一种二氧化碳地质封存过程中沿废弃井泄漏的封堵方法与流程

1.本发明属于温室气体地质封存领域，涉及一种二氧化碳地质封存过程中沿废弃井泄漏的封堵方法。


背景技术：

2.二氧化碳地质封存是一项将二氧化碳注入并永久封存于地下含水层或废弃油气储层等地质体内的二氧化碳减排技术。其作为一项新兴的、具有大规模应用潜力的二氧化碳处置技术，为化石能源使用的二氧化碳近零排放提供了一种可能。
3.我国政府高度重视并积极应对气候变化，提出了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的宏伟目标。要实现碳中和目标，碳捕集与封存技术是我国工业、交通、建筑等行业达到最大减排目标后的最终兜底技术。目前我国各行业部署开展碳捕集利用与封存重大项目示范，为后续二氧化碳规模化注入奠定基础。
4.由于场地地质条件和人类开发活动导致的不确定性，注入储层的二氧化碳可通过废弃的钻井、断层或盖层的薄弱带发生泄漏，而二氧化碳沿钻井泄漏一般是因为化学或力学作用导致二氧化碳沿钻井环空水泥、井筒桥塞或围岩破碎带发生泄漏。目前二氧化碳地质封存过程中沿钻井泄漏的封堵技术研究还十分有限，这一现状不利于应对二氧化碳地质封存过程中突发的沿废弃钻井泄漏的问题，很大程度上限制了二氧化碳地下封存这一重大环保项目的发展。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有技术中封存地下的二氧化碳从废弃的钻井泄漏的问题，提供了一种二氧化碳地质封存过程中沿废弃井泄漏的封堵方法。
6.实现本发明上述目的所采用的技术方案为：一种二氧化碳地质封存过程中沿废弃的钻井泄漏的封堵方法，包括以下步骤：步骤1：射孔，即在稳定的盖层的厚度对应的井筒内壁上进行射孔，连通钻井环空水泥与围岩破碎带的裂隙；步骤2：注入石灰乳悬浊液，即在所述射孔中注入石灰乳悬浊液，使得石灰乳悬浊液进入所述裂隙中，与泄漏的二氧化碳反应形成碳酸钙，进而封堵二氧化碳的泄漏通道。
7.优选地，在上述封堵方法中，还包括如下至少一个步骤：在步骤1之前，可以包括：泄漏识别步骤，即识别废弃的钻井是否有二氧化碳沿钻井泄漏。
8.井内清理步骤，即对有泄漏的废弃的钻井，在封堵之前对井内封堵桥塞进行清理，确保二氧化碳地质封存储层之上的井筒内壁畅通、光滑。
9.在步骤2之后，可以包括：封堵效果监测步骤，即对封堵之后的钻井进行封堵效果监测。
10.封井步骤，即对封堵之后的钻井进行井内桥塞封井。
11.在步骤1中，优选地，于射孔之前，在对应盖层的井筒中设置一个相对封闭的空间，所述射孔段在该空间中设置。
12.具体地，在井筒中安装上下两个封隔器，两个封隔器阻隔进入井筒中的储层中封存的二氧化碳与上覆地层中的水；在上的一个封隔器上设置一注入管，石灰乳悬浊液由该注入管输入封闭的所述空间，继而注入所述射孔中。
13.在安装封隔器中，封隔器距射孔段的距离最好是大于2.5米。
14.上部的所述封隔器距离盖层上边缘的距离为＞2.5米。
15.下部的所述封隔器距离盖层下边缘的距离为＞2.5米。
16.优选地，在所述步骤1中，所述射孔的孔径控制在5
‑
20毫米。
17.射孔的密度为10孔/米
‑
30孔/米。
18.射孔的深度以穿透所述钻井环空水泥与围岩破碎带为宜，优选为不小于30厘米。
