鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組CO2封存的地質條件研究

孫玉景，周立發，焦尊生

(1.西北大學 地質學系/大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安 710069；2.懷俄明大學 能源學院,美國 懷俄明州 拉勒米 82071)

以CO2為主的溫室氣體的大量排放引發的全球氣候變暖已成為人類必須面對的嚴峻挑戰,而CO2地質封存是誕生于21世紀，實現碳減排的一項突破性技術,尤其是深部咸水層CO2封存,具備極大的封存潛力,成為國內外專家學者研究的熱點[1-7]。CO2地質封存首先要求所選擇的地下封存層滿足一定的基本地質條件:有效的儲層空間、致密完整的蓋層巖石、穩定的水文地質環境、穩定的區域構造地質背景和內外動力環境等是CO2地質封存箱應滿足的條件[8];構造背景和構造樣式、盆地面積和沉積深度、水文地質、地熱條件、斷裂活動、儲層非均質性、巖石特性、封閉能力、有效孔隙度、儲層厚度是影響碳封存長期穩定性的重要方面[9];有效的儲層空間、蓋層條件、區域構造背景、水文地質條件是二氧化碳地質封存選址的通用標準[10];儲層性質、蓋層性質、儲層流體性質是深部咸水層CO2地質封存需要考慮的3方面[11]。從不同研究者對CO2地質封存所需條件的研究來看，認識基本一致,主要集中在基本物理條件、儲層條件、蓋層條件和水文地質條件等方面。

鄂爾多斯盆地是中國陸地上非常重要的能源存儲和接替基地。盆地內所屬各省和自治區，充分利用其煤炭資源的優勢,燃煤發電和煤化工產業得到了飛速發展,但同時也造成這些省(區)成為中國目前和未來CO2排放量較大的省(區)之一。因此,在鄂爾多斯盆地有效地推行和實施CO2地質封存技術,不僅能保證著中國能源的安全,更有利于中國工業活動CO2排放總量的大規模減少,從而推動國民經濟逐步轉向低碳發展。

基于以上對CO2封存和鄂爾多斯盆地碳排放的調研,結合馬家溝組的地質特征與CO2封存的具體要求,本文對馬家溝組CO2封存的基本地質條件作了詳細研究。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地是典型的多旋回克拉通盆地,是中國陸地上結構最穩定、構造最簡單、斷裂最不發育的盆地,這種地質條件決定了它是中國陸上實施CO2地質封存最有利和最安全的地區之一。鄂爾多斯盆地的地理位置處于華北地臺的西部,在晚加里東運動的影響下,華北地塊整體大幅抬升為陸地,一億多年的沉積間斷造成鄂爾多斯盆地缺失了中奧陶世至早石炭世的沉積,在長期的風化剝蝕淋濾作用下,奧陶系馬家溝組頂部的馬六段僅在局部地區殘存[12-13]。馬家溝組主要分布在鄂爾多斯盆地的中東部地區,構造帶上屬于陜北斜坡,勘探至今,已有多口井鉆遇馬家溝組(見圖1)。陜北斜坡是鄂爾多斯盆地內部6個一級構造單元中的主體部分,而且是面積最大的構造單元,整體上向西傾斜,但地層傾角極小,不到1度。陜北斜坡內部斷層和褶皺均不發育,構造十分穩定,因此可以肯定的是，馬家溝組處于一個穩定的構造環境之下。

圖1 鄂爾多斯盆地構造分區圖Fig.1 Tectonic zoning of Ordos Basin

在奧陶紀馬家溝期,鄂爾多斯盆地一共經歷了3次不同規模的海進海退旋回,海進海退交替出現：海退期是馬一期、馬三期和馬五期,海進期是馬二期、馬四期和馬六期。其中，馬五期是最大的海退時期,因陸表海受海平面升降的影響較大,縱向上形成了“碳酸鹽巖與蒸發巖”的交替沉積[14-15]。總體上講， 馬家溝組仍然以碳酸鹽巖沉積為主, 尤其是白云巖, 同時夾蒸發巖沉積(見圖2)。 馬家溝組沉積厚度巨大[16], 馬六段厚度177～380 m,僅分布于盆地的西緣和南緣；馬五段厚度30.4～388.3 m,馬四段厚度50～280 m,馬三段厚度50～150 m,馬二段厚度50～90 m,馬一段厚度9.0～131.7 m,馬五段相對其他各段來說沉積厚度較大。

