深部咸水層二氧化碳地質(zhì)儲存場地選址儲蓋層評價

刁玉杰，張森琦，郭建強，李旭峰，范基姣，賈小豐

（中國地質(zhì)調(diào)查局 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051）

1 引 言

溫室氣體效應帶來的全球氣候變暖問題，正日益受到國際社會的廣泛關(guān)注。CO2地質(zhì)儲存是實現(xiàn)低碳減排最直接、最現(xiàn)實的手段，在發(fā)達國家已取得了較快的發(fā)展，但我國的CO2地質(zhì)儲存工作剛剛起步，許多場地選址關(guān)鍵技術(shù)方法亟待取得突破。

目前，開展CO2地質(zhì)儲存的儲集體主要為正在開采或枯竭的油氣藏、因經(jīng)濟或技術(shù)原因棄采的煤層和深部咸水層。而CO2提高油氣（CO2-EOR 或EGR）、煤層氣采收率（ECBM）兩種儲集模式，屬于CO2資源利用范疇，在工程實施過程中會有部分的CO2回采出來，并非真正意義上的CO2地質(zhì)儲存。

深部咸水層CO2地質(zhì)儲存是指不可利用的深部咸水層，結(jié)合《GB/T 14157－93 水文地質(zhì)術(shù)語》的定義以及保護淡水和鹵水資源的角度，我國適合CO2地質(zhì)儲存深部咸水層礦化度宜在3.0～50.0 g/L之間[1－2]。

2 CO2 地質(zhì)儲存機制

欲實現(xiàn)深部咸水層CO2地質(zhì)儲存，必須滿足CO2以超臨界狀態(tài)儲存于地下。CO2的臨界壓力為7.38 MPa，臨界溫度為31.1 ℃，也就是說理論埋藏深度必須≥800 m[3]。同時，在存儲點附近必須有可供進行大規(guī)模CO2存儲的良好儲層，儲層之上必須有穩(wěn)定的、區(qū)域性的蓋層（或隔水層），以防止CO2的直接泄漏[4－5]。因此，儲蓋層地質(zhì)評價是實現(xiàn)深部咸水層CO2地質(zhì)儲存可注入性、長期安全性的關(guān)鍵性工作。

碳封存領(lǐng)導人論壇對CO2地質(zhì)儲存機制進行了詳細描述，并指出CO2地質(zhì)儲存機制可以分為2 大類：物理儲存和化學儲存。其中物理儲存包括構(gòu)造地層靜態(tài)儲存、束縛氣儲存和水動力儲存；化學儲存包括溶解儲存和礦化儲存。

物理捕獲主要是通過水動力捕獲實現(xiàn)。當CO2被注入到深部儲層中，部分CO2將溶解于地層水中，并以溶解態(tài)的方式通過分子擴散、分散和對流進行運移，極低的地層水運移速率確保了CO2在地層中的長期（地質(zhì)時間尺度）儲存[6－7]。

化學捕獲主要通過碳酸鹽礦化和碳酸鹽巖溶解實現(xiàn)，注入的CO2與儲層巖石發(fā)生緩慢的化學反應，形成碳酸鹽礦物（碎屑巖儲層）或HCO3－離子（碳酸鹽巖儲層），從而把CO2儲存下來。CO2的捕獲形式與儲存時間關(guān)系見表1[8－9]。

表1 CO2 捕獲形式與儲存時間 Table 1 Capture form of and storage time CO2

3 儲蓋層基本概念及類型

3.1 儲層

儲層是指有孔隙和滲透性且具備流體儲存和流通空間條件的巖石或巖層[10]，通常稱為儲集巖或儲集層。目前已知深部咸水層CO2地質(zhì)儲層的巖性類型很多，但主要有2 類，即碎屑巖和碳酸鹽巖儲層。

3.2 蓋層

蓋層是指位于儲層之上，能封隔儲層中的CO2，免于向上散溢的不滲透或低滲透層[10]。蓋層之所以具封閉能力，是由于巖性致密、無裂縫、滲透性差，但最根本的是具備有較高的排替壓力（毛細管力）。常見的蓋層有頁巖、泥巖、鹽巖、石膏等[11]。