19.射孔段的高度与盖层高度之比为0.1
‑
0.9。射孔段的高度在5
‑
30米之间为宜。
20.射孔段的上边缘与盖层的上边缘之间的间距为＞5米。
21.射孔段的下边缘与盖层的下边缘之间的间距为＞5米。
22.射孔段均匀分布在钻井内壁的整个圆周面上。
23.在步骤1中涉及到盖层，稳定的盖层是指二氧化碳地质封存储层之上，能够封隔储层中的二氧化碳，使其免于向上逸散的保护层，其有泥质含量高、连续性好、厚度大等特点。
24.盖层的位置和厚度是需要确定的，确定盖层的方法可以是如下方法中的至少一个：（1）通过分析该废弃的钻井在钻井中的录井与测井资料进行稳定盖层位置和厚度确定；（2）通过对该废弃的钻井进行声波测井来确定盖层的位置和厚度。
25.在步骤2中，优选地，通过压裂车注入石灰乳悬浊液。
26.注入石灰乳悬浊液的初始浓度和注入压力p及二氧化碳储层的储层压力p0相关。
27.当注入开始，注入压力p小于储层压力p0时，石灰乳悬浊液的浓度为一初始设定浓度，当p大于p0一个阈值时，降低石灰乳悬浊液的浓度后继续注入，待p再次大于p0所述阈值时，再次降低石灰乳悬浊液的浓度后继续注入，直到石灰乳悬浊液的浓度等于一个终了设定浓度，即以该终了设定浓度再继续注入，直至注入压力p达到一个注入终止设定压力，结束注入。
28.优选地，所述注入压力p与所述储层压力之差的所述阈值与如下因素至少其中之一相关：（1）所述盖层的厚度或所述盖层的厚度和其渗透率；（2）所述钻井环空水泥环的渗透率。
29.优选地，所述阈值为0.5mpa。
30.所述注入压力为射孔段处的压力。即两个封隔器之间的封闭空间的压力。
31.所述注入终止设定压力优选为1.0mpa。
32.优选地，石灰乳悬浊液的初始设定浓度为2
‑
10摩尔/升。
33.优选地，石灰乳悬浊液的注入速度为不高于0.5l/s。
34.优选地，在注入石灰乳悬浊液的过程中，注入速度不变。
35.当注入压力p与储层压力之差达到所述阈值时，降低石灰乳悬浊液浓度的倍数为一个恒定值。优选地，该恒定值为0.2。
36.所述终了设定浓度为ca(ho)2在二氧化碳储层温度下的溶解度。
37.一个优选方案为：石灰乳悬浊液的初始设定浓度为2
‑
10摩尔/升，当注入压力p大于储层压力p
0 且p与p0的压差超过所述阈值0.5mpa，降低石灰乳悬浊液的浓度为初始设定浓度值的0.2倍，这时，注入压力p将降低使得所述压差低于所述阈值，随着注入继续，注入压力的升高，使得p与p0的差值再次超过0.5mpa时，再次降低石灰乳悬浊液的浓度为前一个浓度值的0.2倍，如此循环往复，直至石灰乳悬浊液的浓度低于地层温度下氢氧化钙的溶解度，之后，以该溶解度作为注入石灰乳的浓度，注入再继续进行，注入压力逐渐升高，当p与p0的差值达到1.0mpa时，注入封堵过程结束。
38.地层温度可以从钻井的钻井录井与测井资料中查到，还可以通过现有技术中的推测方法得到。
39.在泄漏识别步骤中，优选地，通过如下至少一个措施监测废弃的钻井是否有二氧化碳泄漏：（1）通过监测井口二氧化碳泄漏量；（2）监测井口周边二氧化碳浓度，以确定二氧化碳沿废弃的钻井的泄漏途径。
40.优选地，在泄漏识别步骤中，在井口设置防喷保护装置，在该保护装置上设置排气阀。
