重新评估巴西Cuiabá Paulista天然气赋存的地质CO2封存潜力：一项结合三维建模与电相分析的案例研究

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Reassessing historical gas occurrences considering CO 2 geological storage, a case study of the Cuiabá Paulista occurrence, Brazil

本研究针对全球减排需求，聚焦巴西巴拉那盆地Cuiabá Paulista历史天然气赋存区，创新性地开展了地质CO2封存潜力评估。研究人员通过整合地质、地球物理及岩石物理数据，建立了高精度三维地层模型，并基于电相分析识别出潜在封存层。结果表明，该区Itararé群咸水层具有约930 Mt的CO2理论封存容量，可作为区域碳封存中心。该研究为数据有限盆地的碳封存资源评估提供了可复制的方法学框架，对推动CCS技术在全球成熟沉积盆地的应用具有重要意义。

　　

随着全球能源相关二氧化碳（CO₂）排放量在2023年创下历史新高，达到374亿吨，寻找有效且永久的碳减排方案变得愈发紧迫。碳捕获与封存（Carbon Capture and Storage, CCS）技术，特别是将CO₂封存于深部地质构造中的方法，被联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）反复强调为实现全球温控目标和净零排放的关键路径之一。然而，在全球范围内，尚未有研究系统性地从CO₂封存的角度重新评估那些历史上已被发现但曾被认为不具备商业开采价值的天然气赋存区。这些历史天然气赋存点，如同已枯竭的油气藏一样，拥有大量可用的地质数据和积累的地质知识，为快速评估其CO₂封存潜力提供了独特优势，但它们也需要用现代的眼光重新审视。

在此背景下，来自巴西圣保罗大学地球科学研究所的Vitória Cruz Paluri Piedade、Saulo B. de Oliveira和Carlos Henrique Tozzi de Oliveira的研究团队，将目光投向了巴西巴拉那盆地的Cuiabá Paulista天然气赋存点。该地点因其靠近巴西最大的固定CO₂排放源集中区之一，且具备优越的地质属性而被选为研究对象。这项研究不仅旨在重新评估该历史天然气赋存点作为潜在CO₂封存地的可行性，还探索了将其与天然气开采（包括潜在的致密气开发）相结合的未来机遇。研究成果发表在《International Journal of Greenhouse Gas Control》上。

为了系统评估Cuiabá Paulista的CO₂封存潜力，研究人员开展了一项综合性研究。他们首先收集了该区域4口垂直井和1口定向井的公开历史数据，总进尺约21,900米。这些数据包括岩性分层、地球物理测井曲线（如伽马射线GR、密度RHOB、自然电位SP、中子孔隙度NPHI）以及历史岩石物理测量数据。研究团队利用QGIS软件处理地形数据，并主要依靠Leapfrog Geo软件，采用基于径向基函数（RBF）的隐式建模算法，构建了研究区的三维地层模型。关键技术方法包括：1）基于测井曲线的电相分析，将Itararé群的重点层段（Cuiabá Paulista段和Tarabai段）细分为15个电相单元，以精确识别储层和非均质性；2）三维地质建模，生成了从Bauru群到Itararé群共7个 lithostratigraphic groups（岩石地层群组）的三维实体，并识别出一条关键的NW-SE向断层；3）CO₂封存容量计算，分别采用美国能源部国家能源技术实验室（DOE NETL）的容积法和考虑压力限制的简化方法，对目标咸水层进行理论封存容量估算，并进行了参数敏感性分析；4）区域排放源分析，整合了热电、生物乙醇、钢铁和水泥等固定排放源的地理位置和排放量数据，以评估封存地的区域战略意义。

研究结果

4.1. 岩石地层模型

研究人员基于钻井的顶底数据，通过隐式建模生成了从Bauru群到Paraná群共7个岩石地层群组的三维模型，清晰地展示了研究区的地层格架。模型显示，Itararé群是本次研究的重点目标层段。

