新疆东准噶尔盆地二氧化碳地质封存与强化采水综合现场试验及建模研究

《Fuel》：Integrated field test and modeling study of CO 2 geological storage with enhanced water recovery in Eastern Junggar Basin of Xinjiang

　　

**摘要** 新疆作为中国主要的能源出口枢纽，面临着巨大的碳排放压力和严重的水资源短缺问题，使得CO2地质封存与强化采水（CO2-EWR）技术成为促进区域发展和增强国家能源安全的共赢策略。本研究依托中国地质调查局与中石油新疆油田分公司联合在新疆准噶尔盆地东部西窑组进行的我国首次CO2地质封存与深层咸水生产现场先导试验，利用钻井、测井、试井和实验分析的综合数据集，建立了目标储层-盖层系统的高分辨率三维非均质地质模型，并通过模拟验证，模拟结果与实际SF6示踪剂测试结果高度吻合，证实了该模型在预测CO2羽流迁移方面的准确性。评估了24种操作方案，包括井距、生产井方位、生产井数量、注入量、注入速率和边界条件。主要发现表明：储层非均质性关键性地控制着CO2的迁移；随着井距的增加，产水量先升后降，当生产井与CO2主要扩散方向一致时产水量达到峰值；增加生产井数量可提高深层咸水采收效率，在相同注入条件下CO2与水的质量比达到0.82；均匀速率注入可加速储层压力释放；封闭边界条件下的产量是开放边界条件下的三倍，且与生产井数量无关。本研究验证了CO2-EWR技术的可行性和安全性，为新疆及地质条件相似地区的大规模应用提供了基础框架，以同时应对碳中和与水安全挑战。

**引言** CCUS（碳捕集、利用与封存）是实现碳中和的重要技术路径[60]。在CCUS技术谱系中，将CO2封存于深层咸水岩层已成为一种高效的碳减排策略[2], [4], [34]。在中国，陆相沉积盆地具有巨大的CO2深层咸水岩层封存理论潜力，估计储量达万亿吨级，预计到2060年可支撑数亿吨至十亿吨级的CO2减排量[19], [51], [60]。在全球碳中和与排放达峰的迫切需求下，世界各国已开展大量CCUS技术研究并取得显著进展[3], [5], [9], [15], [16], [22], [26], [32], [52], [53], [59]。然而，向深层咸水岩层大规模注入CO2可能导致注入井附近孔隙压力迅速积聚，从而限制CO2注入并增加泄漏风险[6], [14], [27], [32]。在优化距离处战略性布置咸水生产井可显著缓解储层压力、降低盖层完整性威胁，并减少断层再激活和诱发地震的风险[1], [14]。近年来，越来越多的学者开始关注CO2地质封存与深层咸水生产技术（CO2-EWR）的研究，这是一种协同增强封存安全性和资源利用率的方案[1], [12], [21], [23], [33], [36], [37], [39], [40], [56], [61]。

压力积聚已成为项目实施过程中阻碍CO2大规模高效注入及其长期安全地质封存的主要技术瓶颈[1], [10], [20]。CO2-EWR技术（一种新型CCUS技术）具有双重优势：在增强CO2封存潜力的同时获取大量地下水资源[31], [56]，为中国西北干旱地区的高排放、高耗水行业提供了战略性解决方案[37], [48]。从CO2注入区提取咸水后再注入浅层上覆含水层，可使封存能力提高30%以上[8], [9], [24]，并优化地下空间利用[11], [18], [20]。CO2-EWR技术应综合考虑CO2注入井数量、注入井与生产井间距以及咸水生产技术[23], [49]。此外，在选择咸水含水层时，还应考虑沉积环境、深度、孔隙度和渗透率条件、断层以及含水层边界条件等多种因素[7], [21], [43]。缩短注入井与生产井之间的距离并增加井的数量，不仅可以增强CO2注入能力，还可以提高盐水产量。生产井数量对注入能力和单井产量的影响比井间距更为显著[57]。储层地质参数（孔隙度、渗透率、地层倾角、盐度等）主要影响CO2羽流迁移和CO2相变过程[25], [38], [40], [50], [56]。当断层带作为输水通道时，注入CO2可有效提高深层盐水的采收率[43]。无论是在岩心尺度、场址尺度还是盆地尺度上，储层非均质性地对气封存能力、CO2羽流的空间迁移与分布、注入井周围的压力积聚以及咸水生产效率具有重要控制作用[12], [16], [28], [39], [45], [58]，这可能会削弱CO2注入能力，降低残余CO2捕获量及咸水采收效率[15], [55]。此外，多项研究表明，随着基质渗透率非均质性程度加剧，封存能力显著降低；然而，随着孔隙度非均质性程度加剧，封存能力显著增加，这表明基质非均质性对封存能力具有主导影响（影响因子高达2.8）[15], [40], [46], [47]。在经济成本方面，绘制了以工业分离过程为CO2来源的陆上沉积盆地CO2-EWR潜力成本曲线[62]。CO2注入策略是提高CO2驱水效率的关键[11]，而质量参数和运输方式也是重要的成本因素[61]。

