从用于圣胡安盆地CarbonSAFE项目的UIC Class VI应用的地理建模中获得的经验教训

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Lessons learned from geomodeling for a UIC Class VI application under the San Juan Basin CarbonSAFE project

地质碳封存储层表征与Class VI许可建模方法研究。该研究通过钻探、岩芯取样、三维地震及历史井数据整合，构建San Juan盐岩储层地质模型，重点解决Hogback单斜带地质不确定性问题，优化多相数值模拟流程，形成适用于EPA Class VI许可的标准化地质建模与风险分析方法，为120百万吨级CO2封存项目提供技术支撑。

　　

Nathan Moodie | Dana Ulmer Scholle | Luke Martin | Jiawei David Tu | William Ampomah

美国犹他州盐湖城犹他大学

摘要

San Juan Basin CarbonSAFE第三阶段项目专注于确保在新墨西哥州西北部的San Juan Basin盐水储层中安全地进行二氧化碳（CO?）的地下储存。该项目的主要目标是建立一个商业规模的储存设施，通过EPA六级（Class VI）注入井储存1.2亿吨人为产生的CO?。该项目包括全面的数据收集与分析，以支持六级注入井的许可申请。

之前碳捕获与封存（CCUS）项目中的地质建模方法被调整以适应该盆地的地质条件。通过钻探地层井、岩芯采样、测井、三维地震分析以及利用现有井记录等方式收集了特定地点的数据。开发的地质和数值模型涵盖了从Dakota砂岩到Carmel地层的所有地质构造，包括Hogback单斜构造，以评估储存潜力、封层完整性和泄漏风险。

初步模拟显示出现了较大的CO?和压力羽流，因此需要对地质模型进行扩展以考虑边界效应。面临的挑战包括目标储层的井穿透深度有限以及地震覆盖范围不足，这增加了对储层几何形状、性质和断层界定的不确定性，尤其是在Hogback单斜构造附近。

本研究总结了为San Juan Basin开发地质碳储存模型过程中获得的经验教训。关键的经验包括团队合作的重要性、大量数据采集的必要性、大规模盆地模型的必要性以及计算方面的限制。文章重点介绍了在数据有限的情况下对复杂地质进行建模的方法，以及如何利用新数据快速迭代模型的最佳实践。

引言

随着大气中二氧化碳浓度的持续上升，导致全球气温升高，大规模将二氧化碳封存在深层盐水层中已成为缓解气候变化的关键策略。新墨西哥州北部的San Juan Basin由于其多层储层和封层结构以及靠近主要二氧化碳排放源的特点，成为地质碳储存（GCS）的理想地点。目前正在与Tallgrass合作开展的San Juan Basin CarbonSAFE第三阶段项目（项目编号：DE-FE-0031890）正在提交六级注入井许可申请，以在该盆地内建设CO?注入井。

该项目的主要目标是对新墨西哥州西北部的一个商业规模储存设施进行全面的地貌特征分析，以加速在San Juan发电站（SJGS，一座847兆瓦的燃煤电厂）部署集成碳捕获与封存（CCUS）技术。通过地质特征分析和详细的场地建模收集的数据将用于准备、提交并获得地下注入控制（UIC）六级许可，从而能够建造一个能够储存多达1.2亿吨CO?的注入设施。为此，项目团队正在获取新的现场数据，并整合新旧数据集，以建立一个全面的、特定于该地点的地质框架，以满足监管要求。这些数据将被纳入区域地质模型和多相数值模型中，以评估储存潜力、CO?行为、封层完整性以及诱发地震的风险。

本研究具体探讨了地质建模的过程，并分享了满足EPA六级许可建模要求所需的建模方法和经验教训。

地质背景

San Juan Basin（SJB）横跨犹他州南部、科罗拉多州南部、亚利桑那州北部和新墨西哥州北部，面积约21,600平方英里（Craigg, 2001）。这是一个不对称的前陆构造盆地，形成于拉腊米造山运动期间，影响了古生代至新生代的地层（Cather等人，2004；Craigg，2001；Dickinson等人，1988）。SJB的轴线位于盆地北部和东部边缘，这些地区的地层倾角较大，而南部地区的地层则较为平缓。

UIC六级许可要求

美国环保署（EPA）规定了符合40 CFR 146（Wells, 2010）中六级许可要求的各项具体活动。这里将详细介绍成功申请四级许可的过程和经验教训。EPA规定，在发放用于地质封存的CO?注入井许可之前，必须完成以下工作（Wells, 2010）：

• 1. 收集相关的场地特征数据。
• 2. 确定相关的运营数据。

地质建模项目目标

作为San Juan Basin CarbonSAFE第三阶段项目的一部分，建立结构和地质模型对于生成六级许可申请所需的数据至关重要。这个静态地质模型为动态多相数值模拟提供了基础，包括瞬态流体动力学流动、反应性传输和地质力学建模。这些动态数值模型为项目提供了关键数据，对于相关活动至关重要。

讨论、经验教训及在UIC六级规则下进行地质建模的最佳实践

支持UIC六级许可申请的地质建模工作流程需要在满足监管要求的同时，兼顾异质地质条件、数据获取不均衡以及计算可行性所带来的实际限制。从San Juan Basin CarbonSAFE第三阶段项目中获得的经验教训强化了许多在DOE/NETL风险管理与模拟最佳实践手册中总结的最佳实践，特别是在模型域定义、网格划分策略等方面。

结论

San Juan Basin CarbonSAFE项目开发的 workflows为UIC六级许可申请提供了结构化且可扩展的地质建模方法。遵循这一方法论，CCUS项目可以简化模型开发过程，确保效率、准确性和合规性。高质量数据的整合、结构化的模型构建工作流程以及全面的模拟分析提升了地下特征的识别能力，减少了不确定性并改进了项目成果。

关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在撰写本文期间，作者使用ChatGPT作为语法和可读性编辑工具。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和修改，并对最终发表的文章内容负全责。

CRediT作者贡献声明

Nathan Moodie：概念构思、数据整理、正式分析、方法论设计、初稿撰写及审阅编辑。 Dana Ulmer Scholle：数据整理、方法论设计、撰写及审阅编辑。 Luke Martin：数据整理、方法论设计、撰写及审阅编辑。 Jiawei David Tu：正式分析、方法论设计、撰写及审阅编辑。 William Ampomah：项目管理和监督。