4.2. 电相模型

通过对GR、SP、RHOB和NPHI测井曲线的综合分析，研究人员在Itararé群的Cuiabá Paulista段和Tarabai段内识别出15个电相单元。分析发现，NPHI（中子孔隙度）曲线向右偏移（指示高孔隙度）与RHOB（密度）曲线向左偏移（指示低密度）的“交叉”区域，通常与历史报告中检测到的天然气显示深度吻合，并且SP（自然电位）曲线向右偏转、GR（伽马）值较低，共同指示了洁净、多孔的砂岩储层。这些交叉带为识别潜在CO₂封存储层提供了关键依据。

4.3. 构造模型与含水层模型

三维空间分析揭示了一条NW-SE走向的垂直断层，将研究区分为东北和西北两个块体，垂直断距约70米。尽管断层存在，但研究指出巴拉那盆地是典型的板内区域，地震活动性低，构造上有利于CO₂封存。更重要的是，研究确认了在主要含气砂岩层（电相Sandstone V）之下，存在一个咸水层。历史数据表明该咸水层总溶解固体（TDS）达42,500 mg/L，远高于CO₂地质封存对咸水层盐度的要求（>10,000-20,000 mg/L），因此被确定为一个潜在的CO₂封存储层。

4.4. 咸水层潜力

该咸水层平均厚度约45米，总体积约为22亿立方米。研究人员利用测井数据计算出其平均孔隙度为11.3%。

4.5. CO₂封存理论容量

应用DOE NETL的容积法，在P50（2.0%存储效率因子）情景下，计算出该咸水层的CO₂理论封存容量为9.3亿吨（930 Mt）。作为补充，研究还采用了考虑压力空间限制的简化方法进行敏感性分析。在基础参数（总压缩系数C_t= 8 × 10^-10Pa^-1，允许压力增加ΔP = 6 MPa）下，压力限制的容量为0.93 Gt。分析表明，压力约束和储层连通性对实际可封存量有重要影响，容积法结果应被视为一个情景范围，而930 Mt的基础容量更为可靠。

讨论与意义

研究结果表明，Cuiabá Paulista咸水层具备显著的地质CO₂封存潜力。其约930 Mt的理论容量，足以封存研究区域75公里半径内14个固定排放源（年排放约350万吨CO₂）长达266年的碳排放量，显示出作为区域碳封存中心的潜力。

除了咸水层封存，研究还讨论了其他重要机遇。一是增强天然气采收（Enhanced Gas Recovery, EGR），即向含气层注入CO₂既可提高天然气采收率，又能实现CO₂的地质封存。尽管EGR的技术成熟度（TRL 7）目前低于咸水层封存（TRL 9），但全球已有如印度尼西亚Tangguh LNG等项目在积极探索，预示着其广阔前景。二是致密气（Tight Gas）潜力，研究区测井曲线显示的“交叉”特征和低渗透率（部分低于0.1 mD）表明，该区可能存在致密气资源。利用CO₂进行压裂增产（CO₂fracturing）是开发这类资源的潜在技术方向。

该研究的创新之处在于，首次系统地将三维地质建模与电相分析相结合，重新评估了一个历史天然气赋存点的CO₂封存潜力，为在数据有限的盆地中快速评估碳封存资源提供了一个可复制的方法学工作流程。这不仅为Cuiabá Paulista乃至整个巴拉那盆地的碳管理战略提供了关键的科学依据，也为全球类似地质背景区域的CCS部署提供了有益参考。当然，研究也指出其局限性，如历史数据的不确定性，以及未来需要开展更详细的经济评价、流动模拟和场地特异性压力建模等工作，以将理论容量转化为有效（Effective）或实际（Practical）容量。

综上所述，这项研究成功地将一个曾被忽视的历史天然气赋存点，重新定位为一个具有多重价值（咸水层封存、EGR、致密气）的潜在碳管理枢纽，凸显了在能源转型背景下，重新审视和利用现有油气地质数据对于推动CCS技术应用和实现深度减排目标的重要意义。