二氧化碳地質封存系統泄漏風險研究進展

柏明星，張志超，白華明，杜思宇

(1.東北石油大學，黑龍江 大慶 163318；2.提高采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶 163318；3.中國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導致了全球氣溫逐年升高，在過去的120 a中，CO2排放導致全球平均氣溫上升0.8 ℃[1-2]。CO2捕集與封存技術(CO2Capture and Storage，簡稱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，地層壓力波動和地層水pH值降低等因素可導致井筒水泥環腐蝕和儲蓋層巖石破壞，從而誘發CO2泄漏風險。CO2泄漏不僅會導致大氣污染，同時也嚴重威脅地下水安全和人身安全。因此，對CO2地質封存系統的泄漏風險研究顯得尤為重要。為此，對CO2地質封存系統泄漏風險的形成機理和綜合評價方法進行了總結，旨在為CO2地質封存項目的安全實施和封存場地選擇提供理論支持。

1 CO2地質封存泄漏風險因素

1.1 井筒泄漏風險因素

1.1.1 固井質量

CO2封存井的固井質量是影響井筒完整性的重要因素，固井質量主要受施工作業、CO2注入過程交變應力導致的拉伸破壞及化學腐蝕的影響。低溫CO2沿井筒注入后導致井筒組合體的3種材料(套管、水泥、地層巖石)發生非均勻熱膨脹和收縮效應，導致井筒經歷動態拉伸、收縮破壞，形成氣體泄漏微環隙[4]。CO2注入破壞井筒組合體有2種機制：一是交變應力導致的組合體疲勞損傷。安峰辰等[5]通過有限元方法對其進行了分析，認為組合體受交變應力破壞的最危險部位在軟硬地層交界面處，該處巖層上下界面受交變應力作用產生較大的應變差異，導致組合體局部拉伸損傷。二是CO2低溫冷流體導致近井巖石熱應力損傷破壞。李琦等[6]通過數值模擬方法研究了CO2熱應力對井筒組合體的損傷，發現注入的低溫CO2會導致井壁巖石受冷收縮，產生環向拉應力，在拉應力作用下，井壁巖石出現彈性模量損傷和滲透率增大現象，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，井壁發生損傷。對于微環隙損傷，Timotheus、Wasch等[7-8]研究發現，在水泥環產生破損的裂隙內注入含Ca2+離子的水，鈣化水會與裂隙內的CO2發生鈣化反應形成固化碳酸鈣，對裂隙產生封堵，即CO2封存井存在自愈性。Cao等[9]通過室內實驗和數值模擬研究表明：井筒微環隙自愈效果與微環隙尺度和鈣化水在環隙中的停留時間有關，微環隙尺度越小，CO2-鹽水多相流速度越低，環隙內原位鈣化越容易形成封堵；鈣化水停留時間越長，原位沉淀礦物量越大，也會促進CO2封存井的自愈性。

1.1.2 水泥環和套管腐蝕

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境，可誘發礦物溶解和沉淀。CO2主要與水泥中的Ca(OH)2和CSH反應，并伴隨著溶質運移。腐蝕反應速率主要與水泥環的孔隙度、滲透率和CO2-鹽水淋濾時間呈正相關，與水泥環孔隙迂曲度呈負相關[10-12]：水泥環的孔隙度、滲透率越大，酸性介質在水泥環中的擴散越快，對水泥環的淋濾作用越強，腐蝕越嚴重；水泥環孔隙迂曲度越高，酸性流體在水泥環中的擴散阻力越大，水泥環腐蝕深度越淺。CO2腐蝕反應速率不同，其導致的結果也有不同：腐蝕反應速率高，溶質運移作用強，淋濾作用強，泄漏風險加大；腐蝕反應速率低，水泥環內沉淀作用強，淋濾作用弱，水泥環發生自愈。Wasch等[13]通過CO2埋存多場耦合數值模擬研究，將地層中擴散的CO2和水泥環的反應分為4個區域(圖1)：區域Ⅰ為CO2未滲透區域，不發生腐蝕反應和孔隙度、滲透率變化；區域Ⅱ為CO2前緣剛波及到的區域，CO2-水多相流滲流速率低，對水泥環的淋濾作用弱，水泥環發生鈣化反應，產生自愈合；區域Ⅲ和Ⅳ，CO2在水中的溶解度達到最大值，pH降低，淋濾作用增強，水泥環中的Ca(OH)2完全溶解，CaCO3發生二次溶解和溶質運移，孔隙度和滲透率有較大幅度增加。另外，水泥與CO2反應也會縮短孔隙水中氯離子自由通過水泥環到達套管的時間，加速套管電化學腐蝕[12]。

