在压力之下：区域地质界限在估算储量资源中的作用

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Under pressure: The role of regional geological boundaries in estimating storage resources

　　摘要
历史上，对储存资源的区域评估主要依赖于体积法（静态容量）。这些方法类似于石油资源评估，应用起来较为直接，但它们隐含地假设可以无限地置换盐水以容纳注入的二氧化碳。Bump和Hovorka（2024）指出，没有哪个储层是永久存在的，地质盆地本质上是封闭的体积。他们认为区域储存资源受到压力限制，并通过应用于德克萨斯州沿海的中新世地层来说明他们提出的方法。虽然这显然是墨西哥湾盆地的一个子集，但他们认为这是一个有用的例子，并且可以通过封闭区域生长断层来边界这些储层。他们计算出的储存资源量为20.3吉吨，远低于之前用体积法得出的125吉吨。但如果那些区域生长断层并没有形成封闭的边界会怎样呢？在沿海中新世研究区域和中新世露头之间有大约100公里的等效横向储层。德克萨斯州沿海中新世的实际边界条件尚不清楚，但它是一个研究良好的区域，可以作为有用的例子。本着探索精神和用最少数据快速获得答案的目标，本研究使用了另一种分析方法来研究将上倾中新世地层作为压力消散区的效果。在基准情况下，我们发现通过允许置换的盐水从沿海注入区迁移出去，沿海中新世的储存资源量从20.3吉吨增加到了36吉吨。随着距离的增加，迁移效果减弱，使得露头处的盐度等高线升高了3-4米，这与之前的研究结果一致。无论德克萨斯州沿海中新世的实际边界条件如何，我们认为这项工作在评估区域储存资源方面具有广泛的应用价值。就像沿海中新世一样，许多潜在的储存区域其储层延伸到了评估边界之外——进入相邻的租约区域、城市下方或类似难以到达的区域。尽管这些相邻储层可能不适合注入，但它们形成了重要的消散区，即使不接受任何二氧化碳也可以提供大量的额外储存资源。这里介绍的方法提供了一种快速评估其影响的方法。

引言
二氧化碳储存资源对于碳捕获与封存（CCS）的可行性至关重要，人们已经投入了大量精力来量化这些资源（例如，Halland等人，2011；Bentham等人，2014；美国能源部NETL，2015；Trevi?o和Meckel，2017；Sun等人，2018；Malik等人，2024）。总体而言，这些估计基于体积法，这些方法虽然简单易用，但隐含地假设了现有储层盐水的无限置换。换句话说，这些方法通常基于“开放含水层”的概念，即注入含水层没有流体流动的侧向边界。因此，假设大量二氧化碳的注入只会导致注入区域产生有限且短暂的超压。对于巨型含水层中的孤立储存站点来说，这可能是一个合理的近似（例如Sleipner），但在盆地尺度上则不然，因为储存储层不会超出盆地边界。在那个尺度上，侧向置换通常受到渗透性地层的侧向收缩和/或储层与不透水基底的相对位置的限制。向下垂直置换常常受到密封地层的限制，墨西哥湾沿岸更深处的超压以及/或不透水基底证明了这一点。向上置换也受到密封地层的限制，最终还受到环境保护法律的限制。露头的注入区是唯一可以合理认为含水层边界在物理上是开放的情况，但在那里，环境保护法律也可能禁止大规模置换储层盐水。鉴于此，Bump和Hovorka提出将区域储存边界近似为水力封闭的（“封闭含水层”方法），并主张使用基于压力的算法来估算盆地尺度的储存资源（Bump和Hovorka，2024）。在这种情况下，二氧化碳储存资源是指能够将水体积压缩到最大允许超压的二氧化碳量。这种方法得出的储存资源分布图考虑了空间地质变异性和压力限制储存的约束。他们基于预测储层断裂压力的90%的压力，得到了平均储存效率为0.58%的结果。