穩(wěn)定的區(qū)域性蓋層是實現(xiàn)CO2地質(zhì)儲存的有力保障。CO2超臨界狀態(tài)地質(zhì)儲存要求區(qū)域性蓋層埋深在800 m 之下，空間分布連續(xù)、厚度相對較大、完整、巖層不滲透、無貫穿性脆性斷裂發(fā)育、密閉性好。此外，要求蓋層巖石力學性質(zhì)堅固。

4 儲蓋層地質(zhì)評價

4.1 儲層地質(zhì)評價

孫樞[12]認為，CO2儲層需要關(guān)注的問題包括：（1）儲層的沉積相類型（碎屑巖、碳酸鹽巖）與沉積背景；（2）儲層的埋深、厚度和三維幾何形態(tài)和完整性；（3）儲層的物性（孔隙度、滲透率）和非均質(zhì)性。儲層的CO2地質(zhì)儲存能力評價必須在綜合應用沉積學、區(qū)域地震地層、地球物理測井等方法查明沉積體系、沉積相及儲集體分布的基礎上，開展儲集層儲集性質(zhì)的研究。

4.1.1 儲集特征

CO2氣體分子直徑小，活動能力強，對儲層物性的要求不如原油等液體那么嚴格，但對蓋層要求比油層高。作為一個良好的CO2儲存空間，首先必須具有良好的埋存能力和注入能力，這種能力取決于儲層性質(zhì)。

儲層性質(zhì)研究包括盆地區(qū)域地層格架與儲層分布、儲層的沉積類型、儲層的埋深、厚度、幾何形態(tài)及完整性、儲層成巖作用特點、物性（孔隙度、滲透率）和非均質(zhì)性等。

（1）深度

儲層的深度實際即為注入深度，如前所述，儲層的深度應滿足CO2以超臨界流體態(tài)的形式儲存于地下，也就是說埋藏深度必須大于800 m。同時也應考慮注入成本，深度必須有最大限度，一般設為3 000 m。

（2）巖性特征

CO2與鹽巖發(fā)生化學反應會形成穩(wěn)定的化合物或礦物（主要為鈣、鐵、鎂的碳酸鹽）。注入的CO2與儲層巖石發(fā)生緩慢的化學反應，形成碳酸鹽礦物（碎屑巖儲層）或HCO3－離子（碳酸鹽巖儲層），從而把CO2封存下來，反應式如下：

因此，碎屑巖儲層一般要比碳酸鹽巖儲層優(yōu)越，但由于碳酸鹽巖儲層并不由純的碳酸鹽礦物組成，上述2 種反應方式都有可能發(fā)生。

（3）厚度

儲層厚度是影響儲層性質(zhì)的一個重要參數(shù)，儲層厚度越大，埋存CO2的量越大。

（4）物性參數(shù)

儲層物性參數(shù)包括儲層孔隙度和滲透率。孔隙度和滲透率對儲層儲存CO2的能力有重要影響，孔隙度越大，儲存CO2的空間越大；滲透率越大，CO2的注入能力越大。

（5）非均質(zhì)性

通常根據(jù)儲層描述尺度大小，可將儲層非均質(zhì)性分為宏觀非均質(zhì)性和微觀非均質(zhì)性。在CO2儲存中通常是關(guān)注宏觀非均質(zhì)性。

宏觀非均質(zhì)性研究方法主要是通過計算滲透率變異系數(shù)、滲透率突進系數(shù)、滲透率級差、夾層頻數(shù)、有效厚度系數(shù)等參數(shù)來定量評價儲層宏觀非均質(zhì)性。其中滲透率變異系數(shù)V(K)反映樣品偏離整體平均值的程度，是評價儲層宏觀非均質(zhì)性的最重要參數(shù)。定量描述單元滲透率的非均質(zhì)性常用滲透率變異系數(shù)來表示，其值越大，表示儲層的宏觀非均質(zhì)性越嚴重[3]。

儲層的非均質(zhì)性制約著注入CO2在儲層中的流動狀況，非均質(zhì)性越嚴重，CO2運移范圍越小，進而影響CO2的埋存能力。

（6）沉積環(huán)境

無論碳酸鹽巖還是碎屑巖儲層，都必須具備儲集空間，而儲集空間的獲得又與巖石性質(zhì)和結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。巖性是特定沉積環(huán)境的必然產(chǎn)物，沉積環(huán)境對儲層有很大影響。