圖1 CO2封存井水泥環腐蝕示意圖

1.2 蓋層泄漏風險因素

1.2.1 蓋層厚度

一些學者認為CO2氣體封閉能力與蓋層厚度無關，僅與蓋層毛管突破壓力相關[14]。而付廣等[15]通過不同厚度蓋層巖心突破實驗發現，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氣體封閉能力的影響發現，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的區域為有效封蓋區，該研究結果也說明了蓋層厚度與氣體封閉能力是相關的。蓋層內的毛管是非均勻連通的，蓋層厚度增加會降低縱向毛管間連通概率，導致蓋層中不連通毛管數增加，且氣-水界面張力產生的毛管力對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系發現，蓋層厚度增加表明蓋層形成過程中沉積環境較穩定，平面上連續性好，被斷層、裂縫破壞的幾率較低，從而增加了蓋層對CO2封存的安全性。Tremosa等[18]的研究也表明：蓋層厚度增加，蓋層內抑制氣體突破的毛管長度變長，導致毛管內壓力梯度降低，毛管內氣液多相流速度降低，蓋層內原位沉淀反應增強，CO2密封性變好；當蓋層較薄時，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

蓋層的成巖環境不同，導致蓋層內巖石礦物組成和物性存在差異，對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CO2的封閉能力的影響從高到低依次為鹽巖、膏巖、泥灰巖、泥巖、泥質粉砂巖。鹽巖、膏巖蓋層組成顆粒極細，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，同時蓋層的脆性指數增大，產生裂縫的概率增大，導致氣體封閉能力降低。唐鑫萍[22]對三水盆地古近系布三段泥巖蓋層的氣體突破壓力進行了評價，認為泥巖蓋層的泥質含量和氣體突破壓力呈正相關關系，相關系數達到0.857，蓋層的泥質含量會促進蓋層的壓實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增加蓋層的脆性，增加蓋層的壓裂風險，且認為組成蓋層的黏土礦物蒙脫石含量越高，蓋層的壓實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，泥質含量增加也會加大孔喉非均質性和減小喉道有效配位數，提高氣體封存安全性[23]。對于泥巖蓋層，成巖作用反映了蓋層的塑性轉變，隨著成巖作用逐漸增強，埋深增加，蓋層逐漸被壓實，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，蓋層的抗壓實性強，且隨著蓋層中砂巖含量的增加，蓋層致密性變差，對于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。Jackson等[25]基于對英格蘭南部懷特島下白堊紀蓋層平面和縱向的砂泥巖分布與層內流體流動能力的研究，認為蓋層內氣體流動性與蓋層內砂泥巖的分布和比例相關，并提出利用蓋地比的閾值來表征蓋層的氣體封閉能力，認為其水平閾值為0.28，垂直閾值為0.50。當蓋地比高于水平閾值時，蓋層水平方向泥巖連續性好，CO2在蓋層內水平滲漏風險低；當蓋地比高于垂直閾值時，蓋層接近泥巖性質，CO2垂向泄漏風險低。郎岳等[26]通過井震結合的方法，對蓋層的含氣特征與泥質特征進行了綜合分析，認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，蓋層封閉能力好；蓋地比為45%～70%時，蓋層封閉能力差；蓋地比低于45%時，縱向完全連通，無油氣遮擋能力。總之，蓋地比主要影響蓋層平面連續性和縱向抗氣體突破能力，蓋地比高，泥巖層的平面連續性好，蓋層被高孔隙度砂巖、斷層、裂縫貫穿的概率低，CO2沿蓋層泄漏風險也低。

1.2.4 蓋層腐蝕

CO2進入到蓋層孔隙中會引發蓋層巖石礦物溶解和沉淀反應，但最終的作用效果與蓋層的完整性有關。若儲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主要是發生原位溶解和沉淀，孔隙內流體很快達到離子飽和，因此，CO2腐蝕對蓋層影響小。MS Elgendy等[28]應用多場耦合模擬技術對中東Turkey油藏的泥巖蓋層中CO2腐蝕規律進行了研究，研究表明：方解石、鈉長石和綠泥石等在酸性水中發生溶解，同時生成伊利石、石英、鐵白云石及菱鐵礦沉淀，但經過1 000 a封存時間，蓋層孔隙度并未明顯增加，表明CO2腐蝕對蓋層泄漏風險影響較小。Xiao等[29]通過數值模擬方法研究了CO2對頁巖和泥灰巖組合蓋層的腐蝕，研究表明：CO2腐蝕導致在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化；若儲層內發育的斷層延伸至蓋層中形成一定的斷裂厚度時，蓋層完整性變差，CO2在蓋層中的裂縫同時發生腐蝕和快速的溶質運移，裂縫中不斷有新鮮酸性地層流體進入并與裂縫面巖石發生反應，加劇腐蝕，增加CO2氣體泄漏風險。

