摘要

2016年的《巴黎协定》为减少二氧化碳（CO2）排放制定了全球范围内的宏伟目标，要求快速和广泛地开发低碳技术，其中最有效的技术就是二氧化碳地质封存。在用于CO₂储存的深层地质构造中，页岩层的相关应用是一个新兴课题，因为页岩层广泛发育而且具有很高的有机质含量，有利于CO₂的保留。但是，碳封存评估的挑战之一就是储层位置是否具备充分的地质条件和CO₂存储量的估算。本次研究通过巴西东南部的油气探井中的信息评估了Paraná盆地中的Irati页岩的CO₂地质封存能力，其中大多数固定的碳排放工厂都位于该地区。三维隐式建模技术不单单应用于早期目的地层的体积计算，也应用于后期的选址开发阶段，生成目标层位相应的厚度、深度、构造和含水层系统等三维模型。此次研究根据地质组成和空间连续性，将Irati地层中的石灰岩、页岩和黑色页岩划分为六个组。其中，E组的黑色页岩可用于CO₂的地质封存，CO₂的理论容量为18.5亿吨。此地区实现碳中和的潜力是巨大的，不仅其容纳量大于当地产生的CO₂总量，当地政府也支持在该地区植入新的CCS项目。

研究背景

根据国际能源机构（IEA 2019）的统计，在CO₂产生量和排放量增长的情况下，2018年全球CO₂排放量达到331亿吨的历史记录，而巴西是近年来CO₂排放量最大的20个国家之一。根据巴西能源部门CO₂排放量的报告和Azevedo等人的统计（2018年），巴西的CO₂总排放量从1990年的1.73亿吨增加到2018年的3.8亿吨。巴西为抑制CO₂的排放加剧还制定了减少温室气体排放的目标，根据2005年的排放量，到2025年需减少37%，到2030年需减少43%，这在其国家自主贡献（NDC）中有所说明。

注：国家自主贡献 Nationally Determined Contribution指根据《联合国气候变化框架公约》缔约方会议相关决定，提出的各国应对气候变化的强化行动和措施。

对于巴黎协定这一全球性的决定，各国被要求快速和广泛地发展低碳技术，其中最重要的就是碳捕获和封存技术（CCS）。在巴西，CCS技术由于能源领域相关公司的重视，以及国家积极响应全球趋势，其技术水平正在跻身于世界前列。

深层地质岩体封存是CO₂封存的有效替代方案，但其岩层必须允许大量 CO₂ 注入并且气体要长时间滞留在岩体中（Bachu, 2000；Miocic 等人，2016）。通常枯竭的油气田，盐水层，深盐地层（盐洞和废弃的矿山），煤层，玄武岩和黑色页岩层会作为 CO₂ 封存的储层（IPCC 2005; Orr 2009）。其中，使用页岩层作为CO₂储层一直是热点课题，因为页岩层广泛分布且具有很高的有机质和粘土矿物含量，有利于CO₂长期吸附和保留。此外，页岩层可能含有非常规油气资源（页岩气和页岩油），随着CO₂的注入驱替，可以同时生产油气，这使得在经济上一箭双雕 （Godec 等人，2013b）。页岩气是一种在全球分布相当广泛的资源，其开发过程可以巩固CO₂的封存，从而作为减少碳排放的可行方案。

本文旨在介绍如何建立Paraná盆地中Irati地层的三维地质模型，盆地中预先选定的可封存CO₂的面积超过185000平方公里（如图1），位于巴西东南部São Paulo州。三维隐式地质建模已在采矿业中广泛地应用了15年以上(Cowan et al. 2002; Cowan et al. 2003; Birch 2014; Jessell et al. 2014) ，它在地球科学的其他领域中的应用处于增长阶段，近些年来有三维隐式地质建模的例子，如铁矿床，如南非的Sishen矿（Stoch等人，2018）；贱金属矿床，如瑞典法伦（Kampmann等人，2016）； 金矿床，如纳米比亚（Vollgger等人，2015）和地热储层（Alcaraz等人，2015）的实例。三维隐式建模可以对常规地质数据进行可视化分析、可视化分组和可视化空间趋势预判，以及对地质单元的几何形状，构造，地球化学或任何其他参数进行可视化分析统计。石油和天然气领域的三维隐式建模实例可以在Qadri等人（2019），Ali 等人（2020）和 Islam等人（2021）的研究中看到，但以CO₂封存为重点的三维地质建模实例稀缺。此次对Paraná盆地CO₂地质封存为重点的评价与研究包括对圣特雷津哈煤田的研究（Weniger等人，2010）和关于盐水层的研究（Ketzer等人，2009; Lima等人，2011; Rockett等人，2011; Machado等人，2013; Dalla Vecchia等人，2020）。Paraná盆地的三维地质模型其意义在于可以评估在巴西东南部实施CCS技术的可行性，从而帮助减少这个地区的CO₂排放（Rockett等人，2011; Machado等人，2013; Ketzer等人，2016）。这项研究最终认为Irati地层的黑色页岩可以吸附大量CO₂，与该地区生产活动中排放的CO₂数量相同。