41.在监测井口周边二氧化碳浓度时，关闭所述排气阀。
42.在井内清理步骤中，优选地，通过钻机清理井筒内的封堵桥塞。
43.在封堵效果监测步骤中，优选地，采取如下至少一种措施：（1）在废弃的钻井旁边打一监测井，该监测井深度在所述盖层之上，在该监测井中设置ph值探头，通过监测地层水的ph值监测二氧化碳的泄漏情况；（2）监测钻井的井口和/或井口周边的二氧化碳的泄漏量。
44.优选地，监测频率为：不低于每12小时测量一次。
45.监测周期为30天，30日内未见二氧化碳泄漏，则证实封堵效果良好。
46.在封井步骤中，优选地，向井内射孔段注入抗二氧化碳腐蚀水泥，形成井内防泄漏桥塞。
47.在注入水泥前，取出上部封隔器。下部封隔器可以留在钻井中。
48.所述抗二氧化碳腐蚀水泥优选为：矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥和复合水泥等。
49.本发明提供的二氧化碳地质封存过程中沿废弃井泄漏的封堵方法，解决了上述背景技术中所述的封存二氧化碳过程中二氧化碳从废弃钻井周围的环空水泥及围岩破碎带
的裂隙泄漏的问题，本发明选择地层封闭性良好的盖层进行射孔，连通存在泄漏风险的井筒、钻井环空水泥与围岩破碎带，通过向射孔段注入石灰乳悬浊液，进入缝隙中的石灰乳与泄漏的二氧化碳发生反应形成硬化致密的碳酸钙，可封堵二氧化碳泄漏通道，同时可将围岩破碎带与含裂隙钻井环空水泥胶结成一致密整体，大大降低二氧化碳地质封存过程中沿废弃井泄漏的风险。本发明基于其技术方案所具有的有益效果在于：（1）本封堵方法，优选二氧化碳地质封存储层之上的稳定盖层进行射孔并封堵裂隙，可有效封堵二氧化碳地质封存过程中沿废弃井泄漏的裂隙通道。
50.（2）本封堵方法，采用石灰乳悬浊液进行封堵裂隙，在缝隙内石灰乳与泄漏的二氧化碳反应可生成硬化致密的碳酸钙，可有效封堵二氧化碳泄漏通道，且在未受外界扰动条件下，形成的碳酸钙可保持稳定。
51.（3）本封堵方法，注入裂隙中的石灰乳悬浊液浓度由高至低，低浓度的石灰乳悬浊液更有利于进入细小裂隙中，其与二氧化碳反应形成的碳酸钙对裂隙封堵性效果更好。
52.（4）本封堵方法，将石灰乳悬浊液注入裂隙中与二氧化碳反应形成致密的碳酸钙，该过程可将围岩破碎带与含裂隙钻井环空水泥胶结成一致密整体，大大降低二氧化碳地质封存过程中沿废弃井泄漏的风险。
53.（5）本封堵方法，注入的石灰乳悬浊液与沿废弃井泄漏的二氧化碳发生反应生成地层中常见的碳酸钙与水，对地质环境污染风险极低，在该封堵过程中安全环保。
54.下面通过附图和实施例对本发明做详细说明。
附图说明
55.图1为本发明中的二氧化碳沿废弃井泄漏的封堵工程示意图。
56.图2为本发明中的二氧化碳沿废弃井泄漏的封堵流程图。
具体实施方式
57.下面结合图1与实施例对本发明做详细具体的说明。图1示出了本发明提供的封堵方法对废弃的钻井进行封堵的设施、设置的封堵结构和设备。封堵方法由图2示出。
58.具体的步骤包括：步骤1：泄漏识别；步骤2：井内清理；步骤3：射孔；步骤4：封堵；步骤5：封堵效果监测；步骤6：封井。
59.下面逐一详细说明。
