二氧化碳地质封存系统泄漏风险研究进展

柏明星，张志超，白华明，杜思宇

(1.东北石油大学，黑龙江 大庆 163318；2.提高采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆 163318；3.中国石油新疆油田分公司，新疆 克拉玛依 834000)

0 引 言

大气中CO2增多引起的温室效应导致了全球气温逐年升高，在过去的120 a中，CO2排放导致全球平均气温上升0.8 ℃[1-2]。CO2捕集与封存技术(CO2Capture and Storage，简称CCS)是缓解全球变暖的有效方法之一[3]。在CO2注入和封存过程中，地层压力波动和地层水pH值降低等因素可导致井筒水泥环腐蚀和储盖层岩石破坏，从而诱发CO2泄漏风险。CO2泄漏不仅会导致大气污染，同时也严重威胁地下水安全和人身安全。因此，对CO2地质封存系统的泄漏风险研究显得尤为重要。为此，对CO2地质封存系统泄漏风险的形成机理和综合评价方法进行了总结，旨在为CO2地质封存项目的安全实施和封存场地选择提供理论支持。

1 CO2地质封存泄漏风险因素

1.1 井筒泄漏风险因素

1.1.1 固井质量

CO2封存井的固井质量是影响井筒完整性的重要因素，固井质量主要受施工作业、CO2注入过程交变应力导致的拉伸破坏及化学腐蚀的影响。低温CO2沿井筒注入后导致井筒组合体的3种材料(套管、水泥、地层岩石)发生非均匀热膨胀和收缩效应，导致井筒经历动态拉伸、收缩破坏，形成气体泄漏微环隙[4]。CO2注入破坏井筒组合体有2种机制：一是交变应力导致的组合体疲劳损伤。安峰辰等[5]通过有限元方法对其进行了分析，认为组合体受交变应力破坏的最危险部位在软硬地层交界面处，该处岩层上下界面受交变应力作用产生较大的应变差异，导致组合体局部拉伸损伤。二是CO2低温冷流体导致近井岩石热应力损伤破坏。李琦等[6]通过数值模拟方法研究了CO2热应力对井筒组合体的损伤，发现注入的低温CO2会导致井壁岩石受冷收缩，产生环向拉应力，在拉应力作用下，井壁岩石出现弹性模量损伤和渗透率增大现象，在CO2注入200 s后，井壁岩石的弹性模量下降28 GPa左右，渗透率增加了1 D，井壁发生损伤。对于微环隙损伤，Timotheus、Wasch等[7-8]研究发现，在水泥环产生破损的裂隙内注入含Ca2+离子的水，钙化水会与裂隙内的CO2发生钙化反应形成固化碳酸钙，对裂隙产生封堵，即CO2封存井存在自愈性。Cao等[9]通过室内实验和数值模拟研究表明：井筒微环隙自愈效果与微环隙尺度和钙化水在环隙中的停留时间有关，微环隙尺度越小，CO2-盐水多相流速度越低，环隙内原位钙化越容易形成封堵；钙化水停留时间越长，原位沉淀矿物量越大，也会促进CO2封存井的自愈性。

1.1.2 水泥环和套管腐蚀

CO2溶解于地层水中呈酸性，改变了原始地层中的水岩平衡环境，可诱发矿物溶解和沉淀。CO2主要与水泥中的Ca(OH)2和CSH反应，并伴随着溶质运移。腐蚀反应速率主要与水泥环的孔隙度、渗透率和CO2-盐水淋滤时间呈正相关，与水泥环孔隙迂曲度呈负相关[10-12]：水泥环的孔隙度、渗透率越大，酸性介质在水泥环中的扩散越快，对水泥环的淋滤作用越强，腐蚀越严重；水泥环孔隙迂曲度越高，酸性流体在水泥环中的扩散阻力越大，水泥环腐蚀深度越浅。CO2腐蚀反应速率不同，其导致的结果也有不同：腐蚀反应速率高，溶质运移作用强，淋滤作用强，泄漏风险加大；腐蚀反应速率低，水泥环内沉淀作用强，淋滤作用弱，水泥环发生自愈。Wasch等[13]通过CO2埋存多场耦合数值模拟研究，将地层中扩散的CO2和水泥环的反应分为4个区域(图1)：区域Ⅰ为CO2未渗透区域，不发生腐蚀反应和孔隙度、渗透率变化；区域Ⅱ为CO2前缘刚波及到的区域，CO2-水多相流渗流速率低，对水泥环的淋滤作用弱，水泥环发生钙化反应，产生自愈合；区域Ⅲ和Ⅳ，CO2在水中的溶解度达到最大值，pH降低，淋滤作用增强，水泥环中的Ca(OH)2完全溶解，CaCO3发生二次溶解和溶质运移，孔隙度和渗透率有较大幅度增加。另外，水泥与CO2反应也会缩短孔隙水中氯离子自由通过水泥环到达套管的时间，加速套管电化学腐蚀[12]。

