咸水层地质碳封存中CO2注入方案的技术经济研究

《Processes》：Techno-Economic Investigation of CO2 Injection Schemes for Geological Carbon Storage in Saline Aquifers

　　

深部咸水层是大规模碳捕集与封存（CCS）中最具前景的地层之一；然而，储层压力上升、CO₂溶解受限、羽流运移以及盐沉淀会降低封存效率和注入能力。本研究评估了工程化CO₂注入策略的技术和经济性能，包括间歇CO₂注入（ICI）、水-气交替注入（WA–CO₂）、碳酸水注入（CWI）以及碳酸水-气交替注入（CWA–CO₂），在低渗透率（180 mD）和高渗透率（1000 mD）咸水层以及注入速率0.01至0.5 MTPA条件下的表现。研究人员将实验室获得的相对渗透率和CO₂扩散率数据纳入三维组分储层模拟，并利用Sleipner基准模型验证了最具前景的策略。通过蒙特卡洛（Monte Carlo）不确定性和敏感性分析评估了技术经济性能。结果表明，注入策略、注入速率和储层渗透率强烈影响捕集效率和压力演化。ICI使溶解捕集提高最多20%，残余捕集增强约40%，平均储层压力降低最多10%，但其较长的运行周期降低了经济吸引力。在评估的备选方案中，WA–CO₂通过增强溶解捕集、改善压力管理和羽流控制，并将封存成本维持在连续注入基准案例的3.6–3.7%以内，提供了最佳的技术与经济性能平衡。利用Sleipner模型进行的场地尺度验证表明，长期捕集效率得到改善，移动CO₂和羽流范围减小。蒙特卡洛分析（20,000次实现）确认了在假设的政策框架下所评估策略的经济稳健性，并识别出第45Q税收抵免和贴现率为主要经济驱动因素。这些发现表明，设计得当的WA–CO₂方案可以显著改善地质CO₂封存的技术和经济性能。

**研究背景与问题提出**
全球变暖与气候变化主要由CO₂等温室气体排放导致，化石燃料燃烧和工业活动贡献了超过70%的人为排放。尽管减排技术不断发展，深部咸水层仍被认为是大规模碳捕集与封存（CCS）最具前景的地质体，因其分布广泛、储容潜力大。然而，传统连续CO₂注入面临储层压力升高、CO₂溶解有限、羽流运移以及盐沉淀等挑战，这些因素会降低封存效率和注入能力。此外，现有研究大多仅评估单一注入策略，或采用合成数值模型，且未考虑经济可行性，缺乏统一框架同时分析渗透率、注入速率、压力演化、羽流运移以及实验性输运性质对长期封存经济性的综合影响。因此，本研究旨在开发一个集成建模与优化框架，系统评估多种工程化注入策略（包括间歇CO₂注入（ICI）、水-气交替注入（WA–CO₂）、碳酸水注入（CWI）和碳酸水-气交替注入（CWA–CO₂）），并耦合实验室实验、三维组分储层模拟以及技术经济分析，以识别最优策略，提升地质CO₂封存的技术与经济性能。该论文发表在《Processes》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用实验室测量的相对渗透率曲线（低渗透率案例取自Berea砂岩，高渗透率案例取自Utsira地层）和CO₂扩散系数（在1400 psi、140 °F、100,000 ppm NaCl条件下测得，扩散系数为2.03×10^?9 m²/s），利用计算机建模集团（CMG）开发的商业组分储层模拟器，建立三维均质模型（100×100×10网格，共100,000个网格块，覆盖约4500英亩）。模型考虑了滞后效应（使用Land捕集模型）和溶解析出（基于Peng–Robinson状态方程和亨利定律）。通过蒙特卡洛不确定性分析（20,000次实现）和Spearman秩敏感性分析评估经济性能。最具前景的策略（WA–CO₂，120:30 CO₂/盐水注入天数比）在Sleipner基准模型（基于CO₂DataShare公开模型，Utsira地层）上进行了场地尺度验证。

**研究结果**
**3. Results and Discussions**（基础案例及整体分析）
连续CO₂注入基准案例中，高渗透率储层主要以结构捕集（STP）为主，大量CO₂以自由相存在；低渗透率储层则因低流速促进毛细力作用，残余捕集（RTP）更显著。溶解捕集（DTP）在注入后期逐渐成为主导机制，且高渗透率储层因对流混合更强，长期溶解捕集更优。平均储层压力在低渗透率案例中上升更明显，但均低于估算的破裂压力（3725 psi）。

**3.1 Sensitivity Analysis**（敏感性分析）
以间歇CO₂注入（ICI）为例分析：采用1、6、12个月关井周期（案例1–3）。与连续注入相比，ICI使溶解捕集增加最多20%，残余捕集增加约40%（高渗透率案例尤为显著），平均储层压力降低最多10–15%。溶解CO₂逃逸率（decay exponent）分析表明，ICI和WA–CO₂的逃逸率最低，能更有效地维持早期溶解捕集。

