基于多层次模糊评估方法的枯竭气藏二氧化碳封存选址评估：从现场筛选到机理建模

《Energy》：Siting Assessment for CO2 Sequestration in Depleted Gas Reservoirs Based on Multilevel Fuzzy Evaluation Method: From Field Screening to Mechanistic Modeling

　　

孙宇|唐勇|张竹欣|刘梦云|秦家正|何友伟

中国地质大学（武汉）地球资源学院，武汉，430074，中国

摘要

地质碳储存（GCS）是减少温室气体排放和实现碳中和的关键技术。然而，由于地质和工程参数的层次网络存在不确定性，选择合适的储存地点仍然具有挑战性。本研究提出了一种结合层次分析法（AHP）和多级模糊综合评估（MFCE）的集成评估模型。该框架采用自下而上的聚合方法进行多标准决策，并使用正弦隶属函数来描述模糊边界。工作流程包括指标筛选、比较、量化和排名。所提出的AHP-MFCE模型应用于四川盆地的六个区块，并对目标地点进行了建模实践。建立了一个全面的指标体系，涵盖四个类别的33个子指标：储层、盖层、井和地表条件。通过一致性检验（CR = 0.0006 < 0.1）后，各类别的权重分别为0.3991、0.2740、0.1938和0.1330。复合权重超过0.00的子指标应被优先考虑，以减少主观影响并提高评估结果的客观性。实地研究表明，区块#E和#D被确定为潜在的GCS候选地点。区块#A、#B和#C被评为中等，而区块#F被评为一般。对区块#E进行的数值模拟结合地球化学反应证实了其显著的储存能力和注入性。这些发现支持在枯竭气藏中进行试点规模的GCS项目选址，并有助于长期储存安全和泄漏风险缓解。

引言

工业活动的增加和对化石燃料的持续依赖显著增加了二氧化碳（CO₂）排放，加剧了全球气候问题[1]，[2]。地质碳储存（GCS）是减缓气候变化的关键策略，重点在于选择具有较大储存能力和长期封存安全性的理想地点[3]，[4]，[5]。合适的地质选项包括枯竭的油气藏、深层咸水含水层和不可回收的煤层[6]，[7]，[8]，[9]。其中，枯竭的气藏在永久性二氧化碳储存方面具有独特优势。首先，来自实地数据的广泛地质理解减少了注入前的不确定性[10]。其次，经过验证的甲烷（CH₄）在地质时间内的封存性能表明了可靠的密封效果[11]。第三，储层枯竭后剩余的孔隙空间使得二氧化碳具有较高的注入性和储存效率[12]。第四，现有井和基础设施的再利用提高了经济可行性，并支持GCS项目的快速部署[13]。这些特性使得枯竭气藏成为进一步评估的潜在储存地点。

GCS选址的关键问题包括储存能力、注入性和封存安全性[14]，[15]。目标圈闭的完整性在整个勘探、生产、二氧化碳注入和储存过程中受到多种因素的控制[16]。如图1所示，试点规模的GCS操作在选址方面非常挑剔，并非所有区块都符合储存条件。碳源-汇匹配不佳会降低或消除某一地区的二氧化碳储存可行性。即使碳源-汇匹配合适，不利的储层特性也可能限制二氧化碳在多孔介质中的迁移，从而无法实现最佳储存能力[17]。在更严重的情况下，压力积聚可能会破坏盖层的完整性（例如，重新激活的裂缝和/或断层）或导致井失效（例如，套管腐蚀和/或水泥劣化），从而可能引发二氧化碳泄漏和浅层地下水污染[18]，[19]。因此，在进行试点规模的GCS操作之前，进行稳健和科学的评估至关重要。

迄今为止，许多储层模拟研究通过参数敏感性分析支持了选址筛选[20]，[21]。刘等人[22]使用建模假设和近似值评估了页岩储层中二氧化碳储存与增强气体回收（EGR）的可行性。然而，他们的通用发现不能直接确认所有储层类型的可用GCS地点。Raza等人[23]研究了储层类型（例如，干气、湿气和凝析气）对二氧化碳注入和储存的影响，但他们的评估仅依赖于单一指标而没有综合标准。赵等人[24]通过数值模拟研究了目标储层中的二氧化碳储存和甲烷生产行为。唐等人[25]模拟了不纯二氧化碳质量传递对GCS过程的有益影响。然而，这些模拟本质上是特定于地点的：不同的储层需要单独的模型构建和参数校准。尽管已经考虑了诸如穿孔位置和储层厚度等细节以排除不合适的层，但在建模中通常分别检查与储层、盖层、井和地表相关的潜在特征。因此，将模拟应用于初始GCS项目可能会增加工作流程的复杂性和计算需求。