砂巖儲層沉積環(huán)境最好的是大型河流、三角洲相和扇三角洲相。碳酸鹽巖儲層最好的是封閉或半封閉的淺水碳酸鹽臺地中最富含生物的潮間帶，其次是潮上帶和潮下帶[13]。

（7）水動力條件

類比水文地質(zhì)條件對煤層氣賦存、運移影響研究成果，從CO2地質(zhì)儲存與水文地質(zhì)條件的關(guān)系分為水文地質(zhì)控氣的3 種作用形式：水力運移逸散作用、水力封閉作用和水力封堵作用[14]。

水力運移逸散控氣作用常見于導水性強的斷層構(gòu)造發(fā)育地區(qū)，通過導水斷層或裂隙、溝通儲層與含水層，水文地質(zhì)單元的補給、徑流、排泄系統(tǒng)完整，含水層富水性與水動力強，含水層與CO2地質(zhì)儲層水力聯(lián)系較好，在地下水的運動過程中，可以攜帶CO2運移而逃逸地表。

水力封堵控氣作用常發(fā)生于不對稱向斜或單斜中，在一定壓力差條件下，CO2從高壓力區(qū)向低壓力區(qū)滲流，如果含水層地表接受補給，順層由淺部向深部運動，則CO2向上擴散時將被地下水封堵，致使CO2得以封存。

水力封閉控氣作用發(fā)生于斷裂不甚發(fā)育的寬緩褶皺或單斜地層中，而且斷裂構(gòu)造多為不導水性斷裂，特別是一些邊界斷層，具有擠壓、逆掩性質(zhì)，成為隔水邊界，儲層上部和下部存在良好的隔水層（蓋層），CO2地質(zhì)儲層內(nèi)咸水體與上覆、下伏含水層無水力聯(lián)系，區(qū)域水文地質(zhì)條件簡單，含水層水動力較弱，地下水徑流緩慢甚至停滯，地下水以靜水壓力、重力驅(qū)動方式流動。水力封閉控氣作用一般發(fā)生在深部，地下水通過壓力傳遞作用，對CO2構(gòu)成水力封閉。

據(jù)上述水動力控氣作用機制分析，初步確定擬選場地水文地質(zhì)條件為水力封閉控氣作用時，場地為“好”；水文地質(zhì)條件為水力封堵控氣作用時，為“一般”；水文地質(zhì)條件為水力運移逸散控氣作用時，為“差”。

4.1.2 儲層的注入能力[3]

儲層的注入能力可以用注入指數(shù)I 來表示：

式中：q 為井筒中的流速（m3/d）；h 為儲層厚度（m）；Δp 為儲層及井筒間的壓差（MPa）；K 為儲層的滲透率（dm2）；μ 為注入相的黏度（MPa·s）；re為等效泄流半徑（m）；rw為井筒半徑（m）。

注入指數(shù)與地層系數(shù)Kh 成正比，而與注入相的黏度成反比。由于CO2的黏度很低，所以對于低滲透儲層，其注入能力要遠高于注水。例如，在15 MPa、47 ℃的條件下，CO2的黏度僅為0.077 MPa·s，而水的黏度則為0.68 MPa·s，即在滲透率相同的條件下，CO2的注入能力要比注水高10 倍左右。因此，從儲層注入能力分析可知，儲層厚度、儲層的滲透率、注入相的黏度等因素影響注入效果。

4.2 蓋層地質(zhì)評價

蓋層封閉能力除了受其微觀封閉能力的影響外，還要受宏觀展布面積大小的制約，因此，對蓋層封閉能力評價時，既要考慮蓋層的微觀封閉能力，又要考慮其宏觀發(fā)育特征。

4.2.1 蓋層發(fā)育特征

（1）巖性特征

從蓋層的幾種封閉機制可以看出，只要某套巖層中流體的排替壓力大于注入下伏儲層中超臨界狀態(tài)CO2的壓力均可作為蓋層。常見的蓋層主要是頁巖、泥巖、鹽巖、石膏和硬石膏等。泥質(zhì)含量對蓋層封閉性影響較大，其含量增加會降低巖層的孔隙度和滲透率，降低巖層的優(yōu)勢孔隙半徑大小而增加排替壓力，從而增強封閉能力。

