深部咸含水層CO2地質埋存廠址篩選方法研究

孟慶輝，劉朝安，賈 寧，張 洋，成建梅

(1.華北電力設計院工程有限公司，北京 100120；2.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

1 概述

隨著碳排放權交易的開展，CO2地質埋存將得到開展。研究認為，深部咸含水層CO2地質埋存是減排的有效手段。在場地篩選與評價方面，加拿大學者Bachu的成果最具代表性。此外，還有不少組織機構提出了場地篩選方法。但由于CO2地質埋存影響因素多樣，埋存機理復雜，至今仍沒有一套成熟完善的場地篩選與評價方法。

范基姣等將CO2地質儲存潛力與適宜性評價分為國家級潛力評價階段、盆地級潛力評價階段、目標級潛力評價階段、場地級評價階段和灌注級評價階段等5個階段。本文在前期工作的基礎上，針對陸相碎屑巖盆地，提出了場地級評價階段工作詳細的場地篩選與評價方法。

2 初次篩選階段

本階段的目標是在研究區內初步篩選可能的CO2地質埋存層位，作為后續的研究工作對象。

該階段應在完成區域篩選的基礎上進行，應將優先條件最適宜的區域確定為工程選址篩選目標區域。此外，還應結合經濟條件和時間等因素的考慮合理選取研究區，若經濟條件較差或時間較緊張，應優先勘探程度較高的區域作為研究區，這主要是考慮到勘探程度高的區域相關的地質構造、巖性地層、資源分布、水文地質和溫壓等情況的探明程度相對較高，能夠為CO2地質封存場地篩選工作提供大量翔實的資料，節省了大量的成本與時間。

2.1 初步圖件繪制

假如碳源位置已經固定，則還應結合經濟條件與勘探程度進行綜合分析，圈定研究區范圍。此外，還應結合勘探程度、盆地沉積、經濟條件等各方面情況劃定研究區深度。

在選定研究區的基礎上，主要的圖件應包括地層埋深圖、地層厚度圖、巖相分區圖、貫穿性及活動性斷裂分布圖、資源分布圖、中深層地下水動力場分布圖等。其中，地層埋深圖與地層厚度圖至少應精確到段；斷裂分布圖除了確定各斷裂的平面展布外，還應確定其貫穿層位；資源分布圖除了確定已經和正在開采的礦區空間分布外，還應確定具有資源潛力儲層的空間分布情況。在具備一定的技術條件時，可構建出三維地層格架，使后續的分析工作直觀方便。

2.2 初步候選埋存層位篩選

從儲量角度考慮，候選儲層應滿足一定的厚度、埋深和橫向連續性條件。從安全角度考慮：①候選儲層的頂部應分布有區域性的蓋層，且蓋層應滿足一定的厚度、巖性和橫向連續性條件；②候選埋存層位尤其是蓋層內部不應有大的貫穿性斷層分布，尤其是活動性斷裂，對其應采取避讓措施；③候選埋存層位應盡量避開地層的向斜構造區，優先選擇規模較大的背斜圈閉構造；④候選埋存層位應遠離地下水流動系統的排泄區。從可注入性考慮，候選儲層應滿足一定的巖性條件。從資源保護的角度考慮，候選埋存層位應避開正在進行資源開采以及具有資源潛力的儲層。

從儲量、安全、可注入性、資源等方面綜合考慮，候選埋存層位應滿足表1～表3所列條件。通過圖層疊合，初步篩選，在研究區內獲取多個候選埋存層位。重力驅動的流動系統典型流速為0.1m/a～100m/a。表中給出的貫穿性活動性斷裂與地下水流動系統的安全距離以流速50m/a、安全期1000a估計給出。如果有實測的流速數據，可根據實際情況進行決策。

表1 儲層初步篩選標準

表2 蓋層初步篩選標準

表3 構造及其它初步篩選標準

3 二次篩選階段

本階段的目標任務是根據候選儲層中地下水的礦化度、儲層溫壓條件、儲層物性情況，對候選埋存層位進行二次篩選。

3.1 資源鑒定

對于一個合適的CO2地質埋存儲層，其中的流體本身應不具有資源屬性。因此，在多數情況下，地下水的礦化度應介于3g/L～50g/L之間。只有在該儲層內深層鹵水未被作為資源利用的情況下，再考慮封存CO2，特別是當鹵水鹽分很高時，需要考慮未來開采的可能性。

