通过综合地质力学与水库模拟方法制定二氧化碳注入操作指南：以尼日利亚尼日尔三角洲盆地为例的研究

尼日尔三角洲带未枯竭近海储层CO2封存操作指南研究，整合三维机械地球建模与动态储层模拟，揭示48年注入周期内压力累积至4140 psi，CO2羽流向东迁移至构造隆起带，通过岩性相关强度差异分析识别出未波及区域，提出以裂缝梯度80-90%为限的注入压力控制策略，为复杂断块近海油气田CO2封存提供可复制技术框架。

　　

约翰逊·阿吉达胡恩（Johnson AJIDAHUN）| 奥拉多图恩·阿福拉比·奥卢瓦贾纳（Oladotun Afolabi OLUWAJANA）| 奥卢瓦萨米·奥拉博德（Oluwasanmi OLABODE）| 奥卢布萨约·阿基内莱·奥拉图恩吉（Olubusayo Akinyele OLATUNJI）

尼日利亚阿肯巴-阿科科（Akungba-Akoko）阿德昆勒·阿贾辛大学（Adekunle Ajasin University）地球科学系

摘要

在地质复杂的环境中，确定安全的操作极限对于成功实施碳捕获与封存（CCS）至关重要。本研究通过将三维力学地球建模（3D MEM）与动态水库模拟相结合，为尼日尔三角洲盆地的一个枯竭的海上水库制定了二氧化碳注入指南。基于井测数据构建的地质力学模型显示，该区域存在正断层机制（S_v > S_Hmax > S_hmin），并且岩石强度受岩性影响。48年的动态模拟结果显示，压力可上升至约4140 psi，二氧化碳羽流主要向东方向迁移至构造顶峰。由于净渗透率与总渗透率的差异，导致注入不均匀，从而识别出绕流区域。分析表明，通过将井底注入压力限制在估计断裂梯度的80-90%范围内，可以保持盖层的完整性。这一综合工作流程为在三角洲沉积系统中制定特定场地的、规避风险的注入策略提供了可复制的框架。

引言

大气中二氧化碳（CO₂）浓度的升高，主要源于化石燃料的燃烧，这加剧了全球实施碳捕获与封存（CCS）的呼声（IPCC, 2005; Metz et al., 2005）。在各种二氧化碳储存选项中，枯竭的碳氢化合物水库因具备已验证的密封完整性、现有的基础设施以及明确的地下地质特征，而在技术和经济上都具有吸引力（Bachu, 2008; Szulczewski et al., 2012, Tenthorey et al., 2013, Lysyy et al., 2021）。然而，此类项目的长期成功取决于能否安全地注入和储存二氧化碳，同时不损害盖层的完整性或引发断层重新活动，尤其是在像尼日尔三角洲盆地这样地质结构复杂的海域（Rutqvist, 2012; Zoback and Gorelick, 2012）。

尼日尔三角洲的海上区域以断层发育严重、压力过高的水库和岩性不均匀为特征（Doust and Omatsola, 1990; Avbovbo, 1978），这为二氧化碳封存带来了机遇与挑战。虽然该盆地许多枯竭的油气田位于深度超过2000米的区域，并具有良好的孔隙度-渗透率组合，但这些区域也存在应力集中的断层和从延性到脆性的过渡带，在过量注入压力下可能会发生泄漏（Etemad et al., 2015）。因此，在二氧化碳注入过程中确保地质力学稳定性对于最小化储存风险和实现长期封存完整性至关重要。

以往关于尼日尔三角洲CCS的研究（例如，Galadima and Garba, 2008; Ojo and Tse, 2016; Umar et al., 2020; Abraham-A and Tassinari, 2021; Yahaya-Shiru et al., 2022; Ajidahun et al., 2025）主要集中在静态容量估算和岩石物理特性筛选上，从而在动态、受地质力学约束的操作指导方面存在空白。