正文

地质概况

Paraná盆地的沉积、构造格局

Paraná盆地是一个超过1000000平方公里的广阔沉积区，巴西南部发育有从奥陶纪晚期到白垩纪的地层，包括六个超层序序列: Rio Ivaí, Paraná, Gondwana I, Gondwana II, Gondwana III, 和Bauru。Rio Ivaí超层序包括上部的Garças砂岩，Iapó混积沉积岩，Vila Maria页岩和粉砂岩（Milani等人，1998）。Paraná超层序包括陆相的Furnas砂岩和海相的Ponta Grossa页岩（Milani等人，1998）。

Gondwana I由一个基底式的超层序序列组成，其中包括Itararé地层和Guatá地层的冰川沉积物， Bonito砂岩和煤层，以及Palermo粉砂岩和页岩。从下至上发育一个海退序列，是由沥青页岩和石灰岩床为主的Irati地层及其伴生的蒸发岩层、Serra Alta页岩、Teresina海洋沉积物和Rio do Rasto红色岩层共同构成的的Passa Dois地层(Milani等人， 1998; Milani和Thomaz Filho, 2000)。其次，Paraná盆地北部的Pirambóia地层主要是数百米厚的侵入Rio do Rasto盆地的残余陆相层序序列(Milani andThomaz Filho, 2000)。

Gondwana II超层序序列的沉积物是仅位于Paraná盆地最南端部分，以粉砂岩和砂岩为主，夹杂着Santa Maria的红色页岩 (Milani 等人，1998)。Botucatu地层的石英砂岩形成于Gondwana III超层序序列的下部部分，而上部由一个厚达2000米厚度的火成岩层序组成，称为Serra Geral地层，作为岩床和岩墙的侵入(Milani 等人，1998)。Bauru超层序序列由砂砾岩沉积物组成，具有一些与Caiuá和Bauru地层相对应的泥岩-砂砾沉积物（Milani等人，1998）。

Paraná盆地是一个位于陆架内部的克拉通盆地， 沿南北向延伸，中心位于巴西中西部，其中沉积厚度超过 7000 米。最突出的盆地构造特征是Goiania, Alto Parnaiba, Ponta Grossa,和Rio Grande的区域性西北向隆起构造，以及许多伴生断层，它们呈三个主要方向延展：以北西-南东向为主，以北东-南西向和东西向为辅（Zalán等人，1990）。此地的断层通常在北西-南东方向比北东-南西向宽，是挤压和侵入性地质事件的首选运移通道，并被辉绿岩填充，这也反映了基岩发育的薄弱地区(Zalán等人，1990)。这些沿北东向延伸的断块构造以断层和断层带为分隔特征，且具有走滑断层的特征，以花状构造，雁列式逆断层和褶皱为主(Zalán 等人，1990)。

根据São Paulo州的水文地质图（DAEE/IG/IPT/CPRM 2005）所示，研究区中发育三个主要的地下水系统：1）Bauru含水层中的Bauru和Caiuá地下水系统（Silva等人2005年），2）Serra Geral含水层在Serra断裂上的Geral地下水系统（Gastmans等人，2016年）和3）Botucatu和Piramboia地层中的Guarani含水层（Gilboa等人1976; Araújo等人 1999）。

Paraná盆地的油气资源

对于探索Paraná盆地油气潜能的兴趣始于19世纪后期，在São Paulo州中靠近石油地表露头的附近钻探了第一批浅层探井（井深小于1000 m）。1953年至1979年间，巴西国家石油公司钻探了60口勘探井，最终在Santa Catarina州发现了四个具有亚商业潜能的油藏（Morelatto, 2017）。在20世纪80年代，例如1979年和1983年之间，英国石油公司和保利佩特罗公司钻探了30口勘探井，并在位于圣保罗州西部的Irati地层发现了具有亚商业潜能的Cuiabá Paulista的天然气田 （Morelatto, 2017）。在图1和随后的图中，Cuiabá Paulista亚商业天然气成藏仅由3-CB-3-SP井揭示，但在此位置，还存在彼此相距较远的2-CB-1-SP，2-CB-1DA-SP，3-CB-2-SP和3-CB-4-SP井。这些井之间的距离约为3公里。由于图幅比例的问题，这些井的位置在图幅中被省略，避免了视觉重叠对数据的干扰。

