古新世Farewell F砂岩的综合沉积学与岩石物理学分类：为新西兰塔拉纳基盆地实现二氧化碳（CO?）的可持续储存提供新方法

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Integrated sedimentological and petrophysical rock typing of the Paleocene Farewell F sandstones: advancing sustainable solution for CO 2 storage in Taranaki Basin, New Zealand

该研究针对新西兰塔拉纳基盆地Maui油田Farewell F层进行地质CO?储存潜力评估，通过沉积学、矿物学与岩石物理学的综合岩石类型分析（RRT1-RRT3），揭示储层非均质性及矿物捕获潜力。其中RRT1孔隙度>15%、渗透性100-500mD，具备最佳物理储存条件；RRT2-RRT3因微孔网络致密及高毛管阻力，可作为内部挡板及CO?矿物化（如FeCO?沉淀）的潜在区域。研究证实Farewell F层垂直分层结构可有效分隔CO?，其绿泥石富集特性可能增强矿物储存能力，为碳中和技术提供新思路。

　　

马哈茂德·亚希亚 | 诺伯特·P·萨博 | 艾哈迈德·A·拉德万 | 马哈茂德·莱拉

埃及曼苏拉大学理学院地质系，曼苏拉35516

摘要

随着全球对有效碳减排策略需求的增加，地质二氧化碳储存已成为支持脱碳努力的关键解决方案。然而，储层的异质性和不准确的岩石类型模型常常限制了储存容量预测和长期二氧化碳注入能力的评估精度。本研究通过应用综合沉积学、矿物学和岩石物理学方法，对新西兰毛伊地区的Farewell F地层进行了岩石类型分析，该地层在地下二氧化碳储存方面具有区域代表性。毛伊地区位于塔拉纳基盆地，拥有广阔且大部分已枯竭的含气储层，是长期地质二氧化碳储存的理想候选地。然而，毛伊储层的储存潜力尚未得到充分评估。Farewell F主要由堆积和叠置的楔形地震相组成，对应于前积河口-三角洲砂岩。从矿物学角度来看，Farewell F砂岩被归类为绿泥石质和黏土质长石砂岩，具有异质性的孔隙度和渗透性。Farewell F地层分为三种不同的储层类型（RRT₁–RRT₃）。RRT₁具有最佳的储存性能，孔隙度超过15%，渗透率在100至500毫达西之间，并具有良好的毛细行为；而RRT₂和RRT₃则具有更紧密的孔隙网络和更高的毛细进入压力，可能作为内部屏障和矿物捕获区。研究结果揭示了这种垂直组织的结构，形成了一个自封闭且受地层控制的储存系统。此外，Farewell砂岩中的绿泥石成分可能通过矿物捕获作用提供额外的二氧化碳储存能力。这些发现强调了Farewell地层在物理和地球化学捕获机制方面的潜力。

引言

随着全球对温室气体排放和传统能源枯竭问题的关注日益加剧，探索二氧化碳（CO₂的地下储存解决方案的需求迅速增长（国际能源署，2023年；Hecht和Pratt，2023年）。地质储存二氧化碳是一种有前景的方法，有助于缓解气候变化并推动向低碳未来的转型（Consoli等人，2017年；Zahasky和Krevor，2020年；Liebetrau等人，2022年；Leila等人，2025a，b）。地质储存过程涉及将超临界水溶液态的CO₂注入地下地质构造中以实现安全储存（Michael等人，2010年；Child等人，2018年；Ismail等人，2023年；Sen等人，2024年；Alanazi等人，2023年）。CO₂在沉积储层中的捕获机制包括：（i）在孔隙空间中的物理捕获，如结构、地层或成岩作用封闭，以及冲洗带中的毛细或残余捕获；（ii）CO₂在周围水或盐水中的溶解；（iii）通过将CO₂转化为固态碳酸盐的矿物捕获（Khandoozi等人，2023年；Leila等人，2025a，b）。在物理捕获过程中，注入的CO₂要么被低渗透性的盖层捕获（Dolson等人，1999年；Hermanrud等人，2009年；Zhang和Song，2014年；P. Ringrose，2020年；Punnam等人，2022年），要么以残余相的形式积聚在微孔中（Hesse等人，2008年；Krevor等人，2015年；Ringrose，2020年）。溶解捕获发生在部分注入的CO₂溶解在形成层盐水中时（Bakhshian，2021年；Bolster，2014年）。

矿物捕获是指CO₂通过与活性阳离子（如Mg⁺²、Ca⁺²）反应转化为固态碳酸盐的过程。这一现象在富含这些阳离子的风化基性及超基性岩石附近被观察到（Klein和McCollom，2013年；Kelemen等人，2019年、2020年、2021年；Leila等人，2025a）。在冰岛和美国的两个试点项目中，已经将二氧化碳矿物捕获技术应用于玄武岩（Matter等人，2009年；White等人，2020年）。在沉积构造（盐水层或枯竭的含碳储层）中，物理捕获仍然是最常见的CO₂捕获机制。尽管矿物捕获被认为是永久储存CO₂的最有效技术（Black等人，2015年；Wilkinson等人，2009年；Leila等人，2025b），但原位固体的形成可能会降低孔隙度和渗透性，从而改变表面粗糙度等性质，这可能对注入能力和储存容量产生负面影响。此外，沉积储层中的二氧化碳矿物化需要特定的岩性成分，其中含有丰富的活性阳离子（如基性岩碎片）（Zhang等人，2015年；Khandoozi等人，2023年）。此外，砂岩中的绿泥石在富含CO₂的条件下容易溶解，这一过程会显著改变储层的矿物学和地球化学特性。在CO₂与孔隙水的相互作用过程中，产生的弱碳酸会促进绿泥石颗粒的溶解，释放出亚铁离子（Fe2?），这些Fe2?离子随后与溶解的CO₂反应生成针铁矿（FeCO?）（例如，Tutolo等人，2020年；Zhang等人，2022年）。然而，这一过程的效率受到绿泥石中铁的氧化还原状态的强烈影响，特别是Fe2?/Fe3?的比例。富含亚铁离子（Fe2?）的绿泥石颗粒具有更高的反应性。因此，与以铁离子（Fe3?）为主的颗粒相比，富含Fe2?的绿泥石预计表现出更强的反应性和更大的储存能力（例如，Tutolo等人，2020年；Zhang等人，2022年）。

