油氣行業的CCS挑戰。

它可能有助于平衡世界對氣候變化與未來能源需求的憂慮。然而，在現如今階段，是否需要快速建立碳捕集與封存(CCS)能力還遠未達成共識。

大家都在討論需要更強有力的財政激勵措施，或者是以更大的稅收抵免和更嚴格的碳定價，來啟動更多的商業CCS項目。但鮮有提及的是，為了解所有風險與不確定性，還需要填補巖土工程方面的空白。

二氧化碳注入專家、Melzer咨詢公司創始人Steve Melzer說：“我們需要把二氧化碳放在正確的地質位置，而安全的CCS地點并不是隨處可見。在使用“安全”一詞時，這位有著30多年經驗的資深地質工程師強調，CCS設施規劃者應盡一切可能避免二氧化碳發生泄漏。

在上個月舉行的非常規資源技術大會(URTeC)上，他與其他幾位專家一起探討了擴大CCS規模所面臨的地下問題。他們承認，雖然CCS已有50年的跟蹤記錄，但與阻止氣候變化的必要措施相比，它顯得微不足道。

埃克森美孚計劃在美國墨西哥灣沿岸建立CCS中心，該油氣巨頭表示，到2040年，該中心每年將消耗1億噸二氧化碳，是目前全球注入量的兩倍多。然而，埃克森美孚也表示，如果沒有政府的資金支持，它就無法推進這個1000億美元的項目。

01. 油氣行業的CCS挑戰

國際能源署(IEA)在其《2050年凈零排放》報告中表示，到2030年，CCS能力必須達到每年16億噸二氧化碳。然后到2050年，這一數字必須上升到每年76億噸。

若用油氣行業更熟悉的體積單位，上述數值分別相當于800億立方英尺/天與380億立方英尺/天的二氧化碳。

如今，全球23個CCS項目(其中19個在美國)每年只注入大約4000萬噸二氧化碳，或20億立方英尺/天，用于永久封存。截至去年，還有65個商業CCS項目正處于開發階段。

盡管最近的發展勢頭強勁，但全球CCS能力必須在未來30年至少增長兩個數量級，才能實現國際能源署的凈零排放設想。根據一項研究，如此龐大的數量可能意味著全球需要10000到14000口二氧化碳注入井，而現在遠遠不夠。

02. 關鍵的地下問題、瓶頸與機遇

為了達到國際能源署概述的龐大數值，非常規資源技術大會上的專家談及了CCS開發商必須首先解決的幾個地下問題。

1、蓋層完整性

合格的地質密封是永久儲存二氧化碳、避免泄漏到地表或含淡水層的首要要求。保持蓋層的完整性有幾個方面，但這一切都始于合適的選址。

構造活動較少的地層是尋找注入點的好位置。美國的穩定地層包括Denver-Julesburg盆地(前陸盆地)、Permian盆地(Cratonic盆地)，以及美國墨西哥灣沿岸(張裂板塊/被動大陸邊緣盆地)。

在Permian盆地從事二氧化碳項目的Melzer說：“Cratonic盆地的魅力在于，它們通常被蒸發巖所覆蓋。蒸發巖，特別是鹽巖，在相對較低的壓力與深度(如1500psi, 2500ft)具有延展性。在這樣的條件下，你就能得到一個非常有效的密封，可以在下面注入任何東西。”

注入油藏的橫向連續性是另一個關鍵因素。Melzer表示：“如果沒有這種物性，我們將需要增壓，這會造成密封失效。”

2、井筒完整性

除地層之外，另一個重要問題是注氣井本身以及它的鉆井/建井方式。

Hamed Soroush指出：“鉆井期間發生的井漏以及鉆井造成的拉伸裂縫會對井筒完整性構成威脅，并可能成為二氧化碳的泄漏通道。除了優質的鉆井作業之外，防止二氧化碳逸散的另一個關鍵是套管外的優質固井作業。”

利用可靠的地質力學建模，CSS規劃者可通過優選井眼軌跡與泥漿密度來避免井下問題。然而，Soroush警告說：“盡管準確的地質力學模型在降低風險與項目成本方面很有價值，但糟糕的地質力學模型可能會產生誤導，造成完全相反的結果。”

3、誘發地震活動

雖然誘發地震活動的規模一般較小，但也會對生命和財產構成威脅，還可能會影響蓋層或井筒的完整性。

為了避免造成上述事件，CCS項目將基于大量地質特征來確定安全注入閾值，以避開敏感區域，因為應力場的變化可能會重新打開斷層或大裂縫。

油氣行業的作業經驗是非常有用的，因為該行業已經對北美鹽水處理井的誘發地震活動進行了大量研究。

Soroush 再次強調，這個問題需要地質力學建模，特別是用以解釋儲層中流體動力學與溫度變化的多樣性。他堅持說：“想要識別微地震風險，并通過優化注入方案來預防微地震風險，地質力學是唯一手段。”

4、井間干擾問題

在經濟效益的推動下，許多二氧化碳運輸網絡的終點都集中在CCS位置，也就是許多注入井的井場。隨著未來幾年對CCS能力需求的增加，這將顯著增加復雜性。

伊利諾伊州地質調查所石油地質主管Hannes Leetaru說：“雖然注入的二氧化碳仍在井筒周邊，但壓力效應幾乎是瞬時的，并擴張至相當遠的距離。”

因此，附近注入井的二氧化碳羽流會相互作用，產生風險與不確定性，必須做好規劃。這會影響到一個地區的未來使用，所以需要進行區域性的管理。

英國地質調查局科技總監MichaelStephenson指出，壓力前沿可能會影響鄰井的封存能力。他表示，在這種情況下，也許不是最好的地質位置，但實際上是最好的，因為它避免了井間干擾。

5、數據獲取

借助公開可用的地質數據庫，CCS研究與規劃人員可避免誘發地震活動，并估算出注入能力。

然而，Stephenson表示，需要將更多私人持有、研究機構持有的其他不同數據集都匯集起來，以便更好地描繪全球CCS的未來。

他補充說：“眾所周知，這是整個地質學領域的全球性問題。全球有很多數據，但其中很多存在于小型私人數據庫中，難以獲取。因此涌現出深度-時間數字地球計劃(DDE)等類似的解決方案。”

在國際地質科學聯盟的領導下，DDE正在開發一個開放平臺，將現有數據庫中的地球科學數據連接起來，并整合數據科學工具，以幫助研究與新發現。

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6、地層評價

如今，全球只有四個大規模CCS設施在向深部鹽堿地層進行注入。不過，在未來，鹽堿地層被認為是CCS的首要目標，這在很大程度上要歸功于其在全球范圍內的廣泛分布以及巨大的儲存能力。

然而，高鹽度地層會降低二氧化碳的溶解度，也就是氣體溶解到鹽水中的能力。因此，斯倫貝謝的儲層動態產品經理Rahul Grover說：“需要深入了解含水層的鹽度。”

這可能會推動對低鹽度地層的需求，可以通過現有的測井技術(例如向下光譜)識別這些地層。Grover表示：“專業測井工具可測量出地層中的氯含量，再結合其他測井手段，就可為我們提供可靠、連續的地層水鹽度估算結果。在注入階段，可以使用其他光譜測井技術測量二氧化碳的飽和度。”

永久性光纜是另一種技術資產，可以監測壓力波前沿、飽和羽流、地應力，并獲取4D微地震測量數據。Grover指出，光纖是檢測泄漏與識別地震活動的成熟工具。