I. Вопросы безопасности ствола скважины при масштабном внедрении CCUS

Улавливание, использование и хранение углерода (CCUS) является одним из ключевых технологических направлений для достижения целей углеродной нейтральности. В рамках стратегии двойного углеродного развития ряд крупномасштабных проектов CCUS уже перешел к этапам строительства и эксплуатации, охватывая процессы улавливания CO₂ и его геологического хранения в различных отраслях с высоким уровнем выбросов углерода, включая угольную химическую промышленность, тепловую энергетику и металлургию. Общей особенностью этих проектов является сжатие больших объемов CO₂ до сверхкритического состояния с последующей непрерывной закачкой через нагнетательные скважины в глубокие подземные соленые водоносные горизонты или истощенные нефтегазовые месторождения для долгосрочного хранения.

В системе управления рисками проектов CCUS целостность ствола нагнетательной скважины является одним из наиболее важных элементов обеспечения безопасности. Если CO₂ мигрирует вверх через дефекты герметизации ствола скважины, это не только снизит эффективность хранения углерода, но и может привести к загрязнению неглубоких подземных водоносных горизонтов или даже к накоплению CO₂ в приповерхностных зонах, создавая потенциальные угрозы безопасности. Поэтому нормативные требования к проектам CCUS во многих странах предъявляют строгие требования к герметичности нагнетательных скважин, включая регулярный мониторинг давления в затрубном пространстве, проверку целостности цементного кольца и обнаружение утечек в колоннах труб.

Однако условия эксплуатации нагнетательных скважин CCUS значительно отличаются от условий эксплуатации традиционных нефтегазовых скважин. Особые физико-химические свойства CO₂ создают ряд уникальных технических проблем для мониторинга целостности ствола скважины. Понимание сути этих проблем является необходимым условием для выбора подходящих технических решений мониторинга.

II. Технические проблемы мониторинга, вызванные особенностями условий эксплуатации нагнетательных скважин CO₂

Техническая сложность мониторинга ствола нагнетательных скважин CCUS обусловлена фундаментальными различиями физических свойств флюидов CO₂ и традиционных нефтегазовых флюидов. Эти различия проявляются на нескольких уровнях.

Проблема 1: Эффекты растворения и набухания под воздействием сверхкритического CO₂
CO₂ в условиях закачки обычно находится в сверхкритическом состоянии (температура выше 31,1 ℃, давление выше 7,38 МПа), обладая плотностью, близкой к жидкости, и вязкостью, близкой к газу. Сверхкритический CO₂ оказывает сильное растворяющее и вызывающее набухание воздействие на резиновые уплотнительные материалы (например, резиновые элементы пакеров и уплотнительные кольца резьбовых соединений НКТ), что ускоряет старение и потерю герметичности уплотнительных материалов. Это означает, что в скважинах CCUS скорость деградации герметизирующих элементов может быть значительно выше, чем в традиционных газовых скважинах, поэтому требуется более высокая частота и чувствительность мониторинга.

Проблема 2: Циклические термические напряжения, вызванные низкотемпературным эффектом
В процессе закачки CO₂ с поверхности в забой скважины из-за эффекта расширения Джоуля–Томсона в стволе скважины возникает значительное снижение температуры. На начальном этапе закачки и при периодической закачке температура в стволе скважины многократно проходит через циклы резкого снижения и восстановления, что приводит к возникновению периодических термических напряжений между обсадной колонной, цементным кольцом и пластом. Такие циклические термические напряжения являются важным механическим фактором, вызывающим дефекты герметизации, включая микротрещины в цементном кольце и ослабление соединений обсадной колонны. Кроме того, они придают каналам утечки динамический характер «периодического открытия и закрытия», что повышает сложность их обнаружения.

Проблема 3: Сложные пути миграции при утечках через несколько затрубных пространств
Нагнетательные скважины CCUS обычно имеют многослойную конструкцию обсадных колонн, формирующую несколько кольцевых пространств, таких как затрубное пространство A и затрубное пространство B. CO₂ может мигрировать по различным путям: из НКТ в затрубное пространство A, из затрубного пространства A через цементное кольцо в затрубное пространство B или даже непосредственно из глубокого затрубного пространства в более мелкие интервалы. Разнообразие путей миграции затрудняет определение источника и направления утечки только на основе наблюдения за давлением в затрубном пространстве. Поэтому необходимы методы мониторинга, способные обеспечивать непрерывное пространственное определение местоположения по всей глубине скважины.