1986年至1998年间，巴西国家石油公司通过收购重新夺回Paraná盆地的勘探活动权力，通过新的地震数据和七口勘探井的钻探，找到了Barra Bonita气田，一个位于Itararé地层中层状砂岩构造高处的气田（Campos等1998）（图 1）。自1972年以来，巴西国家石油公司在Paraná州São Mateus do Sul处经营着一个油页岩油藏（图1）。Irati地层中富含石油的页岩在岩性录井中呈现出两层，其下层沥青的含油量为9.1%，平均厚度约为4.5米，上层为6.4%，平均厚度约为9米(Padula, 1969; Milani等2007)。目前，随着Petróleo， Gás Natural e Biocombustíveis （ANP）的成立，已经进行了新的油气勘探和钻井，并且该区域已被纳入Paraná盆地的招标轮次（Morelatto, 2017）。

Irati地层

Irati地层是Passa Dois群中最底层的地层，几乎发育在盆地中每个地区，其厚度在40米左右变化，最大厚度为70米（Holz等人，2010）。Irati地层的露头主要在盆地的东部边界（图2）以及位于盆地的南北两端。其与下部的Palermo砂岩和泥岩以深色泥岩的出现为分界标志（Holz等人 2010）。Irati地层顶部的上覆地层主要为Serra Alta页岩，以及Teresina砂岩和粉砂岩。由于Serra Gera的岩浆作用，大量的岩床和岩脉对Irati地层进行了切割。

Irati地层包括富含有机质的页岩，灰岩，白云岩、粉砂岩和泥岩。它们分布不规则，但横向连续性较好，随着整个盆地的地层厚度变化而变化（Padula, 1968）。Irati地层由两部分岩性组成，浅海粉砂岩和页岩，以沥青黑色页岩与白云岩作为分隔（Barbosa和Gomes 1958）。基于在Paraná州东部的不同地点已发现的地层地球化学特征，Irati地层可分为七至八个相似的化学地层学单元，（从下到上为A 到 H单元）(Alferes等人 2011; Euzébio等人2016; Reis等人 2018; Martins等人 2020)。

数据库

该数据库由ANP于2019年12月提供的油气勘探井数据组成。这些油气井自1950年至2000年由巴西国家石油公司运营。初始将每口井的文本文件格式（.txt）转换为Excel格式（.xlsx），生成钻孔格式数据库，其中包括井口坐标、钻井深度、岩性录井、分层和碳氢标志化合物资料的电子表格。每口井的伽马，电阻率，密度，中子和声波等常规线缆测井也可以读取。对Paraná盆地123口井进行筛选，产生了32口研究区域中的井（图 1）。这些井中，均有地层数据，29口井中有一些岩性数据，15口井有一些地化数据，几乎所有的钻井都是直井。然后，将以逗号分隔的数据（.csv）文件加载到Leapfrog®中用于执行三维地质建模的地热模块®。Leapfrog软件使用径向基函数 （RBF） 通过隐式建模方法 建立三维地质模型（Cowan等, 2003），然后，根据GTOPO30数据生成区域地形层面（https://earthexplorer.usgs.gov/）。地表露头地质数据（岩性和构造）--来自于Companhia de Pesquisa de Recursos Minerais （CPRM）（Lopes et al. 2004）和区域地质构造--来自于Zalán等人（1990），在QGIS Desktop软件中处理过后，导入到 Leapfrog® 软件。

研究区的Irati地层

在研究区域，Irati地层的露头仅限于东南部（图2），所以地层内部的分层主要来自井中数据。该地区的所有钻井都钻透Irati地层的底界，除了非常浅的1-QT-1-PR井和1-TI-1-SP井。这些井中的Teresina和Palermo地层之间以辉绿岩岩脉作为分隔（图3)。在研究区域，这8口井（1-J-1-PR，1-MA-1-SP，1-PA-1-SP，1-SA-1-SP，2-AA-1-SP，2-AP-1-PR，2-RI-1-PR，2-TB-1-SP）存在一些准确的含油性指示，5口井存在天然气指示（2-CB-1-SP，2-CB-1DA-SP，3-CB-2-SP， 3-CB-3-SP， 3-CB-4-SP），以及4口井呈沥青指示（1-AB-1-SP，1-GU-4-SP，2-PN-1-SP和2-PP-1-SP）。这些井均钻穿Irati地层（图2)。