图1 CO2封存井水泥环腐蚀示意图

1.2 盖层泄漏风险因素

1.2.1 盖层厚度

一些学者认为CO2气体封闭能力与盖层厚度无关，仅与盖层毛管突破压力相关[14]。而付广等[15]通过不同厚度盖层岩心突破实验发现，盖层厚度增加，突破压力和气体封闭能力都增加，从而增加了CO2封存系统安全性。郎岳等[16]通过研究南堡凹陷馆陶组盖层厚度和盖层泥地比对气体封闭能力的影响发现，盖层封闭下伏天然气的泥岩下限比例为30%且盖层厚度大于180 m的区域为有效封盖区，该研究结果也说明了盖层厚度与气体封闭能力是相关的。盖层内的毛管是非均匀连通的，盖层厚度增加会降低纵向毛管间连通概率，导致盖层中不连通毛管数增加，且气-水界面张力产生的毛管力对气体的阻力作用也有所增加。张占文等[17]通过研究盖层厚度和气体封闭能力关系发现，盖层厚度增加表明盖层形成过程中沉积环境较稳定，平面上连续性好，被断层、裂缝破坏的几率较低，从而增加了盖层对CO2封存的安全性。Tremosa等[18]的研究也表明：盖层厚度增加，盖层内抑制气体突破的毛管长度变长，导致毛管内压力梯度降低，毛管内气液多相流速度降低，盖层内原位沉淀反应增强，CO2密封性变好；当盖层较薄时，气体快速突破，突破后盖层毛管力封闭气体的能力失效，气体渗漏速率增加。

1.2.2 盖层岩性

盖层的成岩环境不同，导致盖层内岩石矿物组成和物性存在差异，对CO2的封闭能力也存在差异[19]。付晓飞、侯连华等[20-21]研究表明：盖层岩性对CO2的封闭能力的影响从高到低依次为盐岩、膏岩、泥灰岩、泥岩、泥质粉砂岩。盐岩、膏岩盖层组成颗粒极细，孔隙的迂曲度高，几乎不含有效连通孔隙，气相渗透率非常低，对气体的封闭能力最好；而随着盖层中砂岩含量增加，孔隙度和渗透率增加，岩石变得疏松，同时盖层的脆性指数增大，产生裂缝的概率增大，导致气体封闭能力降低。唐鑫萍[22]对三水盆地古近系布三段泥岩盖层的气体突破压力进行了评价，认为泥岩盖层的泥质含量和气体突破压力呈正相关关系，相关系数达到0.857，盖层的泥质含量会促进盖层的压实致密和水化膨胀封堵能力，而盖层中砂岩、白云岩含量增加则会增加盖层的脆性，增加盖层的压裂风险，且认为组成盖层的黏土矿物蒙脱石含量越高，盖层的压实致密性和吸水膨胀封堵能力越好，密封气体的效果越好。此外，泥质含量增加也会加大孔喉非均质性和减小喉道有效配位数，提高气体封存安全性[23]。对于泥岩盖层，成岩作用反映了盖层的塑性转变，随着成岩作用逐渐增强，埋深增加，盖层逐渐被压实，盖层的孔隙度、渗透率逐渐降低，气体排替压力逐渐增大，而砂泥岩盖层中砂岩含量增加时，盖层的抗压实性强，且随着盖层中砂岩含量的增加，盖层致密性变差，对于CO2的气体封闭能力变差[24]。