圖2 馬家溝組地層-巖性綜合柱狀圖Fig.2 Stratigraphic and lithologic column of Majiagou Formation

2 封存地質條件

2.1 基本物理條件

CO2地質封存的基本物理條件主要是指對應的封存層系上的頂面埋深、地溫、地層壓力等[17]。地層埋深至少需要大于800 m,才能夠保證CO2進入超臨界狀態(7.38 MPa以上的壓力和31.1℃之上的溫度)。研究表明,鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組頂面埋深在1 900～4 500 m,平均埋深約3 200 m;頂面壓力24～37 MPa,平均壓力30.5 MPa;頂面溫度66～136℃,平均溫度101℃。這說明馬家溝組的現代地下壓力場屬于正常壓力系統,溫度場屬于中低溫系統,能夠使CO2處于超臨界狀態,這為CO2的有效注入和封存提供了合適的地溫和地壓條件。

2.2 儲層條件

2.2.1 巖石類型及特征 巖石類型及特征的研究是CO2封存層研究的第一步。碳酸鹽巖(石灰巖、白云巖)和蒸發巖(膏巖、鹽巖)是鄂爾多斯盆地馬家溝組主要的巖石類型(見圖3),其中白云巖是數量最多的巖石類型,廣泛發育于盆地中東部地區。“白云巖問題”是沉積學領域和碳酸鹽巖領域經久不衰的一個學術問題,白云巖作為碳酸鹽巖中的一大類巖石,相比其他各類巖石,具備優越的儲集能力。除了野外觀察,一些研究者借助實驗室內先進的儀器設備和檢測方法，已對馬家溝組白云巖的地化特征進行了不同角度的研究,尤其是對上部馬五段進行了深入研究(主要集中在X衍射分析、微量元素分析、陰極發光特征分析、稀土元素分析、C，O，Sr同位素分析、包裹體均一溫度分析6方面[18-23])。各種檢測方法均證明:馬家溝組白云巖經歷了不同的成巖環境;馬家溝組白云巖大概有3種成因,即準同生白云巖、埋藏白云巖及少量熱液白云巖[18-23]。馬家溝組白云巖以結晶白云巖為主導,過渡類型的白云巖較少,顆粒白云巖最少。在巖心觀察和薄片鑒定的基礎上,結合不同晶粒結構的特征,可進一步將馬家溝組的結晶白云巖細分為多種類型,按照晶粒由小到大的順序,主要是泥晶、細粉晶、中晶等[24]。

A 泥晶云質灰巖,晶粒大小均勻,陜250井,3 574.28 m,馬五13,鑄體薄片(-);B 泥晶白云巖,發育較多核膜,在中上部分有方解石交代破壞,陜136井,3 782.2 m,馬五12,鑄體薄片(-);C 粉晶白云巖,蓮1井,3 350.99 m,馬五42,鑄體薄片(-);D 條帶狀硬石膏巖,陜108井,3 070.5 m,馬五33;E 角礫屑白云巖,陜248井,3 307.8 m,馬五11;F 云質灰巖中的鋁土質泥巖填積,陜250井,3 539.8 m,馬六 圖3 馬家溝組主要巖石類型照片Fig.3 The main rock types of Majiagou formation

2.2.2 成巖作用 關于碳酸鹽巖儲層的形成機制,國內外學者已取得統一認識:碳酸鹽巖儲層的形成,不同于碎屑巖,主要儲集空間不是原生孔隙,而是成巖作用改造過程中產生的次生孔隙。成巖作用對鄂爾多斯盆地馬家溝組馬五段上部巖溶儲層和其他層段白云巖儲層的早期形成、中期發展以及后期演化有著舉足輕重的影響。因此，成巖作用是馬家溝CO2地質封存必不可少的研究內容。