新疆地区资源丰富，但面临着巨大的碳排放压力和严重的水资源短缺问题。CO2-EWR技术对于推动中国西部地区发展和增强国家能源安全而言是一种共赢选择[32], [36], [39], [40], [56]。新疆是中国重要的能源出口地区，尤其是煤炭资源，拥有东准噶尔、吐哈、伊犁、库拜和和丰-克拉玛依五大煤炭开发加工基地。其中，东准噶尔能源基地的预测煤炭资源储量为3900亿吨。然而，煤化工企业属于高污染、高耗水行业，对水资源需求巨大[39]。到2030年，新疆东准噶尔能源基地的水资源短缺将达到数亿吨，工业水重复利用率将超过98%。水资源已成为制约西部地区经济发展的主要瓶颈，尤其是煤化工企业的发展[30], [39]。在大规模CO2地质封存工程实践中，通常通过管道将捕获的CO2从排放源输送至封存场地。准噶尔盆地在CO2排放源与适宜封存场所之间展现了良好的空间匹配性。最有前景的咸水岩层封存层主要分布在盆地中部和北部，管道输送距离一般为直线距离不到70公里。典型的排放源包括克拉玛依、富蕴县卡拉布隆乡以及东准噶尔五彩湾工业园区。这些距离被认为在技术上是可行的、在经济上也是可承受的，进一步支持了在该地区大规模部署CO2封存的实践可行性。此外，CO2-EWR技术能够提取深层咸水资源，随后可通过反渗透、电渗析、结晶或蒸馏等方法进行处理，使其适用于农业和工业用途。根据Ma等人[39]的研究，相关处理成本在4至7元/m3之间。这种双重效益方案——同时实现CO2封存和咸水回收——显著提高了咸水岩层中CO2地质封存的经济可行性。已有研究对准噶尔盆地的CO2地质封存（CGS）和CO2-EWR技术评估开展了初步研究[11], [17], [32], [36], [39], [41], [56]，并取得了丰富成果。然而，众多探索性研究始终缺乏领先示范项目和田间先导试验的支持与验证。Ma等人[39], [40]和Yang等人[56]仅基于均质或简化非均质数值模型进行理论潜力评估，未使用现场注入工程或示踪剂监测数据进行校准。Diao等人[17]是一篇综述文章，仅总结了先导试验的概况，未进行详细的场址尺度模拟或多方案机理分析。然而，目前仍有许多问题亟待解决，如储层非均质性的详细表征、储层中CO2迁移和转化特征的准确描述，以及实际工程注入和监测数据的验证，这些直接阻碍了新疆CO2地质封存早期示范实践的推进。

鉴于新疆东准噶尔能源基地当前水资源短缺形势和CO2减排的迫切需求，依托前期地质调查工作的基础和积累，中国地质调查局与中石油新疆油田分公司于2018年在新疆东准噶尔联合开展了我国首次CO2-EWR现场先导试验。本研究主要依托该现场先导试验，以新疆东准噶尔侏罗系西窑组砂岩储层下部为研究对象，旨在对该现场先导试验进行拟合研究，修正试验区三维地质模型，然后开展CO2-EWR在小井组尺度的影响机理研究。本研究考察了注入井间距、生产井方位、生产井数量、注入量、注入速率和边界条件等变量对深层咸水产出效率的影响。

