咸水层中CO2封存与采卤协同作用的智能框架

《Engineering》：An Intelligent Framework for Synergistic CO 2 Sequestration and Brine Production in Saline Aquifers

　　

咸水层中CO₂地质封存与强化采水（CO₂-EWR）的协同作用可有效缓解储层压力积聚，同时提高CO₂封存容量，从而为咸水层提供有效的压力管理策略。然而，CO₂-EWR涉及复杂的水文地质过程，其封存性能受地质属性、井运行参数和经济条件的共同制约。为应对这些挑战，本研究提出了一种面向CO₂地质封存与采卤协同的智能集成优化框架。在该框架内，首先建立了采卤与CO₂注入的动态分析方法。通过将长短期记忆（LSTM）神经网络代理模型与半解析模型耦合，实现了储层参数反演与动态封存响应的表征，验证案例中相对误差低于5%。随后，采用多目标粒子群优化（MOPSO）算法，以最大化累积CO₂注入量和净现值（NPV）为双重目标，对注入与采出参数进行优化。代理模型对平均储层压力和CO₂饱和度表现出较强的预测性能，决定系数（R²）为0.9795至0.9998，最大归一化均方根误差（NRMSE）分别为1.67%和6.52%。在工程优化方面，采卤收益在低碳价条件下尤为重要，可使项目NPV提高162%，累积CO₂注入量提高184%。将所提方法应用于伊利诺伊盆地Decatur项目（IBDP）的现场数据表明，经优化并引入采卤后，目标储层的CO₂封存容量达到3.18 × 10⁷ m³，较无采卤情形提高2.56倍，同时储层压力保持在规定的安全限值以内。总体而言，所提框架融合了工程性能与经济盈利性，可为项目特定参数选择、现场尺度CO₂-EWR方案对比和初步项目设计提供实用的决策支持工具。

自21世纪以来，化石燃料的广泛消费导致全球二氧化碳（CO₂）排放量持续攀升。据国际能源署（IEA）统计，2023年全球CO₂排放量达到374亿吨的历史新高，大气中CO₂的累积正在引发全球变暖并加剧温室效应，对人类生存构成严重威胁，亟需采取措施减少CO₂排放。碳捕集与封存（CCS）是减少大气温室气体排放的有效策略，即将CO₂注入深部咸水层、枯竭油气藏和盐穴等地质储层，通过多种物理和化学机制实现长期封存。其中，深部咸水层因分布广泛、储量巨大且安全性较高，被广泛认为是减少温室气体排放的有效途径。据IEA和政府间气候变化专门委员会（IPCC）的评估报告，全球咸水层CO₂封存容量估计为400–10000 Gt，对实现全球1.5 °C升温目标具有重要作用。然而，与枯竭油气藏不同，深部咸水层中仅少部分孔隙体积可直接用于CO₂封存。由于潜在孔隙空间被微可压缩的地层水充填，注入的CO₂必须压缩水和周围岩石矿物以创造空间。由于岩石和水的压缩性较低，利用超过1%–2%的孔隙空间将导致压力显著升高。若管理不当，这种压力积聚可能引发地质力学和水文灾害，包括盖层破裂、断层复活、CO₂泄漏和诱发地震。

为确保深部咸水层的安全有效管理，需要评估注入期间及注入后CO₂的运移与分布，并分析储层压力和CO₂饱和度的变化。然而，由于地质储层的深度和广阔范围，直接准确监测地下CO₂行为具有挑战性。作为替代， readily available的CO₂注入数据提供了关于储层特征的宝贵信息，可用于动态封存监测。现有注入动态分析方法主要基于单相瞬态CO₂流动的解析模型，这些方法建立了压力响应曲线特征与动态封存能力之间的定量关系，并发展了用于定量表征流动特征参数和储层物性的线性分析方法。这些方法可以确定咸水层参数和CO₂运移范围，从而增强储层认识并降低CO₂封存不确定性。尽管这些方法对于预测储层行为至关重要，但安全高效的CO₂封存不仅需要监测和预测，还需要对储层压力和CO₂运移进行主动干预和调控。为缓解咸水层压力积聚、防止卤水和CO₂泄漏至相邻地层并最大化累积注入量，研究人员提出了主动CO₂储层管理（ACRM）概念，该策略涉及从深部咸水层采出卤水以主动调控压力和运移。此外，采出的卤水可直接用作附近油气和地热作业的补充水，或经处理后用于工业、农业和生活应用。大量理论研究和现场模拟表明，CO₂封存结合强化采水（CO₂-EWR）可显著降低储层压力积聚，同时提高封存容量，是咸水层压力管理的有效方法。此外，优化井网和注采策略可进一步提高CO₂注入效率和卤水采收率，促进深部咸水层中的CO₂封存。

