CO2注入管柱多场耦合附加应力计算方法研究

来源：石油科学通报杂志2025年第3期北京时间：

作者：杨振, 闫伟, 吕伟, 李楷, 刘琬晴, 雷鸣, 李光聪, 刘婷婷

单位：1 中国石油大学(北京)安全与海洋工程学院，北京 1022492 油气生产安全与应急技术应急管理部重点实验室，北京 1022493 中石油长庆油田公司油气工艺研究院，西安 7100184 长庆油田第六采气厂，西安 710018

摘要：在CO2捕集、利用与封存(CCUS)工程中，环空带压现象常被归因于封隔器密封失效，但试压验证表明其密封性完好。本文提出该现象源于CO2注入过程中温压相态耦合诱发的附加应力累积，导致封隔器等效轴向载荷超过解封极限。基于流体力学中的质量守恒定律、能量守恒定律和动量定理，结合EXP-RK相态方程，构建了温压—相态—应力多场耦合模型，系统量化了注入温度、注入压力、注入量及注入时间对井筒应力场的协同影响。通过长庆油田某注入井实测数据验证，模型预测井底压力误差为2.83%、温度误差为1.75%，显著优于传统单场模型。研究表明：(1)注入温度与注入量是相态演化主控因素，液态—超临界态转化界面随注入温度降低和注入量的增加显著下降；(2)注入温度、注入压力与注入量通过温度效应、鼓胀效应和摩阻效应主导封隔器应力累积。临界阈值分析表明：在其余两个参数保持恒定的条件下，当目标区块注入温度≤6.5 ℃、注入压力≥18.06 MPa或注入量≥2.61 t/h时，等效载荷超过解封极限(60 kN)，触发解封行为。

关键词：CCUS,CO2注入,环空带压,相态分析,温压剖面,管柱应力,封隔器解封

基金资助：国家自然科学基金面上项目“页岩储层多级压裂诱导应力累积对套管变形的影响机制研究”(52274015);中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“二氧化碳规模化捕集、驱油与埋存全产业链关键技术研究及示范”(2021ZZ01-03)