Проблема 4: Слабые сигналы низкоскоростных утечек
В нагнетательных скважинах CCUS многие ранние утечки имеют очень низкую скорость, при этом расход газа может составлять всего несколько миллилитров в минуту или даже меньше. Такие незначительные утечки находятся ниже порога обнаружения традиционных методов мониторинга (например, контроля давления с помощью манометров и стандартного шумового каротажа), что затрудняет их эффективное выявление. Однако при отсутствии своевременного обнаружения эти небольшие утечки под совместным воздействием длительного растворения и коррозии CO₂, а также циклических термических напряжений могут постепенно развиваться в более крупные каналы утечки. Поэтому требования к чувствительности обнаружения при мониторинге целостности ствола скважины CCUS значительно выше, чем при мониторинге традиционных нефтегазовых скважин.

III. Анализ адаптивности распределенного волоконно-оптического мониторинга как решения для контроля CCUS

Перед лицом вышеуказанных технических проблем технология распределенного волоконно-оптического каротажа демонстрирует высокую адаптивность. Ниже рассматриваются ее технические преимущества с нескольких ключевых точек зрения.

Возможность непрерывного пространственного зондирования
Системы DTS и DAS обеспечивают непрерывное пространственное измерение вдоль оптического волокна с разрешением на уровне метров или даже субметров, что эквивалентно размещению в стволе скважины тысяч виртуальных датчиков. Для сценариев с неопределенными путями миграции, таких как утечки через несколько затрубных пространств, нет необходимости заранее определять возможное место возникновения утечки. Оптическое волокно позволяет одновременно получать информацию о температурном и акустическом полях по всей глубине скважины и автоматически выявлять аномальные интервалы на основе анализа больших объемов данных. Эта особенность особенно важна для мониторинга целостности ствола скважин CCUS, поскольку разнообразие путей утечки делает стратегии мониторинга с фиксированными точками малоэффективными.

Интеграция двух параметров: температуры и акустики
Тепловые и акустические эффекты, возникающие при утечке CO₂, могут быть соответственно зафиксированы системами DTS и DAS. DTS чувствительна к температурным аномалиям, вызванным эффектом Джоуля–Томсона при утечке, а DAS чувствительна к турбулентности и шумам дросселирования, возникающим в процессе утечки. Пространственная взаимная проверка этих двух параметров значительно повышает надежность результатов определения местоположения утечки. Особенно в условиях эксплуатации CCUS, где каналы утечки могут иметь динамический характер «периодического открытия и закрытия», синхронное наблюдение по двум параметрам позволяет фиксировать взаимодополняющие аномальные сигналы в различных временных интервалах.

Искробезопасность и долговременная стабильность
Кварцевые оптические волокна сами по себе не проводят электрический ток и не создают электрических искр, полностью соответствуя требованиям искробезопасности в условиях высокого давления при закачке CO₂. Одновременно волоконно-оптическая система мониторинга может обеспечивать круглосуточный мониторинг в режиме 7×24 без присутствия оператора, а данные автоматически передаются на облачную платформу через внутренние или внешние сети. Это делает ее подходящей для непрерывного мониторинга на этапе долгосрочной эксплуатации проектов CCUS. Для нагнетательных скважин с применением постоянного решения с оптическим кабелем, закрепленным снаружи обсадной колонны, система волоконно-оптического мониторинга может охватывать весь жизненный цикл — от процесса закачки до закрытия и консервации скважины.

Гибкость методов возбуждения
Для утечек с низкой скоростью потока система волоконно-оптического мониторинга может сочетаться с различными методами возбуждения для усиления характеристик сигнала. Например, путем операций закрытия и открытия скважины можно изменить термодинамическое состояние внутри ствола скважины, а посредством поэтапного сброса газа и давления в затрубном пространстве — изменить перепад давления между колонной труб и затрубным пространством, заставляя скрытые каналы утечки формировать идентифицируемые температурные и акустические аномалии. Такая комбинация пассивного мониторинга и активного возбуждения является эффективным методологическим подходом для обнаружения низкоскоростных утечек в стволах скважин CCUS.

