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地质碳封存中CO?注入引发的干涸（DO）与盐析出（SO）现象对储层渗透率产生显著影响，需通过整合实验与数值模拟建立综合评估流程。
哈坎·阿尔坎（Hakan Alkan）|内马托拉·扎马尼（Nematollah Zamani）|奥莱山大·布拉乔克（Oleksandr Burachok）|迪克·巴甘兹（Dirk Baganz）|莫哈德·阿姆罗（Mohd Amro）
弗莱贝格矿业大学（TU Bergakademie Freiberg）钻井工程与流体采矿研究所，Agricolastra?e 22，09599，弗莱贝格，德国
摘要
在地质碳储存（GCS）过程中，盐的沉淀会对注入性能产生显著影响，这种影响可能是正面的也可能是负面的，因此准确预测这一现象至关重要。注入的二氧化碳（CO2）由于其强烈的蒸发潜力，会置换并蒸发原位盐水，这一过程被称为“干燥作用”（DO）。一旦超过盐的溶解度极限，盐就会开始沉淀（即“盐析作用”SO），这可能导致渗透率大幅降低，在极端情况下甚至会导致孔隙完全堵塞。
在这项研究中，我们旨在通过整合我们正在进行的研究成果和对现有文献的批判性回顾，来深入理解DO和SO的动态机制。我们的目标是开发一种全面的工作流程，以评估SO的范围、分布和控制因素，以及与之相关的反馈机制和缓解策略，这些对于工程实践具有重要意义。首先，我们重新审视了GCS背景下DO和SO的基本物理原理，确定了关键驱动因素和阈值。随后，我们评估了地质、储层和操作参数对这些过程及其对储存性能的影响。此外，我们还综合了来自实验室实验和数值建模方法的当前不确定性。研究最后对驱动因素的相关性及其不确定性水平进行了排序，以支持可持续和高效的二氧化碳注入策略的设计。这项工作不仅仅关注技术复杂性，还旨在为储层和生产工程师提供一个实用的、以决策为导向的工作流程，其中包括减轻GCS操作中盐沉淀风险的方法。
引言
在地质碳储存（GCS）的背景下，储层盐水的蒸发和溶解盐的沉淀通常被称为“干燥作用”（DO）和“盐析作用”（SO）。DO和SO是已被广泛研究的现象，尤其在食品和化工行业中具有应用价值。尽管早期就有迹象表明在石油和天然气作业中也会出现盐沉淀（Kleinitz和T?lke，1982；Place和Smith，1984；Bybee，2009），但直到GCS项目开始时，这一现象才被视为一个风险因素。Snohvit、Ketzin和Aquistore油田是首批有确凿证据表明盐沉淀及其影响的GCS应用案例，这些油田的 formation water 中氯化钠（NaCl）含量较高（Grude等人，2014；Baumann等人，2014；Talman等人，2020）。在GCS应用中的储层中，无论是盐水含水层（SA）还是枯竭的气体储层（DGR），各种地质、岩石物理和操作参数都可能直接或间接影响这些现象。注入的二氧化碳（CO2）由于其比大多数其他气体更强的蒸发能力，会置换并蒸发原位盐水（DO）。随着CO2向储层深处移动，它会逐渐饱和水分并失去蒸发能力。当盐水中的盐达到溶解度极限时，盐析作用（SO）过程就开始了。DO和SO过程可以通过降低水饱和度来提高二氧化碳的渗透率。然而，在这一点之后，多孔介质的基本性质（如润湿性、毛细作用和孔隙结构）开始起作用，加速了SO过程。这可能会对二氧化碳的注入性能产生负面影响，最不利的情况是孔隙完全堵塞，从而威胁到操作的可持续性。
因此，在GCS操作中预测盐析作用（SO）至关重要。过去几十年来，许多学术研究都专门关注这一主题。多项实验室和数值研究表明，盐的沉淀会降低储层的渗透率，甚至可能导致完全堵塞。在最近十年中，多项研究汇总了实验结果，并强调了数值评估方法的重要性。Cui等人（2023年）和Sun等人（2025年）的近期贡献提供了关于在不同条件下进行的岩心注水和微观模型测试的全面综述。他们还指出了实验设置和评估方法相关的不确定性。岩心样本中盐的宏观和微观分布是最重要的挑战之一，这一点得到了多位作者的讨论（包括Miri等人，2015年；He等人，2019a；He等人，2019b）。已经确定，在毛细作用范围内局部集中的盐析作用会显著降低二氧化碳的注入性能。盐水向干燥前沿的毛细回流必须满足特定条件，包括有足够的体外盐水来源和相关的盐水迁移路径。用于局部盐沉淀的体外盐水不仅来自包含储层的地层，还来自低渗透性的夹层等不均匀性。这些情况引入了重大的不确定性，对整体评估产生显著影响（参见Roels等人，2014年，2016年）。