1.2.5 封存壓力

CO2封存壓力是導致蓋層發生泄漏的一個重要因素，封存壓力高于蓋層突破壓力且低于蓋層破裂壓力時，可導致氣體沿蓋層發生滲漏。蓋層的突破壓力除與封存壓力和蓋層巖性等因素有關外，還與封存氣體種類有關。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。導致出現這種不同蓋層突破壓力的本質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，導致CO2更易突破蓋層毛管力而發生氣體滲流。而CO2封存層壓力過高會壓裂泥巖蓋層，造成CO2快速泄漏。Ishida等[31]對比了油、水、超臨界CO2對花崗巖的壓裂效果，發現超臨界CO2對花崗巖的壓裂門限壓力為水的70%，為油的50%，且超臨界CO2壓裂后形成更為復雜的裂縫。Chen等[32]應用室內壓裂實驗分析了水、油、超臨界CO2在花崗巖中形成的壓裂裂縫的復雜程度，認為低黏度是導致CO2壓裂巖石形成復雜裂縫的主要原因。因此，CO2封存壓力應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雜的裂縫，CO2泄漏很難補救。CO2封存壓力導致蓋層失效風險的判斷，主要應用摩爾應力圓與巖石應力應變交會曲線進行判斷。CO2對蓋層的腐蝕會導致蓋層巖石力學性質改變，增加蓋層的壓裂泄漏風險。因此，對蓋層泄漏風險的判斷，要綜合考慮蓋層的腐蝕和CO2封存壓力的共同影響。

2 CO2地質封存系統泄漏風險評價

2.1 CO2沿井筒泄漏風險評價

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、固井質量等因素影響。對于固井質量影響井筒完整性的評價方面，武治強等[33]對不同水泥膠結質量的井筒組合體進行了突破實驗，認為水泥膠結質量越好、封固段長度越大、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。對于多因素綜合作用下井筒氣體泄漏風險評價，常用模糊綜合評價方法，即基于層次分析和因素比較矩陣、權重矩陣和模糊數學計算得到綜合評價值，指導井筒泄漏的最危險環節評估和預防。曾德智、張智等[34-35]基于2016年發布的API RP 90-2《陸上油田環空壓力管理推薦做法》提出的井筒環空壓力MAWOPA評價值，建立了綜合考慮油套管承壓能力、井口設備和地層安全壓力及環空流體壓力對管柱作用的綜合評價圖版，評價氣井安全風險，并通過環空帶壓上升速率對高壓氣井進行風險劃分：高環空帶壓上升速率井直接確定為泄漏風險井進行治理；低環空帶壓上升速率井為常規井，還需綜合其他風險因素進一步進行風險評價。該方法可縮短泄漏風險評價周期，提高封存井泄漏風險的評價效率，但評價過程屬于半定量評價，仍然需要實際封存井泄漏案例驗證和數值模擬對比驗證。

2.2 蓋層泄漏風險評價

蓋層泄漏風險評價時要綜合考慮多種因素影響，確定關鍵影響因素。林建品、祝志超等[36-37]分別應用模糊綜合評價和灰色關聯方法對蓋層泄漏風險進行評價，劃定了蓋層泄漏風險指數區間，認為蓋層厚度、巖性與蓋層封閉能力相關性最高，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。嚴康文等[38]應用層次分析方法為影響蓋層的巖性、厚度、埋深和構造曲率因素給定不同的權重，計算了蓋層綜合指數(SCI值)并對蓋層進行綜合評價，SCI值和儲層氣體封存能力呈正相關關系，其中，對SCI值影響較大的是巖性，其次是蓋層厚度。馮國良等[39]認為蓋層物性、巖性的影響最終會反應在蓋層的突破壓力和泥巖連續性上，并利用基于測井參數計算的蓋地比和突破壓力綜合圖版綜合評價蓋層的氣體封閉能力，認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封存的蓋層應具有較大的厚度、較好的平面連續性；砂泥互層蓋層應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 封存系統泄漏風險綜合評價

