松遼盆地中央坳陷區北部咸水層CO2儲存場地適宜性評價與儲量計算

羅 偉，張 洋，劉 寧，成建梅（.中國地質大學（武漢）環境學院，湖北　武漢430074；.華北油田公司采油工程研究院，河北任丘06550）

松遼盆地中央坳陷區北部咸水層CO2儲存場地適宜性評價與儲量計算

羅 偉1，張 洋2，劉 寧1，成建梅1
（1.中國地質大學（武漢）環境學院，湖北武漢430074；2.華北油田公司采油工程研究院，河北任丘062550）

深部含水層CO2地質儲存可以有效緩解CO2排放壓力，而合理的場地評價和選址工作是有效、安全和經濟儲存CO2的先決條件。在詳細分析松遼盆地中央坳陷區地質背景條件的基礎上，針對目標區級深部咸含水層CO2儲存場地評價級別，建立了6個一級指標和22個二級評價指標的目標區級場地優選方法。優選方法重點考慮了地質因素的影響，運用層次分析法和加權評判法對松遼盆地中央拗陷區北部5個二級構造單元開展了場地適宜性評價，并計算了各二級構造單元的CO2封存儲量。結果表明:各二級構造單元的適宜度指標相差不大，埋存適宜性皆較好，其中齊家—古龍凹陷CO2埋存適宜性最優；儲量上，齊家—古龍凹陷最高，朝陽溝階地最低。

CO2地質儲存；場地適宜性評價；儲量計算；層次分析法；二級構造單元；松遼盆地中央坳陷區

人類對化石燃料的過度依賴和CO2的集中釋放導致全球溫室效應日趨嚴重，隨之而來的海平面上升、氣候異常等自然災害嚴重影響著人類的生存和發展。CO2地質封存技術旨在集中、高效地將CO2收集、運輸、注封于地下地質體中，以達到CO2減排目的。盆地深部含水層CO2埋存因潛力巨大、技術可行，且已有實際的工程運行，已成為CO2地質埋存首選方式之一［1］。

科學合理的場地評價和選址工作是有效、安全和經濟儲存CO2的先決條件。國外學者在該領域研究起步較早，主要集中在不同空間尺度下評價標準的選擇和標準權重分配問題的研究。如Bachu［2］從盆地尺度提出了評價沉積盆地在碳埋存適宜性方面應考慮的標準，包括盆地構造類型、地溫場、流體動力場、資源潛力、成熟度標準以及經濟和社會標準，并提出了評估沉積盆地碳埋存適宜性的方法；Bachu［3］還提出了一套盆地尺度的包含15個指標的碳埋存適宜性評價因子體系和評價方法，并對加拿大主要盆地的碳埋存適宜性進行了分級評價，同時具體分析了盆地地溫特征對CO2埋存效果的影響，提出了熱盆（Warm Basin）和冷盆（Cold Basin）的概念，并將其作為評價盆地或區域碳埋存適宜性的一項標準。國內學者的研究起步較晚，但研究成果豐富，在綜合我國地質情況基礎上，將場地適宜性評價級別劃分為區域級、盆地級、目標區級、場地級和灌注級［4］，相應的評價標準也得到不斷完善和細化。如刁玉杰等［5］著重分析了儲蓋層性能在深部咸含水層CO2地質儲存場地選址中的作用，并引入滲透率變異系數和儲層注入指數等定性指標；張森琦等［6］通過對深部咸水層水質屬性、水文地質屬性、資源屬性、淺層地下水脆弱性和環境保護屬性等進行詳細分析，得出了適宜規模化CO2地質埋存的咸水層應滿足的基本條件。

松遼盆地是我國大型陸相含油氣沉積盆地，密集的工業區、分布廣泛的深部咸含水層以及良好的儲蓋組合使之成為CO2地質封存的重點研究區域。楊國強等［7］建立了包括地質儲存規模、儲存經濟性、儲存條件和儲存安全性4個方面、20個指標、5個指標劃分等級的評價指標體系，并對松遼盆地6個一級構造單元的CO2地質儲存適宜性進行了評價，指出中央坳陷區具有較好的CO2地質儲存適宜性；楊霄翼等［8］則建立了以技術性、安全性、經濟性與社會環境為準則的包含26項指標的深部鹽水層CO2地質埋存適宜性評價指標體系，對松遼盆地一級構造單元進行評價，認為中央坳陷區是CO2地質儲存適宜性最好的區域；金超等［9］對松遼盆地南部長嶺凹陷保康體系的沉積相類型及其時空分布規律、儲蓋層沉積特征、水文地質及構造特征等進行了研究，結果表明研究區青山口組—嫩江組是CO2地下埋存的良好儲蓋組合；徐威等［10］則對松遼盆地中央拗陷區深部咸水層CO2封存潛力進行了評價，并根據儲層物性參數的隨機性，分析了儲量計算結果的不確定性。

