0 引言

二氧化碳作为一种温室气体，调节着地球大气温度，在气候环境中起着重要作用。工业文明以来的近 200 年，包括燃烧化石能源在内的人类社会活动，向大气排放了大量二氧化碳，在相对较短的地质历史时期内改变了二氧化碳在大气中的比例，打破了自然界的碳循环规律，从而引发了众多的环境问题（陈兵和白世星，2018；刘廷等，2021；孙腾民等，2021）。为应对全球气候变化给人类社会带来的灾难性影响，世界各国相继提出了减少碳排放的指标，并采取相应技术措施，不同程度地付诸行动。碳捕捉与封存（Carbon dioxide Capture and Storage，简称 CCS）和碳捕捉、利用与封存（Carbon Capture Utilization and Storage，简称 CCUS），是世界范围最为认可的减排技术。钻探作为地质调查工作中的重要技术手段，不仅在探知地下地质结构、获取地下实物地质样品和能源资源开采中具有不可替代的作用，而且有力支撑了二氧化碳地质封存工作。二氧化碳地质封存是在人为努力下，通过钻井将捕集的二氧化碳注入到地下一定深度的适合岩层内，减少大气中碳含量的一种方式。所以，钻探也是二氧化碳地质封存中的必要技术手段，对二氧化碳地质封存钻探关键技术进行研究有重要意义。

尽管二氧化碳地质封存的相关研究取得了很大进展，但仍存在不少困难。本文总结了二氧化碳地质封存面临的主要问题，在此基础上紧密结合二氧化碳地质封存钻探实际需求，梳理形成二氧化碳地质封存钻探关键技术，包括钻进工艺的选取、井型和井身结构确定、钻井液体系和取样技术的优选、完井装置的配备以及后期井筒完整性的评估和泄露监测技术的介绍，以期解决二氧化碳地质封存钻井过程中遇到的技术难题。

1 二氧化碳地质封存面临的主要问题

（1）区域内二氧化碳地质封存方面勘探程度低，二氧化碳地质封存储层条件认识不够，地质封存主控因素急需借助进一步的技术手段加以落实； （2）气举反循环钻进工艺能否解决对二氧化碳储层的保护；（3）钻井液配方对储层是否有水锁作用，对二氧化碳在储层内的渗透和扩散的影响时间认识不足，使用降解泥浆是否有效改善水锁作用；（4）二氧化碳地质封存套管防腐技术和固井水泥防腐技术需要进一步研究；（5）对于地质封存井筒的完整性评估及二氧化碳泄露监测技术需要进一步研究。

2 二氧化碳地质封存方式

地质封存是 CCS/CCUS 中最后的环节，也是永久封存二氧化碳最有效的方法，通过管道技术将高纯度的超临界/密相二氧化碳输送并注入封存地点，许多大型二氧化碳气藏已在地下封存了数百万年 （骆仲泱等，2012；陈兵等，2018），说明二氧化碳地质封存是可行、可靠的。根据二氧化碳超临界的自然属性，用于储存二氧化碳的岩层深度至少在800 m 以深，尤以 2000~3000 m 的深度为优（刘松泽等， 2020；刁玉杰等，2021；路萍等，2021）。二氧化碳地质封存有效、可靠、规模化的封存方式主要有枯竭油气藏封存、深部咸水层封存和煤层封存，二氧化碳主要封存方式见图1（Wilberforce et al.，2020）。

a—二氧化碳主要封存方法；b—二氧化碳封存方式

3 二氧化碳地质封存关键技术

目前在二氧化碳地质封存方面缺少支撑其地质封存的钻探技术、井筒完整性评估及二氧化碳泄露监测技术等，需要对二氧化碳地质封存施工工艺、钻完井技术（包括井型和井身结构设计、配套钻井液技术体系、原位保真取样技术、固井及套管防腐技术、完井井口装置）、井筒完整性评估和二氧化碳地质封存泄露监测技术等一系列从前期施工到后期评估、监测各方面进行研究探讨。

3.1 二氧化碳地质封存优快钻井工艺

二氧化碳地质封存钻井过程中，在采用传统全面钻进施工工艺时，难免在含水漏失地层遇到诸多问题，使得常规钻进工艺无法满足施工或造成施工效率降低等问题。鉴于此，根据实际情况可及时进行钻进工艺调整，采用气举反循环钻进或者空气泡沫钻进等工艺，既能保证施工进度顺利进行，还能有效地防止裂隙被泥浆封堵。

3.2 二氧化碳地质封存钻完井技术

钻井工程作为二氧化碳地质封存中的重要技术手段，需重点对二氧化碳地质封存调查井、注入井及监测井工程钻完井技术进行研究。

（1）井型和井身结构设计

针对二氧化碳地质封存井筒完整性要求高和大流量注入的工况条件，在精细化地质描述和地层压力精确预测的基础上，形成了以垂直井、大井眼、长寿命为特点的井型及井身结构优化技术（刘文武等，2019；刘海声等，2021；裴森龙等，2022），井型主要采用直井，井身结构以三开、四开为主（图2）：