岩性数据的三维解释以及一些有机质含量（TOC）数据使对Irati地层进行内部岩层细分成为了可能（Euzébio等人，2016; Reis 等人，2018; Martins等人，2020）。由于TOC分析样品的不确定性， A，B和C岩层未作精细划分，因此称为单个A / B / C页岩组（图3）。因此，在这项研究中，为适应文献中现有的岩层划分（Reis等人，2018），有六个单元是未被正式命名的，从上到下为A / B / C页岩，D石灰岩，E黑色页岩，F页岩和H黑色页岩（图3）。为解释这些岩层，将厚度小于一米的井段并入厚度较大的相邻上下井段。因此，泥质岩层也可能含有厚度薄和不连续的灰岩；灰岩岩层也可以含有一些薄的页岩层。A/ B / C岩层是具有局部碳酸盐岩层的页岩。A/B/C 岩层厚度变化很大，从该区域中部的30米到东部的3米均有发育。D到G岩层在横向上连续性较好，且发生在整个东西向剖面（图3）沿研究区域超过300公里。D岩层由灰岩组成，局部发育白云石和少量的钙黄石，井中的厚度在1m到16m之间变化。E黑色页岩岩层的厚度从2到20米不等。E 和 F 岩层在东部与辉绿岩岩床交织在一起。F岩层由页岩组成，整个 东西向厚度变化很大。G岩层由灰岩和白云岩组成，厚度从2m到11m不等。最上面的H岩层是一个黑色页岩层，仅出现在该地区的西部。此次研究中使用并呈现在文献中（Reis等人，2018）的Irat地层细分与露头中看到的岩层划分（图4）并不完全等同。

选择 CO₂ 封存位置的初始标准

CO₂ 固定和一些法律方面因素

研究区（图1）已经考虑了一些标准来选择CO₂的储层位置，首先是目标层位发生CO₂吸附固定的概率高，其次是距离CO₂排放量较多的工业区近。其中包括土地利用和林业（LULUCF）部门，后者是巴西CO₂的主要净排放者，排放量最高的部门是能源部门。São Paulo州是能源领域CO₂排放量最高的州，有着巴西最大的热电发电厂。2018年，巴西能源部门总共排放了38000万吨二氧化碳，21%来自São Paulo州（数据来自SEEG 2020）。巴西Paraná州还有一个高功率的热电设备。尽管该州没有石油和天然气生产活动，但是2019年Paraná州法律第19.878条依然禁止通过液压水力压裂生产非常规天然气（Ramos et al. 2020）。所以，Paraná州的Barra Bonita是一个没有投入压裂生产的传统气田。有关Paraná盆地页岩气生产的法律在Lenhard等人（2018）和Ramos等人（2020）之间进行了深入地讨论，但São Paulo州和整个巴西没有对CCS相关的活动进行具体立法。因此，本研究优先考虑São Paulo州境内的地区，主要是因为甘蔗乙醇厂相关的生物能源行业高度集中在该地区，并且没有CCS相关的法律限制（da Silva等人 2018）。

区域地质方面

Paraná盆地在构造上与一个超过10000公里长的陆缘边界有关，起源于冈瓦纳古大陆解体以及非洲和南美板块的分离（Milani和 Thomaz Filho，2000）。它的产生与挤压运动没有关系，按照IEA-GHG（2009）的标准，是处于构造稳定的有利位置，所以Paraná盆地可以用于二氧化碳储存。

巴西东南部的Paraná盆地地震活动频率较低，因为它位于典型的大陆板块内部区域。根据Berrocal et al.（1996）和São Paulo大学（USP）的公报（http://moho.iag.usp.br/eq/bulletin）的研究成果，在过去的220年中，该研究地区只发生过五次级别高于5.0的地震（其中两次是6.3和6.8）。这种情况表明了该地区是CO₂有利的区域性储层发育区，遵循IEA-GHG（2009）标准。

