基于地质力学方法的无上覆饮用水地下水源VI类碳封存项目压力前缘圈定

《Processes》：AGeomechanical Approach to Pressure Front Delineation for Class VI Carbon Storage Projects in the Absence of an Overlying Underground Source of Drinking Water Seyed Kourosh Mahjour

　　

在美国VI类碳封存项目的许可过程中，审查区（Area of Review, AoR）的圈定是一项基础要求。监管定义的压力前缘依赖于注入流体或地层卤水向上迁移进入饮用水地下水源（Underground Source of Drinking Water, USDW）的可能性。然而，在德克萨斯海湾沿岸及近海区域的深部沉积盆地中，目标咸水层往往缺乏上覆USDW。在这种情况下，传统的临界压力阈值计算方法在数学上无法定义，或会导致AoR边界无限扩大。本文提出了一种在无USDW条件下基于地质力学定义压力前缘的实用方法，该方法是依据地下注入控制（UIC）计划主管权限（40 CFR 146.84）制定的场地特异性替代方案。通过利用现有的注入压力监管限值，所提出的框架建立了以最小水平应力、盖层破裂压力及基于莫尔-库仑（Mohr–Coulomb）破坏分析的断层再激活限值为基准的阈值体系，并进一步引入毛细管突破压力作为第三重封闭阈值，确保最严格的条件主导AoR边界。针对一个深海湾沿岸咸水层的合成案例研究表明，该方法可产生有限且物理意义明确的AoR，其范围随注入作业规模（评估速率为1.0和2.0 Mt/yr）合理变化，并能捕捉注入后监测期（Post-Injection Site Care, PISC）内的压力演化。渗透率和破裂梯度的敏感性分析验证了该方法的稳健性。研究还探讨了模型局限性、注入可行性边界，以及向概率框架的拓展可能。该框架为运营方和监管机构提供了可辩护且符合监管的推进路径，并附有标准化审核清单及示例AoR圈定报告模板。

研究背景与必要性

随着二氧化碳地质封存成为减缓人为温室气体排放的关键技术，美国环保署（EPA）通过VI类地下注入控制（UIC）计划对封存活动进行监管，其核心目标是保护饮用水地下水源（USDW）。审查区（AoR）圈定是这一监管体系的中心环节，用于识别潜在泄漏通道并采取纠正措施。然而，在德克萨斯海湾沿岸及近海深水区的深部咸水层中，目标层位往往缺乏符合监管定义的USDW，导致传统EPA方法（方法1–3）在计算临界压力时因缺少参考受体而失效，甚至产生无限大的AoR边界。这种监管空白给运营方和监管机构均带来不确定性，阻碍了高潜力封存项目的推进。

研究方法与技术路线

研究人员基于现有VI类法规（40 CFR 146.88）中禁止注入压力超过破裂压力90%的要求，将这一限制从注入层扩展至盖层，构建了以地质力学为核心的三重阈值体系：拉伸破裂阈值、断层再激活阈值、毛细管突破压力阈值。方法结合莫尔-库仑破坏准则分析不同应力体制下的断层滑动条件，并考虑孔隙弹性耦合效应，量化注气过程中最小水平应力的动态变化。研究采用半解析径向扩散模型（Theis方程）结合两相流有效迁移率修正，模拟不同注入速率、渗透率和地质参数下的压力扰动传播。案例研究选取德克萨斯海湾沿岸Frio组深部咸水层，通过合成数据验证方法在不同情景下的适用性，并进行敏感性分析与全生命周期（含PISC期）压力演化评估。

结果与发现

2. 监管背景与方法局限

EPA现行AoR框架依赖USDW作为受体，方法1–3均为计算流体向上迁移的临界压力。但在无USDW场景中，这些公式参数缺失，若假设表面或海底为受体则导致阈值趋零，AoR边界无限延伸。此问题已被多个州级与行业报告确认。

3. 地质力学压力前缘圈定框架

3.1 概念基础

将压力前缘定义由USDW保护转向盖层完整性保护，通过防止拉伸破裂与断层剪切破坏来确保长期封闭。

3.2 拉伸破裂阈值

以最小水平应力σ_hmin为基准，取90%作为安全上限，忽略岩石抗拉强度以保守估计破裂风险。

3.3 断层再激活阈值

基于莫尔-库仑准则推导不同应力体制（正断层、走滑断层、逆断层）下的临界孔隙压力，案例研究显示断层再激活阈值低于拉伸破裂阈值，是最限制性因素。

3.4 孔隙弹性效应

注气导致孔隙压力上升引发岩石骨架膨胀，使σ_hmin同步升高，静态阈值在注入期为保守值，并在PISC期随压力衰减维持安全裕度。

3.5 工作流程与审核清单

建立标准化六步流程：场地表征、断层筛选、毛细管密封评估、阈值计算、数值模拟、AoR边界提取，并配套监管审核清单。

4. 合成案例研究

4.1 模型设置

基于Frio组3200?m深咸水层，半解析模型涵盖1?km至远场边界，模拟50年注入及50年PISC期。

4.2 临界压力确定

案例中断层再激活阈值（12.2?MPa）低于拉伸阈值（16.1?MPa），成为主导阈值。

4.3 压力前缘圈定

1.0?Mt/yr工况下压力扰动未超阈值，AoR由CO₂羽状体范围决定；2.0?Mt/yr工况下近井压力超限，压力前缘半径为1.5?km。

4.4 PISC期演化

最大压力前缘出现在注气结束时刻，之后逐渐收缩，全生命周期内安全边界得以保持。

4.5 敏感性分析

低渗透率（25?mD）导致压力大幅超标，AoR显著扩大；破裂梯度下降与摩擦系数降低均会缩小安全压力窗口。

讨论与结论

本研究填补了无USDW深部封存项目的监管方法空白，将VI类法规的保护目标从受体导向转为盖层完整性导向，并与国际标准（ISO/TR 27918、ISO 27914）保持一致。三重阈值体系确保在不同盖层岩性和构造条件下均以最严格条件约束AoR。孔隙弹性分析表明静态阈值在注入期偏于保守，全生命周期模拟证明AoR在PISC期不会扩大。研究同时指出，在低渗储层需结合多井策略优化注入可行性，并建议未来发展概率化AoR框架以量化参数不确定性。

该研究发表于《Processes》，为深部沉积盆地高容量碳封存提供了可操作且监管兼容的审查区圈定方法，有助于避免因监管空白导致的项目停滞，同时确保环境与工程安全。