3.2 相態鑒定

此工作只需對埋深小于1500m的候選埋存層位進行。根據測井資料可獲得候選埋存層位區域或臨近區域一定深度處的溫度和壓力數據，通過插值計算和靜水壓力計算獲得候選儲層頂部的溫度和壓力。根據該溫度和壓力，確定CO2的相態，若為氣相，則排除該埋存層位，若為超臨界相或液相，則進行下一步的物性篩選。

3.3 物性篩選

相態鑒定之后，應對剩余的候選埋存層位進行物性篩選。應優先選擇儲層孔隙度在15%以上的埋存層位。這主要出于兩方面的綜合考慮：①孔隙度較大的儲層，其單位體積儲層的埋存潛力越大；②對于砂巖儲層，孔隙度和滲透率在半對數坐標下具有明顯的正相關關系，滲透率隨孔隙度的增加呈指數關系增長。在滲透率方面，應優先選擇儲層滲透率大于100mD的候選層位。

4 綜合評價階段

4.1 評價因子體系

在2.2節中論述了CO2地質埋存場地的基本條件，對于每一項條件，本節試圖采用多個因子(表4、表5)進行綜合體現，描述了從地下到地上再到經濟的整體條件和因素。

表4 地質因素綜合評價指標體系

表5 環境和經濟因素綜合評價指標體系

在碳源因子方面，本文考慮的碳源距離上限為300km，碳源規模上限為50Mt。在確定碳源距離和碳源規模時，需考慮以下因素：即碳源規模會隨著距離的增大而增加，若場地周邊碳源豐富，可能在較小的距離內碳源規模已經達到50Mt，碳源過盛，此時，該范圍內的碳源距場地中心的距離均值為碳源距離，相應的碳源排放總和即為碳源規模；若場地周邊碳源稀少，可能在300km范圍內碳源規模仍過小，此時，300km范圍內的碳源距場地中心的距離均值為碳源距離，相應的碳源排放總和即為碳源規模。

4.2 綜合評價方法

綜合評價階段，需選用適宜的數學評價方法，對場地適宜性進行綜合評價，選出合適的埋存層位。本文提出的模糊數學方法(見第6節)。

對于經過綜合評價，評價為適宜的場地，必要時需要通過數值模擬來鑒定場地的可注入性、埋存安全性。數值模擬還能為后面的有效埋存量評估工作提供較為可靠的計算參數。在數值模擬領域，國內外比較成熟的軟件有TOUGH2中的ECO2N模塊。根據模擬結果應對存在較大安全隱患的埋存層位予以排除。

5 有效埋存量評估

在場地篩選評價的不同階段，隨著場地的圈劃和對場地認識的不斷加深，對儲層埋存量的計算分四個層次：理論埋存量、有效埋存量、實際埋存量、匹配埋存量。理論埋存量反映了地質系統內所能接受的物理極限量，它是一個最高上限的埋存潛力。然而在現實中這是一個不切實際的數值，因為在實際中總受到物理、技術、法規和經濟等條件的限制，而這些局限往往會阻止這種埋存量的完全利用。

有效埋存量表示從技術層面(包括地質和工程因素)考慮了儲層的物性參數、非均質性、封閉性、埋存深度、溫壓場等因素之后計算所得的埋存量，它是理論埋存量的子集。這種埋存量會隨著所收集資料信息的增多或理論認識程度的加深而發生變化。

實際埋存量表示考慮到技術、法律及政策、基礎設施和經濟條件等因素影響的埋存量，它是有效埋存量的子集。該埋存量隨著技術、政策、法規和經濟條件的變化產生很大的變化。

匹配埋存量表示考慮到CO2源、注入能力和供給能力等因素影響的埋存量，它是實際埋存量的子集。實際埋存量與匹配埋存量的差值表示因為缺乏基礎設施和(或)在經濟距離之內的CO2來源目前不能實現的滯留埋存容量。

6 基于模糊數學的綜合評價方法

6.1 建立因子集

根據表4建立的評價因子體系，確定因子集。設有n個評價因子，則因子集可記為：

6.2 建立模糊評價分級指標集

對于第i個因子fi，它的取值情況在一定程度上反映了場地條件的好壞，因此應對該因子進行分級。通過參考國內外文獻和學術專著，本文建議的評價因子共分五級：Ⅰ級(好)、Ⅱ級(較好)、Ⅲ級(一般)、Ⅳ級(較差)、Ⅴ(差)。分級指標如表5所示。

