地质碳储存中盐沉淀风险的决策制定：驱动因素与不确定性

《Geoenergy Science and Engineering》：Decision making on salt precipitation risk in geologic carbon storage: Driving factors and uncertainties

盐析现象对地质碳封存中CO2注入性能的影响及其综合评估与缓解策略研究。摘要：通过整合实验室研究、数值模拟与文献综述，系统分析了地质碳封存（GCS）中CO2蒸发导致的干燥（DO）与盐析（SO）机制，揭示了地质条件、储层参数及操作参数对盐析分布、孔隙堵塞及注入性抑制的相互作用规律，提出了包含风险量化、驱动因素排名及工程缓解措施的决策流程。

　　

作者列表：Hakan Alkan | Nematollah Zamani | Oleksandr Burachok | Dirk Baganz | Mohd Amro

研究机构：德国弗赖贝格矿业大学（TU Bergakademie Freiberg）钻井工程与流体采矿研究所，地址：Agricolastra?e 22，邮编09599

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，会置换并蒸发地层中的盐水，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（称为“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。

本研究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，加深对DO和SO动态机制的理解。我们的目标是开发一个全面的工作流程，以评估SO的程度、分布及其控制因素，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，我们重新探讨了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。研究最后对各种驱动因素的相关性及其不确定性水平进行了排序，以支持可持续且高效的二氧化碳注入策略的设计。这项工作不仅关注技术复杂性，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，并提出了一些缓解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分别被称为“干燥作用”（DO）和“盐析作用”（SO）。DO和SO是已被广泛研究的现象，尤其在食品和化学工业中有着重要的应用。尽管早期就有研究表明石油和天然气作业中存在盐沉淀现象（Kleinitz和T?lke，1982年；Place和Smith，1984年；Bybee，2009年），但直到GCS项目启动后，这一现象才被认定为一个风险因素。Snohvit、Ketzin和Aquistore油田是首批有明确盐沉淀证据及其影响的GCS应用案例，这些油田的含水层中氯化钠（NaCl）含量较高（Grude等人，2014年；Baumann等人，2014年；Talman等人，2020年）。在GCS应用下的储层中，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）由于具有比大多数其他气体更强的蒸发能力，会置换并蒸发地层中的盐水（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）就会开始。DO和SO过程可以通过降低水的饱和度来提高二氧化碳的渗透率。然而，在此之后，多孔介质的基本性质（如润湿性、毛细作用和孔隙结构）就会变得重要起来，从而加速SO过程。这可能会对二氧化碳的注入性能产生负面影响，最糟糕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。过去几十年里，众多学术研究都集中讨论了这一主题。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。最近的研究不仅汇总了实验结果，还强调了数值评估方法的重要性。Cui等人（2023年）和Sun等人（2025年）的综述涵盖了在不同条件下进行的岩心注水实验和微观模型测试。他们还指出了实验设置和评估方法中的不确定性。岩心样本中盐的宏观和微观分布是一个重大挑战，许多学者（包括Miri等人，2015年；He等人，2019a；He等人，2019b）都对此进行了探讨。已经证实，在毛细作用范围内局部强烈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，包括有足够的异地盐水来源和相关的盐水迁移路径。用于局部盐沉淀的异地盐水不仅来自围限储层的地层，还来自低渗透性的夹层等不均匀体。这些情况引入了巨大的不确定性，对整体评估产生重大影响（参见Roels等人，2014年，2016年）。

操作参数（如注入速率、二氧化碳流组成和井位）的不确定性相对较低，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，这可能对盐沉淀产生有利或不利的影响。尽管技术进步为岩心注水和微观模型实验提供了有力的支持，但从岩心尺度到储层尺度的放大预测仍存在挑战。数值评估工具和程序本身也存在固有的不确定性。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）。然而，获得可靠的相对渗透率和毛细压力模型仍然是一个普遍存在的问题（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）。此外，DO和SO的许多方面尚未得到充分研究。例如，关于细颗粒物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，其影响范围和程度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。众所周知，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，特别是在含有高盐度含水层的SA中，DO之后紧接着的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，现有文献中缺乏对工程师决策有帮助的偏好和建议的综述和汇编。

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。我们的目标是通过提供一个全面的工作流程来提高这一领域的现有水平，该流程用于评估SO的程度、其地质分布、影响和受影响的参数，以及可能的缓解措施，以支持工程决策。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，以及它们各自的不确定性和潜在的缓解方法，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，以帮助他们就工程设计和服务参数做出决策。

研究部分片段

物理和数值研究

本研究中的发现和专业知识部分基于我们自己的研究成果（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储层必须被紧密的围限层所包围，以确保在地质时间内二氧化碳（CO₂）的封闭。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”。这需要通过地质-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，围限层的岩石物理性质也非常重要。

盐水含水层（SA）与枯竭气体储层（DGR）的比较

在DGR中实施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、生产历史以及地表设施。另一个好处是DO和SO的影响。研究表明，由于水饱和度较低，DGR对盐析作用的敏感性较低（如“水饱和度的影响”部分所解释的）。然而，也有可能出现水分流入，从而形成盐水供应源，这可能会……

评估工具和程序

关于盐析作用的决策质量取决于相关测量数据的可用性和物理及数值建模工具的可靠性。这些工具对于评估给定储层中DO和SO的规模和程度至关重要。然而，必须认识到这两种工具都有其特定的局限性。

讨论

有效评估GCS中盐析风险需要全面理解储层性质、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文献及实验结果中的见解，以评估SA和DGR中盐析作用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性质、操作参数和评估工具之间的相互作用。地层盐度、孔隙率以及相关参数（如渗透率和润湿性）对盐析作用至关重要。为了做出有效决策，必须充分考虑其他相关性质，包括不均匀性和与次级储层的距离等。

CRediT作者贡献声明

Hakan Alkan：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法论制定、调查、数据分析、概念化。

Nematollah Zamani：撰写——审阅与编辑、软件使用、方法论制定、调查、数据分析、概念化。

Oleksandr Burachok：撰写——审阅与编辑、数据分析、概念化。 Dirk Baganz：撰写——审阅与编辑

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

这项研究得益于我们在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见解。