CO2封存容量评估的多层级框架：使方法与数据可用性相对齐

《Journal of Cleaner Production》：A multi-tier framework for CO 2 storage capacity estimation: Aligning methods with data availability

　　

准确评估地质CO2封存容量对碳捕集与封存（CCS）项目的成功部署至关重要。然而，现有方法的多样性及其各异的数据需求与假设，在数据稀疏的项目早期阶段给恰当方法的选择带来挑战。研究人员提出一种结构化的六层级框架，依据地质与作业数据成熟度引导使用者筛选并应用合适的估算技术。该框架将静态、解析与数值方法整合为渐进式自适应结构，即便仅有有限输入，亦能在任意开发阶段给出有意义且受约束意识驱动的估算，并随详细数据涌现而精炼。各层级在前一层级基础上引入更先进方法，从基础体积估算推进至压力约束计算、注入能力建模与全物理动态模拟。每一层级均提供推荐参数范围、回退值与结构化不确定性界定以确保透明与方法严谨。初始估算被保留并迭代精炼，产生逐渐收窄且更具辩护力的容量区间。框架的新颖性在于其能在任意数据条件下生成可信CO2封存估算，并以清晰逐步方法选择过程指导从业者，提供统一、可扩展且具不确定性意识的Workflow，支撑筛选与田块尺度设计，弥合理论方法与应用项目需求间鸿沟。框架在阿尔伯塔Nisku组验证，场地尺度和单井容量结果与已发表基准高度吻合，确认预测可靠性，并扩展评估多井配置与增强策略性能。

研究背景方面，2023年全球化石燃料燃烧与工业过程CO₂排放达37.7 Gt历史峰值，地质CO₂封存是少数可实现永久减排的技术可行选项之一，其中深盐丘含水层因分布广、孔渗高、无商业竞争用途而具突出理论容量。然而受孔隙度、渗透率、毛细管压力、浮力、非均质性及不完全驱替等固有存储效率限制，加之安全运行的压力构建与注入能力（injectivity，I=Q/ΔP）约束、盖层完整性、断层和遗留井泄漏风险、结垢与细粒迁移等工程限制，以及环境、地质力学与监管限制，实际可利用于存储的孔隙体积远小于理论值。现有评估方法从简单体积法到全物理模拟跨度极大，但CSLF、DOE-NETL等静态框架缺动态过程，Wei等、Ding等、Leng等综述性工作未形成数据驱动的程序化流程，导致在数据稀疏区从业者难以匹配方法与分析阶段。为此，University of Waterloo的Hasti Firoozmand与Yuri Leonenko开展本研究，建立六层级步进估算框架，将方法选择直接与数据成熟度挂钩，并在阿尔伯塔Nisku组验证，论文发表于《Journal of Cleaner Production》。

关键技术方法上，研究人员整合四类既有方法：静态体积法（含理论容量方程M_CO2=A·h·φ·ρ_CO2·E、CSLF孔隙体积法、USGS蒙特卡洛概率法、DOE-NETL四因子效率分解E=E_A·E_V·E_G·E_D、Zhou等闭系统压力压缩性法E=(β_r+β_w)·ΔP_max）；解析动态法（Nordbotten垂向积分锐界面模型、Azizi-Cinar半解析径向两相解、De Simone-Krevor的CO₂BLOCK多井叠加优化、Firoozmand-Leonenko注采耦合解析模型）；数值全物理模拟（CMG-GEM、ECLIPSE、TOUGH2等黑油与组分模拟器）；以及层级触发机制与不确定性界定规程。案例采用Nisku组公开地质与井数据，依次跑通六层级。

研究结果按原文小节浓缩如下。引言指出封存潜力（storage potential）定义为特定设计下安全注入量，受压力构建与注入能力共同约束，需在井尺度评估。第2节回顾静态方法中，开放含水层以体积可达性与扫掠效率为核心，闭半闭系统以压力容忍为核心，Zhou法用岩石与卤水压缩性替代效率因子；动态方法分解析类（压力-饱和度模型追踪羽流与压力瞬变，注入率优化模型用Lambert W函数求最大可持续注入率Q_m）与数值类（耦合多相流非线性方程，纳入井日志、岩心与地震解释）。六层级框架本身依次为：Tier 1理论体积上限；Tier 2 CSLF/DOE-NETL效率体积法+USGS概率分布；Tier 3 Zhou/Szulczewski压力约束体积法；Tier 4 Nordbotten/Azizi-Cinar解析压力-饱和度演化；Tier 5 CO₂BLOCK/Firoozmand-Leonenko解析注入率与多井优化；Tier 6 全物理数值模拟与增强策略（如卤水抽取）。每层明确定量触发条件、最小数据输入、回退参数范围与不确定性括号。Nisku案例显示，Tier 1–2给出宽区间区域容量，Tier 3–5逐层收窄至压力受限单井潜力，Tier 6多井+卤水抽取配置与已发表基准吻合，证实框架预测可靠。

讨论与结论部分，研究人员强调框架贡献不在新物理方程而在统一编排：把静态体积、解析压力、数值模拟按数据成熟度串成可辩护序列，解决已有分类体系未链接数据阶段与方法选择的缺口；明确保留并迭代精炼早期估算使不确定性结构化收敛；每层回退值避免数据空洞期过度乐观。结论指出该六层级框架可在任意数据条件下产出可信CO₂封存估算，逐步从区域筛选走至压力受限单井与多井潜力及增强设计，在Nisku组场地与单井结果对齐已发表基准，为CCS项目全生命周期提供透明、一致、技术稳健且可扩展的评估Workflow。