60.首先，对于废弃的钻井进行泄漏识别步骤，查明二氧化碳沿废弃井泄漏位置与泄漏量，可以先在井口设置一个简易的支架，将气体流量计16支撑在井口上，以测定井口是否有二氧化碳冒出。如果测出有二氧化碳泄漏，即准备实施本发明的封堵方法，先在井口安装防喷保护装置1，气体流量计16是防喷保护装置的一个组件，设置在保护装置上，如图1所示。
61.安装防喷保护装置是为了防止在射孔后存在的大量气体泄漏的风险。
62.泄漏识别的另一个措施是：关闭防喷保护装置上的排气阀，监测井口周边二氧化碳浓度，以确定二氧化碳沿废弃的钻井的泄漏途径。判断二氧化碳是通过钻井的环空水泥与围岩破碎带的裂隙泄漏的，还是有从盖层薄弱的其他部分泄漏的，如果还有其他位置的泄漏，就需要采取其他措施进行堵漏，其不是本发明的内容，在此不赘述。
63.接着对井筒2进行井内清理步骤，采用钻机清理井筒2内水泥桥塞，并选择确定地层封闭性良好的稳定的盖层3的位置和厚度。
64.可以通过分析钻井录井与测井资料进行稳定盖层的选择，还可以通过声波检测的方式确定盖层的位置和厚度。
65.稳定的盖层是指二氧化碳地质封存储层9之上，能够封隔储层9中的二氧化碳，使其免于向上逸散的保护层，其有泥质含量高、连续性好、厚度大等特点，盖层3的孔隙度一般小于5%，渗透率小于1md。
66.之后就是在井筒2的对应盖层3的内壁上进行射孔4，射孔4连通钻井环空水泥5与围岩破碎带6的裂隙7；当开挖钻井时，井筒2穿过盖层3之后，对在井筒2周围的盖层产生破坏，在井筒2周围形成环空水泥5与围岩破碎带6，其中的裂隙7较大，致使储层中的二氧化碳由裂隙7泄漏出来。本发明的封堵方法就是针对这一泄漏给予封堵。
67.射孔之前，需要在井筒2中对应盖层处的射孔段设置一个相对封闭的空间，以避免在射孔时有大量的二氧化碳和水通入井筒2的风险。设置封闭空间的措施是：在井筒2中对应盖层3的井筒内壁上安装上下两个封隔器8，两个封隔器8阻隔盖层3下方储层9中封存的二氧化碳与盖层上方的上覆地层10中的水；在上的一个封隔器8上设置一注入管，也称其为中央管道18，该中央管道18的上端管口连接设于井口上石灰乳悬浊液注入装置压裂车12，压裂车12连接一搅拌箱，提供所需浓度的石灰乳悬浊液，使得石灰乳悬浊液以一定的速度由该注入管输入该封闭空间，继而注入所述射孔中。
68.在安装封隔器步骤中，封隔器距射孔段的距离最好是大于2.5m。上部的所述封隔器距离盖层上边缘的距离为＞2.5米。下部的所述封隔器距离盖层下边缘的距离为＞2.5米。射孔4的孔径控制在5
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20mm，在本实施例中，孔径例如为7mm。射孔的密度为10孔/米
‑
30孔/米，在本实施例中，在射孔段，射孔的密度例如为20孔/米。射孔段的高度与盖层高度的比例为0.1
‑
0.9，比例值的选取与盖层的厚度有关系，盖层的厚度一般在几十米至上百米，当盖层厚度较薄时，比例值取值稍大一些，盖层厚度较大时，比例值取值稍小一些，以确保射孔段的高度为5
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30米比较适宜。射孔段的上边缘和下边缘与盖层的上边缘和下边缘之间的间距均为＞5米为宜。在本实施例中，两个间距均例如为8米。