整體上講，松遼盆地CO2地質儲存場地評價大多還停留在一級構造單元上，針對二級構造單元的場地評價，尤其是中央坳陷區的研究尚缺乏。為此，本文在重點考慮松遼盆地中央坳陷區地質背景條件的基礎上，分別選取儲蓋層、地溫場、水動力場、區域穩定性等評價標準，對松遼盆地中央坳陷區北部5個代表性二級構造單元進行CO2儲存場地適宜性評價，并分別計算其儲量。該研究對于松遼盆地CO2地質儲存目標靶區的圈定和場地級別CO2注入具有一定的指導意義。

1　松遼盆地中央坳陷區地質背景條件

松遼盆地位于中國東北，面積約24萬km2，是世界上以豐富的油氣資源而著稱的陸相含油氣沉積盆地，孕育了目前中國最大的陸相油氣田——大慶油田［1］。中央坳陷區位于松遼盆地中部，是盆地發展過程中沉降相對占優勢的大型負向構造單元，長期為盆地的沉降、沉積中心。該區地層發育齊全，侏羅系至新近系沉積巖厚度達7 000～10 000 m［11］。中央坳陷區北部五個二級構造單元主要是三肇凹陷、齊家—古龍凹陷、龍虎泡—紅崗階地、大慶長垣和朝陽溝階地，其中三肇凹陷和齊家—古龍凹陷又是中央坳陷區的中心，如圖1所示。研究區被北北東向E2斷裂和與之正交的E6、E7斷裂所分割，大慶長垣分布有較多的碳源，考慮區內鉆孔數量達數千口之多，且密集排列在中央拗陷區中部，故未在圖中表示。

1.1儲蓋組合和沉積相

中央坳陷區符合CO2封存儲層巖性特征的地層包括:四方臺組、嫩江組第三段和第四段、姚家組、泉頭組第一段以及泉頭組下伏登婁庫組第二段和第三段。但從地層埋深來看，四方臺組及嫩江組第三段和第四段地層埋深小于800 m，不符合CO2超臨界狀態的條件；姚家組地層在部分構造單元埋深為1 000～2 000 m，CO2能以超臨界狀態儲存；泉頭組第一段、登婁庫組第二段和第三段地層大部分埋深大于2 000 m，符合埋深條件，但考慮到CO2注入操作要求較高、經濟成本大，不適宜作為優先儲層。因此，初步確定姚家組地層作為CO2優先埋存地層［1］。

圖1　松遼盆地構造單元劃分以及斷裂分布Eig.1 Tectonic units，faults and carbon sources distribution in Songliao Basin

姚家組地層屬于中部含油氣組合，地層埋深在1 000～2 000 m，巖性多為砂巖，含泥巖夾層，平均厚度為150 m。姚家組第一段在該區域內主要發育三角洲前緣相和三角洲平原分流河道相，砂體發育環境較好，形成了葡萄花油層；姚家組第二段和第三段沉積時期，安達以北地區主要發育三角洲前緣相，砂體發育環境良好，形成了薩爾圖油層，而安達以南地區主要發育半深湖-深湖相，泥質巖類發育環境良好［11］。

發育于姚家組之上的嫩江組，為一套巨厚層的泥巖蓋層，平均厚度為300 m。嫩江組第一段和第二段沉積時期，半深湖-深湖相幾乎覆蓋整個區域，泥質巖類發育環境良好［11］，作為薩爾圖和葡萄花油層的蓋層產出。

1.2地質構造

松遼盆地是中新生代大型陸相斷陷-坳陷疊合盆地，早白堊世中期，巖石圈冷卻收縮，盆地整體沉降，坳陷沉積統一了此前斷陷期凹凸相間的構造格局。坳陷期構造活動微弱，褶皺和大斷層發育有限，多為平緩的披覆構造，因此地層連續性較好［11］，而姚家組就發育于坳陷期。松遼盆地坳陷層典型的坳陷盆地沉積和構造特征，為CO2的埋存創造了良好的儲層和蓋層條件。

1.3水動力條件

松遼盆地中央坳陷區主要發育泥巖壓榨水離心流，在坳陷區邊緣與大氣水下滲向心流匯合，越流蒸發排泄［12］。隨著地層埋深增加，泥巖壓實排水趨于枯竭，大氣水下滲受阻，發育滯流的水動力環境；另外，盆地內局部空間的能量下降，并處于相對封閉的狀態，也會出現暫時性的滯流現象。