本研究基于中国西窑组进行的首次CO2-EWR现场先导试验。通过整合多源现场数据——包括CO2注入操作、井下压力监测和SF6示踪剂监测——校准了三维非均质地质模型，实现了在实测约束下的场址尺度定量模拟。此前的区域尺度研究不具备这一层面的实证支持。在机理认识方面，我们的场址尺度模拟揭示了若干新颖的耦合现象：井间产水量与井距之间存在非线性关系；在开放边界条件下，产水量随生产井数量线性增加，但在封闭边界条件下，产水量不受井数调控。在工程应用方面，通过对各种注采方案的对比分析，为新疆深层咸水岩层先导项目提出了优化的井网配置和注入策略，可作为类似先导试验的直接参考。本研究确定了CO2-EWR技术的可行性和安全性，为新疆东准噶尔地区启动大规模CCS/CCUS项目提供了技术支持和理论依据。

**章节片段**

**中国CO2-EWR现场尺度实验** 2018年6月底至7月中旬，中国地质调查局联合中国石油新疆油田分公司在新疆准噶尔盆地东部开展了CO2-EWR现场尺度实验，累计注入CO2 1010吨，这是中国首次CO2-EWR现场尺度实验（图1）。该先导试验的目标注入层为侏罗系西窑组咸水岩层，储层埋藏深度为……

**方法** 本研究以准噶尔盆地东部CO2-EWR现场尺度实验为案例，开展模拟拟合研究。在收集试井、测井及其解释数据后，建立了新疆准噶尔盆地东部侏罗系西窑组储层的三维静态地质模型。基于三维非均质地质模型，开展了现场尺度CO2强化采水（CO2-EWR）试验的模拟拟合研究……

**监测结果** 现场试验于2018年6月29日开始，7月16日完成，累计注入CO2 1010吨。在不同时间点设置的注入速率分别为0、1.5 t/h、2.0 t/h、3.0 t/h、4.0 t/h、2.0 t/h、0.0。

作为预注入步骤，在注入CO2之前，向储层中注入了60 kg六氟化硫（SF6，气态）作为示踪剂。在注入期间，注入井的井底压力随注入时间的推移缓慢上升，且压力逐渐增加

讨论 中国西北地区是能源出口的关键区域，面临减碳与水资源匮乏的双重挑战，需要从先导试验到大规模实施的CO2-EWR技术分阶段部署是必要的。基于小型井组现场先导试验的监测数据开展早期示范，可为工程实践提供可靠的技术支撑。然而，由于关键影响因素的不同，不同现场规模和注入质量下的结论存在显著差异。

结论 本研究聚焦于准噶尔盆地东部现场规模CO2-EWR实验的模拟与标定。通过一系列研究，包括三维地质建模、模拟标定、模型精细化与敏感性分析，准确预测了CO2羽流在储层中的运移模式，验证了井下示踪剂监测的有效性，并确定了现场规模因素（井距、井向、注入量、注入

CRediT作者贡献声明 马鑫：撰写——初稿、软件、项目管理、调研、数据整理、概念化。刁玉杰：项目管理、方法论、调研、资金获取、形式化分析、数据整理。李旭峰：资源、调研。温东光：调研、数据整理。罗兴旺：验证、概念化。杨国栋：撰写——审阅与编辑、可视化、方法论。曹伟：软件、形式化分析。符杰：可视化、数据

利益冲突声明 作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢 本研究得到了中国国家重点科技重大项目（项目编号：2026ZD1014200、2024ZD1004300）、国家重点研发计划（项目编号：2019YFE0100100）以及河北省科技计划（项目编号：252S4001D、22374004D）的资助。本研究还部分得到了中国地质调查局项目（项目编号：DD202607303303、DD20240201304）的支持。我们感谢Andrew Fietz教授和Liuqi Wang博士在我在期间提供的指导与帮助。

马鑫|刁玉杰|李旭峰|温东光|罗兴旺|杨国栋|曹伟|符杰|金行国|桑树勋 中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏徐州 221116，中国