69.本发明是通过在盖层设置射孔注入石灰乳，在盖层上因钻井而被破坏而出现裂隙的环空水泥和围岩破碎带上，让石灰乳和二氧化碳在裂隙中相遇、反应，生成碳酸钙将裂隙填充封堵，使得盖层得到修复。因此，射孔的孔径和密度会影响到石灰乳悬浊液进入裂隙的状态，如果射孔的孔径太小，会阻碍石灰乳的流动，使得石灰乳与二氧化碳的接触不良，但孔径如果过大，则会对盖层破坏较大，增大修复的难度，射孔的密度会影响石灰乳在钻井环空水泥5与围岩破碎带6中的分布。射孔的孔径、密度选取合适与否，射孔段在盖层中的位置和高度都会对将围岩破碎带与含裂隙钻井环空水泥胶结成一致密整体的稳定性和牢固性
以及封堵施工的高效率产生影响。
70.射孔段均匀分布在钻井内壁的整个圆周面上也是一个很好的措施。因为裂隙位置不好把控，均匀射孔可以对可能出现裂隙的位置进行全覆盖，可以获得较好的封堵效果。
71.接下来就是通过向封闭空间即向射孔4中注入石灰乳悬浊液实施封堵的步骤。采用设置在井口上面的搅拌箱11配制初始设定浓度不低于2mol/l（2
‑
10mol/l）的石灰乳悬浊液（ca(ho)2胶体溶液），例如初始设定浓度为5mol/l，通过压裂车12通过中央管道18向射孔段以低于0.5l/s的速度，例如0.3l/s缓慢注入石灰乳悬浊液，当注入压力p高出储层压力p0一个阈值，该阈值例如为0.5mpa时，降低石灰乳悬浊液浓度至初始注入浓度的0.2倍，即浓度降到1mol/l，随后继续以0.3l/s的速度缓慢注入，当注入压力p再次升高一个阈值0.5mpa时，再次降低石灰乳悬浊液的浓度至上一个浓度的0.2倍，即浓度降到0.2mol/l，继续注入，如此循环往复，直至石灰乳浓度等于或小于地层温度即二氧化碳储层9的温度下ca(ho)2的溶解度，例如，储层9的温度为60℃，此时的ca(ho)2的溶解度为0.02mol/l。这样，当注入压力再增加两个阈值时，石灰乳的浓度则降低到地层温度下ca(ho)2的溶解度。这时，就是以0.02mol/l的浓度继续注入，石灰乳的浓度不再降低，上述溶解度即为终了设定浓度。在这个终了设定浓度下继续注入，注入压力会逐渐提高，当提高到一个注入终止设定压力时，注入结束。这个注入终止设定压力为1.0mpa。
72.再举一个实例，其中，石灰乳的初始设定浓度为10mol/l，这时，所述阈值还是0.5mpa，当注入压力p达到高于储层压力p00.5mpa时，降低浓度为2mol/l，再继续注入，当注入压力p再次高于储层压力p00.5mpa时，再降低浓度为0.4 mol/l，再继续注入，第三次注入压力高于储层压力p00.5mpa时，再降低浓度就为0.08 mol/l，第四次注入压力高于储层压力p00.5mpa时，再降低浓度就为0.016 mol/l，低于溶液度0.02mol/l，这时，就以终了设定浓度即前述溶解度注入，直到注入压力为1.0mpa。
73.所述阈值的压力差与水泥环的厚度可推算地层渗透率，当设定上述参数条件下，推算的水泥环的渗透率与盖层的地层渗透率接近，可认为该石灰乳浓度条件下封闭的裂缝不渗漏。达到一个阈值表明以现有浓度石灰乳不容易继续注入了，所以需要降低浓度，而以恒定的倍数降低浓度，有利于操控，更重要的是能逐步实现把细小的裂缝封堵完成。
