鄂爾多斯盆地子洲地區山2段咸水層CO2埋存條件與潛力評價

羅　超, 賈愛林, 魏鐵軍, 郭建林, 何東博, 閆海軍

( 中國石油勘探開發研究院,北京　100083 )

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鄂爾多斯盆地子洲地區山2段咸水層CO2埋存條件與潛力評價

羅超, 賈愛林, 魏鐵軍, 郭建林, 何東博, 閆海軍

( 中國石油勘探開發研究院,北京100083 )

以鄂爾多斯盆地子洲地區山2段咸水層為例，綜合測井、巖心分析和薄片觀察等資料，考慮CO2埋存有效性和埋存穩定性，對試驗區CO2地質埋存可行性及埋存潛力進行評價；分析子洲地區山2—盒8段沉積相類型及時空演化規律，明確CO2埋存地質體的儲層巖石學、微觀孔隙空間及儲層物性分布特征，評價試驗區蓋層分布特征、斷裂發育規律；結合試驗區礦化度、水化學成分分析結果，認定試驗區山2—盒8段具備注入CO2并進行地質埋存的有利儲蓋條件。Z28-43典型井區的地質模型計算結果表明，試驗區CO2有效埋存量為2.48×106t，為試驗區后續的CO2埋存研究奠定地質基礎。

地質模型； 有效性； 穩定性； CO2埋存； 咸水層； 子洲地區； 鄂爾多斯盆地

0　引言

2030年，我國預計CO2總排放量將達到67×108t，成為超過美國的第一大排放國[1]。由于溫室氣體的排放直接影響氣候條件變化和國民經濟發展，另外國際上要求我國減少CO2排放的壓力也越來越大，因此必須開展CO2減排和處置的研究，為能源結構調整和CO2減排方式優化提供科學依據[2]。在地下地質儲集體中，進行CO2地質埋存是解決問題的有效手段，在包括煤層[3]、頁巖[4-5]、油氣藏[6]和咸水層[7-9]的適合CO2埋存的儲集體中，臨近氣藏的咸水層具有良好的圈閉條件、巨大的儲集空間，以及完善的井口、管線等基礎設施建設[10]，成為地質埋存的首選目標。因此，開展臨近氣藏的咸水層內埋存CO2的研究具有重大的意義。

多國研究機構對氣藏周圍咸水層的CO2埋存及其相關技術[11-14]給予廣泛的關注，如荷蘭的K12-B氣田、阿爾及利亞的InSalah氣田，以及德國的Schwarze Pump地區已經開展相應的研究和工程示范。我國在該類CO2埋存試驗及工業化應用方面還處于空白，借鑒國外咸水層內埋存CO2的成功經驗，實現有效穩定的CO2地下地質埋存，需要明確兩個關鍵問題：一是CO2的埋存空間，埋存空間主要取決于儲層縱、橫向上的連續性、儲層的孔隙空間，以及儲蓋層間的組合關系；二是CO2埋存體的穩定性，要實現CO2的長期有效地質埋存，離不開蓋層或巖性層的封閉、穩定的水文地質條件[15]。此外，為保證注入的CO2處于超臨界狀態，埋存點的注入深度應該超過800 m[16]。由于注入成本隨著埋深的增大而不斷增加，因此較適宜的埋存點最大深度應小于3 500 m。同時，為保證CO2埋存工程的經濟效益，CO2埋存點應至少具備埋存1×106t CO2的能力，供應一個年排放量在105t的排放源埋存10 a的需求[17]。

筆者篩選符合CO2埋存地質條件的咸水層，以鄂爾多斯盆地子洲氣田山西組到石盒子組發育的河流—三角洲沉積體系為研究對象，在勘探開發研究基礎上，綜合分析子洲地區山2段埋存地質體的儲層地質特征、蓋層封閉性、埋存體，以及周邊地層的構造穩定性、水文地質條件等因素，開展CO2地質埋存可行性研究，并建立典型井區的地質模型，評估研究區的CO2存儲能力。