1.2.3 盖地比

盖地比是指纵向由多个砂泥岩交互层叠合而成的盖层中泥岩厚度与盖层厚度的比值。盖地比越高，盖层的气体封闭能力越强。Jackson等[25]基于对英格兰南部怀特岛下白垩纪盖层平面和纵向的砂泥岩分布与层内流体流动能力的研究，认为盖层内气体流动性与盖层内砂泥岩的分布和比例相关，并提出利用盖地比的阈值来表征盖层的气体封闭能力，认为其水平阈值为0.28，垂直阈值为0.50。当盖地比高于水平阈值时，盖层水平方向泥岩连续性好，CO2在盖层内水平渗漏风险低；当盖地比高于垂直阈值时，盖层接近泥岩性质，CO2垂向泄漏风险低。郎岳等[26]通过井震结合的方法，对盖层的含气特征与泥质特征进行了综合分析，认为互层叠合盖层有效气体封存存在泥岩层厚度下限。高鹏博等[27]绘制了鄂尔多斯含油气盆地互层叠合盖层的盖地比和含油气特征图版，研究表明：盖地比高于70%时，盖层封闭能力好；盖地比为45%～70%时，盖层封闭能力差；盖地比低于45%时，纵向完全连通，无油气遮挡能力。总之，盖地比主要影响盖层平面连续性和纵向抗气体突破能力，盖地比高，泥岩层的平面连续性好，盖层被高孔隙度砂岩、断层、裂缝贯穿的概率低，CO2沿盖层泄漏风险也低。

1.2.4 盖层腐蚀

CO2进入到盖层孔隙中会引发盖层岩石矿物溶解和沉淀反应，但最终的作用效果与盖层的完整性有关。若储层中断层和裂缝未延伸至盖层中，盖层完整性好，CO2在盖层中的渗流速度非常低，CO2与盖层中矿物的反应主要是发生原位溶解和沉淀，孔隙内流体很快达到离子饱和，因此，CO2腐蚀对盖层影响小。MS Elgendy等[28]应用多场耦合模拟技术对中东Turkey油藏的泥岩盖层中CO2腐蚀规律进行了研究，研究表明：方解石、钠长石和绿泥石等在酸性水中发生溶解，同时生成伊利石、石英、铁白云石及菱铁矿沉淀，但经过1 000 a封存时间，盖层孔隙度并未明显增加，表明CO2腐蚀对盖层泄漏风险影响较小。Xiao等[29]通过数值模拟方法研究了CO2对页岩和泥灰岩组合盖层的腐蚀，研究表明：CO2腐蚀导致在2种岩性的接触面上生成伊利石、石英、白云石和菱铁矿等沉淀，接触面处的孔隙度降低了25%以上，盖层的密封性得到强化；若储层内发育的断层延伸至盖层中形成一定的断裂厚度时，盖层完整性变差，CO2在盖层中的裂缝同时发生腐蚀和快速的溶质运移，裂缝中不断有新鲜酸性地层流体进入并与裂缝面岩石发生反应，加剧腐蚀，增加CO2气体泄漏风险。

1.2.5 封存压力

CO2封存压力是导致盖层发生泄漏的一个重要因素，封存压力高于盖层突破压力且低于盖层破裂压力时，可导致气体沿盖层发生渗漏。盖层的突破压力除与封存压力和盖层岩性等因素有关外，还与封存气体种类有关。林潼等[30]研究了CH4、N2、CO2在白云岩和膏岩盖层岩心中的突破压力，研究表明：3种气体在2种盖层中的突破压力由大至小均为CH4、N2、CO2。导致出现这种不同盖层突破压力的本质是气体与盖层中流体界面张力的差异。CO2与盖层中流体界面张力相比CH4和N2小，导致CO2更易突破盖层毛管力而发生气体渗流。而CO2封存层压力过高会压裂泥岩盖层，造成CO2快速泄漏。Ishida等[31]对比了油、水、超临界CO2对花岗岩的压裂效果，发现超临界CO2对花岗岩的压裂门限压力为水的70%，为油的50%，且超临界CO2压裂后形成更为复杂的裂缝。Chen等[32]应用室内压裂实验分析了水、油、超临界CO2在花岗岩中形成的压裂裂缝的复杂程度，认为低黏度是导致CO2压裂岩石形成复杂裂缝的主要原因。因此，CO2封存压力应控制在低于注水过程中的地层压力，保证不压裂盖层，盖层一旦被压裂将形成较为复杂的裂缝，CO2泄漏很难补救。CO2封存压力导致盖层失效风险的判断，主要应用摩尔应力圆与岩石应力应变交会曲线进行判断。CO2对盖层的腐蚀会导致盖层岩石力学性质改变，增加盖层的压裂泄漏风险。因此，对盖层泄漏风险的判断，要综合考虑盖层的腐蚀和CO2封存压力的共同影响。