研究區內有多種建設性成巖作用(有利于孔隙的形成)和破壞性成巖作用(不利于孔隙的形成),尤其是白云石化作用、去膏化作用和與之對應的去白云石化作用、膏化作用,成為了研究區內典型的成巖作用[25]。成巖組構和礦物組合的綜合分析表明,研究區內馬家溝組在漫長的地質歷史時期中，逐漸從海水成巖環境轉變到大氣淡水成巖環境，最后經歷了埋藏成巖環境[16-17]。成巖作用的核心體現在孔隙演化及其模式上:馬家溝組的孔隙演化依次經歷了早期的原生孔隙形成與減少階段(準同生期)、中期的次生孔洞縫發育與充填階段(表生期)、晚期的次生孔洞縫發育與充填階段(深埋藏期)。表生期和深埋藏期對孔隙的改造具有重要意義,這兩個時期形成的晶間孔及晶間溶孔為馬家溝組主要的儲集空間,而裂縫是相對次要的儲集空間[25-27]。

在此,必須著重指出的是研究區所經歷的巖溶作用。“風化殼巖溶”的發育是馬家溝組適宜進行CO2封存的一大特色。巖溶作用改善了儲層的物性,使得封存空間和封存效率得以提高。對鄂爾多斯盆地風化殼巖溶的研究,目前主要集中在4個方面:巖溶古地貌劃分、巖溶垂向分帶、巖溶儲層特征研究、巖溶儲層分布與評價[28-34]。研究區巖溶古地貌呈現出以下特點:盆地西邊為巖溶高地區,接著過渡到盆地中部為巖溶斜坡區,盆地東邊是巖溶盆地區;三級古地貌的劃分略有區別,包括臺地、殘丘、溝谷、階坪、淺洼、深洼等[28-30]。在盆地中部的巖溶斜坡區,由于巖溶水的水平流動和垂直滲濾十分強烈,和其他區域相比裂縫相對發育,而水平溶洞大多數未充填或半充填,因此巖溶斜坡區是各古地貌單元中最有利的儲集區[19]。另外,在地下水動力的作用下,風化殼巖溶也具有垂向分帶性,依據不同的劃分標準,常常有不同的垂向巖溶分帶方案[29-32]。由地表到地下深處,具代表性的“三分方案”是垂直滲流帶、水平潛流帶和深部緩流帶,各帶通常具有不同的厚度和巖溶特征[29]。

2.2.3 儲層類型及特征 白云巖等巖石的區域分布,不僅奠定了儲層發育的物質基礎,相比碎屑巖,更是減小了CO2封存在地下之后，CO2-水-巖三者互相反應的程度與影響[35-37]。各類成巖作用對儲層不同程度的影響與改造,進一步塑造了研究區廣泛分布的孔、洞、縫儲集空間。鄂爾多斯盆地馬家溝組主要發育了“中東部風化殼溶孔型”和“古隆起東側白云巖晶間孔型”兩類儲集體[38]。

由于馬家溝組頂部馬六段的大面積缺失, 研究區最主要的風化殼巖溶儲層分布于馬家溝組馬五段。巖溶儲層主要發育在馬家溝組上部馬五1—馬五4亞段中(上組合),溶蝕孔、洞、縫發育[32-33]。在對巖溶古地貌、巖溶垂向分帶、巖溶儲層特征的綜合研究之后,可進一步明確巖溶儲層的縱、橫向分布。橫向上,巖溶儲層主要分布在“潛臺”區域;縱向上,最有利的巖溶作用帶是中等溶蝕亞帶,位于水平潛流帶內部[30]。馬五5—馬五10亞段及馬四段中形成了白云巖型儲集體,連片性好,在古隆起東側呈環帶狀分布[38]。

馬家溝組儲層埋深約3 150 m～3 765 m,儲層厚度大于600 m。以靖邊氣田為例[39],馬家溝組儲層孔隙度2.53%～15.2%,平均6.2%;滲透率(0.0126～15.2)×10-3μm2,平均2.63×10-3μm2。總體來說,馬家溝組儲層巖石類型包括泥質云巖、含膏云巖、灰質云巖等,以含膏泥—細粉晶白云巖為主,次為細晶白云巖；礦物組成以白云石為主,白云石質量分數全部在一半以上,大部分在50%～99%[34]。儲集空間以晶間孔、晶間溶孔、膏模孔為主,形成了孔隙型儲層,其次是溶蝕縫(見圖4)。