圖1　子洲地區區域位置Fig.1 Regional position of Zizhou area

1　區域地質概況

鄂爾多斯盆地是一個沉降穩定的多旋回克拉通邊緣盆地(見圖1)，經歷加里東期近億年的風化剝蝕，至上古生界沉積時期地勢平緩[18]。該時期自下而上發育本溪、太原、山西及石盒子組等地層，其中山西組沉積演化階段，受氣候周期性變化影響，盆地西緣賀蘭拗拉槽關閉，全區成為統一坳陷，北部地區受擠壓發生隆升剝蝕，形成南北差異升降的構造格局，也為盆地的南北相帶分異提供物源基礎。子洲氣田位于盆地中央古隆起東側陜北斜坡的東部，在盆地大的構造沉積格局控制下，該地區形成以“多物源供給、多水系匯聚”為特征的大型緩坡型三角洲沉積，多期次分流河道砂體交錯疊置，與煤系烴源巖的垂向組合一起構成良好的儲蓋條件[19]。

2　沉積相類型及沉積演化

2.1沉積相類型

子洲氣田沉積的山西組可以分為山2和山1段，與下石盒子組為連續沉積。山2段底部與太原組的灰巖直接接觸，為一套連續性較好的三角洲前緣沉積砂巖[20-21]，自下而上劃分為山23、山21+2兩小段，平面上形成厚度為30～50 m、寬度為10～30 km的水下分流河道連續砂體；山1段沉積地層厚度一般為40～60 m，以三角洲平原的分流河道為主，受基準面旋回升降變化，至下石盒子組沉積階段演化為河流作用主控的沉積環境，發育淺灰色含礫中—粗砂巖及泥巖互層，厚度為140～160 m。

2.2沉積演化

在山23段沉積過程中，研究區總體為三角洲前緣沉積環境，分流河道、間灣沼澤廣泛發育，局部也見河口壩發育。主河道沿榆22—榆81—榆53—榆55井一線發育，河道規模大、砂體較厚，隨后在榆56—榆73—榆58井一線迅速分叉，形成榆56—榆44—榆43井方向、榆45—榆58—榆77—榆48井方向和米3—榆69井方向的3條分支河道，且向前端砂體規模減小(見圖2)。其中榆56—榆44—榆43井方向的分支河道向西南方向延伸；榆45—榆58—榆77—榆48井方向的分支河道主體向南延伸，河道寬度穩定，且在洲1井區和榆48井區發育河口壩；米3—榆69井方向分支河道規模較小、砂體較薄。雖然水下分流河道砂體的單層厚度相差較大，但砂體間的連通性較好。受后期成巖作用改造儲層的影響，儲層在平面上具一定程度的非均質性，位于河道主體部位的砂巖厚、粒度大、石英含量高，是子洲地區主要的儲層發育帶，砂體向兩側減薄，物性變差。總體上，山23段沉積時期水下分流河道作用強，河道寬廣，砂層較厚，沿主流線多期河道砂體疊覆沖刷，為最有利的CO2埋存層段。

受湖平面升降作用影響，山21+2段總體上位于三角洲前緣亞相，但主要發育分流間灣沼澤沉積，分流河道砂體發育程度較低。該時期發育活躍于不同時段的、來自北部的三股物源，分別為榆22—榆72井一線的西物源、米15—榆74—榆71井一線的中物源和米3井一線的東物源，三股物源對應的分支河道自北向南發育，在榆56—榆73—榆58井一線疊覆交匯并形成新的分支河道。交匯后的河道向南持續分支前積，能量迅速衰減，部分形成的分支河道尖滅于分流間灣。總體上，該期分流河道較窄、彎曲度增加且快速擺動，砂體間連通性差，儲層非均質性強烈。

圖2　子洲地區山23段沉積微相Fig.2 Sedimentary facies of Shan23 formation in Zizhou area

山1段總體上砂體發育程度較差，分流河道較窄，砂體較薄，以三角洲平原的細粒或中粒分流河道砂體為主，河道間灣沉積發育。主要有來自北偏西方向和北偏東方向的物源供給，兩股物源在榆58—榆76井區交匯，河道也沿榆58—榆76井一線形成三股分支，左分支沿榆56—榆46井方向延伸，能量衰減，尖滅于分流間灣；中部分支向南持續形成兩次新的分支進積；右分支沿榆85—榆59井方向延伸。

盒8下段以平原分流間灣沉積為主，河道主體位于北部井區，向南分支河道進一步收縮，向南推進、尖滅和持續分支，河道整體能量弱，呈窄、薄、高彎度特征，儲集砂體不發育。至盒8上段時期分流河道沉積作用增強，河道變寬、彎度降低，河道沿主流向疊覆沖刷作用增強。

