利用德克萨斯湾岸盐水处理经验预测CCS性能：大规模注入的校准研究

本刊推荐：为解决地质碳储存(GCS)中高注入速率下的储层性能和压力积聚风险，研究人员开展利用盐水处理(SWD)历史数据预测碳捕集与封存(CCS)性能的主题研究。结果表明多数SWD井表现不佳，但月注入指数显示超半数井具备>1Mtpa CO2当量能力。研究证实GCS井因选址优化和清洁注入流有望优于SWD井，为湾岸大规模CCS部署提供关键校准依据。

　　

随着全球气候变化问题日益严峻，碳捕集与封存（CCS）技术被广泛认为是关键的气候变化缓解技术。目前全球有超过50个地质碳储存（GCS）项目正在推进，其中美国墨西哥湾沿岸是重点区域之一。然而，这些项目计划的注入速率高达每井每年500万吨以上，引发了对储层性能和压力管理的重大担忧。墨西哥湾沿岸的储层在结构和地层上非常复杂，存在潜在的分隔化问题，可能导致意外的压力积聚和注入能力过早丧失。为了校准这一风险，研究人员转向历史盐水处理（SWD）数据，寻求大规模注入的实际经验借鉴。

在这项发表于《International Journal of Greenhouse Gas Control》的研究中，研究人员通过分析德克萨斯湾岸的历史SWD数据，评估了CO₂注入的可行性和风险。1990年至2020年间，超过200亿桶盐水（约2 Gt CO₂当量）被注入非生产性储层，且大多未出现不利影响。研究团队利用注入指数和修改的Hall曲线等方法，深入分析了这些井的性能表现。结果显示，尽管大多数SWD井的终身平均注入指数较低，但月度数据表明超过一半的井至少有一个月表现出大于1Mtpa CO₂当量的能力。此外，研究发现井的性能下降主要源于地层损伤，如微生物、化学不相容性或夹带固体导致的孔隙堵塞，而非储层级别的压力积聚。

为开展研究，研究人员主要应用了几个关键技术方法：首先，从B3 Insight和德克萨斯铁路委员会（RRC）获取了1990-2020年的月度SWD数据，包括注入量、压力和完井信息；其次，通过质量控制（QC）流程处理了原始数据中的异常值和缺失项，确保了分析的可靠性；第三，利用注入指数（J）和标准化注入指数（J_n）评估储层性能，并转换为CO₂当量以进行对比；第四，采用修改的Hall曲线分析井的损伤和恢复周期；最后，通过机器学习算法（如RandomForestClassifier）预测井的目标地层，准确率达74.5%。这些方法结合了地质学、数据分析和工程评估，为研究提供了坚实基础。

4.1. Performance assessment of saltwater disposal wells

研究分析了4002口SWD井的注入量，发现Miocene、Lower Cretaceous、Oligocene和Woodbine层段占总注入量的85%以上。通过标准化注入指数（J_n）评估，Miocene和Woodbine表现出比Lower Cretaceous和Oligocene更好的注入性。P90井的注入能力约为77 stb/yr/psi每英尺射孔长度，而P50井仅为9 stb/yr/psi。月度注入指数分析显示，峰值J值远高于终身平均值，表明间歇性注入影响了性能评估。

4.2. Injection performance equivalent in CO₂ terms

将盐水注入量转换为CO₂当量后，3226口井在30年间注入了超过1.7 Gt CO₂当量。Miocene和Oligocene层段分别接收了500 Mt和370 Mt CO₂当量。CO₂当量标准化注入指数显示，P90井可注入25 ktpa CO₂每1000 psi每英尺射孔长度，而P50井为2.9 ktpa。假设井有100米射孔长度和1000 psi压差，P90井可实现8.25 Mtpa的注入速率，表明地层具备高容量潜力。

4.3. Injectivity-Time series and modified hall plots

时间序列分析表明，井的注入性能随时间的推移而下降，最大性能包络线逐渐降低，尤其是在Lower Cretaceous层段。然而，地层整体未见系统性变化，新井性能不随时间恶化。通过修改的Hall曲线，研究发现井普遍经历堵塞和恢复周期，所有井最终都出现性能下降。部分井显示裂缝开启迹象，但主要问题仍是地层损伤。

研究结论强调，墨西哥湾沿岸地层具有接受大规模注入的潜力，历史SWD经验证实了这一点。尽管多数SWD井表现不佳，但月度数据揭示地层具备高注入能力。CCS井因更好的选址、规划和清洁注入流，预计性能优于SWD井。然而，长期性能仍存在不确定性，主要是地层损伤（如孔隙堵塞）可能影响持续注入。研究建议CCS项目应谨慎乐观，需监控井性能并准备应对措施，如增加井数或更换注入层段。总体而言，这项研究为湾岸大规模CCS部署提供了宝贵的校准数据，支持气候变化缓解目标的实现。