（2）厚度和分布連續(xù)性

據(jù)Hubbert 研究，幾英寸厚的泥巖就可以封蓋住幾百米高的油柱，也就是說蓋層厚度對封堵油氣來說要求較低。但蓋層較薄時，往往分布不穩(wěn)定，對大規(guī)模CO2地質(zhì)儲存不利[15]。因此，從CO2地質(zhì)儲存角度看，蓋層越厚越有利。厚度大也不易被小斷層錯斷，不易形成連通的微裂縫。此外，厚度大的泥巖，其中的流體不易排出，從而形成異常壓力，導致封閉能力的增加。Grunau 認為，當蒸發(fā)巖厚度大于20～30 m，頁巖厚度大于50 m 可以明顯提高蓋層的封閉能力，可以說當蓋層排替壓力不夠時，加大厚度可以彌補這一不足[15]。

（3）塑性及成巖階段

不同的巖石具有不同的塑性。在通常的地質(zhì)條件下，常見蓋巖可塑性排列順序是鹽巖、硬石膏、富含干酪根頁巖、黏土質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖、碳酸鹽質(zhì)泥巖以及隧石。泥質(zhì)巖處于不同的成巖階段，具有不同的封閉能力[15－16]。

（4）斷裂發(fā)育特征

貫穿蓋層的斷層能夠破壞蓋層的完整性，張性斷層可能成為CO2逃逸通道，從而引起CO2泄露[17]。泥巖中具有超壓或微裂縫對其封閉能力影響很大，若泥巖中開啟裂縫發(fā)育，且密度又大，則其封閉能力就低；若泥巖中發(fā)育的是緊閉的裂縫，且密度又小，則其封閉能力較強。因此，在蓋層評價中必須重視欠壓實和微裂縫的研究，以便對蓋層的封閉能力作出正確的評價。

（5）主力蓋層之上的“緩沖蓋層”

張森琦等[16]將CO2地質(zhì)儲存泄漏通道分為人為泄漏通道、地質(zhì)構(gòu)造泄漏通道以及跨越蓋層和水力圈閉泄漏通道3 類。CO2一旦突破主力蓋層，需要之上的“緩沖蓋層”提供一定的封閉能力，從而減少或阻止CO2的逃逸，提高CO2地質(zhì)儲存的安全性。

4.2.2 蓋層封閉性綜合定量評價

為了直觀地反映蓋層的封閉能力，油氣地質(zhì)學將油氣流體在一定的外力條件下單位時間內(nèi)通過單位面積蓋層量的倒數(shù)定義為該蓋層的封閉指數(shù)，用符號CRI 表示。對于油和氣的流量倒數(shù)分別用CRIo和 CRIg表示，稱為蓋層封油指數(shù)和封氣指數(shù)[15]，因此，CO2地質(zhì)儲存可以將蓋層的封CO2指數(shù)定義為CRICO2來反映蓋層的CO2封閉性。

蓋層封閉性綜合定量評價指數(shù)CRI 指流體通過蓋層的量，反映了蓋層的滲透性[3]。

CRI 概括了各種主要地質(zhì)因素對其封閉性的影響，較排替壓力等指標更能客觀反映蓋層的封閉性。CRI 指標既考慮了流體的微觀滲濾機制，又概括了蓋層可塑性、巖性、欠壓實程度等參數(shù)對蓋層宏觀封閉能力的影響，因此，能夠用于確定蓋層的封閉最大臨界高度。實際資料表明，蓋層的CRI 值與其封蓋油氣的高度有較好的相關(guān)性。這一方面說明CRI 的建立具有科學性，能夠反映蓋層的實際封閉油氣的能力；另一方面說明實際地質(zhì)條件下蓋層對油氣藏形成的控制作用主要取決于其宏觀封閉性[15]。