CO2泄漏風險綜合評價方法包括定性、半定量和定量評價方法。定性評價方法評價過程相對簡單，可信度隨專家經驗不同而產生差異。半定量評價方法有風險矩陣方法、模糊綜合評價方法等。評價過程結合了專家對泄漏影響因素權重的預判和理論模型對影響因素數據的可靠性比較。定量評價方法(如貝葉斯網絡方法)是在已知大量CO2泄漏事件案例前提下，結合概率論、圖論及機器學習算法，對泄漏影響因素和影響事件間的因果關系進行概率計算和理論模型擬合，得出較為精準的理論模型，預測不同影響因素組合下的CO2泄漏風險，得出的評價值更具參考意義，同時可進行實時數據的更新。

2.3.1 風險矩陣方法

風險矩陣(FEP)方法最早被用于對復雜地質環境下核廢料存儲系統的安全性進行評價[43]。Bai等[44]將該方法引入并應用于廢棄油藏的CO2泄漏風險評價，將CO2封存系統泄漏發生的影響因素和結果分解為特征(Features)、事件(Events)和過程(Processes)來進行氣體泄漏風險綜合評價[45]。CO2封存系統特征描述為影響封存系統風險的靜態影響參數，如儲層物性、井深、水泥特性等；過程描述為CO2封存過程中封存系統產生的動態物理和化學變化，比如化學腐蝕、相態變化等；事件描述為特征和過程綜合作用下導致的封存系統發生的變化，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數據庫，即風險描述數據庫(FEP數據庫)，該數據庫描述的便是所有與CO2封存系統完整性有關的影響因素。對于CO2封存系統構建的FEP數據庫，可借鑒加拿大Weyburn CO2封存項目建立的Quintessa FEP數據庫和日本開發的RITE數據庫[46-47]。Bai等[48]對Quintessa FEP數據庫進行了簡化，優選了56個與CO2泄漏特征、過程及事件相關的重要影響因素，并構建了簡化評價數據庫，對CO2泄漏風險進行分析。

FEP數據庫是描述地下存儲系統靜態特性和動態特性相互影響的一種定性分析，不能提供定量評價[49]，而只有將FEP數據庫中的影響因素對封存系統構成要件的影響轉化為影響概率才能實現對封存系統的量化評價。Hnottavange-Telleen、Duguid等[50-51]將FEP數據庫中影響因素導致的CO2泄漏風險定義為泄漏發生可能性和影響嚴重程度的乘積，針對僅有少量泄漏事件案例作為參考條件的情況，應用專家研討會的方式確定FEP數據庫中影響因素和作用結果間的風險概率關系，將作用結果分成1～5級，其中，1級泄漏概率最小，5級泄漏概率最高。Bai等[52]在此基礎上，將FEP數據庫轉化為1～4級的風險評價矩陣，風險矩陣中列舉了CO2泄漏特征、事件及過程間的相互作用對封存系統構成要件(包括井筒組合體、儲層、蓋層等)風險級別的量化評價結果，并繪制了影響因素和作用結果的因果圖對封存系統泄漏風險進行評價，發現對于一個不存在前期施工缺陷的地下封存系統，對封存系統影響較大的因素主要是井筒組合體因素。而要得到較為準確量化的CO2泄漏風險評價結果，則主要依賴于專家研討會基于FEP風險評價矩陣對事件風險概率和事件作用結果強度的分析，事件風險概率和事件作用結果強度的綜合評價值也會隨著參加研討會專家的意見改變發生相應變化。