为了确保安全有效的注入，全面了解水库和盖层的地质力学特性是必要的。这包括量化弹性参数、估算断裂压力和原位应力状态，以及理解断层和上覆岩层的力学行为（Chiaramonte et al., 2008; Guo, 2023）。虽然可以通过声波和密度测井数据推导出动态模量，但这些数据通常需要使用基于岩性和盆地类型的经验相关性进行静态校正（Holt et al., 2005; Chang et al., 2006）。此外，该地区常用的静态到动态弹性模量转换方法往往采用全球通用的相关性，而没有针对当地岩性的验证，从而增加了力学属性预测的不确定性。

本研究通过将三维力学地球模型（3D MEM）与长期动态流模拟相结合，首次为断层发育的枯竭海上水库制定了基于模拟的、特定场地的、压力限制的注入指南，从而填补了在尼日尔三角洲盆地进行CCS时的水库特性评估与操作风险缓解之间的空白。

具体而言，本研究旨在为目标水库开发和校准一维及三维力学地球模型，利用动态到静态的属性转换方法模拟48年的二氧化碳注入过程，监测并绘制羽流迁移路径，识别出绕流区域；并根据断层稳定性和盖层完整性确定最大注入压力阈值，从而为安全长期储存二氧化碳提供操作上的指导。

部分摘录

区域背景与地质演化

尼日尔三角洲盆地是全球最富饶的碳氢化合物产区之一，是撒哈拉以南非洲地区实施碳捕获与封存（CCS）的理想候选地。该盆地位于几内亚湾北部西非大陆边缘，面积约为75,000平方公里，包含从古新世至今沉积的厚达12公里的碎屑沉积物（Doust and Omatsola, 1990; Rouby et al., 2011）。其沉积和构造演化过程以及高质量的

数据集与方法论

构建地质力学地球模型需要确定地下岩层的弹性参数，因为这些参数控制着岩石的变形、应力分布以及在不同原位应力和孔隙压力条件下的破坏行为。所有地质统计建模均使用Petrel?（2018）软件进行，采用用户定义的变异函数模型进行克里金搜索（kriging）。基于变异函数的地质统计方法被用来插值和放大地震数据

一维力学地球模型（1D MEM）

一维力学地球模型（1D MEM）提供了单井的原位力学性质、弹性参数和应力状态的垂直剖面，这是评估地质力学完整性的基础（Al-Jawad and Al-Zubaidy, 2024; Ajidahun et al., 2026）。针对D井和E井构建了一维力学地球模型，这些井具有完整的测井数据。该模型结合了来自声波和密度测井的动态弹性参数，包括压缩和剪切

作者贡献声明

约翰逊·阿吉达胡恩（Johnson AJIDAHUN）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，软件应用，方法论设计，数据分析，概念构思。奥拉多图恩·阿福拉比·奥卢瓦贾纳（Oladotun Afolabi OLUWAJANA）：验证，监督，数据分析，概念构思。奥卢瓦萨米·奥拉博德（Oluwasanmi OLABODE）：可视化，软件应用，数据分析。奥卢布萨约·阿基内莱·奥拉图恩吉（Olubusayo Akinyele OLATUNJI）：可视化，监督，数据分析

未引用参考文献

Abraham-A and Tassinari, 2021; Al-Jawad and Al-Zubaidy, 2024; Akinyemi et al., 2020; Edris Etemad et al., 2015; Guo et al., 2023; Ogiesoba and Hammes, 2012; Olabode and Ojo, 2021; Safari et al., 2017.

利益冲突声明

作者们声明没有已知的利益冲突。

数据可用性声明

所有分析和解释均由作者完成，并在本报告中进行了说明和澄清。

资金支持

作者们未收到任何与本研究相关的资金支持。

利益冲突声明

作者们声明没有已知的利益冲突。

致谢

作者们衷心感谢尼日利亚上游石油监管委员会（Nigerian Upstream Petroleum Regulatory Commission）为获取研究数据提供的便利。同时，我们也特别感谢匿名石油公司提供的数据支持。特别感谢Similoluwa Ajidahun女士在审稿过程中给予的帮助。最后，作者们感谢匿名审稿人的宝贵意见和建议，这些意见显著提升了论文的质量。