评估魁北克圣劳伦斯地台断裂致密波茨坦砂岩储层中的CO2注入能力和安全CO2注入速率

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Assessing CO 2 injection capacity and safe CO 2 injection rates in the fractured tight Potsdam sandstone reservoir, St. Lawrence Platform, Quebec

　　

断裂砂岩储层中的CO₂封存作业具有挑战性，因其可能导致高储层压力累积、盖层水力压裂或断层滑动再激活。研究人员评估了圣劳伦斯地台Bécancour断块下古生界波茨坦砂岩（深度约1.2 km）中断裂致密咸水含水层的CO₂注入能力。开展了静态封存能力评估以及垂直井和水平井中CO₂注入的三维动态储层模拟。通过基于盐水生产的历史拟合对断裂储层模型进行了校准。CO₂主要以气相而非溶解于水的形式储存，且储存在基质中的量大于通过裂缝运移的量。压力前缘在断裂储层中的传播速度和距离远快于和远大于CO₂羽流，从而在距注入区域更远处增加了地质力学和井完整性风险。在具有压力限制能力的断裂致密储层中，CO₂单井可及封存潜力和实际注入速率受孔隙体积、井底压力累积和井设计的强烈控制。在断裂致密储层中，使用水平井而非垂直井进行CO₂注入估计更为可取，因其有助于增加储层接触、最大化与垂直裂缝的交切、降低井底压力和垂直CO₂羽流传播、降低盖层泄漏风险并提高封存能力。网格敏感性测试表明，压力和饱和度等动态属性取决于网格单元尺寸，且在细分辨率网格中估计更为准确。

论文解读：断裂致密砂岩储层CO₂注入能力评估——以圣劳伦斯地台波茨坦砂岩为例

**1. 研究背景与意义**

全球气候变化减缓目标要求大幅减少大气CO₂排放，国际能源署（IEA）净零排放情景提出2030年前每年需封存约1286 Mt CO₂。地质封存是实现这一目标的关键路径之一，其中深层咸水含水层被认为是最主要的封存资源，但多数尚未充分勘探。与常规高渗透储层相比，断裂致密砂岩储层因其低孔隙度、低渗透率但存在天然裂缝的特点，成为具有潜力的封存目标。然而，在这类储层中注入CO₂面临显著挑战：高注入速率可能导致储层压力快速累积，引发盖层水力压裂、断层滑动再激活甚至诱发地震。此外，裂缝网络的存在可能使CO₂羽流沿裂缝快速运移，超出预期范围，增加泄漏风险。因此，系统评估断裂致密储层的CO₂注入能力和安全注入速率，对于拓展CCS选址范围、实现气候目标至关重要。

本研究聚焦加拿大魁北克省圣劳伦斯地台Bécancour断块的下古生界波茨坦砂岩，目标储层深度约1.2 km。该区域发育NE-SW向正断层和次级转换断层，储层基质渗透率极低（多数<4 mD），但局部存在天然裂缝，可能提供次要渗透通道。研究人员通过静态资源评估和三维动态模拟，旨在回答以下问题：天然裂缝如何影响CO₂羽流运移？裂缝网络建模的不确定性如何通过现场数据约束？压力前缘传播对注入能力有何影响？以及如何降低断层滑动和盖层破坏风险。该研究发表于《International Journal of Greenhouse Gas Control》，为断裂致密储层CO₂封存提供了重要的定量依据。

**2. 主要技术方法**

研究采用多方法综合手段，主要包括：基于Petrel?构建三维结构模型，利用FMI测井和露头数据建立离散裂缝网络（DFN）模型，并通过Oda方法模拟裂缝渗透率；使用Eclipse300?的CO2STORE模块进行双孔双渗（DP/DP）动态模拟，模拟垂直井和水平井注入情景；通过历史匹配盐水生产数据校准模型；静态资源评估则采用50,000次Monte Carlo模拟。数据来自Bécancour地区的A196、A198、A246等井，包括岩心、测井和钻井报告。