2.3.2 貝葉斯網絡方法

貝葉斯網絡(BN)是一種統計概率模型，由網絡節點和有向邊構成，節點之間的關系用條件概率表達，可為多因素條件下事件發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)的專家合作共同構建了CO2深部咸水層封存系統泄漏風險評價的貝葉斯網絡模型，并應用于深部咸水層的泄漏風險評價先導項目中，其評價過程主要包括對CO2泄漏影響因素相關性分析，確定影響因素間層次關系，構建影響因素間互相影響有向無環圖模型，計算根節點、中間節點和葉節點的條件概率，基于實際案例擬合和訓練得到優化的貝葉斯網絡模型，最終確定影響泄漏的主要風險因素為CO2腐蝕-應力拉伸耦合作用。Bobbio等[54]對比多因素事故樹分析與貝葉斯網絡方法，認為事故樹方法對CO2泄漏影響因素的分析模型可直接轉化為貝葉斯網絡有向無環圖(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系，但缺乏量化指標，屬于對泄漏風險的定性分析，而貝葉斯網絡除了分析泄漏影響因素間的關系，還通過條件概率的方式量化描述了各影響因素節點間的泄漏狀態間的相互作用。Yang等[55]以美國加州金伯利納附近的圣華金盆地CO2地質埋存場地為基礎，應用監測手段聯合貝葉斯網絡模型精準評價了該地區的CO2泄漏風險，認為用實際監測數據(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)修正貝葉斯網絡模型進行風險評價結果更為可靠。Wang等[56]則提出應用貝葉斯網絡模型進行CO2封存系統泄漏風險分析時，可從影響因素到作用結果進行正向聯合概率計算，確定多影響因素綜合作用下的封存系統泄漏風險概率，也可在給定節點CO2泄漏風險概率的情況下進行后驗概率計算，對封存系統的薄弱環節進行判斷。Namhata等[57]則在正向構建CO2泄漏風險貝葉斯網絡模型時，將影響CO2封存系統發生泄漏的根節點影響因素描述為井筒和蓋層因素，貝葉斯網絡模型的訓練數據則利用現場監測數據和數值模擬結果。

Yang等[58]在對CO2泄漏風險影響因素進行事故樹分析基礎上將事故樹轉化成貝葉斯模型有向無環圖，認為事故樹中的事件層級分別對應了貝葉斯有向無環圖的節點。任偉建等[59]則指出當事故樹的頂層事件(父節點)間相互獨立時，貝葉斯有向無環圖的節點間滿足Noisy-ORgate模型的使用條件，事故樹的中間環節(包括井筒和蓋層因素)可轉化為貝葉斯模型中間節點，底層事件即CO2泄漏風險指標可轉換為貝葉斯模型的子節點。

應用貝葉斯聯合概率模型對CO2泄漏風險評估時，父節點引發的泄漏風險用先驗概率計算，數據來源主要參考封存施工項目的先驗數值模擬、多周期的監測數據分析以及專家對于泄漏風險的預判[60]。貝葉斯網絡模型的中間節點概率用條件概率表(Conditional Probability Tables，簡稱CPT)表征，張旭等[61]指出貝葉斯網絡模型的中間節點的CPT是多父節點組合對中間節點泄漏風險狀態的概率表征，且CPT的確定方法較為復雜，一般隨父節點個數增加，復雜程度呈指數增加。Wang等[62]則應用開源版地下封存系統完整性綜合評估模塊(NRAP-Open-IAM)對1 000個CO2泄漏案例進行了模擬，并以模擬結果作為訓練貝葉斯網絡模型的條件概率參數，同時以現場監測的泄漏數據為約束，得到符合率為99.99%的CO2泄漏風險貝葉斯模型。

CO2泄漏風險程度除與泄漏風險概率相關還與泄漏事件引發結果的嚴重程度相關。對于該方面的研究，何雨、何蕾等[63-64]將貝葉斯聯合概率計算的泄漏風險概率和泄漏風險影響強度指標進行了模糊計算，確定了CO2泄漏風險影響的綜合評估值，并利用該評估值評價了CO2泄漏風險對封存系統的綜合影響，認為井筒泄漏是封存系統的最危險環節。Farha等[65]結合FEP數據庫和貝葉斯有向無環圖建立了相互關聯的CO2泄漏風險概率評價矩陣(ACM)和補救措施矩陣(CPM)，根據風險點泄漏的概率和影響強度，配置相應的補救資源，預防泄漏風險。貝葉斯模型對于CO2地質封存系統泄漏風險的評價主要優點是可實時根據監測數據更新模型，進行封存系統的動態風險跟蹤和分析，模型的預測精準度依賴于實際案例和數值模擬案例的訓練擬合精度。