2 CO2地质封存系统泄漏风险评价

2.1 CO2沿井筒泄漏风险评价

井筒完整性受管柱(套管柱、套管头、封隔器及井口四通)密封情况、固井质量等因素影响。对于固井质量影响井筒完整性的评价方面，武治强等[33]对不同水泥胶结质量的井筒组合体进行了突破实验，认为水泥胶结质量越好、封固段长度越大、套管直径越小，井筒完整性越好。缩小套管直径保障了井周水泥的均匀性，提高了封存井的安全性。对于多因素综合作用下井筒气体泄漏风险评价，常用模糊综合评价方法，即基于层次分析和因素比较矩阵、权重矩阵和模糊数学计算得到综合评价值，指导井筒泄漏的最危险环节评估和预防。曾德智、张智等[34-35]基于2016年发布的API RP 90-2《陆上油田环空压力管理推荐做法》提出的井筒环空压力MAWOPA评价值，建立了综合考虑油套管承压能力、井口设备和地层安全压力及环空流体压力对管柱作用的综合评价图版，评价气井安全风险，并通过环空带压上升速率对高压气井进行风险划分：高环空带压上升速率井直接确定为泄漏风险井进行治理；低环空带压上升速率井为常规井，还需综合其他风险因素进一步进行风险评价。该方法可缩短泄漏风险评价周期，提高封存井泄漏风险的评价效率，但评价过程属于半定量评价，仍然需要实际封存井泄漏案例验证和数值模拟对比验证。

2.2 盖层泄漏风险评价

盖层泄漏风险评价时要综合考虑多种因素影响，确定关键影响因素。林建品、祝志超等[36-37]分别应用模糊综合评价和灰色关联方法对盖层泄漏风险进行评价，划定了盖层泄漏风险指数区间，认为盖层厚度、岩性与盖层封闭能力相关性最高，盖层厚度决定了盖层平面封闭气体能力，岩性决定盖层纵向突破压力。严康文等[38]应用层次分析方法为影响盖层的岩性、厚度、埋深和构造曲率因素给定不同的权重，计算了盖层综合指数(SCI值)并对盖层进行综合评价，SCI值和储层气体封存能力呈正相关关系，其中，对SCI值影响较大的是岩性，其次是盖层厚度。冯国良等[39]认为盖层物性、岩性的影响最终会反应在盖层的突破压力和泥岩连续性上，并利用基于测井参数计算的盖地比和突破压力综合图版综合评价盖层的气体封闭能力，认为盖层的气体封闭能力可分为三大类四小类：气体封闭能力好(Ⅰ、Ⅱ类)、气体封闭能力中等(Ⅲ类)、气体封闭能力差(Ⅳ类)。综合分析[40-42]：适合CO2封存的盖层应具有较大的厚度、较好的平面连续性；砂泥互层盖层应具有较大的有效泥岩厚度；岩性为膏岩或岩盐层的盖层的气体封闭效果较好。

2.3 封存系统泄漏风险综合评价

CO2泄漏风险综合评价方法包括定性、半定量和定量评价方法。定性评价方法评价过程相对简单，可信度随专家经验不同而产生差异。半定量评价方法有风险矩阵方法、模糊综合评价方法等。评价过程结合了专家对泄漏影响因素权重的预判和理论模型对影响因素数据的可靠性比较。定量评价方法(如贝叶斯网络方法)是在已知大量CO2泄漏事件案例前提下，结合概率论、图论及机器学习算法，对泄漏影响因素和影响事件间的因果关系进行概率计算和理论模型拟合，得出较为精准的理论模型，预测不同影响因素组合下的CO2泄漏风险，得出的评价值更具参考意义，同时可进行实时数据的更新。