深度、厚度和到地下含水层的距离

为了评估地下深度、厚度和到地下水含水层的距离（IEA-GHG 2009），三维模型是在Leapfrog软件中使用钻井中的岩性数据来构建的。这些模型是使用软件中的岩脉工具生成的。对于Irati地层的深度（图5），选择地层正上方的所有层段，然后生成模型。对于Irati地层厚度模型（图6），对地层本身选定井中的相应厚度。对于CO₂储层到该区域含水层系统（Bauru，Serra Geral和Guarani）的距离模型，其中最深的是Guarani含水层，因此使用从Irati地层顶部到Botucatu和Piramboia地层底部的岩性区间（图7）。

Irati地层的深度由西向盆地的中心增加并且可以达到2800米以上（图5）。研究区域内的钻井中（图 6）Irati地层厚度从22米到64米不等。在九口井中，Irati地层厚度显示出异常值，范围在94 米至 265 米。数据库中相应的Irati地层中包括一些辉绿岩隔层。对于这些异常值，将重新分组数据。Irati地层顶部与Guarani含水层底部之间的距离向西逐渐增加，在São Paulo州以东1400多米外Mato Grosso do Sul州的南部可达1400米以上（图7）。

三维隐式地质和构造建模

三维地质构造模型

三维地质隐式建模最初是在研究区范围内建立，使用先前解释的伽马测井数据，包括研究区域内的地层和岩床的数据（图 2）。模型中考虑了以下12个地质单元，从底部到顶部的地层：Paraná 组， Itararé组， Rio Bonito组， Palermo 组，Irati 组，Serra Alta 组，Teresina 组， Rio do Rasto 组，Piramboia 组， Botucatu 组， Serra Geral 组，和Bauru组。来自Corumbataí组的数据被归入Teresina地层数据中。在建模过程中，CPRM地质图中的地层接触关系与研究区东部地区的录井资料同时使用，其中断裂因素先不考虑（Lopes等人，2004）。单独选择的每一口井中相应的岩层井段，并通过Deposit type工具生成各地层之间的接触面。制作接触面的工具的详细操作说明可在Seequent网站上找到(https://help.leapfrog3d.com/Geothermal/)。为避免先验主义或主观解释，岩性模型将完全基于钻井数据，不使用趋势分析或其它软件技巧。这种方法也有助于识别地层层序中可能的突变，可指示断层位移。

构造模型是根据层面断层轨迹生成的，这些轨迹已转换为断层面（假设所有断层都呈垂直倾角）。这一假设基于延伸法则，即随着Paraná盆地的演化，陡峭的正断层处于发育的主导地位。为避免CO₂的泄露，分析地点会初步选择构造平缓、断层发育较少的地方。地层接触的层面首先从地层的各个接触点产生，然后在断层系统被激活后形成断层块。由于断层数量巨大，所以常常采用经验方法分析位移情况。目标是找到可能存储CO₂的位置，最终的构造模型生成了七个断层块（图8），包括了六类断层：1）Guaxupé断层， 近北东方向，2）东西 方向的 Mogi 断层，3）São Jerônimo断层，近似北西方向，4) Santo Anastácio和Guapiara断层，都是北西方向，6）北东方向受前两个断层影响的局部断层。

在4号断块中发现了一个构造-地层圈闭，那里有一个构造高点，Irati地层的岩石与上述以泥岩为主的Serra Alta或Teresina地层接触（图9和10），并且在4号断块区的范围内，没有任何其他断裂。4号断块的Irati地层面积刚刚超过1,800平方公里，平均厚度为38米，平均深度为2,640米，与Botucatu地层（Guarani含水层）底部的平均距离为920米。距Botucatu地层（Guarani含水层）底部920米。这是一个安全距离，因为大于Davies et al.（2012年）认为的588米，基于在Marcellus、Barnett、Eagle Ford等其他产油区中进行的数千次压裂作业数据，该距离是水力压裂过程中裂缝传导的最大值。紧贴Irati地层之上的是Serra Alta地层的页岩和泥岩，在这之上的泥岩与Teresina地层的细砂岩叠置分布（Holz等人，2010）。如果只考虑Serra Alta地层，盖层厚度约为65米。如果同时考虑Serra Alta和Teresina地层，盖层厚度超过750米。

局部三维地质模型

4号断块所在区域内有两口井：1-TI-1-SP和2-TB-1-SP。考虑到以前定义的A/B/C到H岩层（图12），和被1-TI-1-SP井钻遇的辉绿岩脉（从2,854米到3,140米），在4号断块内有一个可能的CO₂储层地质体。根据航空磁测（Lopes等人，2004年）的图像，该岩脉被解释为近垂直倾角，而北偏西55度方向是该区域磁性线性构造的主要方向，也是辉绿岩侵入体的首选方向（Zalán等人，1990年）。因此，辉绿岩脉将4号断块一分为二，可能的CO₂储层的位置是在辉绿岩脉的东侧（图11）。因此，CO₂储层北面以Mogi断层为界，东北面以Guapiara断层为界，西南面以辉绿岩脉为界，东南面以局部断层为界，面积约为1200平方公里。