数学方法为评估候选储层的GCS可行性提供了另一种选择，基于已知的地质参数简化了评估过程[26]。这种评估通常涉及关键因素的识别、比较、量化和排名[27]。模糊数学在这些情境中被广泛使用，主要包括权重计算和评估信息整合[28]，[29]，[30]。在这些评估中，层次分析法（AHP）适用于确定权重和量化定性指标，而模糊综合评估（FCE）则解决了模糊性和量化困难[31]。通过结合基于专家经验的层次结构与反映地质不确定性的评估结果，AHP-FCE模型在GCS的多标准决策中受到了广泛关注[32]，[33]，[34]，[35]。最近的研究证明了这种方法在试点规模GCS评估中的可行性。秦等人[36]使用AHP-FCE为枯竭气藏建立了一个适用性评估框架，但他们的指标体系主要关注井筒属性，而忽略了盖层完整性和碳源-汇匹配约束。何等人[37]提出了一个用于地下气体储存选址的AHP-FCE模型，包含44个指标，但该研究是为天然气储存设计的，不能直接应用于枯竭气藏的GCS。鉴于评估指标众多及其在评估标准中的潜在逻辑组合，建议使用多级模糊综合评估方法（MFCE）来处理这种多阶段决策系统[38]。因此，为枯竭气藏建立专门的综合评估框架仍然具有挑战性，现有的现场参数必须充分反映与长期二氧化碳储存安全相关的潜在风险、特征和事件。

为了降低试点规模二氧化碳封存的潜在风险并快速选择GCS目标地点，本研究提出了一种新颖的AHP-MFCE方法，用于识别枯竭气藏中的合适储存地点。建立了一个包括指标筛选、比较、量化和排名的多阶段评估程序。在四川盆地的六个区块进行了实地应用，以验证所提出的模型并确定后续建模实践的可用目标。这项工作支持GCS候选地点的识别，并为进一步的二氧化碳-EGR-GCS数值模拟研究提供了参考。

章节片段

多个评估指标

在建立多阶段评估系统之前，从四个维度选择了综合指标：储层、盖层、井和地表条件。这些将在以下部分中进行系统研究。

多级模糊综合评估

多级模糊综合评估（MFCE）适用于量化具有众多逻辑分组评估指标的地点排名问题。这种层次化方法将复杂问题分解为更简单的子问题。然后，从下到上整合评估信息，以解决与GCS选址相关的储层、盖层、井和地表方面的不确定性。MFCE的工作流程如图5所示。

二氧化碳储存地点选择的评估系统

四川盆地的实地应用

四川盆地中部有六个区块，其特征是缓坡褶皱、相对简单的地质结构和较低的地震活动（图11）。附近的几个天然气净化厂排放大量二氧化碳，提供了丰富的碳源。

表7显示了这六个区块收集的参数。由于现场数据有限，评估考虑了9个储层子指标、5个盖层子指标、4个井子指标和3个地表子指标。

基于评估

方法论贡献和适用性

本研究建立了一个定制的AHP-MFCE框架，用于枯竭气藏的GCS选址，整合了指标筛选、比较、量化和排名。MFCE层次结构中的自下而上的聚合减少了任何单一主观输入对连续评估层的影响，增强了判断矩阵的可靠性。一个关键见解是，在较低隶属等级下得分较高的子指标可以决定性地影响最终结果

结论

基于模糊理论为枯竭气藏的GCS选址建立了一个定制的AHP-MFCE框架。可以得出以下结论：

(1)

开发了一种结合AHP和MFCE的集成评估方法。多级层次结构与自下而上的聚合相结合，整合了指标筛选、比较、量化和排名，实现了GCS选址的稳健多标准决策。采用正弦隶属函数提供了

CRediT作者贡献声明

刘梦云：验证、软件。秦家正：撰写 – 审稿与编辑、方法论、形式分析、概念化。唐勇：撰写 – 审稿与编辑、资金获取、数据管理。张竹欣：撰写 – 审稿与编辑、调查。孙宇：撰写 – 原稿、软件、方法论。何友伟：验证、项目管理、形式分析

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（编号51974268）的财政支持。