GCS和SWD井的集线器规模地下流体注入：对项目间干扰和区域压力积累的影响

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Hub scale subsurface fluid injection of GCS and SWD wells: Implications on inter-project interferences and regional pressure buildup

地质碳封存（GCS）项目在 Gulf Coast 地区快速增多，导致压力干扰风险加剧。本研究通过 EASiTool 工具模拟多项目 CO2 注入引发的区域压力变化，发现邻近项目 AoR 可能合并扩大，单项目 AoR 估算值偏小。压力干扰不仅影响储层安全，还制约了注采速率和储容能力。敏感性分析表明压力阈值、地质参数和注入速率是 AoR 形状的关键控制因素。现有盐水回注井（SWD）对压力分布具有显著影响，需纳入项目规划评估。

　　随着全球对气候变化问题的关注不断加深，地质碳封存（Geological Carbon Storage, GCS）作为一种有效的碳减排手段，正在迅速发展。GCS项目通过将二氧化碳（CO?）注入地下地质构造中，实现对大气排放的控制。这一技术虽已有超过五十年的历史，但专门用于气候减缓的封存项目近年来才开始大规模推进，主要得益于政策支持和财政激励的增强。目前，美国墨西哥湾沿岸已成为全球GCS项目的重要中心，其独特的地理位置、丰富的地质资源和成熟的行业经验，使其成为GCS技术实施的理想区域。

墨西哥湾沿岸的GCS项目数量正在快速增长，截至2024年底，该地区已有超过50个封存项目进入开发阶段，预计总注入量可达每年330百万吨（Mtpa）。这一数字表明，GCS项目在该地区的部署规模和影响力正在不断扩大。然而，随着项目数量的增加，CO?注入可能引发的地下压力干扰问题也日益突出。压力干扰不仅影响单个项目，还可能对区域内的水资源安全和地质环境产生深远影响。因此，在启动新的GCS项目之前，对地下压力变化及其相关影响区域（Area of Review, AoR）进行建模分析，具有重要意义。

在GCS项目中，压力干扰通常指的是多个项目之间的相互作用，导致地下压力场发生变化。这种变化可能使某些区域的地下压力超过设定的临界值，从而对地下水层造成潜在威胁。美国环境保护署（EPA）和各州政府对地下注射活动的监管主要通过《地下注射控制（Underground Injection Control, UIC）》计划进行，该计划旨在保护地下饮用水源（Underground Source of Drinking Water, USDW）。根据UIC计划，不同的注射井类别有不同的监管要求和规则。例如，Class II主要用于石油开采相关的盐水处置（Saltwater Disposal, SWD），而Class VI则是专门针对GCS项目的最新且最严格的类别。

AoR的定义基于注射活动引起的地下压力变化，特别是当压力上升到足以影响地下水层的水平时，该区域即被视为需要重点审查的范围。AoR的划定不仅取决于具体的项目位置，还受到多个因素的影响，包括注入区的盐度、与最低淡水层的垂直距离以及注入速率等。这些因素共同决定了压力变化的范围和程度。通过EASiTool这一分析工具，可以快速评估压力干扰的风险，并确定关键变量对井底压力的影响。此外，EASiTool还能够分析现有SWD井对GCS项目的影响，从而帮助项目开发者更好地规划和管理潜在的环境风险。

在墨西哥湾沿岸，GCS项目通常集中在构造盆地的特定区域，如向斜带，以避免与邻近的石油开采井密集区发生直接冲突。然而，随着项目数量的增加，相邻项目之间的压力干扰风险也在上升。这种压力干扰可能使多个项目的影响区域合并，形成一个更大的AoR，其中许多区域可能缺乏明确的管理和责任归属。压力干扰不仅对水资源安全构成威胁，还可能影响项目的实际运行效率和经济效益。例如，注入速率受到井筒与储层之间压力差的影响，当压力差减小时，注入速率也随之降低。此外，GCS项目的最大储存容量与压力空间密切相关，压力空间由孔隙体积和允许的压力上升范围共同决定，类似于天然气储气罐的容量。

因此，为了确保GCS项目的可行性，必须在考虑区域压力变化的基础上，合理规划和管理项目。这包括对现有SWD井的影响进行评估，以及探索使用盐水抽取等手段来缓解注入区的压力上升。尽管目前的技术和方法能够对单个项目的压力变化进行建模，但在面对多个项目之间的复杂相互作用时，仍然存在一定的挑战。例如，地下地质结构的不确定性可能导致压力传播的不均匀性，而邻近项目的实施计划可能缺乏透明度，使得项目开发者难以全面评估区域压力变化的潜在影响。

针对上述问题，本研究旨在实现两个目标。首先，评估墨西哥湾沿岸GCS项目之间的压力干扰潜力，包括对现有SWD井和盐水抽取用于压力管理的可能性进行分析。其次，探索使用EASiTool这一快速评估工具，以帮助监管机构、项目开发者和其他利益相关方更有效地进行压力干扰的初步分析。EASiTool基于分析模型，能够在不依赖复杂计算的情况下，快速估算储存容量、划定AoR范围、进行敏感性分析和经济评估。通过这种方式，项目开发者可以在不进行详细模拟的前提下，初步了解潜在的环境风险和项目可行性。

在实际应用中，压力干扰的预测仍然面临诸多困难。首先，地下地质结构的不确定性使得压力传播的路径和范围难以准确预测。其次，邻近项目的实施计划往往缺乏公开信息，使得项目开发者难以全面了解可能影响其项目的其他活动。此外，进行区域规模的模拟需要大量的计算资源和时间，这对于快速评估和决策而言可能并不现实。因此，许多项目在实施过程中仍然倾向于独立建模和审批，缺乏对区域压力变化的全面考虑。

本研究通过EASiTool的使用，对墨西哥湾沿岸的GCS项目进行了区域尺度的分析，重点考察了德克萨斯州和路易斯安那州的项目情况。研究结果表明，宣布的项目可能会共同影响较大的地下区域，其压力变化范围可能远远超过单个项目的预测。此外，邻近项目之间的压力干扰可能导致AoR的合并，形成一个更大的压力影响范围。这种合并不仅增加了环境管理的复杂性，还可能对项目开发的经济性和可持续性产生重要影响。

通过EASiTool的快速评估，研究还发现，盐水抽取可以作为一种有效的压力管理手段，帮助缓解注入区的压力上升。这一发现对于项目开发者而言具有重要的指导意义，特别是在面临多个项目之间的复杂压力干扰时，盐水抽取可能成为一种可行的解决方案。此外，研究还对不同参数对AoR范围的影响进行了敏感性分析，包括注入速率、盐度、孔隙度、厚度等。这些参数的变化可能显著影响AoR的大小和形状，从而对项目的规划和实施产生重要影响。

综上所述，随着GCS项目的快速发展，压力干扰问题日益突出。为了确保项目的可行性和安全性，必须对区域压力变化进行充分评估，并探索有效的压力管理策略。EASiTool作为一种快速评估工具，能够帮助项目开发者和监管机构更高效地进行压力干扰的初步分析，从而为决策提供科学依据。未来，随着技术的进步和数据的完善，压力干扰的预测和管理将更加精准，为GCS项目的可持续发展提供有力支持。