對于第i個因子fi，其模糊評價分級指標集可記為：(a11a12a13a14a15)。

6.3 建立隸屬度函數

每個因子的取值范圍是連續變化的，并非若干個孤立的值，當因子的取值落在相鄰的兩個分級指標之間時，很難判斷該因子的等級，因此采用隸屬度來表示該因子對各個等級的隸屬程度。

對于分級指標為具體數值的因子，宜采用降半梯形分布函數建立隸屬度函數。對于遞增型指標，隸屬度函數為：

式中：xi為因子取值。對于遞減型指標，隸屬度函數與上述表達式類似。對于分級指標為描述性句子的因子，若其取值為第j級對應的指標，則對j級的隸屬度為1，對其他等級的隸屬度為0。

6.4 建立模糊關系矩陣

設共有n個因子，則建立的模糊關系矩陣為：

6.5 建立權重矩陣

權重反映了每個因子對整體影響程度的大小，若第i個因子的權重為wi，則權重矩陣可記為：

對于權重的確定，有多種方法，較為常見的有專家評分法和層次分析法。專家評分法是一種定性描述定量化方法，它首先根據評價對象的具體要求選定若干個評價項目，再根據評價項目制訂出評價標準，聘請若干代表性專家憑借自己的經驗按此評價標準給出各項目的評價分值，然后對其進行結集。

層次分析法是將決策總是有關的元素分解成目標、準則、方案等層次，在此基礎之上進行定性和定量分析的決策方法。層次分析法的步驟一般包括：建立層次結構模型；構造成對比較陣；計算權向量并作一致性檢驗；計算組合權向量并作一致性檢驗。該方法具有系統性、實用性、簡潔性等諸多優點，但在建立判斷矩陣時主觀性較強，最終得到的權重值可能不夠合理。建議采用專家評判與層次分析相結合的方法，即在建立層次模型和構造成對比較矩陣階段，相應的工作由專家完成。

針對碎屑巖蓋層情況，表2給出了本文建議權重值。對于蒸發巖蓋層，由于缺少了碎屑巖封閉性能(包括突破壓力和壓力系數)這一評價因子，因此，應對其余的因子權重值進行歸一化處理，方能得到蒸發巖蓋層情況下的因子權重。此外，在資料缺少、評價因子選取不全的情況下，應對選取的評價因子權重值進行歸一化處理。

6.6 場地級別鑒定與場地適宜度計算

最終的評價工作通過模糊運算完成，若記模糊綜合評價矩陣為：

則：

其中：為模糊算子。常用的模糊算子有四種類型：相乘相加法、取小相加法、相乘取大法和取小取大法。

為使評價結果能夠綜合反映各個評價因子的影響，建議選擇相乘相加這一模糊算子，即：

式中：j=1，2，3，4，5。

對于最后經計算所得的模糊綜合評價矩陣，若第j個元素bj的值最大，則定義該場地級別為j級。

若需要對所有場地的適宜性進行綜合排序，則根據以下方法進行：

首先，建立備擇集。結合CO2地質埋存場地篩選與評價具體工作，這里的備擇集應為。其次，數值化備擇集?？梢圆捎貌煌笮〉臄抵祦肀硎緜鋼窦械母鱾€元素，本課題組給出的數值化后的備擇集為。最后，加權計算。場地適宜度指標。若S≥8，則定義場地適宜度好；若6≤S＜8，則定義場地適宜度較好；若4≤S＜6，則定義場地適宜度中等；若2≤S＜4，則定義場地適宜度較差；若S≤2，則定義場地適宜度差。

根據計算后得到的場地適宜度指標，可以對所有的場地就CO2地質埋存場地適宜性進行排序，從中優選出場地綜合條件較好的若干埋存層位，為后續工作提供參考。

7 結論

對現有CO2地質埋存場地篩選領域研究成果的分析，發現其中的不足之處，提出了一套具有一定創新性和實用性的場地篩選與評價方法。

針對工程場地篩選與評價階段劃分為五個工作階段：初次篩選階段、二次篩選階段、綜合評價階段、數值模擬階段和有效埋存量評估階段。

通過建立綜合評價指標體系，并利用建立的評價方法對候選場地的封存適宜性進行綜合評價。借助模糊數學方法，對場地的進行了半定量評價，為場地的優選提供了依據。

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