5 場地選址階段儲蓋層適宜性評價

5.1 深部咸水層CO2 地質(zhì)儲存場地選址階段劃分

深部咸水層CO2地質(zhì)儲存工程場地選址可以利用多尺度目標逼近法，即按照我國CO2地質(zhì)儲存潛力與適宜性評價工作階段進行（見圖1），基本思路是基于從盆地→圈閉→注入層評價循序漸進開展選址工作的。CO2地質(zhì)儲存選址包括規(guī)劃選址和工程選址2 大階段（見表2）。規(guī)劃選址又包括國家級、盆地級和目標區(qū)級潛力評價階段；工程選址階段對應場地級儲量評價階段。規(guī)劃、工程選址選址思路及技術(shù)路線圖如圖2 所示。

圖1 我國CO2 地質(zhì)儲存工作階段與潛力分級圖 Fig.1 CO2 geological storage potential levels and suitability assessment stages

表2 深部咸水層CO2 地質(zhì)儲存場地多尺度目標逼近選址階段劃分 Table 2 CO2 geological storage engineering multi-scale objective approximation site selection stages in deep saline aquifers

圖2 規(guī)劃、工程選址技術(shù)路線圖 Fig.2 Technical roadmap of planning and engineering site selection

5.1.1 規(guī)劃選址

國家級預測潛力評價以單個沉積盆地為單元，評價整個盆地CO2地質(zhì)儲存潛力，即預測潛力。對全國沉積盆地進行CO2地質(zhì)儲存適宜性評價，淘汰部分不適宜CO2地質(zhì)儲存的沉積盆地，選擇出可供下一階段繼續(xù)研究的適宜CO2地質(zhì)儲存的沉積盆地。

盆地級推定潛力評價以盆地一或二級構(gòu)造單元為研究和評價對象，計算各盆地一或二級構(gòu)造單元CO2地質(zhì)儲存潛力，即D 級推定潛力。對各盆地一或二級構(gòu)造單元進行CO2地質(zhì)儲存適宜性評價，評價出CO2地質(zhì)儲存遠景區(qū)，為宏觀CO2地質(zhì)儲存的選擇提供依據(jù)。

目標區(qū)級控制潛力評價以圈閉為研究和評價對象，通過圈閉CO2地質(zhì)儲存適宜性評價，優(yōu)選出CO2地質(zhì)儲存目標靶區(qū)，計算目標靶區(qū)CO2地質(zhì)儲存潛力，即C 級控制潛力，為國家CO2地質(zhì)儲存提供一批目標靶區(qū)。

5.1.2 工程選址

根據(jù)CO2地質(zhì)儲存場地選址標準，進一步篩選出最佳CO2地質(zhì)儲存場地。通過場地綜合地質(zhì)調(diào)查、地震地球物理勘探、鉆探與灌注試驗、動態(tài)監(jiān)測、室內(nèi)物理模擬與數(shù)值模擬，查明場地CO2地質(zhì)儲存地質(zhì)條件，計算場地級CO2地質(zhì)儲存量，即B 級基礎儲存量，制定合理的CO2灌注方案，為CO2灌注工程施工圖設計提供依據(jù)。

5.1.3 規(guī)模性灌注

在場地級基礎儲存量評價階段的基礎上，實現(xiàn)了由灌注試驗轉(zhuǎn)化為工程性實際灌注，并歷經(jīng)了較長的CO2灌注監(jiān)測時間，灌注量日趨穩(wěn)定，CO2擴散暈在儲層內(nèi)不斷有效地擴展，且沒有出現(xiàn)CO2逃逸、誘發(fā)地震等環(huán)境、安全問題時，通過擬合、改進的數(shù)值模型而得出的灌注級工程儲存量。

5.2 不同選址階段儲蓋層適宜性評價

在深部咸水層CO2地質(zhì)儲存工程場地不同選址階段，應根據(jù)評價的不同目的和評價單元，結(jié)合儲蓋層地質(zhì)評價內(nèi)容來確定適宜性評價指標分級標準，如表3～5 所示，且從國家級→盆地級→目標區(qū)級→場地級潛力評價階段，儲蓋層的評價精度和量化程度依次提高。

5.2.1 國家級、盆地級潛力評價階段

國家級與盆地級潛力評價階段的區(qū)別在于評價單元的不同。

我國陸域陸相沉積盆地多、規(guī)模大，目前已發(fā)現(xiàn)面積大于200 km2的就有391 個，最大的面積達56×104km2。尤其是我國南方沉積盆地群，廣泛分布著面積較小的沉積盆地，該類盆地開展國家級和盆地級潛力評價規(guī)劃選址時，儲蓋層適宜性評價可以合并為一項選址評價工作。