**3.2 Injection Rate**（注入速率）
注入速率是影响封存性能的关键因素。低注入速率（0.01 MTPA）促进溶解捕集并降低压力；高注入速率（0.5 MTPA）则增加压力上升和自由相CO₂体积。所有工程化策略均在低注入速率下表现出更优的溶解捕集增强效果。

**3.3 Cycling Schemes**（循环方案）
针对WA–CO₂、CWI、CWA–CO₂（案例4–12），引入盐水循环（生产井位于注入井4950 ft或9700 ft外）。在低渗透率储层（180 mD）中，循环方案有效缓解压力（案例4压力降低最多5.1%），但溶解捕集改善有限（仅案例4增加11.6%）。在高渗透率储层（1000 mD）中，循环方案显著增强溶解捕集（案例4增加37.3%），同时减少结构捕集，但压力管理效果不明显（多数案例压力略有上升）。案例4（WA–CO₂，120:30注入天数比）在所有方案中溶解捕集提升最大。

**3.4 Overall Interpretation**（总体解读）
综合非循环方案：低渗透率储层中，案例1–4同时提高溶解捕集（3.9–11.2%）并降低压力（1.2–3.4%），案例4最佳；高渗透率储层中，案例1–5溶解捕集提升16–37%，案例4最高（37%），但压力上升约6%，而案例2和3在捕集提升（约20%）和压力降低（约17%）之间取得最佳平衡。循环方案与无循环方案在溶解捕集上的差异较小，但循环方案有潜力通过增加生产井压降进一步提升溶解捕集。

**3.5 Economic Evaluation and Uncertainty Analysis**（经济评估与不确定性分析）
经济评估基于5 Mt CO₂固定封存目标，假设第45Q税收抵免85美元/吨。蒙特卡洛分析（20,000次实现）显示所有方案均有100%的概率获得正净现值（NPV）。连续注入基准案例中位NPV约2.47亿美元，封存成本17.70美元/吨。非循环方案中，案例6（WA–CO₂）中位NPV约2.20亿美元，成本仅比基准高3.6%。循环方案中，案例6经济性能最优，成本增加约3.6%，NPV降低约11%。Spearman敏感性分析表明，CO₂税收抵免（ρ=0.93）和贴现率（ρ=?0.35）是主要经济驱动因素，其他变量影响微弱。

**3.6 Model Validation**（模型验证）
采用Sleipner模型验证WA–CO₂（120:30注入天数比）方案。与连续注入相比，WA–CO₂使溶解捕集和残余捕集在注入期末提高最多15%，在100年后监测期末提高32%，储层压力仅增加约1.1%，自由相CO₂减少6%，羽流面积减小约15%。

**总结与讨论**
本研究通过耦合实验数据驱动组分模拟与技术经济分析，开发并验证了评估咸水层地质CO₂封存工程化注入策略的集成工作流程。研究结论（翻译）如下：连续CO₂注入作为基准场景，在高渗透率地层中主要由结构捕集主导，导致注入期间大量移动自由相CO₂；低渗透率储层因低流速降低毛细管数，促进残余捕集。溶解捕集在注入后阶段变得重要，高渗透率地层因对流混合增强表现出更大的长期溶解。注入速率是封存性能的主要控制因素之一；低注入速率促进溶解捕集并降低压力，高注入速率则增加储层加压和移动CO₂体积。所有工程化策略均至少改善了连续注入的某一方面性能。间歇CO₂注入有效增强溶解和残余捕集并降低压力，尤其在低渗透率地层中。水辅助注入策略通过改善压力管理和羽流控制进一步提升了封存性能。结果表明，这些策略的有效性强烈依赖于渗透率，因此最优注入设计应针对储层水力特性进行定制。在评估配置中，案例4（WA–CO₂）在溶解捕集改善上最为突出，而案例2和3在高渗透率储层中提供了捕集效率与压力管理的最佳折中。技术经济评估表明，WA–CO₂在提升捕集效率、限制羽流运移、降低储层压力以及维持竞争性封存成本之间提供了最均衡的解决方案。尽管间歇CO₂注入表现出优异的技术性能，但其较长的运行周期降低了整体经济吸引力。在假设的第45Q税收抵免85美元/吨CO₂条件下，所有评估策略均保持经济可行性。蒙特卡洛不确定性分析和Spearman敏感性分析进一步表明，在调查的不确定性范围内，注入策略的经济排序是稳健的，碳价格和贴现率被识别为主要经济驱动因素。这些经济结论以所采用的政策框架为条件，未来研究应评估替代碳定价情景和项目盈亏平衡条件。最后，利用Sleipner基准模型的验证表明，所提出的筛选工作流程可以成功地从简化的均质模型转移到代表性尺度储层。选定的WA–CO₂配置改善了长期捕集效率，减少了自由相CO₂饱和度和羽流范围，并以仅适度增加封存成本的方式增强了封存安全性。总体而言，本研究为筛选工程化注入策略提供了一个实用的一阶决策支持框架，并证明设计得当的WA–CO₂系统是改善未来大规模地质CO₂封存项目技术性能、操作安全性和经济可行性的有前景方法。未来工作应通过纳入完全非均质储层、耦合地质力学和地球化学过程以及场地特定地质表征，进一步优化注入策略。