2.3.1 风险矩阵方法

风险矩阵(FEP)方法最早被用于对复杂地质环境下核废料存储系统的安全性进行评价[43]。Bai等[44]将该方法引入并应用于废弃油藏的CO2泄漏风险评价，将CO2封存系统泄漏发生的影响因素和结果分解为特征(Features)、事件(Events)和过程(Processes)来进行气体泄漏风险综合评价[45]。CO2封存系统特征描述为影响封存系统风险的静态影响参数，如储层物性、井深、水泥特性等；过程描述为CO2封存过程中封存系统产生的动态物理和化学变化，比如化学腐蚀、相态变化等；事件描述为特征和过程综合作用下导致的封存系统发生的变化，如地震、套管损坏、盖层破裂等。所有的FEP影响因素将组成一个数据库，即风险描述数据库(FEP数据库)，该数据库描述的便是所有与CO2封存系统完整性有关的影响因素。对于CO2封存系统构建的FEP数据库，可借鉴加拿大Weyburn CO2封存项目建立的Quintessa FEP数据库和日本开发的RITE数据库[46-47]。Bai等[48]对Quintessa FEP数据库进行了简化，优选了56个与CO2泄漏特征、过程及事件相关的重要影响因素，并构建了简化评价数据库，对CO2泄漏风险进行分析。

FEP数据库是描述地下存储系统静态特性和动态特性相互影响的一种定性分析，不能提供定量评价[49]，而只有将FEP数据库中的影响因素对封存系统构成要件的影响转化为影响概率才能实现对封存系统的量化评价。Hnottavange-Telleen、Duguid等[50-51]将FEP数据库中影响因素导致的CO2泄漏风险定义为泄漏发生可能性和影响严重程度的乘积，针对仅有少量泄漏事件案例作为参考条件的情况，应用专家研讨会的方式确定FEP数据库中影响因素和作用结果间的风险概率关系，将作用结果分成1～5级，其中，1级泄漏概率最小，5级泄漏概率最高。Bai等[52]在此基础上，将FEP数据库转化为1～4级的风险评价矩阵，风险矩阵中列举了CO2泄漏特征、事件及过程间的相互作用对封存系统构成要件(包括井筒组合体、储层、盖层等)风险级别的量化评价结果，并绘制了影响因素和作用结果的因果图对封存系统泄漏风险进行评价，发现对于一个不存在前期施工缺陷的地下封存系统，对封存系统影响较大的因素主要是井筒组合体因素。而要得到较为准确量化的CO2泄漏风险评价结果，则主要依赖于专家研讨会基于FEP风险评价矩阵对事件风险概率和事件作用结果强度的分析，事件风险概率和事件作用结果强度的综合评价值也会随着参加研讨会专家的意见改变发生相应变化。

2.3.2 贝叶斯网络方法

贝叶斯网络(BN)是一种统计概率模型，由网络节点和有向边构成，节点之间的关系用条件概率表达，可为多因素条件下事件发生概率推断提供一种较为合理的手段。Gerstenberger等[53]与温室气体研究中心(CO2CRC)的专家合作共同构建了CO2深部咸水层封存系统泄漏风险评价的贝叶斯网络模型，并应用于深部咸水层的泄漏风险评价先导项目中，其评价过程主要包括对CO2泄漏影响因素相关性分析，确定影响因素间层次关系，构建影响因素间互相影响有向无环图模型，计算根节点、中间节点和叶节点的条件概率，基于实际案例拟合和训练得到优化的贝叶斯网络模型，最终确定影响泄漏的主要风险因素为CO2腐蚀-应力拉伸耦合作用。Bobbio等[54]对比多因素事故树分析与贝叶斯网络方法，认为事故树方法对CO2泄漏影响因素的分析模型可直接转化为贝叶斯网络有向无环图(Bayesian Directed Acyclic Graph, BDAG)，事故树的作用是清晰地描述泄漏影响因素间的相互作用关系，但缺乏量化指标，属于对泄漏风险的定性分析，而贝叶斯网络除了分析泄漏影响因素间的关系，还通过条件概率的方式量化描述了各影响因素节点间的泄漏状态间的相互作用。Yang等[55]以美国加州金伯利纳附近的圣华金盆地CO2地质埋存场地为基础，应用监测手段联合贝叶斯网络模型精准评价了该地区的CO2泄漏风险，认为用实际监测数据(废弃井井底流压、浅层水pH、地层水中固相颗粒含量、土壤酸碱度)修正贝叶斯网络模型进行风险评价结果更为可靠。Wang等[56]则提出应用贝叶斯网络模型进行CO2封存系统泄漏风险分析时，可从影响因素到作用结果进行正向联合概率计算，确定多影响因素综合作用下的封存系统泄漏风险概率，也可在给定节点CO2泄漏风险概率的情况下进行后验概率计算，对封存系统的薄弱环节进行判断。Namhata等[57]则在正向构建CO2泄漏风险贝叶斯网络模型时，将影响CO2封存系统发生泄漏的根节点影响因素描述为井筒和盖层因素，贝叶斯网络模型的训练数据则利用现场监测数据和数值模拟结果。