二氧化碳储层的其它特征

孔隙度和渗透性

表1显示了根据2-TB-1-SP测井数据计算的Irati地层各岩层的孔隙度（Ф）和渗透率（K）。从声波测井中得出的孔隙度是基于一个方程式，该方程式来自Richardson和Tassinari（2019）。计算出的孔隙度值，根据重新定义的页岩和石灰岩的方程，来预测各岩层的渗透率（Richardson和Tassinari2019)。

页岩A/B/C和F的孔隙度在8.0到16.7%之间浮动，渗透率的范围从0.542到75.11mD之间。而E和H黑页岩的孔隙度值为6.1-9.2%，渗透率值为0.088-1.383 mD。在D和G石灰岩中，孔隙度在12.6至69.0%之间，而渗透率在0.567至28.41mD之间。

地热梯度和温度

Gomes（2009）提供了Irati地层的地热梯度数据，通过井底温度（BHT）方法（Carvalho and Vacquier 1977）计算出2-TB-1-SP井的地热梯度为20.4 oC/km，标准差为1.02。CO₂储层的地热梯度低于30 oC/km（IEA-GHG 2009; Miocic等人，2016）。在2640米深度和这个地温梯度的储层，其平均温度将达到53.8 oC，也符合≥35 oC的标准（IEA-GHG 2009）。

储存容量估计和相应的分类

在目前的CO₂储存资源中，页岩层已被证明具有最大的潜力，特别是TOC含量高于2%的黑色页岩（Levine等人，2016）。2-TB-1-SP井中的Irati地层页岩的TOC数值在0.52到0.5之间，2-TB-1-SP井中Irati地层页岩的TOC数值在0.52%到9.62%之间（表2）。虽然黑色页岩H的TOC值（8.45%和9.62%）高于黑色页岩E（0.52%至7.36%），但由于黑色页岩E厚度更大，因此在最后计算储存容量时也要考虑这个岩层（表1和图3）。

页岩的DOE-NETL方程可用于估算CO₂容纳量（Levine等人， 2016)，但

Azenkeng等人（2020）指出了关于页岩储层储存CO₂估算容纳量的几个关键因素，控制富含有机质的页岩中CO₂储存的关键因素是基质孔隙度、天然和诱导裂缝的数量（Azenkeng等人，2020)。表3总结了用于计算4号断块内Irati地层E页岩岩层CO₂容量的变量。2-TB1-SP井为E岩层计算出的6.1%孔隙度（表1），同时包括了天然裂缝和孔隙。对Irati地层页岩储层的初步评估是相当保守的，虽然本研究认为水力压裂会产生裂缝，增加孔隙度，但在计算中只使用了原始孔隙度数据。假设静水压力梯度为10.7 kPa/m，根据20.4 oC/公里的地热梯度和2-TB-1-SP的平均深度2640米，计算出CO₂的超临界密度为842.3公斤/立方米，地热梯度为20.4 oC/km（Gomes，2009），平均深度为2640 m。

Weniger等人（2010年）在45℃下对Irati地层的页岩样品进行了CO₂高压吸附等温线的实验。Langmuir吸附模型在低压力条件下是一个极限模型，Weniger等人（2010）对Irati地层页岩样品应用了一个改良的Langmuir模型，其平均压力为15.81Mpa。Weniger等人（2010年）也认识到，TOC数据与CO₂的吸附能力之间存在线性关系。识别出的TOC数据与CO₂的吸附能力之间的线性关系与Nuttal等人（2005）和Godec等人（2013）分别对Kentucky页岩和Marcellus页岩取得的结果一致。最终使用了Weniger等人（2010年）的相关方程，使用平均深度为2640 m的10.7 kPa/m的压力梯度和3.2%的平均TOC计算了2-TB-1-SP井的CO2吸附量。