A 晶間孔,孔徑較大,陜256井,3 454.61 m,馬五13,鑄體薄片(-);B 硬石膏晶模孔,石英淀出之后為白云石全充填(箭頭處),陜250井,3 563.65 m,馬五11,鑄體薄片(-);C 核膜孔,上部孔隙未充填,陜248井,3 320.43 m,馬五12,鑄體薄片(-);D 不規則溶孔,部分未充填,部分半充填或全充填,充填物為石英或白云石,陜135井,3 566.69 m,馬五11,鑄體薄片(-);E 網狀微裂縫,部分被方解石充填,陜248井,3 319.55 m,馬五12,鑄體薄片(-);F 縫合線縫,充填物為暗色泥質,陜130井,3 454.7 m,馬五13;G 準同生泥晶白云巖中較小的溶洞、孔(鳥眼構造),為粉-細晶方解石充填。陜250井,3 574.4 m,馬五13;H 溶洞(箭頭)與溶縫、核膜孔共生,未充填,陜263井,3 702.27 m,馬五11 圖4 馬家溝組儲集空間類型照片Fig.4 The reservoir space types of Majiagou formation

除此之外,馬家溝組儲層還具有不同于其他沉積盆地中白云巖儲層的獨一無二的特點。馬五期是一個標志性的低能沉積環境,水體經常暴露,深度較淺,且海水咸化,因此馬五段白云巖中賦存有一定量的蒸發礦物,賦存形式是硬石膏柱狀晶和小結核。在巖溶作用的影響下,大量的原生硬石膏柱狀晶和小結核溶解,此過程中，小結核周邊的圍巖裂碎,形成的裂縫有助于改善儲層的物性。膏模孔的發育,以及不同規模次生裂縫的產生,在部分地區可形成較好的裂縫-溶孔型儲層[40]。

統計結果表明,馬家溝組封存層的孔隙度整體較低,<2%的占1.1%,2%～4%的占31.4%,4%～6%的占36.1%,6%～8%的占17.1%,8%～10%的占7.1%,10%～12%的占6.1%, >12%的占1.1%。孔隙度主要分布在2%～8%,平均6.2%,整體上表現為較低的孔隙度值背景上高值區塊團塊狀分布(見圖5)。

圖5 馬家溝組儲層孔隙度分布直方圖Fig.5 Porosity distribution frequency of Majiagou formation

滲透率也是評價封存能力的主要物性參數之一,其大小影響著地下CO2氣體滲流的難易程度。研究表明,馬家溝組儲層的滲透率表現出極強的非均質性。通過對相關資料的整理分析,作出了研究區滲透率分布頻率圖(見圖6)。 從分布區間來看， 研究區整體上以低滲為主, 低滲區(K<2.51×10-3μm2)占64.3%(見圖6)。

圖6 馬家溝組儲層滲透率分布直方圖Fig.6 Permeability distribution frequency of Majiagou formation

儲層的厚度大小制約著儲層發育的縱向規模,儲層的孔隙度和滲透率決定著儲層發育的總體質量。儲層發育的規模和質量共同決定著封存量的大小。巖石特征、成巖作用和儲層特征3方面的綜合分析表明，馬家溝組儲層具備了優越的儲集能力。

2.3 蓋層條件

蓋層是決定CO2在地下能否長期封存的重要條件之一[41-43]。現今的鄂爾多斯盆地構造環境穩定,具有多種封蓋類型且蓋層巖石多種多樣。馬家溝組地層之上,共有3種不同規模的蓋層,分別是區域蓋層、區帶蓋層和局部蓋層。鄂爾多斯盆地奧陶系—二疊系地層縱向分布如表1所示,主要反映了馬家溝組之上不同時期蓋層的分布情況。具體的封蓋條件評價如表2所示。區域蓋層是指上石盒子組和石千峰組的湖相泥質巖,廣泛分布于盆地中東部, 厚度達幾百米, 滲透率為10-10μm2,

突破壓力在7 MPa以上,封蓋性能十分優越。區帶蓋層主要是指本溪組底部的鋁土質泥巖、含砂泥巖,分布穩定,封蓋性能好,鋁土巖的滲透率在10-7～10-9μm2,突破壓力為0.6～5.0 MPa;其上部太原組、山西組暗色泥質巖及煤層,在生排烴高峰期形成的烴濃度封閉作用,也具有良好的封閉能力。局部蓋層是指馬五段中的膏鹽巖以及成巖過程產生的致密巖等,其滲透率一般在1.2×10-6～4.5×10-10μm2,突破壓力在0.2～7.0 MPa,也具有一定的封蓋性能。上述不同規模封蓋層，在縱向上的相互組合和配置,為馬家溝組CO2封存提供了良好的封蓋條件。