2　二級構造單元CO2儲存場地適宜性評價

本文以松遼盆地中央坳陷區北部5個二級構造單元（包括龍虎泡—紅崗階地、齊家—古龍凹陷、大慶長垣、三肇凹陷和朝陽溝階地）姚家組地層為研究對象，運用建立的區域適宜性評價因子體系和評價方法，對各構造單元的CO2埋存適宜性進行綜合評價。

2.1場地選址原則及優選條件

場地選址原則是指埋存場地應滿足的基本條

件，包含五個最基本的內容:技術、經濟、安全、合法、公眾意見。場地選址原則應貫穿整個選址過程的始終，且對具體場地適宜性評價體系的構建具有最基本的導向作用。本文在參考國內外學者研究成果［2-3，14-17］基礎上，結合對場地適宜性的認識，將場地選址原則細化，得到具體場地優選條件及其基本要求，詳見表1。

2.2場地適宜性評價因子體系

表1　場地優選條件及其基本要求Table 1 Eactors considering and basic requirements in site optimal selection

松遼盆地中央坳陷區北部5個二級構造單元CO2儲存場地適宜性評價級別屬于目標區級，對目標區級評價不僅需要全面、科學的評價因子體系，而且需要更加詳盡的資料為依托。本文在參考部分國內外學者提出的評價體系［3，5-8］的基礎上，結合松遼盆地自身的特點，重點考慮地質因素對CO2儲存場地適宜性評價的影響，建立了6個一級指標和22個二級評價指標的目標區級場地優選方法。5個二級構造單元各評價因子取值詳見表2。本次評價共收集了松遼盆地北部2 248口鉆井的垂向地層劃分數據，這些鉆井主要分布在上述5個二級構造單元內，且相對密集，各構造單元具體各類鉆孔數詳見表2。

2.3場地適宜性評價方法

表2　5個二級構造單元各評價因子的取值Table 2 Values applied for each evaluation factor of five secondary tectonic units

本文采用模糊綜合評價法對松遼盆地中央坳陷區北部5個二級構造單元CO2埋存適宜性進行評價。該方法主要評價與計算過程包括:建立因子集—建立模糊評價分級指標集—建立隸屬度函數—建立模糊關系矩陣—建立權重矩陣—適宜性評價。其中，采用降半梯形分布函數確定定量評價指標對各級的隸屬度函數，利用層次分析法確定各評價指標的權重，模糊算子使用相乘相加法進行計算，以便使評價結果能夠充分綜合各個評價因子的影響。各評價因子的分級標準及權重見表3。

表3　5個二級構造單元各評價因子的分級標準及權重Table 3 Eactor weights and suitability standard in the evaluation of secondary tectonic units

為了對各二級構造單元的CO2儲存適宜性進行定量排序，本文采用加權評價法［13］做進一步分析。使用定量化評語集｛9，7，5，3，1｝代替模糊綜合評價的評語集V=｛好，較好，一般，較差，差｝，構建二級構造單元適宜度指標S=B·VT，其中B為模糊綜合評價矩陣，V為備擇集。適宜性判別如下:若S≥8，則定義該構造單元適宜度好；若6≤S＜8，則定義該構造單元適宜度較好；若4≤S＜6，則定義該構造單元適宜度中等；若2≤S＜4，則定義該構造單元適宜度較差；若S≤2，則定義該構造單元適宜度差。

最終計算得到各二級構造單元儲存CO2的適宜度指標，見表4。由表4可以看出:根據模糊綜合評價矩陣，各構造單元姚家組的CO2埋存適宜性皆為Ⅰ級；根據適宜度指標，各構造單元姚家組的CO2埋存適宜性皆較好，其適宜性從好到差依次為齊家—古龍凹陷、龍虎泡—紅崗階地、三肇凹陷、大慶長垣、朝陽溝階地。

表4　5個二級構造單元姚家組CO2埋存適宜性綜合評價結果Table 4 CO2storage suitability evaluation results of Yaojia group in five secondary tectonic units

3　二級構造單元CO2儲量計算

儲層CO2儲量計算是場地評價的重要組成，直接決定了CO2封存潛力。本文采用Bachu等［18］提出的CO2溶解度法對松遼盆地中央坳陷區北部5個二級構造單元儲量進行評價。該方法認為CO2最終被水體溶解捕獲，水體飽和時的無機碳的增量即為CO2最大儲量。采用該方法計算CO2儲量須滿足以下兩個條件:①地下水不存在非碳酸鹽緩沖溶液；②溶解飽和之后過多的CO2不會導致碳酸鹽礦物溶解或析出現象的發生。事實上，考慮地層非均質性，流體不可能全部飽和CO2，因此該計算方法十分粗糙，但用于二級構造單元CO2儲量評估時這種精度是可以接受的。其計算表達式為