然而，动态CO₂封存是一个受储层动态特征、井参数和经济因素共同制约的复杂过程。当前储层表征方法主要依赖静态地质数据和注入后监测，往往缺乏整合动态采卤数据的能力。此外，注入动态分析研究常聚焦于理想化单相流，未能准确捕捉CO₂–卤水两相流机制。鉴于CO₂–卤水两相流控制方程的高度非线性，传统方法计算量大且难以收敛，无法精确模拟真实地层条件下的流动行为。除这些技术挑战外，CO₂-EWR的经济可行性也必须考虑。深部咸水层中的地层水通常含有高浓度溶解盐和其他反应性组分。根据具体卤水化学和附近用水需求，采出的卤水可输送至处理设施，部分脱盐或软化以供有益回用，或作为浓缩残余卤水回注至封存地层或专用处置地层。此外，高盐度卤水和CO₂酸化流体可能加速钢管腐蚀和水泥环降解，需要耐腐蚀完井材料、完整性监测和定期维护。尽管这些管理方案可以减轻与地表排放和不受控卤水运移相关的环境风险，但不可避免地增加了运输、处理和維護成本。因此，在评估CO₂-EWR项目可行性时，有必要从技术和经济角度优化地层的实际注入能力，并平衡不同注采情景下的成本与效益，从而确定兼具封存潜力和经济可行性的策略。

为应对这些挑战，研究人员提出了一种咸水层CO₂封存与采卤的智能策略，贡献涵盖三个方面。首先，通过引入代理模型预测采卤过程中的流动相关变量，并将其与采卤半解析模型耦合，建立了注入前采卤的代理辅助半解析动态分析方法。该方法能够通过线性分析反演咸水层物性，从而增强储层表征能力。其次，针对CO₂注入阶段，通过将预测咸水层CO₂注入过程中流动相关变量的代理模型与半解析CO₂注入模型相结合，开发了代理辅助半解析动态分析方法。该方法有助于CO₂地质封存项目的动态注入监测和注入能力评价。第三，利用上述两种动态分析方法获得的储层参数，建立了CO₂-EWR工程参数优化框架。以最大化CO₂注入量和净现值（NPV）为优化目标，以CO₂突破和储层压力积聚为约束条件，采用多目标粒子群优化（MOPSO）算法优化注入井和采卤井的运行方案。这阐明了不同目标下井参数的特征，最终为CO₂-EWR项目的实施提供实践指导。

在方法部分，研究人员首先建立了基于储层岩石物性、流体特征和井运行方案的数学流动模型，以表征注采过程中储层的动态响应。咸水层孔隙度和渗透率为压力相关参数，控制方程为非线性，采用拟压力和拟时间进行线性化。基于拟压力和拟时间定义，得到了采卤阶段的解析表达式，并在产量瞬态分析（RTA）中定义了产量归一化拟压力（RNP_w），通过边界主导流（BDF）特种图直线的斜率和截距计算储层半径和初始渗透率。对于CO₂注入阶段，建立了CO₂–卤水两相流的半解析模型，并建立了两相物质平衡方程以估算平均储层压力和平均CO₂饱和度。研究人员提出了区域特定平均方法，结合两相物质平衡方程，分别计算压力探测半径和CO₂驱替前缘半径内的平均值。为降低计算成本，开发了基于注意力的长短期记忆（LSTM）代理模型，快速预测采卤阶段的平均储层压力以及CO₂注入阶段的平均储层压力和平均CO₂饱和度。使用商业储层模拟器CMG生成数据集，采用拉丁超立方采样（LHS）生成4000组储层和井控参数组合，按80%、10%和10%的比例分为训练、验证和测试子集。在训练代理模型之前，进行随机森林分析以识别控制目标变量的主导因素。网络训练采用Adam优化器，初始学习率为5.0 × 10^?4，以平均绝对误差（MAE）为损失函数，批次大小为16，最大训练轮数为300。建立了CO₂-EWR工程参数优化模型，目标函数为累积CO₂注入量和NPV的加权组合，NPV计算中现金流包括基于碳价的CO₂封存收益和卤水衍生淡水收益，现金流出包括CO₂封存运营成本、卤水运输、脱盐、残余卤水运输、残余卤水回注、淡水运输以及CO₂注入井和采卤井的固定设施成本。约束条件包括采卤井CO₂产出率与卤水产出率之比不超过0.1、注入井井底压力不超过地层破裂压力的90%、断层或裂缝附近压力不超过临界压力阈值。数值模型横向半径为10 km，垂向厚度为100 m，纳入准噶尔盆地地质参数。优化策略采用设计探索与受控演化（DECE）、线性加权和法以及MOPSO相结合的分层策略。现场应用采用伊利诺伊盆地Decatur项目（IBDP）数据。

