利用双相瞬态分析方法评估咸水含水层中的碳地质储存潜力

《Water Resources Research》：Appraising Carbon Geological-Storage Potential in Saline Aquifers Using Two-Phase Rate-Transient Analysis

CO2地质封存中传统单相RTA模型无法准确分析两相流动及压力敏感特性，本研究提出两相RTA方法，引入伪压力和伪时间，分阶段评估压力和前沿迁移，通过合成数据和实际案例验证，有效预测注入动态和储容，为快速评估提供可靠工具。

　　

摘要

速率瞬态分析（RTA）是一种实用且经济高效的方法，用于分析二氧化碳（CO₂）注入数据并评估含盐水层的储藏能力。然而，由二氧化碳-盐水两相流引起的非线性行为，加上压力依赖的流体和岩石特性，严重限制了传统基于生产数据的RTA模型的适用性。这些模型通常假设单相流动，并且仅依赖于压力传播。为了克服这些限制，本研究提出了一种新的两相RTA方法，该方法首次明确考虑了压力演变和二氧化碳前沿的迁移过程，同时考虑了与盐水置换和压力敏感的储层行为相关的非线性因素。首先，为二氧化碳在含盐水层中的注入开发了一个两相流模型，并通过引入新的伪压力和伪时间定义来推导出解析解，这些定义能够捕捉到多相流动和压力依赖特性的影响。通过为压力前沿和二氧化碳前沿定义不同的研究区域（ROI），基于各自的控制区域评估平均压力和饱和度，并将其纳入伪时间的计算中。其次，提出了一种两步RTA方法来分析二氧化碳注入数据，包括使用两相诊断图进行流动状态识别，以及使用专用图进行地下特性评估。最后，我们提供了一个工作流程，将地层特性评估与在可变注入条件下的储藏能力预测相结合。所提出的方法通过数值模拟的合成数据以及伊利诺伊盆地迪凯特项目（IBDP）的现场实例进行了验证。对二氧化碳储藏能力、储层孔隙体积和渗透率的准确估计证实了该模型的准确性，并展示了该方法与数值模拟相比在快速评估储藏潜力方面的可靠性。利用所提出的方法，分散的二氧化碳注入压力和速率数据首次被转化为具有唯一斜率的清晰直线行为，揭示了在注入极限之前的二氧化碳注入过程中的两相流动特征。

通俗语言总结

将二氧化碳储存在深层含盐水层中被视为降低全球变暖相关风险的一种可行方案。在注入过程中，储层压力的传播速度快于二氧化碳前沿的迁移速度，且压力和饱和度依赖的特性会发生变化，这使得基于单相流动或恒定特性的假设无法可靠地预测压力限制下的注入能力和储藏量。我们推导出一个两相解析注入模型，通过伪压力和伪时间变换来考虑非线性效应，并在其各自的控制区域内评估压力和饱和度，从而解释了它们不同步的传播过程。该解决方案被重新表述为直线诊断图，使得可以直接解释注入速率和压力数据。我们的工作流程可以估算关键储层参数，并预测压力累积达到操作极限的情况，从而得出压力限制的注入终点和储藏能力。这种方法为二氧化碳储藏项目提供了一种快速、透明的替代方案，无需进行完整的物理数值模拟。

利益冲突

作者声明与本研究无关的利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据正在公共存储库中存档。我们计划将完整的数据集作为可引用的数据集存放在Zenodo平台上。在同行评审期间，数据集的临时副本会在支持信息中提供，以便进行评估和重现 https://github.com/qiangzhangcup-lgtm/CO2-Storage-Potential-Appraising.git，并在存档完成后替换为Zenodo记录（包括DOI）。