74.在注入过程中调节石灰乳的浓度，最初，浓度较大，先将较大裂隙尽快注满，然后降低浓度，较低浓度的石灰乳比较容易进入较小的裂隙，又可以将细小的裂隙封堵上。在设置的初始设定浓度下，按照0.2倍速率缩减，在浓度降低10次以内就可以封堵完成，这样的设置较为理想。如果初始设定浓度过低，则不易形成封堵性能很好的整体结构。但如果初始设定浓度太高，石灰乳过于浓稠，除了上面及其的浓度降低次数增多的问题之外，有些裂隙的端口被浓稠的石灰乳封住，不利于将整个环空水泥和围岩破碎带中的大小裂隙均填充起来，因此也会影响封堵的效果。
75.石灰乳的终了设定浓度最低不能低于储层9的温度下的溶解度，其作用是让石灰乳悬浊液在一个设定的终了设定压力（例如1.0mpa）充分地进入裂隙7。但该终了设定浓度不能低于所述溶液度，否则，后面注入不饱和的石灰水会对之前注入石灰乳与二氧化碳反应形成的碳酸钙将产生破坏作用。
76.前面所述的注入速度，也影响着封堵效果。本发明提供一个0.5升/秒的最高限速，在这样的速度下，进入裂隙的石灰乳能够适时地与泄漏的二氧化碳反应生成碳酸钙封堵裂
隙。如果该限速太高，则封堵效果不佳，但如果该限速太低，则也不利于封堵的进行且封堵效率也过低。
77.接下来就是封堵效果监测步骤。
78.监测同样可以利用设置在井口的气体流量计，测量井口的气体流量。还可以关闭井口排气阀，该排气阀是气体流量计的阀门，监测井口周边二氧化碳浓度，以确定二氧化碳沿废弃的钻井的泄漏途径。
79.另外，还可以在钻井边上钻一口监测井13，该监测井的井深不超过盖层3。
80.通过监测井（13）中放入ph值探头（14）、地表二氧化碳浓度仪（15）与井口气体流量计（16）配合使用，持续监测上覆地层水的ph值、井口周边二氧化碳浓度与井口二氧化碳泄漏量，数据经地表监测站（17）进行分析。
81.一般监测的频率可以是，每12小时取一次数据。
82.如30日监测均未见二氧化碳泄漏，即可认定为封堵成功，然后进就如下一个工序步骤：封井。
83.可实施井内桥塞封井，完成二氧化碳沿废弃井泄漏的封堵。
84.首先，取出射孔段上部封隔器，并向井内射孔段注入抗二氧化碳腐蚀水泥等，形成井内防泄漏水泥桥塞，整体完成二氧化碳沿废弃井泄漏的封堵。所述抗二氧化碳腐蚀水泥可以是矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥或复合水泥等，封井具体做法因属于现有技术，此处不再赘述。
85.如果经过监测，封闭不达标，需要具体分析泄漏原因，如果还是钻井周围的裂隙泄漏，可以重新在新的位置设置射孔4，重新注入石灰乳，这时，可以调整石灰乳的浓度，例如增大设定浓度，重新进行石灰乳的注入。然后再进行封堵效果监测，直到封堵达标。
86.本发明优选盖层进行射孔，连通存在泄漏风险的井筒、钻井环空水泥与围岩破碎带，下入封隔器并在射孔段形成相对密闭空间，通过压裂车向射孔段缓慢注入石灰乳悬浊液，该过程中控制注入压力并逐渐降低石灰乳浓度，使裂隙中的石灰乳与泄漏的二氧化碳发生反应形成硬化致密的碳酸钙，进而封堵二氧化碳泄漏通道。本发明可有效封堵二氧化碳地质封存过程中沿废弃井泄漏的裂隙通道，同时可将围岩破碎带与含裂隙钻井环空水泥胶结成一致密整体，大大降低二氧化碳地质封存过程中沿废弃井泄漏的风险。注入的石灰乳悬浊液与沿废弃井泄漏的二氧化碳发生反应生成地层中常见的碳酸钙与水，对地质环境污染风险极低，在该封堵过程中安全环保。