研究结果表明，在模型验证方面，采卤阶段代理模型预测的平均储层压力与数值模拟结果高度吻合，相对误差低于1%；CO₂注入阶段三种数值模拟情景（定井底压力、定注入速率、变井底压力）下，代理模型预测的平均储层压力和平均CO₂饱和度与数值模拟结果相对误差低于5%。代理模型对平均储层压力的R²为0.9954至0.9998，MAE为0.00243至0.05319 MPa，NRMSE低于1.67%；对平均CO₂饱和度的R²为0.9795至0.9997，MAE为1.71 × 10^?5至3.80 × 10^?4，最大NRMSE约为6.52%。在CO₂注入量和NPV优化方面，引入采卤井显著提高了可实现的累积CO₂注入量，50年注入后优化情景的累积CO₂注入量约为无采卤井情景的2.9倍；优化采卤井位置不仅有效提高了CO₂注入速率，还显著降低了盖层下方的压力积聚，监测点压力稳定在约29.4 MPa，采卤停止后增至33.6 MPa，远低于46.2 MPa的破裂压力限值。在采卤经济有利时，优化结果呈现显著共性：采卤井井底压力降至6.6 MPa，井间距扩大至7.8 km。在高碳价情景下，采卤收益使NPV从26.6亿元增至32.3亿元（增幅21%）；在低碳价情景下，采卤收益使NPV从2.9亿元增至7.6亿元（增幅162%），累积CO₂注入量从2.92 × 10¹⁰ m³增至8.29 × 10¹⁰ m³（增幅184%）。高碳价含采卤收益情景的NPV（32.3亿元）是相应低碳价情景（7.6亿元）的4.25倍。在多目标优化方面，低碳价无采卤收益条件下CO₂注入量与NPV的权衡最为明显，权重敏感性分析表明优化结果对所选权重高度敏感，随着CO₂注入量权重增加，优化策略从经济导向明显转向封存导向。三种代表性权重方案F1（CO₂注入量权重0.7）、F2（等权重）、F3（CO₂注入量权重0.3）的优化结果分别对应井间距8.8 km、8.8 km、1.2 km，井底压力6.6 MPa、8.0 MPa、20.2 MPa。MOPSO获得的Pareto前沿解与线性加权和法结果一致，累积CO₂注入量范围为2.9 × 10¹⁰至8.6 × 10¹⁰ m³，项目NPV范围为1.65 × 10⁸至2.88 × 10⁸元。在现场应用方面，基于IBDP数据，初始储层孔隙体积和初始渗透率分别计算为9.44 × 10⁸ m³和190 mD；RTA-LSTM结果与数值模拟结果吻合良好；注入919天时平均储层压力为24.36 MPa，相对32.3 MPa的破裂压力限值安全裕度约24.6%；经优化并引入采卤后，目标储层CO₂封存容量达到3.18 × 10⁷ m³，约为无采卤情景（1.24 × 10⁷ m³）的2.56倍，优化后监测点储层压力为20.08 MPa，相对破裂压力限值安全裕度约37.8%。