操作参数（如注入速率、二氧化碳流体组成和井位）的不确定性较低，但对于评估和缓解盐沉淀风险仍然至关重要。必须认识到，这些参数的微小变化都可能显著影响盐沉淀及其对注入性能的影响。另一个操作考虑因素是使用水平井作为垂直井的替代方案，这可能会对盐沉淀产生有利或不利的影响。尽管技术进步提高了岩心注水和微观模型实验对操作决策的支持，但从岩心尺度到储层尺度的放大挑战仍然存在。数值评估工具和程序固有的不确定性显而易见。一般来说，没有一种数值建模工具能够完全再现地质特征，因为这些工具基于某些假设。例如，文献中已经广泛研究了盐沉淀引起的渗透率和孔隙率变化之间的关系（例如Zhang和Liu，2016年）。相反，获得可靠的相对渗透率和毛细压力模型仍然是一个普遍的挑战（Tatar等人，2015年；Moodie等人，2021年）。在模拟DO及其导致的SO时，使用平衡模型还是动力学模型也是一个讨论点（Moghadasi等人，2004年；Naillon等人，2018年；Houle等人，2021年）。除了这些不确定性之外，DO和SO的许多方面仍未得到充分研究。例如，细颗粒和水合物形成的影响仅在有限的研究中进行了实验探讨（Sokama-Neuyam等人，2017年；Seyed等人，2018年；Aslam等人，2021年；Alkan等人，2024年）；然而，它们的程度和影响需要进一步全面研究。
尽管存在固有的不确定性，但由于技术和监管要求，评估和缓解GCS操作中的相关风险仍然至关重要。普遍认为，盐析作用主要发生在储层的井筒附近区域。因此，在所有GCS项目中，特别是在含有高浓度盐水地层的SA中，DO之后发生的SO是影响注入性能的主要技术风险之一。为了得出有意义的结论，必须采用全面的工程方法来分析DO和SO。这种方法应考虑储层和操作条件，以及评估工具和技术的能力。然而，现有文献中缺乏对偏好和建议的综述和汇编，以帮助工程师进行决策。
在本文中，我们基于我们正在进行的研究和相关文献，进一步阐明了DO和SO的动态机制。目标是通过提供一套全面的工作流程来提升该领域的现状，该流程用于评估SO的范围、地质分布、影响和受影响的参数，以及可能的支持工程决策的缓解措施。首先，我们回顾了GCS背景下DO和SO的基本物理原理，强调了关键驱动因素。接下来，我们研究了影响这些现象的地质、储层和操作参数及其可能的影响。我们还综合了来自实验室和数值方法的不确定性。研究最后对各种因素进行了排序，以及它们的不确定性水平和潜在的缓解方法，以指导GCS操作中可持续注入性能的设计。我们不仅关注技术细节和科学原理，还旨在为储层和生产工程师提供一个清晰、简洁的工作流程，以帮助他们制定工程设计和操作参数的决策。
部分内容
物理和数值研究
本研究中的发现和专业知识部分来源于我们自己的研究贡献（Taofik等人，2025年；Amro等人，2024年；Burachok等人，2024年；Alkan等人，2024年），并结合了现有文献中的见解，特别是实验室研究和数值研究。
边界条件
候选的GCS储层必须被紧密的地层所包围，以确保在地质时间内二氧化碳（CO2）的封存。这是最重要的认证要求之一，其标准是“对主要密封层的表征能够提供密封能力的信心”。这必须通过地质-地球物理和地质力学评估来确认。除了断层和其他不连续性等地质特征外，围堵地层的岩石物理性质也很重要。
盐水含水层（SA）与枯竭气体储层（DGR）
在DGR中执行GCS项目具有优势，因为可以利用已知的岩石物理和体积参数、生产历史以及地面设施。另一个好处与DO和SO有关。研究表明，由于水饱和度较低，DGR对SO的敏感性较低，如“水饱和度的影响”部分所解释的那样。然而，也存在水分流入形成盐水供应源的可能性，这可能会
评估工具和程序
关于SO的决策质量取决于相关测量的可用性和物理及数值建模工具的可靠性。这些工具在评估给定储层中DO和SO的规模和程度方面至关重要。然而，必须承认这两种工具都有特定的局限性。
讨论
有效决策需要全面理解储层属性、操作参数和建模工具之间的相互作用，所有这些因素都存在不确定性。本研究结合了数值模拟和来自文献及实验结果的见解，以评估SA和DGR中SO的关键因素和不确定性。
盐的沉淀受到多种因素的平衡控制
结论
关于GCS中盐沉淀风险的决策需要全面理解储层属性、操作参数和评估工具之间的相互作用。地层盐度、孔隙率以及Pc（可能指压力梯度Pc）等相关参数对SO至关重要。为了做出有效决策，必须充分考虑其他相关属性，包括不均匀性和距离次级
CRediT作者贡献声明
哈坎·阿尔坎（Hakan Alkan）：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。内马托拉·扎马尼（Nematollah Zamani）：撰写——审稿与编辑，软件，方法论，调查，形式分析，概念化。奥莱山大·布拉乔克（Oleksandr Burachok）：撰写——审稿与编辑，形式分析，数据管理，概念化。迪克·巴甘兹（Dirk Baganz）：撰写——审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
这项研究得益于在RETURN和INJECTWELL等相关项目中积累多年的专业知识和经验。我们感谢所有参与这些项目的人士，并感谢他们在讨论和会议中分享的观察结果。