**3. 研究结果**

**3.1 岩石物理测井分析**
通过对井A196、A198和A246的岩心及测井数据分析，波茨坦砂岩基质孔隙度极低（Covey Hill组中值5.8–7.0%，Cairnside组中值1.3–5.7%），水平渗透率中值0.1–0.5 mD。相比Cairnside组，Covey Hill组具有更好的储集性能，是主要的注入目标。

**3.2 FMI解释**
井A246的FMI测井识别出两组主要导水裂缝：NW-SE向（倾向N214°/40°）和NE-SW向（倾向N108°/80°）。裂缝多为部分充填或开启，是高角度和中等角度裂缝。

**3.3 DFN建模**
基于FMI数据建立了两种裂缝网络模型。DFN-1采用两组近垂直裂缝（倾角80°），生成的平均裂缝孔隙度约0.005%，水平渗透率均值575 mD，垂直渗透率均值962 mD。DFN-2将其中一组裂缝倾角改为40°，结果显示水平渗透率增大而垂直渗透率减小，说明低角度裂缝增强水平流动，高角度裂缝增强垂直流动。

**3.4 盐水生产历史匹配**
通过模拟井A198在2001–2006年的盐水生产，发现DP/DP模型（含裂缝）能够很好地再现观测井底压力（BHP），而单一基质模型则显著低估压力下降幅度。这表明天然裂缝对储层流动特性有重要控制作用，模型校准成功。

**3.5 静态封存资源评估**
针对Bécancour断块（102 km²）的Monte Carlo模拟显示，CO₂静态封存容量均值为30.5 Mt（P50），P10为44.9 Mt，P01为61.2 Mt，单位面积容量0.44–0.69 Mt/km²。

**3.6 三维动态模拟**
在Model 1（无孔隙体积倍增）中，以1 kg/s注入垂直井时，BHP在8年后达到20.8 MPa限值，累计注入506 kt；水平井可注入14.5年，累计561 kt，注入能力高11%。在Model 2（含孔隙体积倍增）中，增大孔隙体积可延缓压力累积，但垂直井在高注入速率（≥2 kg/s）下仍迅速触及BHP限值，实际注入速率显著下降。水平井在孔隙体积增至4.78×10⁹ rm³时，可维持2 kg/s注入20年，累计注入达1.95 Mt。所有模拟均显示，压力前缘传播远快于CO₂羽流，水平井的羽流垂直扩展小于垂直井。

**4. 讨论与结论**

讨论部分指出：CO₂主要存储在基质中，裂缝作为次要通道，在羽流顶部和边缘起主导作用；压力前缘传播可能影响远处断层稳定性，应纳入监测范围；注入引起的最大压力增加（约5.8 MPa）低于盖层破裂阈值（15 MPa）和雅马斯卡断层再激活阈值（6–8 MPa），风险可控；网格敏感性测试表明，细网格可减小数值弥散误差，提高压力与饱和度预测精度。水平井虽然钻井成本较高（约1.5–2倍），但可减少井数、降低泄漏风险，是更优选择。

**结论翻译：**
静态储层资源评估表明，Bécancour断块（102 km²）内CO₂封存容量为30.5 Mt（均值）至61 Mt（P01），换算至全盆地（8000 km²）约3.5 Gt，与先前断层盆地模型理论值3.18 Gt相符。3D动态模拟显示，CO₂主要储存在基质中，气相远多于溶解相；在压力限制的致密储层中，单井注入能力受孔隙体积、BHP和井设计控制。水平井注入能力是垂直井的2.3倍，且增加更快。压力前缘传播比CO₂羽流快3–7倍，需关注其对远处断层和井完整性的影响。在BHP限值为20.8 MPa（90%最小水平应力）条件下，模拟最大压力增加5.8 MPa，低于盖层破坏和断层再激活阈值，风险较低。网格敏感性测试证实细网格估计更准确。该研究为断裂致密储层CO₂封存提供了可靠的四维模拟框架和实际指导。