由子洲地區山西組—石盒子組的沉積演化過程(見圖3)可以看出，山西組山23段沉積時期，區域以連片疊置的三角洲前緣水下分流河道砂體為主，是良好的CO2埋存儲層；山1段、石盒子組以厚層的平原分流河道間灣泥質沉積為主，是較好的區域性蓋層，與山23段構成適宜CO2地下埋存的良好儲蓋層組合。

3　儲蓋層地質特征

3.1儲層地質特征

3.1.1巖石學特征

子洲氣田山23段位于三角洲前緣，儲層巖性以灰色石英砂巖、巖屑石英砂巖為主(見圖4)，成分成熟度較低；石英體積分數為45%～90%，巖屑體積分數為5%～40%，以變質石英巖巖屑為主，其次為火山巖巖屑；長石零星分布，一般體積分數小于3%。薄片鑒定結果顯示，研究區山23段儲層分選較好，顆粒以次棱—次圓狀為主，呈點—線狀、線—線狀接觸，膠結類型以孔隙式膠結、再生孔隙式膠結為主[22]；雜基體積分數變化較大，一般小于8%，以伊利石、高嶺石和伊蒙混層黏土為特征。

圖3　子洲地區榆46井—榆76井沉積相剖面Fig.3 Cross section of sedimentary facies between Yu-46 well and Yu-76 well

圖4　子洲地區山23段儲層成分三角圖Fig.4 Reservoir composition triangle of Shan23 formation in Zizhou area

3.1.2孔隙類型

子洲地區山西組埋藏深度較大，成巖作用研究表明，該套地層處于晚成巖階段成熟—過成熟期，壓實—壓溶及硅質膠結是導致儲層低滲—致密的主因。根據158個薄片樣品的統計結果，山23段儲層以殘余粒間孔(見圖5(a))、晶間孔(見圖5(b))、粒間溶孔(見圖5(c))和巖屑溶孔(見圖5(d))為主，占93.9%；其余孔隙類型占6.1%。其中，殘余粒間孔孔徑較大，介于0.03～0.10 mm，占總孔隙的37.4%，孔緣石英加大明顯，晶面受限制，呈三角形、四邊形及多邊形，多分布在中—粗粒石英砂巖中。晶間孔、粒間溶孔和巖屑溶孔為次生孔隙，占總孔隙的56.5%。在廣泛發育的次生孔隙中，巖屑溶孔的孔徑較大，一般為0.10～0.50 mm，占總孔隙的13.4%，溶蝕弱時呈斑點狀，溶蝕較強時呈網格狀、蜂窩狀，完全溶解時呈鑄模孔；粒間溶孔孔徑一般為0.05～0.15 mm，占總孔隙的14.1%，由粒間填隙物、顆粒邊緣溶蝕擴大形成，呈長條狀，溶解強烈時形成超大溶孔，孔徑大于周圍顆粒直徑；晶間孔孔徑小于0.01 mm，多為高嶺石晶體間的微小孔隙，雖然占總孔隙的29.0%，但相比其他類型孔隙更難以被充注的CO2占據。優質儲層段原生殘余粒間孔、巖屑溶孔和粒間溶孔發育，且具有孔徑大、連通性好的特征，因此在后期CO2埋存過程中，粒間孔、巖屑溶孔發育的優質儲集空間可以被CO2優先占據。

圖5　子洲地區山2段儲層顯微照片(紅色部分為鑄體)Fig.5 Micrographs of sandstone reservoir in Shan2 member, Zizhou area

3.1.3物性特征

子洲氣田主力氣層山23段儲層屬于低滲—致密類型，平均孔隙度為5.73%(見圖6(a))，滲透率多分布在(0.10～10.00)×10-3μm2之間，75.85%的樣品小于1.00×10-3μm2(見圖6(b))。礦物組分、粒度特征對儲層的孔滲特征有明顯控制作用[23]，細粒的石英砂巖往往發育強烈的硅質膠結，薄片資料顯示為致密特征；中粗粒石英砂巖物性往往較好，常發育為優質儲層。1011塊樣品分析資料表明：孔滲參數與巖石中石英含量、粒度大小呈正相關關系，石英含量越高、粒度越粗，孔隙度、滲透率越大。因此，中粗粒石英砂巖是高效儲層的主要巖石類型，厚層的水下分流河道控制石英砂巖高效儲層的展布。在儲集層非均質性控制下，物性較好的水下分流河道砂體儲層內CO2充注壓力低，運移阻力小，水容易被驅替，成為埋存CO2的“甜點”。由于低滲致密儲層一般難以進行CO2的注入與封存，一旦將超臨界狀態的CO2注入到山23段水下分流河道的相對高滲儲層內，強非均質性造成的分隔作用有利于CO2長期安全的埋存。