2.3.3 模糊綜合評價方法

模糊綜合評價方法是將多因素共同影響下的模糊定性問題轉化成定量問題的一種常用風險分析手段[66]，這種模糊轉化的精度主要依賴選擇的隸屬函數和評估專家的經驗。Zou[67]將模糊綜合評價方法應用于CO2封存系統泄漏風險的評價，并依據封存項目投資成本、工藝復雜性、政府支持力度等因素建立了CO2泄漏影響因素的事故樹，構建了因素比較矩陣及指標權重矩陣，通過模糊計算發現目標區塊發生CO2泄漏的風險較高，并不適宜建立CCS項目。王永勝[68]應用CO2泄漏風險事故樹對泄漏風險因素和泄漏風險結果間的相互影響關系的層次進行表征，將CO2封存系統的模糊評價結構分為：評價指標層(泄漏風險)、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，簡稱AHP)應用于CO2泄漏風險分析，發現該分析方法和事故樹分析類似，但通過AHP因素間作用關系和強度值的比較，可確定因素的權重，而事故樹只是對CO2封存系統影響因素相互作用關系的定性分析和描述。

CO2泄漏風險模糊綜合評價的因素權重矩陣構建是得到模糊評價值的另一個重要參數。張智等[70]基于CO2泄漏風險事故樹分析，提出應用AHP方法建立底層因素對中間因素(井筒和蓋層)影響和中間因素對評價指標(CO2泄漏風險)影響的因素比較矩陣，認為比較矩陣滿足一致性檢驗后，矩陣最大特征值對應的特征向量作為封存系統事故樹的底層和中間因素矩陣相對應的權重矩陣是比較合理的。

模糊綜合評價方法的關鍵是將CO2泄漏影響因素和評價指標間的模糊關系轉化為量化的隸屬度概率，常用的隸屬函數主要有階梯函數、三角函數、指數函數、正態分布函數等[71]。隸屬函數的選取主要依賴于咨詢專家對于泄漏影響因素和評價指標間關系的作用規律的熟悉程度，比較精確的方法是在實際案例或數值模擬結果基礎上對隸屬函數的參數值進行修正。

模糊綜合評價方法的模糊計算步驟包括：基于隸屬函數，利用CO2泄漏風險因素對泄漏風險指標進行隸屬度矩陣轉化，以及求取泄漏風險因素的權重矩陣等。計算后可得到氣體泄漏風險綜合評價指標區間，并在最大隸屬度原則下，確定CO2封存系統的泄漏風險級別和類型。Mi等[72]對CO2封存系統泄漏風險模糊綜合評價時發現，泄漏風險模糊評價結果可能根據不同專家給出的意見和選擇的隸屬函數的不同，得出不同的CO2綜合泄漏風險評價結果。Diao等[73]基于中國安全技術研究院2006年出版的相關風險標準，依據CO2注入動態、地質參數、礦產開發破壞、井筒和設備等風險因素建立了神華深部咸水層CO2封存場地短期埋存的模糊綜合評價模型，并考慮了泄漏風險概率和泄漏風險后果對泄漏的綜合影響。張紹輝等[74]則綜合運用AHP和模糊綜合評價方法對CO2封存井泄漏風險影響因素進行了綜合分析，將CO2泄漏風險指數劃分為5級進行評價，認為導致封存系統泄漏的主要因素是井筒因素，包括水泥環和封隔器等，在CO2腐蝕與交變應力載荷下極易引起井筒組合體的疲勞破壞。

3 結 論

(1) CO2地質封存系統中井筒的破壞主要是受CO2注入過程產生的交變應力拉伸損壞、CO2冷流體的熱應力損傷和CO2對組合體腐蝕的綜合影響。且腐蝕對井筒水泥環不同位置產生不同的影響，對靠近封存層區域的水泥環淋濾作用強，腐蝕嚴重。近套管水泥環區域CO2淋濾作用弱，水泥鈣化作用強，可促使水泥環自愈。對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生鈣化原位沉淀反應，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，原位反應時間越長，原位鈣化沉淀量越高，對微小泄漏通道的封堵效果越好。

(2) CO2地質封存系統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，當封存壓力高于蓋層突破壓力但不壓裂蓋層時，氣體沿蓋層孔隙突破發生低速滲漏，低速滲漏量和滲漏速度基本符合達西定律，且引發的滲漏治理相對容易。當封存層壓力高于蓋層破裂壓力或斷層開啟壓力時，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地質封存系統泄漏的評價方法有定性、半定量和定量評價。模糊綜合評價和風險矩陣屬于半定量評價，評價過程中專家經驗等主觀因素較多。貝葉斯網絡評價封存系統泄漏風險時，結合了大數據訓練計算，可得出不同泄漏影響因素動態參數變化時的氣體泄漏風險概率。但貝葉斯網絡方法評價也存在實際泄漏案例少，大數據模型訓練不充分，導致子節點概率分布表代表性差的問題。