CO₂储层的体积大小是直接从三维隐式地质模型的黑色页岩岩层E的块状模型中获得的（表3）。尽管参与计算的几乎所有的地质参数，如孔隙度、温度、厚度和TOC都来自于一口勘探井（2-TB-1-SP），岩层厚度的有效系数（Eh）也没有被应用，但体积数值同样具有相当高的可靠性。因为体积数值是由一个三维地质模型得出的，而该模型的构建还考虑了所有其它31口井的数据，甚至地层接触关系和区域构造等因素。

DOE NETL方程中的两个显著系数（EФ和E s）是根据Myshakin等人（2018年）的模拟得出的，该模拟是基于60年间的CO₂注入。此次计算采取的是P₁₀概率中的最保守参数，EФ为0.15，E s为0.11，得到的结果为E岩层的CO₂总容量达到18.5亿吨（表3）。与其他富含有机质的页岩地层的CO₂容量进行比较，在肯塔基州的泥盆纪页岩中，有304米深和15米厚的页岩岩层，其CO₂容量为27.7 Gt；在Marcellus页岩中，估计深度超过915米的页岩岩层的总理论容量为171.2Gt（Godec等人，2013a）。

Bachu等人（2007）根据储存潜力的大小，提出了一个考虑到技术和经济两方面的分类，共分为四类：理论、有效、实用和匹配容量。本研究是对Irati页岩的初步评估，地层作为CO₂储层的初步评估，主要考虑到地质方面，目的是为今后的数值模型研究提供基础。这里我们只确定了一个理论模型，因为只有一些参数能很好地确定，如密封性、深度、地热梯度、温度和到含水层的距离等，这些参数不会随着研究的进展而变化，但其他参数仍然需要重新确定。

讨论

选址

表4汇总了本研究中用于确定潜在CO₂储层位置和评估该储层的主要参数。关于地震活动性、褶皱带位置、地层复杂程度，以及对CO₂储层位置来说的储层密封性等参数（IEAGHG, 2009；Smith等人，2011；Miocic等人，2016），巴西东南部的Paraná盆地各方面都是首选。虽然在这项研究中，存在有关法律方面的限制，如Paraná州的立法禁止水力压裂，但还存在其它议题，如社会和环境问题（Ciotta等人，2020年）仍需在该地区解决。

三维隐式建模比其它基于层面的方法更稳健，对构造和地质方面有着更好的表现力（Cowan等人，2003年；Wellmann和Caumon， 2018）。在研究区域范围内，利用建立Irati地层深度和厚度的地质模型以及评估地下水保护距离的隐式建模方法，所得到的Guarani含水层系统模型被证明是令人满意的，且模型结果生成快速，易于解释（图5，6，和7）。三维构造模型将研究区分为七个断块，并定义了一个构造高点（断层块4），为构造和地层圈闭解释提供了依据（图8、9和10）。所选的地点在地质方面有利于储存CO₂，因为除了上覆有Serra Alta和Teresina地层的密封粉砂岩外，这些粉砂岩还与Irati地层的岩石横向分隔，也对可能的气体泄漏起到了横向阻隔作用。三维地质模型的生成仅基于钻井数据或区域地质和构造测绘数据，所以在现场施工中可能存在不可见的断层或其他构造。在未来的研究中，应将地震数据纳入该模型，以更好地详细说明构造框架。

地层潜力

考虑到CO₂储层中心的黑色页岩岩层E，在半径75公里范围内有15个发电厂，总装机容量为562兆瓦。其中大部分发电厂（13个）是由生物质能提供的，主要是甘蔗渣，另外两个发电厂使用柴油燃料（ANEELSIGEL, 2020）。如果将中心半径增加到150公里，则有81个发电厂，其总容量为1,625兆瓦，根据美国环境保护局2018年的基准年数据（EPA, 2020)，一个600兆瓦容量的生物质发电厂平均每年排放350万吨CO₂。Irati页岩达到的1.85亿吨CO₂的理论容量将相当于75公里半径内的发电厂500年的产量。或者应用一个简单的回归，考虑到该区域内工业园区的设施可再继续运行68年左右，并同时考虑到该区域的位置和基础设施，该CO₂储层位置可提供比当前地区CO₂排放量高出五倍的容量。但对实际应用情况而言，Brennan和Burruss（2006年）在煤层与盐碱含水层或枯竭油层的对比研究中发现，在实施具体相关项目时，大面积的页岩CO₂储层可能需要进行广泛的地面监测来确定其容量。