式中:MCO2d為咸水層的CO2溶解儲量（kg）；MCO2td為咸水層所能溶解的最大CO2質量（kg）；MCO2nd為初始地層水中天然溶解的CO2質量（kg）；A為含水層面積（m2）；￣H為含水層的平均厚度（m）；ˉφ為含水層平均孔隙度（%）；ˉρ為初始地層水的平均密度（kg/m3）；ˉβH2O為初始地層水中溶劑水所占的平均質量分數（%）；￣mCO2為CO2在地層水中的平均溶解度（mol/kg）；MCO2為CO2的摩爾質量（為常數，其值為0.044 kg/mol）；MCO2nd為初始地層水中天然CO2的濃度（kg/m3）。

上式中所需含水層空間信息、水化學資料、溫壓條件皆來自1 430口鉆井的錄井數據，其中初始地層水密度使用Batzle模型［19］計算，CO2溶解度計算參考Duan［20］模型，其數據已剔除異常點并進行加和平均。

松遼盆地中央坳陷區北部5個二級構造單元姚家組CO2儲存容量的計算結果見表5。由表5可知:研究區內姚家組地層的儲量共計11 729.068 Mt，其中齊家—古龍凹陷以3 566.770 Mt的儲量居首位，朝陽溝階地以1 090.051 Mt的儲量居末位；從單位面積儲量來看，則大慶長垣最高，朝陽溝階地最低。

表5　CO2儲存容量計算結果Table 5 Calculation results of CO2storage capacity

4　結 論

本文在綜合分析松遼盆地中央坳陷區地質背景條件的基礎上，建立了6個宏觀影響因素、22個具體評價指標的場地評價因子體系，并結合研究區詳盡的地質資料，利用層析分析法和溶解度法對松遼盆地中央坳陷區北部龍虎泡—紅崗階地、齊家—古龍凹陷、大慶長垣、三肇凹陷和朝陽溝階地5個二級構造單元CO2地質儲存進行場地適宜性評價和儲量計算。結果表明:各二級構造單元姚家組的埋存適宜性皆為Ⅰ級；根據適宜度指標，各二級構造單元姚家組的CO2埋存適宜性皆較好，其適宜性從好到差依次為齊家—古龍凹陷、龍虎泡—紅崗階地、三肇凹陷、大慶長垣、朝陽溝階地；總儲量上，齊家—古龍凹陷儲量最高，朝陽溝階地最低；單位面積儲量上，大慶長垣最高，朝陽溝階地最低。此外，由于資料限制，經濟能源分布、公眾意識等因子影響本文并未討論，但必須指出，這些因子可能制約CO2場地評價工作，甚至可能是決定性的影響因子。考慮次一級（場地級）場地選址范圍相對較小，資料相對充足，調查工作也相對容易，這些因素理應在評價體系中進行體現和討論。以上研究成果，對于松遼盆地CO2地質儲存目標靶區的圈定和場地級別CO2注入具有一定的指導意義。

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Assessment of Site Suitability and the Capacity of CO2Storage in Deep Aquifer in the Northern Central Depression of Songliao Basin

LUO Wei1，ZHANG Yang2，LIU Ning1，CHENG Jianmei1
（1.School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.Research Institute of Petroleum Production Engineering，Huabei Oilfield Company，PetroChina，Renqiu 062552，China）

Storage of carbon dioxide into deep aquifer is one of feasible ways to reduce CO2emission and mitigate greenhouse effect.Proper evaluation and selection of the site are key factors to effective，safe and economical CO2storage.Based on detailed analysis of geological background of central depression in Songliao basin，this paper establishes a site optimization method including 6 primary indexes and 22 secondary indexes to solve the site selection for CO2geological storage into deep saline aquifer in the target area.Particularly considering the effects of geological factors，the paper evoluates the site suitability of five secondary tectonic units in Songliao basin by the analytic hierarchy process and the weighted evaluation methods，and calculater the CO2storage capaicty of each sevondary tectonic units.The results indicate that the suitability indexes of these secondary tectonic units are similar with fairly good storage suitability，among which Qijiagulong depression shows the best suitability for CO2storage.Besides，Qijia-gulong depression shows the highest capacity for CO2storage while Chaoyanggou anticline shows the lowest.

CO2geological storage；site suitability assessment；evaluation of storage capacity；analytic hierarchy process；secondary tectonic unit；central depression of Songliao Basin

X701

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.009

1671-1556（2015）05-0052-07

2015-04-09

2015-05-14

國家自然科學基金項目（41172217）

羅 偉（1989—），男，碩士研究生，主要研究方向為地下水數值模擬。E-mail:weiluow@163.com