圖6　山23段儲層孔隙度、滲透率參數分布Fig. 6 Porosity and permeability distribution in Shan23 formation

3.2蓋層地質特征

判斷一個地區是否能長期、有效、安全地埋存CO2，儲層是基礎，蓋層是關鍵，因此需要評價蓋層的巖性、厚度、發育面積，以及蓋層的斷裂與裂縫發育特征[24]等密封性因素。

3.2.1巖性、厚度

密封性良好的蓋層由低滲的巖層組成，裂縫不發育，具有較大的厚度和連續性，且沒有被易滲漏的鉆井破壞。子洲地區不存在廢棄的易滲漏井，因此蓋層的厚度及平面分布特征對CO2安全埋存更具意義。當蓋層厚度小或局部不發育時，在注入的CO2氣體形成連續相后，易發生氣竄造成突破滲漏。分析山西組到石盒子組的沉積演化過程，山2段上部黑色泥巖、炭質泥巖夾煤層及山1段泥巖是氣藏的直接蓋層，全區厚度分布穩定，在主河道位置一般可達到20 m，在榆63、榆40井一線可超過30 m(見圖7)。下石盒子組的河漫灘泥質巖及上石盒子組廣泛分布的泥巖是氣藏的區域蓋層，厚度達到80～120 m，側向隔板為低孔滲的致密巖層。壓汞實驗結果表明，兩套蓋層的孔隙度主要分布在2.3%～3.7%之間，滲透率為0.01×10-3～0.20×10-3μm2。在平緩的構造背景下，全區厚度穩定的致密蓋層構成研究區CO2埋存安全性的有利條件。

圖7　子洲地區山23段直接蓋層厚度分布

蓋層泄漏主要有滲流和分子擴散兩種形式[25]。其中，溶解態CO2的分子擴散速度非常慢，在較短時間內難以見到明顯泄露。向地質體內注入CO2后，地層壓力隨之增大，持續注入超過一定限值后，在蓋層中逐漸形成微裂縫甚至大的裂隙，使CO2發生長期滲流，形成貫穿蓋層的滲漏通道。CO2發生滲流的條件是CO2壓力與水壓之差超過兩者間的毛管張力臨界值(即排替壓力)。因此，蓋層巖石排替壓力是CO2地質封存物性封閉特征的關鍵指標[26]，排替壓力越大，封閉能力越強[27-28]。利用實驗測得取心泥質巖排替壓力，與相應深度段的聲波時差測井值建立函數關系，推算非取心井上的對應蓋層排替壓力，子洲地區山西組—石盒子組蓋層泥巖排替壓力整體比較高，縱向上差異不明顯，平面上具有從西向東逐漸降低的趨勢，東部排替壓力一般可達17.8 MPa，西部最高可達25.9 MPa。蓋層CO2突破壓力實驗顯示該套蓋層擴散系數為10-8～10-7cm2/s，根據天然氣封蓋層封閉能力分級評價標準(見表1)[29]，子洲氣田的蓋層條件為2～3級優質蓋層，厚層泥巖完整性好，巖性均一致密，為較理想的蓋層。

3.2.2蓋層裂隙及斷層發育

地震、測井資料表明，子洲地區地層平緩、接觸整合、構造穩定，且不發育具破壞作用的斷層。薄片資料(見圖8(a-b))和巖心觀察結果(見圖8(c-d))表明，研究區裂縫主要以構造裂縫為主，開啟度很小，且主要集中分布于山西組儲層，在山西組、石盒子組泥質蓋層中幾乎不發育，因此研究區蓋層各向同性均一，具備有效封蓋CO2的能力。

表1　天然氣封蓋層封閉能力分級評價

圖8　子洲地區山2段儲層裂縫特征Fig.8 Fractures of sandstone reservoir in Shan2 member, Zizhou area