一开（导管段）：Φ508. 0 mm 钻头钻进至 30~50 m，下Φ406.4 mm导管，固井，建立循环；

二开：Φ311.2 mm 钻头钻进，钻至 500 m 左右，下 Φ244.5 mm 技术套管，固井，封隔上部不稳定的松软地层和水层；

三开：Φ215.9 mm钻头进至2000~3000 m，根据需要进行取心；

四开：根据地层复杂情况适时增加。

（2）可降解强抑制钻井液技术体系

针对钻井过程中水锁对地层的损害，结合二氧化碳封存地层特点，钻井液技术体系应具有可降解强抑制特点（罗健生等，2019）。通过开展可生物降解增黏剂和降滤失剂等关键材料优选及配伍性研究，完善钻井液配方和工艺，形成可降解强抑制钻井液技术，具体技术指标为：API滤失量≤6 mL，岩屑滚动回收率≥95%，钻井液黏度降低率≥70%。

（3）原位保真取样技术

针对碳封存需求，采用原位保真取样技术可有效支撑对二氧化碳地质封存储层评价，有利于摸清储层的孔隙度、渗透率、泥质含量、地下热水发育区位置。其主要内容为：研发的原位保真取样工具，取心直径达到80 mm，取心率不低于75%，保压性能不低于 40 MPa，保压成功率达到 80% 以上；研发的适用于原位保真取样气体收集装置，用于收集获得保压岩心中气体，并可对收集的气体进行含气量测试；研发岩心冷冻装备，对取得的保压密闭岩心进行冷冻处理。

（4）固井及套管防腐技术

在套管固井完钻时，水泥环作为套管的包被层，主要起封隔油、气、水，支撑套管、保护套管、延长油井寿命的作用，但在酸性环境下，二氧化碳和硫化氢等酸性腐蚀介质会引起水泥环的先导腐蚀，随后引起套管的腐蚀破坏，减少注入井和监测井寿命，因此需要进一步加强固井套管在二氧化碳酸性环境下的防腐研制（目前已有采用超级13Gr材质或通过加注缓蚀剂缓解），同时加强抗腐蚀水泥外加剂和水泥浆体系的研究，为规模化二氧化碳地质储存固井安全提供新材料。

（5）完井井口装置

在钻井完钻后，地面井口装置是非常重要的注入安全设备，其主要作用是控制井的气流，完成测试以及投产后的正常使用。井口装置结构选择参考国内、外酸性气田的完井经验，对于高压、高温气井，采用整体式采气树可以减少设备的连接点，减少出现泄漏的几率。完井井口装置主要由套管头、套管短节、四通、油管挂等部件组成（图3）。

3.3 井筒完整性评估

井筒完整性是避免地下流体发生窜流或泄漏的重要屏障，对二氧化碳地质封存的安全性至关重要。因此，要保证二氧化碳长期安全地封存在地下，就必须对井筒完整性进行评价，以便及时发现并确定二氧化碳注入与封存过程中井筒潜在的泄漏因素与危险位置，从而提出有针对性地改进措施。为了全方位地评价二氧化碳注入井井筒完整性，需从风险评估和井筒力学完整性两方面对注入井井筒完整性进行分析。风险评估可以确定危及井筒完整性的危险因素，力学完整性评价则为井筒在风险因素影响下的完整性状态提供了定量分析手段。

风险评估是对井筒完整性破坏可能性与严重性的评估。影响二氧化碳注入井井筒完整性的风险因素多样，每口井的特点也不同，导致每口井的井筒完整性破坏方式也不同。这些影响因素主要是通过腐蚀井筒、管柱应力集中、破坏水泥胶结、水泥环强度失效、改变地质条件等方式破坏井筒（宋里和谭雨，2015；朱良松，2020），应用贝叶斯关系图可以更加清晰地显示这些井筒完整性的影响因素的作用（图4）。

3.4 二氧化碳地质封存泄露监测技术

尽管 CCS 技术逐步成熟并被越来越多的人所接受，但是作为一种正在研究和发展中的新型技术，还有诸多问题需要解决，其中封存于地层中的二氧化碳的渗漏和泄漏风险是关键问题之一（王晓桥等，2020）。封存在地层中的二氧化碳一部分通过物理、化学作用被固定在封存层中，另外一部分沿着地层流动，还有一小部分会沿着地质缺陷、井壁等部位渗透或泄漏到土壤、大气等其他地方 （Yamamoto et al.，2009； Hull et al.，2010； Fabriol et al.，2011； Jones et al.，2011）。根据目前的试验论证，从二氧化碳地质封存区域中泄漏的二氧化碳基本不可能达到能够危害动植物的最低限度，但是对二氧化碳进行监测能够在其泄漏初期就提供及时的预警，因而在整个封存项目实施过程中，通过测量、监测和确认（Measurement、Monitoring and Verification，MM&V）技术，仔细追踪封存气体的迁移是十分必要的，这一过程可以对二氧化碳注入地下的整个过程的有效性和安全性提供帮助，目前国内外二氧化碳泄露监测技术如表1所示。

4 结语

（1）本文形成的二氧化碳地质封存钻探关键技术，可为二氧化碳地质封存钻井工程提供一定的技术指导。

（2）目前二氧化碳的处理方法还是以封存为主，关于 CCS的争议主要来自“确切的封存能力”和 “封存后的泄露风险”，对此应继续加强对封存潜力评价方法的探索，提高评价结果的可信度。

（3）加强监测手段和方法的研究，进一步了解二氧化碳在地质结构中的长期封存、流动、超临界二氧化碳流体注入井内后压降速度以及渗漏过程等，也需要在项目实施过程解决。

总之，针对CCS技术未来在中国应用的分析和研究是一项复杂而又系统的工作，必须在基于结合应用规模和成本的定量分析的基础上，利用系统工程原理，从能源、环境、经济 3 个方面综合评价该技术未来在中国应用的作用和影响，这也将是笔者下一步的工作。

参考文献