Yang等[58]在对CO2泄漏风险影响因素进行事故树分析基础上将事故树转化成贝叶斯模型有向无环图，认为事故树中的事件层级分别对应了贝叶斯有向无环图的节点。任伟建等[59]则指出当事故树的顶层事件(父节点)间相互独立时，贝叶斯有向无环图的节点间满足Noisy-ORgate模型的使用条件，事故树的中间环节(包括井筒和盖层因素)可转化为贝叶斯模型中间节点，底层事件即CO2泄漏风险指标可转换为贝叶斯模型的子节点。

应用贝叶斯联合概率模型对CO2泄漏风险评估时，父节点引发的泄漏风险用先验概率计算，数据来源主要参考封存施工项目的先验数值模拟、多周期的监测数据分析以及专家对于泄漏风险的预判[60]。贝叶斯网络模型的中间节点概率用条件概率表(Conditional Probability Tables，简称CPT)表征，张旭等[61]指出贝叶斯网络模型的中间节点的CPT是多父节点组合对中间节点泄漏风险状态的概率表征，且CPT的确定方法较为复杂，一般随父节点个数增加，复杂程度呈指数增加。Wang等[62]则应用开源版地下封存系统完整性综合评估模块(NRAP-Open-IAM)对1 000个CO2泄漏案例进行了模拟，并以模拟结果作为训练贝叶斯网络模型的条件概率参数，同时以现场监测的泄漏数据为约束，得到符合率为99.99%的CO2泄漏风险贝叶斯模型。

CO2泄漏风险程度除与泄漏风险概率相关还与泄漏事件引发结果的严重程度相关。对于该方面的研究，何雨、何蕾等[63-64]将贝叶斯联合概率计算的泄漏风险概率和泄漏风险影响强度指标进行了模糊计算，确定了CO2泄漏风险影响的综合评估值，并利用该评估值评价了CO2泄漏风险对封存系统的综合影响，认为井筒泄漏是封存系统的最危险环节。Farha等[65]结合FEP数据库和贝叶斯有向无环图建立了相互关联的CO2泄漏风险概率评价矩阵(ACM)和补救措施矩阵(CPM)，根据风险点泄漏的概率和影响强度，配置相应的补救资源，预防泄漏风险。贝叶斯模型对于CO2地质封存系统泄漏风险的评价主要优点是可实时根据监测数据更新模型，进行封存系统的动态风险跟踪和分析，模型的预测精准度依赖于实际案例和数值模拟案例的训练拟合精度。

2.3.3 模糊综合评价方法

模糊综合评价方法是将多因素共同影响下的模糊定性问题转化成定量问题的一种常用风险分析手段[66]，这种模糊转化的精度主要依赖选择的隶属函数和评估专家的经验。Zou[67]将模糊综合评价方法应用于CO2封存系统泄漏风险的评价，并依据封存项目投资成本、工艺复杂性、政府支持力度等因素建立了CO2泄漏影响因素的事故树，构建了因素比较矩阵及指标权重矩阵，通过模糊计算发现目标区块发生CO2泄漏的风险较高，并不适宜建立CCS项目。王永胜[68]应用CO2泄漏风险事故树对泄漏风险因素和泄漏风险结果间的相互影响关系的层次进行表征，将CO2封存系统的模糊评价结构分为：评价指标层(泄漏风险)、中间因素层(井筒和盖层)和顶层因素(影响CO2泄漏的井筒和盖层因素)。Zeng等[69]则将层次分析方法(Analytic Hierarchy Process，简称AHP)应用于CO2泄漏风险分析，发现该分析方法和事故树分析类似，但通过AHP因素间作用关系和强度值的比较，可确定因素的权重，而事故树只是对CO2封存系统影响因素相互作用关系的定性分析和描述。