在讨论部分，研究人员指出，代理辅助半解析动态分析工作流的优越性能主要归因于深度学习从大规模数据集中捕捉复杂非线性关系的能力。与纯解析方法相比，代理辅助工作流减少了对理想化假设的依赖，提高了对不同运行条件下CO₂–卤水两相流的适应性。当前咸水层CO₂注入半解析模型仍存在若干局限，如依赖单相流理论限制了适用范围、基于离散化的处理可能损害求解精度、依赖理想化运行假设等。由于CO₂相态随注入压力增加呈现非线性变化，传统单相模型从根本上无法捕捉CO₂–卤水两相流机制。为此，本研究基于咸水层CO₂–卤水两相流数值模拟数据集，使用LSTM神经网络建立代理模型预测储层动态响应，并将其嵌入基于RTA的CO₂注入动态分析工作流，确保预测的平均储层压力和平均CO₂饱和度准确反映地层实际两相流特征，从而显著降低储层参数表征的不确定性。除改善压力管理和提高封存容量外，CO₂-EWR策略还表现出对碳定价和卤水利用的强经济依赖性。在高碳价情景下，CO₂-EWR项目的NPV显著高于低碳价情景，表明碳价仍是控制项目盈利性的主导因素。然而，卤水衍生淡水收益提供了额外经济激励，可部分抵消卤水生产、处理、运输和残余卤水回注的成本。在低碳价情景下，卤水衍生收益尤为重要，因为它改善了项目经济性并通过增强压力释放支持更大规模的CO₂封存。这些结果表明，采出的卤水不应仅被视为废物流或成本负担；经适当处理和有益回用，采卤可作为经济调节器，改善压力释放、CO₂注入能力、封存规模和项目盈利性之间的平衡。这一发现不同于仅将卤水处理视为额外成本的经济评估，表明卤水衍生淡水的经济价值应明确纳入咸水层CO₂-EWR项目的技术经济评价。总体而言，本研究提出的CO₂-EWR框架兼顾技术和经济因素，为咸水层动态表征、储层参数反演、CO₂封存优化和经济可行性评估提供了有用方法。然而，地质CO₂封存本质上受储层不确定性和长期圈闭过程影响。储层非均质性、各向异性和相对渗透率不确定性可能影响CO₂羽流运移、压力消散、注入能力和封存性能。同时，残余圈闭、溶解圈闭、地球化学反应以及流固耦合条件下的盖层完整性也是评估长期封存安全性的关键因素，但未明确纳入当前注入期优化框架。因此，未来研究应进一步扩展所提工作流，纳入多重地质实现、三维非均质模型、各向异性渗透率、不确定相对渗透率曲线、反应运移和流固耦合模拟，以提高优化结果的稳健性并提供对长期CO₂封存安全性的更全面评估。

研究结论部分翻译如下：本研究提出了一种咸水层CO₂地质封存与采卤协同的集成框架，融合了基于LSTM的代理预测、半解析动态分析和多目标优化。主要结论总结如下：（1）采卤的代理辅助半解析动态分析方法在储层参数反演中表现出卓越精度，数值模拟验证相对误差低于5%。此外，基于IBDP的现场尺度应用示范支持了CO₂注入动态分析方法在预测储层压力和CO₂饱和度方面的精度，表明其具有现场尺度工程应用潜力。（2）当主要目标为最大化CO₂封存容量时，部署采卤井显著扩大了封存规模，同时缓解了储层压力风险。反之，若优先最大化盈利能力，则必须根据碳定价和卤水衍生收益调整工程参数。在大多数情景下，封存量与NPV呈现协同增长，卤水衍生收益作为关键经济驱动因素，在低碳价环境中尤为突出。（3）卤水衍生收益和碳价对CO₂封存量和项目NPV产生非线性影响。在高碳价情景下，卤水衍生收益使NPV从26.6亿元增至32.3亿元（增幅21%），累积CO₂注入量从7.54 × 10¹⁰ m³增至8.29 × 10¹⁰ m³（增幅9.95%）。在低碳价情景下，卤水衍生收益使NPV从2.9亿元增至7.6亿元（增幅162%），累积CO₂注入量从2.92 × 10¹⁰ m³增至8.29 × 10¹⁰ m³（增幅184%）。这些结果表明，虽然碳价仍是盈利性的主要驱动因素，但卤水衍生收益显著缓解了低碳价对项目规模的制约，为支持更大规模CO₂封存提供了额外经济动力。（4）在低碳价且无卤水衍生收益的情景下，运行策略必须针对具体项目优先级进行调整。若优先考虑CO₂封存容量，应采用“大井间距、低井底压力、早采卤启动”策略以延迟CO₂突破并释放储层孔隙空间，尽管代价是NPV降低。反之，若项目严格由NPV最大化驱动，则必须实施“小井间距、高井底压力、延迟采卤启动”策略以最小化采卤和处理成本，权衡是CO₂封存容量受限。（5）该集成框架将储层动态表征与多目标工程优化相联系，为CO₂-EWR项目筛选、初步设计和方案对比提供了现场尺度决策支持工作流。该框架有助于评估不同注采策略下CO₂封存性能与经济盈利性之间的权衡。然而，其更广泛的适用性仍需通过多站点现场监测数据、站点特定校准和地质力学验证进一步验证。