物理和化学捕集机制

为了最大限度地提高存储容量，CO₂通常以超临界流体的形式注入，并根据地质情况通过不同的物理和化学捕集机制进行捕集。在页岩储层中，其吸附捕集机制可以永久地储存CO₂，而页岩本身可以作为一个不透水的屏障，可以防止CO₂泄漏（Kang等人，2011，Mohagheghian等人，2019）。此外，为了确保CO₂长时间的封存，在Irati地层之上还有Serra Alta地层的页岩层，厚度超过70米，将作为一个低渗透性的密封盖层。

本研究假设CO₂储层由一个独特的黑色页岩岩层E组成。然而，考虑到石灰岩夹层的存在，未来的研究可能会将整个Irati地层视为一个具有多种捕集机制和注入条件的独特混合储层。但是这种进一步的详细研究，不在本此研究的范围之内。此次研究的重点是对Irati地层建立三维地质模型，并对潜在的CO₂储层进行空间划分，并为随后的评估提供基础，相信这一点我们已经实现了。此次研究成果将成为后续研究Irati地层各分区的矿物特征的基础。

结论性观点

1. 巴西东南部的Paraná盆地符合国际上大部分的CO₂储层的区域要求包括地震活动频率低、无构造褶皱带、地层发育均匀且无复杂的横向变化，以及存在区域性盖层。

2. 应用三维隐式建模方法建立了地层深度、厚度、构造、地下水保护距离的专项模型，结果证明是令人满意的，而且模型生成迅速，易于解释。三维地质模型最终被综合用于确定CO₂ 储层的位置。

3. Irati地层在三维空间中被局部细分为两个页岩岩层（A/B/C和F岩层）、两个灰岩岩层（D和G岩层）和两个黑色页岩岩层（E和H岩层）。黑色页岩岩层E被评估为二氧化碳的有利储存岩层。

4. 根据理论容量计算表明， 4号断块的Irati地层中富含有机质的页岩岩层E可储存1.85Gt的二氧化碳。

5. 此次所得出的结果可为后续研究Irati地层各分区中的矿物特征和数值模拟提供基础。

补充资料

可视化3D模型的说明

在Leapfrog Viewer中实现层面的可视化（如图10）：

1. 从 https://www.seequent.com/productssolutions/leapfrog-viewer/ 下载免费版本的软件并安装。

2. 选“Open Scene”,导航到“Irati Formation 3D Geological Model.lfview”

3. 通过点击左手边的显示/隐藏 " eye"图标，可以隐藏单个图层，不透明度可以通过滑块来改变。

引用的参考文献

略

表格

表1. 2-TB-1-SP井中Irati地层各岩层的岩石类型、厚度、孔隙度和渗透率数据。

表2. 2-TB1-SP井中Irati地层内的总有机碳（TOC wt.%）数据，以及本研究的岩层划分。

表3. Irati地层黑色页岩岩层E的二氧化碳理论容量

表4. 二氧化碳地质储存的选址标准和研究结果

图表

图1

Paraná盆地中部的水井、热电厂和研究区的位置。电厂位置来自ANEEL-SIGEL（2020）。MG = Minas Gerais州, MS = Mato Grosso do Sul州, PR =  Paraná州, SC = Santa Catarina州, SP = São Paulo州

图2

研究区的地质纲要图，包括局部构造（Lopes等人，2004）和主要的区域构造(Zalán等人 1990)。图3示意地质剖面（A'-A"）的位置。 1-Candido断层，2-Curitiba断层带，3-São Jerônimo断层，4-Santo Anastácio断层，5-Guapiara断层区，6-Mogi断层, 7 - São Sebastião断层, 8 - Jacutinga断层, 9 - Guaxupé断层, 10 - Araçatuba断层。

图3

Irati地层的地质剖面示意图，局部细分为六个岩层。A/B/C页岩岩层、D灰岩岩层、E黑色页岩岩层、F页岩岩层、G灰岩岩层和H黑色页岩岩层。

图4

Paraná盆地西北部Elba采石场Irati地层的页岩和灰岩夹层。

图5

研究区内Irati地层深度模型的平面图。

图6

研究区内Irati地层厚度模型的平面图。

图7

研究区Irati地层顶部到Guarani地层底部的距离模型的平面图。

图8

构造模型的平面图，显示了研究区的七个断块

图9

三维视图中的东西切面。A）构造断块。B）构造-地层模型。图例颜色与图2相同。

图10

三维构造-地质模型的北西-南东向剖面图，突出了4号断块是一个构造高点。

图11

用于计算理论容量的二氧化碳封存位置的东西向三维视图。

图12

带有2-TB-1-SP井和岩层划分的CO₂储层局部地质模型的三维视图。根据图3。