因此，國家級和盆地級潛力評價階段宜采用相同的儲蓋層適宜性評價指標和分級標準。

5.2.2 目標區(qū)級潛力評價階段

鄧隆武[13]依據(jù)我國含油氣盆地儲層發(fā)育特征，劃分了碎屑巖和碳酸鹽巖儲層評價分類標準（見 表3）。龐雄奇等[15]則根據(jù)我國含油氣盆地蓋層封閉性研究，確定了蓋層封閉能力相對性評價分級標準，并提出了蓋層綜合性定量評價指數(shù)CRI 的概念。

Bachu 等[18]、文獻[19]、沈平平等[5]都相繼提出了CO2地質(zhì)儲存對儲蓋層適宜性評價的分級標準。

該階段深部咸水層CO2地質(zhì)儲存區(qū)域性儲層適宜性評價可以借鑒油氣地質(zhì)學以及已有的CO2地質(zhì)儲存適宜性評價成果，選擇其關(guān)鍵性指標：巖性、單層厚度、孔隙度φ、滲透率K、滲透率變異系數(shù)V(K)、分布連續(xù)性L 以及儲層的水動力條件，進行儲層的適宜性評價。區(qū)域性蓋層則可以選擇巖性、單層厚度、累計厚度、分布連續(xù)性、斷裂發(fā)育情況及其上部的緩沖蓋層數(shù)量來開展蓋層適宜性評價工作（見表4）。

5.2.3 場地級潛力評價階段 該階段屬于工程選址階段，與規(guī)劃選址階段各評價工作不同在于增加了實質(zhì)性的工程灌注試驗工作，結(jié)合灌注試驗、樣品采集與測試等手段，確定主力儲層的可注入性、蓋層的綜合性定量封閉能力。

由于我國的深部咸水層CO2地質(zhì)儲存工作剛剛起步，尚未有蓋層綜合定量封閉能力（ CRICO2）權(quán)威數(shù)據(jù)，暫用蓋層的封油指數(shù)（Ho）進行適宜性評價[15]。

表3 國家級和盆地級儲蓋層適宜性評價指標及分級標準 Table 3 Reservoir and caprock stability assessment indexes and grading standards in national and basin scale stages

表4 目標區(qū)級儲蓋層適宜性評價指標及分級標準 Table 4 Reservoir and caprock stability assessment indexes and grading standards in target scale stages

表5 場地級儲蓋層適宜性評價指標及分級標準 Table 5 Reservoir and caprock stability assessment indexes and grading standards in site scale stages

6 結(jié)論及存在的問題

（1）CO2地質(zhì)儲存作為環(huán)保型工程項目，從其機制和工作屬性出發(fā)，儲蓋層地質(zhì)評價是場地選址過程中的一項關(guān)鍵性工作。其中，儲層地質(zhì)評價內(nèi)容包括儲層的巖性、厚度、沉積環(huán)境、物性參數(shù)、非均質(zhì)性、沉積環(huán)境、水動力條件及注入能力等；蓋層地質(zhì)評價內(nèi)容包括蓋層的巖性、厚度、分布連續(xù)性、塑性及成巖階段、斷裂發(fā)育及“緩沖蓋層”數(shù)量等。

（2）按照深部咸水層CO2地質(zhì)儲存規(guī)劃選址到工程選址不同階段劃分，儲蓋層評價的內(nèi)容和對象應根據(jù)評價目的依次提高評價精度和量化程度。在規(guī)劃選址階段應重點對區(qū)域性儲蓋層的宏觀發(fā)育特征進行重點評價；在工程選址階段，重點對CO2主力儲層注入能力和主力蓋層綜合定量封閉能力進行定量評價。

（3）由于我國深部咸水層CO2地質(zhì)儲存工作剛剛起步，本文建立的儲蓋層適宜性評價指標體系對CO2地質(zhì)儲存場地選址具有一定的指導作用；但不同選址階段儲、蓋層地質(zhì)評價工作尚存在許多關(guān)鍵問題，如不同儲存單元CO2儲層的儲存潛力分級標準、蓋層對不同相態(tài)CO2綜合定量封閉能力等都亟待進一步地實踐和研究。

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