IV. Практическая инженерная проверка: пример определения места утечки через затрубное пространство в нагнетательной скважине CCUS

В одной из нагнетательных скважин CO₂ в рамках проекта CCUS на нефтяном месторождении Ляохэ глубина скважины составляет 4053 м. Давление в затрубном пространстве B достигало 5 МПа и быстро восстанавливалось после многократного сброса давления, что указывало на наличие устойчивого канала миграции. 10 июня 2026 года в соответствии с решением по волоконно-оптическому каротажу компании Zhiteng Microelectronics была выполнена диагностика миграции в стволе скважины с применением технологии свободного спуска оптического кабеля и комплексного каротажа DTS+DAS.

Ключевым фактором испытания являлась разработка стратегии возбуждения сигнала. Поскольку каналы миграции в нагнетательных скважинах CCUS могут динамически изменяться под воздействием температуры и давления, однократной операции сброса давления может быть недостаточно для формирования четкого сигнала. Техническая группа применила поэтапную схему возбуждения путем сброса газа и давления: сначала были выполнены операции закрытия и открытия скважины для изменения термодинамического состояния ствола, после чего в затрубном пространстве были проведены многократные поэтапные операции сброса газа и давления. При этом величина каждого последующего сброса увеличивалась, что позволяло постепенно усиливать активность жидкости в канале миграции.

Во время третьей операции выпуска газа на водопадном графике DAS FBE (Frequency Band Energy, энергия частотного диапазона) на глубине 1520 м появился выраженный высокоэнергетический отклик, при этом четкие сигналы наблюдались во всех частотных диапазонах. Данные DTS на той же глубине также показали соответствующую температурную аномалию. Синхронный отклик двух параметров в данной зоне подтвердил наличие канала миграции цементного кольца от затрубного пространства A к затрубному пространству B на глубине 1520 м.

Значение данного примера заключается в том, что даже в таких особых условиях эксплуатации, как нагнетательные скважины CCUS, благодаря рациональной стратегии возбуждения и совместному анализу данных DTS+DAS возможно точное определение местоположения утечек через затрубное пространство. Это предоставляет технический подход, подтвержденный практическим применением, для управления целостностью ствола скважин в проектах CCUS.

V. Формирование системы мониторинга на протяжении всего жизненного цикла CCUS

С точки зрения полного жизненного цикла проекта CCUS мониторинг целостности ствола скважины должен осуществляться поэтапно. В период эксплуатации при закачке можно использовать долговременную систему DTS для непрерывного мониторинга температуры в режиме 7×24 часа в сочетании с регулярными диагностическими каротажными исследованиями DAS, что позволяет в режиме реального времени контролировать состояние герметизации ствола скважины. В период приостановки закачки или после завершения эксплуатации и закрытия скважины систему можно перевести в режим периодического контроля с использованием DTS, а механизм низкопотребляющего режима сна–пробуждения позволит увеличить продолжительность автономной работы системы. Для новых нагнетательных скважин CCUS рекомендуется планировать установку постоянного оптического кабеля снаружи обсадной колонны уже на этапе строительства скважины, создавая аппаратную основу для внутрискважинного мониторинга на протяжении всего жизненного цикла.

По мере перехода отечественных проектов CCUS от демонстрационного этапа к масштабной коммерциализации количество нагнетательных скважин будет продолжать увеличиваться, а потребность в технологиях мониторинга ствола скважины будет быстро расти. Технология распределенного волоконно-оптического каротажа благодаря своей пространственной непрерывности, возможности объединения нескольких параметров и способности к длительной автономной работе имеет четкое техническое положение и широкие перспективы применения в этой развивающейся области. Для технических специалистов, занимающихся управлением инженерными проектами CCUS и выбором оборудования, раннее понимание и освоение данной технологической системы поможет принимать более перспективные технические решения на этапе планирования проектов.

О компании Qingdao Zhiteng Microelectronics Co., Ltd.

Компания Qingdao Zhiteng Microelectronics Co., Ltd., основанная в 2002 году, более двадцати лет специализируется на разработке и применении технологий в области разведки, бурения и добычи нефти и газа. Компания является ключевым национальным предприятием категории «малый гигант», специализирующимся на специализированных, инновационных и передовых технологиях. Разработанная компанией система распределенного волоконно-оптического каротажа (DTS/DAS) успешно прошла практическую проверку в различных сценариях применения, включая нагнетательные скважины CCUS, газовые хранилища и традиционные нефтегазовые месторождения. На этой основе сформирована комплексная техническая система, охватывающая 7 типов строительных технологий и 12 зрелых технических решений, способная обеспечивать полный цикл технической поддержки проектов CCUS — от постоянного мониторинга на этапе строительства скважины до диагностики в период эксплуатации.