综合沉积学和岩石物理学的岩石类型特征对于理解沉积储层的CO₂捕获机制及其储存效率至关重要（Trautz等人，2006年；Zhou等人，2010年；Sen等人，2024年）。关键参数包括储存和流动能力以及盖层的完整性，这些对于物理捕获至关重要，同时储层的矿物组成控制着CO₂的矿物化（Ringrose，2018年、2020年；Khandoozi等人，2023年）。大多数研究集中在地下多孔沉积岩中的CO₂物理捕获上；然而，通过了解沉积物的矿物捕获能力可以进一步提高储存效率。因此，本研究聚焦于新西兰唯一的成熟含油盆地“塔拉纳基盆地”，该盆地拥有多个枯竭的含碳储层，其矿物组成具有潜在的物理和矿物捕获CO₂的能力（Leila等人，2022年；Radwan等人，2022年；Ismail等人，2023年；Sen等人，2024年；Abdelwahhab等人，2024年）。此外，新西兰到2050年实现碳中和的雄心勃勃的目标为通过地质储存二氧化碳来利用枯竭和废弃的含碳油田提供了机会。作为新西兰唯一的成熟含油盆地，塔拉纳基盆地为实现这一目标提供了最理想的地质条件。因此，本研究重点关注塔拉纳基盆地内大部分已枯竭的毛伊地区，特别是古新世的Farewell F砂岩层，以评估其作为地下二氧化碳储存的潜力和适用性（图1）。

本研究探讨了Farewell F砂岩的岩石物理异质性，并将其与沉积结构和组成/成岩属性明确联系起来。建立这些联系有助于开发出一种稳健的储层岩石类型方案，该方案具有跨尺度的预测能力，适用于静态和动态建模。同时，量化垂直和横向相变以及相关的储层类型变化将有助于确定储存容量、流动路径和渗透率各向异性。最后，评估不同岩石类型之间的矿物学差异为评估CO₂捕获机制提供了基础，重点关注矿物（地球化学）捕获潜力。通过分析这些不同的储存情景，我们旨在为开发更有效和可持续的二氧化碳储存解决方案做出贡献，以支持未来的碳中和目标。

地质背景

塔拉纳基盆地最初形成于晚白垩世，是冈瓦纳大陆分裂过程中的一个裂谷盆地，含有约8公里厚的沉积序列，覆盖了从白垩纪到第四纪的时期（Killops，1994年；King和Thrasher，1996年；Strogen等人，2011年）。在晚始新世到早渐新世期间，塔拉纳基盆地经历了区域性沉降，导致盆地向西北方向加深（King和Thrasher，1996年；Strogen等人，2011年；Leila等人，

数据集

本研究使用了新西兰GNS Science提供的多样化地下数据集，重点关注塔拉纳基盆地的毛伊地区。毛伊地区的地震覆盖范围包括一个大约2200平方公里的三维地震立方体（图1）。此外，还使用了MB-R1井的完整电缆测井数据。电缆测井数据包括自然伽马射线（GR）、直径（CALI）、中子孔隙度（NEUT）、体积密度（DENS）和光电效应因子（PEF）等信息。

Farewell F地层的地震地层

Farewell F反射层的底部由不规则的不整合面表示，该面将基底与上覆沉积层分隔开（图4）。Farewell F地层报告了四种地震相（表1）。从层状到堆积状（SF₁）的反射具有平行或半平行的连续波形，振幅和频率在垂直和水平方向上变化。SF₁反射部分呈堆积状，并与高振幅的亮斑和平坦区域相关联。

Farewell F的沉积环境

Farewell F地层记录了一个复杂的沉积系统，由多种沉积过程在不同的能量条件下形成。综合地震地层分析和岩心样本的沉积学评估表明，该地层形成于前积三角洲环境（图12）。已识别出四种不同的沉积相，总体上呈向上变粗的层序，表明沉积环境逐渐变浅。

结论

本研究采用综合沉积学、岩石学和岩石物理学方法，评估了新西兰塔拉纳基盆地毛伊地区Farewell F枯竭储层的地下二氧化碳储存潜力。Farewell F沉积物由前积河口-海洋砂岩组成，其中包含垂直和水平排列的流体流动通道和屏障带。这些带被分为三种储层类型（RRT₁–RRT₃）。

资助

不适用。

伦理批准和参与同意

不适用。

CRediT作者贡献声明

马哈茂德·亚希亚：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。诺伯特·P·萨博：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，概念化。艾哈迈德·A·拉德万：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，监督，软件，资源，项目管理，