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二氧化碳地质封存(CCS)是一项重要的节能减排措施,在全球变暖的背景下,该技术有着非常良好的发展前景。然而,CCS项目井喷事故后的CO2气体泄漏对周围居民的影响问题始终是制约该项技术发展的安全忧虑之一。从目前国内外已有的CO2气井井喷事故经验可以看出,气井一旦井喷,往往喷射量巨大且井控困难,CCS项目中的井筒(CO2注入井、监测井、场地范围内废弃井等)一旦发生井喷,其机理以及井喷特性和一般油气井井喷具有很大的相似度。因此,对CCS项目井喷事故的研究对该项目的环境风险管理和工程安全非常重要。目前国内外对CCS泄漏相关的研究更多的是从医学角度或土壤生态角度出发给出健康阀值,或者从地质角度分析CCS泄漏途径和泄漏过程,很少有结合实际气象条件和地形条件等,对CO2气体泄漏扩散范围进行定量分析的。本文以内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗地形、气候等条件为环境背景,以神华CCS示范项目为参考,模拟井筒发生井喷事故,计算CO2气体的影响范围,开展了不确定性分析和危险水平分级的研究工作,并结合周围人口分布情况,分析井喷事故对周围居民可能造成的危害。主要工作和创新成果如下: (1)以神华集团CCS示范项目为背景,模拟井喷事故,利用SLAB软件计算泄漏CO2气体的影响范围,并采用响应面分析法进行相关因素的不确定性分析,做出风险矩阵。结果表明,井喷速度和环境风速对CO2的扩散范围有非常显著的影响,并且井喷速度和扩散范围之间呈正相关,而大气风速和扩散范围之间呈负相关;井喷温度、大气温度、湿度以及大气稳定度等参数对CO2的扩散范围影响不十分显著;静风环境下,当井喷速度达到60 kg/s之后,环境风险就会比较大。 (2)以鄂尔多斯伊金霍洛旗地区地形气候条件为环境背景,假设不同的井喷速度,利用CALPUFF软件计算CO2扩散范围与井喷速度变化的相关关系,以井喷速度为分级指标,对CO2扩散危险水平进行分级。结果表明,逆温现象对污染物扩散有严重的抑制作用,污染物不易稀释;根据冬季最危险情况下的污染物扩散特征,以30000 ppm浓度作为暴露阀值,根据井喷速率的变化,可将事故危险性等级分为三级,对应的最大扩散距离分别为130m,370 m和610m,对应的井喷速率范围分别为0-2.5 m/s,2.5-10 m/s,10-20 m/s。 本文给出与CO2扩散范围相关的风险因素,建立了以扩散范围为目标函数,以重要的风险因素为自变量的风险矩阵;并选取井喷参数作为危险性分级指标,提出了以扩散范围为目标函数的危险性水平分级方法。本文的研究成果为CCS项目中井喷事故的风险评价和应急反应提供了一定的指导,有助于国家相关部门健全对CCS的监管,同时有助于推动CCS示范项目的健康发展。 本文对CO2井喷泄漏扩散影响范围的研究仅仅是以鄂尔多斯伊金霍洛旗地区为背景,想要将风险矩阵和危险性水平分级的研究成果应用到更大范围内的CCS项目中,还需要补充许多的统计和计算工作;对于CO2扩散影响范围相关的风险因素的考虑也仍有许多的欠缺和不完备之处。因此,尚需要进一步的探索研究。