵氣體泄漏通道的碳酸鈣沉淀。且微裂隙的尺寸越小，原位反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，原位鈣化沉淀量越高，對(duì)微小泄漏通道的封堵效果越好。

(2) CO2地質(zhì)封存系統(tǒng)中蓋層泄漏主要受蓋層巖性、厚度和封存壓力的影響，而CO2腐蝕蓋層對(duì)蓋層的氣體密封性影響較小。多因素綜合影響下蓋層泄漏類型主要有低速滲漏和高速泄漏2種，當(dāng)封存壓力高于蓋層突破壓力但不壓裂蓋層時(shí)，氣體沿蓋層孔隙突破發(fā)生低速滲漏，低速滲漏量和滲漏速度基本符合達(dá)西定律，且引發(fā)的滲漏治理相對(duì)容易。當(dāng)封存層壓力高于蓋層破裂壓力或斷層開啟壓力時(shí)，在蓋層中形成CO2氣體高速泄漏通道，泄漏速度快，形成的泄漏很難治理。

(3) CO2地質(zhì)封存系統(tǒng)泄漏的評(píng)價(jià)方法有定性、半定量和定量評(píng)價(jià)。模糊綜合評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)矩陣屬于半定量評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)過程中專家經(jīng)驗(yàn)等主觀因素較多。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)封存系統(tǒng)泄漏風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，結(jié)合了大數(shù)據(jù)訓(xùn)練計(jì)算，可得出不同泄漏影響因素動(dòng)態(tài)參數(shù)變化時(shí)的氣體泄漏風(fēng)險(xiǎn)概率。但貝葉斯網(wǎng)絡(luò)方法評(píng)價(jià)也存在實(shí)際泄漏案例少，大數(shù)據(jù)模型訓(xùn)練不充分，導(dǎo)致子節(jié)點(diǎn)概率分布表代表性差的問題。