2.4 水文地質條件

CO2在注入地下之后,以游離態為主,部分溶解在地下水中,同時可能發生一系列的CO2-水-巖反應,尤其是在碎屑巖地層當中。馬家溝組雖然主要沉積碳酸鹽巖,仍不可完全忽略此問題。鄂爾多斯盆地中蘊藏著一定規模的咸水層,為盆地內CO2地質封存帶來了巨大潛力[44]。靖邊氣田水的總礦化度為278.45 g/L,密度在1.114～1.118,水型普遍為CaCl2型[27]。中部氣田區奧陶系各層段地層水的對比結果表明,馬家溝組地層水的總礦化度遠遠高于其他層段,分布范圍大致在130～200 g/L,平均147.12 g/L,且含量最多的是Cl-,其次Ca2+[45]。

對研究區馬家溝組200個地層水樣品進行分析與測試,結果表明，馬家溝組地層水以CaCl2水型為主,平均總礦化度為154.58 g/L,整體屬于鹵水層,說明地層水封閉條件較好,水文地質條件穩定。其中,鹵水樣品占樣品總數的85.4%,鹽水樣品占5.7%,咸水樣品占2.4%,微咸水樣品占1.6%,淡水樣品僅占樣品總數的4.9%(見圖7)。由此可見,馬家溝組封存層整體屬于鹵水層。

表1 鄂爾多斯盆地奧陶系至二疊系地層劃分Tab.1 Ordovician-Permian strata distribution in Ordos Basin

對鹵水樣品進行更詳細的分類之后可見,礦化度在50～100 g/L內的樣品數占樣品總數的16.2%,100～150 g/L占18.1%,150～200 g/L占28.6%,200～250 g/L占22.9%,礦化度>250 g/L范圍內的樣品數占樣品總數的14.2%(見圖8),整體屬于高礦化度—極高礦化度的鹵水層。

由此可見,馬家溝組水型是CaCl2型,而且封存層整體屬于高礦化度的鹵水層。從人類發展對水資源的可持續利用角度評價,馬家溝組是鄂爾多斯盆地中最有利于進行二氧化碳封存的地質層位。

3 結論與思索

馬家溝組實施CO2封存的基本地質條件主要包括以下4個方面:基本物理條件是CO2封存的前提，儲層條件是CO2封存的核心，蓋層條件是CO2封存的保障，水文地質條件是CO2封存的關鍵。

1)馬家溝組的地層埋深、正常壓力系統和中低溫系統為CO2的有效注入和封存提供了合適的基本物理條件;

2)馬家溝組的儲層條件使其具備儲集CO2的空間和能力;

表2 馬家溝組CO2儲存層的封蓋條件評價Tab.2 Cover conditions evaluation of Majiagou formation

圖7 馬家溝組地層水類型分布直方圖Fig.7 Groundwater types of Majiagou formation

圖8 馬家溝組地層水中鹵水礦化度分布直方圖Fig.8 Brine salinity distribution of Majiagou formation

3)馬家溝組之上不同規模封蓋層的相互配置,有效提高了封蓋能力,大大減小了后期的泄露風險;

4)馬家溝組的鹵水層也成為實現CO2封存得天獨厚的條件。

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組非常適宜進行CO2地質封存，是中國大規模開展CO2地質封存的潛在有利區。但是，CO2封存是一個地質與工程相結合的綜合性環保問題,在具備封存基本地質條件的基礎上,要想真正實現工業化的CO2地質封存,還有許多問題需要做進一步研究。

1)CO2封存機理與實驗的研究:包括CO2注入地下之后各種封存機理的探究和儲層物性實驗、蓋層突破壓力實驗的開展。

2)地質封存影響因素及封存效果的分析:利用地質建模和數值模擬對封存影響因素及封存效果進行深入分析。

3)封存有利區塊的優選與評價:根據大量地質資料,尤其是井數據進行有利區封存選址以及注入井與監測井的選擇。

4)封存潛力評價:對優選的封存區塊進行CO2封存量的評估與計算。

5)泄漏風險評估:通過室內實驗、數值模擬、地震監測等手段進行CO2泄漏風險評估。

6)公眾認知度的提升和相關法律法規的學習。

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