CO2泄漏风险模糊综合评价的因素权重矩阵构建是得到模糊评价值的另一个重要参数。张智等[70]基于CO2泄漏风险事故树分析，提出应用AHP方法建立底层因素对中间因素(井筒和盖层)影响和中间因素对评价指标(CO2泄漏风险)影响的因素比较矩阵，认为比较矩阵满足一致性检验后，矩阵最大特征值对应的特征向量作为封存系统事故树的底层和中间因素矩阵相对应的权重矩阵是比较合理的。

模糊综合评价方法的关键是将CO2泄漏影响因素和评价指标间的模糊关系转化为量化的隶属度概率，常用的隶属函数主要有阶梯函数、三角函数、指数函数、正态分布函数等[71]。隶属函数的选取主要依赖于咨询专家对于泄漏影响因素和评价指标间关系的作用规律的熟悉程度，比较精确的方法是在实际案例或数值模拟结果基础上对隶属函数的参数值进行修正。

模糊综合评价方法的模糊计算步骤包括：基于隶属函数，利用CO2泄漏风险因素对泄漏风险指标进行隶属度矩阵转化，以及求取泄漏风险因素的权重矩阵等。计算后可得到气体泄漏风险综合评价指标区间，并在最大隶属度原则下，确定CO2封存系统的泄漏风险级别和类型。Mi等[72]对CO2封存系统泄漏风险模糊综合评价时发现，泄漏风险模糊评价结果可能根据不同专家给出的意见和选择的隶属函数的不同，得出不同的CO2综合泄漏风险评价结果。Diao等[73]基于中国安全技术研究院2006年出版的相关风险标准，依据CO2注入动态、地质参数、矿产开发破坏、井筒和设备等风险因素建立了神华深部咸水层CO2封存场地短期埋存的模糊综合评价模型，并考虑了泄漏风险概率和泄漏风险后果对泄漏的综合影响。张绍辉等[74]则综合运用AHP和模糊综合评价方法对CO2封存井泄漏风险影响因素进行了综合分析，将CO2泄漏风险指数划分为5级进行评价，认为导致封存系统泄漏的主要因素是井筒因素，包括水泥环和封隔器等，在CO2腐蚀与交变应力载荷下极易引起井筒组合体的疲劳破坏。

3 结 论

(1) CO2地质封存系统中井筒的破坏主要是受CO2注入过程产生的交变应力拉伸损坏、CO2冷流体的热应力损伤和CO2对组合体腐蚀的综合影响。且腐蚀对井筒水泥环不同位置产生不同的影响，对靠近封存层区域的水泥环淋滤作用强，腐蚀严重。近套管水泥环区域CO2淋滤作用弱，水泥钙化作用强，可促使水泥环自愈。对封存井筒组合体损坏后形成的CO2泄漏通道的治理，可通过注入高含钙离子溶液发生钙化原位沉淀反应，形成封堵气体泄漏通道的碳酸钙沉淀。且微裂隙的尺寸越小，原位反应时间越长，原位钙化沉淀量越高，对微小泄漏通道的封堵效果越好。

(2) CO2地质封存系统中盖层泄漏主要受盖层岩性、厚度和封存压力的影响，而CO2腐蚀盖层对盖层的气体密封性影响较小。多因素综合影响下盖层泄漏类型主要有低速渗漏和高速泄漏2种，当封存压力高于盖层突破压力但不压裂盖层时，气体沿盖层孔隙突破发生低速渗漏，低速渗漏量和渗漏速度基本符合达西定律，且引发的渗漏治理相对容易。当封存层压力高于盖层破裂压力或断层开启压力时，在盖层中形成CO2气体高速泄漏通道，泄漏速度快，形成的泄漏很难治理。

(3) CO2地质封存系统泄漏的评价方法有定性、半定量和定量评价。模糊综合评价和风险矩阵属于半定量评价，评价过程中专家经验等主观因素较多。贝叶斯网络评价封存系统泄漏风险时，结合了大数据训练计算，可得出不同泄漏影响因素动态参数变化时的气体泄漏风险概率。但贝叶斯网络方法评价也存在实际泄漏案例少，大数据模型训练不充分，导致子节点概率分布表代表性差的问题。