Bump和Hovorka的研究与之前的区域资源评估有显著不同，因为他们使用了基于压力的算法，并且他们的结果显示储存资源量比之前的研究少了一个数量级（Halland等人，2011；Bentham等人，2014；美国能源部NETL，2015；Trevi?o和Meckel，2017；Malik等人，2024）。虽然他们不是第一个提出储存受到压力限制的人，也不是第一个将基于压力的算法应用于盆地尺度的人，但他们明确指出了储层压力可能是关键限制因素（van der Meer，1993；Obdam等人，2003；Birkholzer和Zhou，2009；Ehlig-Economides和Economides，2010；Thibeau和Mucha，2011；Thibeau等人，2014；Gasda等人，2017；Ougier-Simonin等人，2026）。同样，他们提出了一种可以轻松应用于历史区域静态容量分析中使用的数据网格的快速分析方法。然而，即使在盆地尺度上，封闭边界的近似在至少两种常见情况下也会失效：1）储存储层露出地表并与大气发生水力连通；2）在更大盆地内的子区域进行评估，例如北海租赁区块或墨西哥湾大陆架。这两种情况下，储存储层可能会延伸到感兴趣的区域之外，允许盐水从评估区域排出。这可能会增加评估区域内的储存资源（尽管可能会对相邻区域产生压力），或者如果相邻租约区块已经因其他二氧化碳储存项目而受压，则最终减少储存资源。同时，盐水置换可能受到地下因素和/或监管限制的影响。储层的性质（如渗透性和厚度）可能会限制盐水置换速率，导致注入速率超过置换速率时压力积累。同样，对淡水的法定保护可能会在露头的储层中创建一个法律上的不可流动边界，其中孔隙流体从地表的淡水变为下倾处的高盐度盐水。简而言之，现实世界的注入区边界往往既不是完全开放的，也不是完全封闭的，上述方法都无法很好地处理这两种情况。Bump和Hovorka（2024）的封闭边界方法可以被视为保守的极端情况，而假设开放边界的体积法则代表了乐观的极端情况。具有讽刺意味的是，Bump和Hovorka（2024）用来说明压力限制资源评估的例子可能是一个部分封闭边界的例子。德克萨斯州沿海的中新世是一系列高孔隙率的滨海储层，目前储存开发的重点区域（图1）。这些储层向上倾斜大约100公里到达评估区域的内陆。Bump和Hovorka（2024）建议，区域性的沿海平行生长断层可能会形成封闭的水力边界，但如果这些断层允许跨断层盐水流动，那么上倾的储层将提供压力消散，从而增加沿海中新世的储存资源。这对储存资源会有什么影响呢？这些问题可以通过许多商业上可用的储层建模软件包轻松解决，包括CMG、Eclipse、IX、MRST和OPM等（CMG-GEM，2012；Lie，2019；Rasmussen等人，2021；SLB，2026）。事实上，许多已发表的研究使用这些软件包来回答有关特定潜在储存地点的类似问题。然而，这些模型的复杂性也是它们的主要缺点。它们需要高分辨率数据，创建过程耗时且计算成本高昂。在勘探初期阶段，可用数据通常很少，完美的答案并不是必需的。像EASiTool和CO2BLOCK这样的快速评估工具是宝贵的补充，可以帮助进行现实的、基于压力限制的注入能力和储存容量评估（Ganjdanesh和Hosseini，2017；De Simone和Krevor，2021；Wang和Hosseini，2024）。然而，这两种方法专注于优化储存区域中的井布局。Bump和Hovorka的方法提供了一种快速的储存资源评估方法，考虑了地质变异性，但当然假设了封闭边界（Bump和Hovorka，2024）。本文的目的是扩展Bump和Hovorka的工作，以解决如果目标储存地层的一个或多个边界是开放的情况下的储存资源评估问题。像Bump和Hovorka（2024）一样，我们采用勘探者的方法，使用Chatelan等人（2023）的快速评估方法。我们的目标不是最终确定墨西哥湾中新世地区的储存资源量，而是展示另一种分析方法的应用，并提出一些假设：如果上倾的区域生长断层没有形成水力屏障会怎样？如果注入区与露头水力连通会怎样？这将如何影响储存资源？如果不隔离注入区与露头，是否会构成致命缺陷？我们认为这些见解对于早期的快速资源评估具有广泛的应用价值，无论是对有露头暴露的储存储层还是对更大储存储层的区域子部分。

地质
德克萨斯州沿海的中新世是更大的墨西哥湾沉积盆地的一部分，是一个前进的被动边缘。德克萨斯州和路易斯安那州的沿海平原位于盆地的西北部，由中生代碳酸盐岩组成，上面覆盖着来自北美内陆的新生代沉积物（Galloway等人，2011；Snedden和Galloway，2019）。这些沉积物逐渐从白垩纪碳酸盐岩架边缘向外堆积形成了现代大陆架。

带有区域压力消散的储存资源评估
为了评估侧向含水层对二氧化碳储存资源的影响，我们使用了Van Everdingen和Hurst（1949）为石油生产开发的分析含水层方法，并由Thibeau和Adler（2023）扩展到盐水含水层中的二氧化碳储存。利用这种方法，我们定义了一个注入二氧化碳的区域和一个或多个侧向含水层，置换的盐水可以流入这些含水层。我们估计从储存区域排出的地层水量。

对参考案例的影响
Bump和Hovorka（2024）估计德克萨斯州沿海中新世的二氧化碳储存资源量为20.3吉吨，假设该区域可以被加压到法定限制的90%的砂岩破裂压力。他们选择封闭边界的理由是，认为区域生长断层和/或上倾注入项目可能会形成有效的水力屏障。他们的参考案例还明确排除了盐水生产的可能性，尽管他们指出盐水生产可能会改变情况。

讨论
从20吉吨（封闭边界；Bump和Hovorka，2024）增加到36吉吨（区域开放边界；当前研究）的差异非常显著，这突显了侧向含水层或压力消散区的潜在重要性。我们将“消散区”定义为未被注入二氧化碳占据但接受置换盐水的岩石体积。这些区域可以采取以下三种形式之一：
• 位于二氧化碳羽流边缘之外的同一储层的侧向连接部分

结论
长期以来，储存资源评估领域一直基于开放边界和无限盐水置换的假设。虽然这对于巨型含水层中的孤立储存站点可能是有效的，但Bump和Hovorka正确地指出，在盆地尺度上这是不可行的。他们认为储存储层应被视为封闭的水力单元，并根据压力限制条件进行评估（Bump和Hovorka，2024）。这得出了更现实的估计结果。