4　水文地質條件

在儲集體內埋存的過程中，CO2受到來自巖層溫壓條件、地球化學等方面因素的影響[30]，與埋存體的水文地質特征相關[31-32]，因此適宜的水文地質條件是CO2安全埋存的另一必要條件[31]。一般情況下，可以利用地層水中各離子的含量，分析地層水化學成分、形成條件及其影響因素，綜合判斷地層水與地層之間的相互作用信息。

表2　子洲地區山2段水化學分析數據

5　CO2埋存潛力

在明確子洲地區CO2埋存地質體沉積相演化、儲蓋層地質及水文地質等條件后，估算研究區CO2埋存潛力。由于CO2埋存潛力主要取決于儲層的三維分布和物性因素[37-39]，儲層地質建模可以表征儲層三維結構和物性變化[40]，是綜合構造、沉積、地球物理等學科為一體的技術[41]，因此可以作為評估地質體CO2埋存潛力的重要手段。

目前，地質建模的方法主要包括確定性和隨機建模[42]。由于子洲氣田山23段三角洲前緣砂體分布具有較強的非均質性特征，因此使用單一的確定性或隨機建模方法[43]難以保證較高的準確度。為提高井間預測插值的精度，選取研究區東南部的Z28-43井區作為典型試驗區，該井區共有各類鉆井30余口。在研究過程中，采用“隨機建模和人機交互”的方法，以各井點數據為硬數據，按照“相控建模”的思路，在構造模型基礎上，以儲層巖相為約束，建立儲層物性模型。將平面網格步長設為50 m×50 m，垂向上每0.25 m設定一個網格，模型網格總數共1.162 512×107個。

由于子洲氣田Z28-43井區斷層不發育，在完成山23段等小層的等時劃分與對比后，將Z28-43井區的鉆井、分層數據導入并建立井模型，結合先驗構造認識構建三維構造模型。根據Z28-43井區的構造地質模型，各小層坡降幅度在4～5 m/km之間，符合研究區南西傾向的低緩單斜構造特征。在單井巖相識別基礎上，調整變差函數，采用序貫指示模擬方法模擬巖相的空間分布，并以人機交互的方式編輯模擬結果，使得儲層三維分布模型符合地質實際(見圖9(a))。以測井解釋的儲層物性數據為基準，采用序貫高斯模擬方法對孔隙度進行相控插值，儲層中孔隙度參數主要分布在3.0%～7.0%之間，在Z29-43、Y84井附近存在高值區，與測井解釋的結果保持一致(見圖9(b))。

為計算研究區CO2埋存量，引用2008年“CO2埋存領導峰會”提出的、基于埋存有效因子的計算方法[44]，該方法具有假設條件少、可操作性強等優點。根據子洲氣田儲層實際，山23段小層埋藏深度取2 500 m，充注二氧化碳密度取700 kg/m3，埋存有效因子取經驗值(2%)[45]，基于模型可用于埋存CO2的有效網格，計算Z28-43井區CO2有效埋存量為2.48×106t，具備較大的CO2埋存潛力。

圖9　Z28-43井區CO2埋存地質模型Fig.9 Geological model of CO2 storage in Z28-43 well area

6　結論

(1)子洲氣田山23段沉積大面積疊置連通的三角洲前緣河道砂體，砂體殘余粒間孔、次生孔隙的發育為埋存CO2提供良好的儲集空間；山西組上部的三角洲平原泥質巖和石盒子組的間灣泥質巖構成埋存CO2良好的蓋層，與山23段共同構成CO2有效、安全埋存的有利儲蓋組合。

(2)研究區地層水具有典型的高礦化度特征，總礦化度分布在52.462 7～160.772 6 g/L之間，水型為CaCl2，為封閉環境下地下水水體環境，適合CO2長期有效安全注入；區域斷層不發育且斷裂活動少，蓋層內無裂縫發育，為CO2埋存提供有利的地質條件。

(3)采用“隨機建模和人機交互”方法，采用“構造—巖相—屬性”的多步建模思路，建立Z28-43井區典型井組地質模型，基于模型計算子洲地區Z28-43井區CO2有效埋存量為2.48×106t。

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2015-11-25；編輯：任志平

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2011CB707303)；國家科技重大專項(2011ZX05015)

羅超(1989-)，男，博士研究生，主要從事沉積地質學與CO2地下埋存方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.01.002

TE121.1；P66

A

2095-4107(2016)01-0014-11