延長油田低滲油藏CO2封存適宜度評價方法研究及試驗

摘 要：【目的】CO2地質封存是落實國家“雙碳”目標的重要方法之一，建立完善的選址標準，是確保安全封存的前提條件，并能提高CO2地質封存的成功率。【方法】針對延長油田CO2封存選址優選困難的問題，借鑒國內外成功實施CO2封存的油藏實例，本著CO2地質封存選址“安全性第一，既經濟又環境友好”等原則，從工程地質條件、封存潛力條件、社會經濟條件等3方面進行評價，建立評價指標體系，利用層次分析法和灰色關聯法建立多層次灰色評價模型。【結果】結果表明，所構建的模型能準確評價延長油田各個區塊CO2封存的適宜度。【結論】研究成果為延長油田低滲油藏CO2封存優選場地提供了一種行之有效的方法。

關鍵詞：CCUS；低滲油藏；層次分析法；灰色關聯法；適宜度評價

中圖分類號：TE99" " " 文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）13-0040-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.008

Study and Experiment on Evaluation Method of CO2 Storage Suitability for Low Permeability Reservoir in Yanchang Oilfield

YAO Jian1 GUO Hongqiang1 ZHANG Jinyuan1 ZHANG Tianjin2" LI Jiaxin1

（1.Exploration and Development Technology Research Center， Yanchang Oilfield Co.， Ltd.， Yan 'an 716000， China; 2.Yan 'an University， Yan 'an 716000， China）

Abstract： [Purposes] CO2 geological storage is one of the important methods to implement the national" "\" double carbon \" goal. Establishing a perfect site selection standard is a prerequisite for ensuring safe storage and can improve the success rate of CO2 geological storage.[Methods] In view of the difficulties in selecting the location for CO2 sequestration in Yanchang Oilfield， the evaluation index system was established from three aspects： engineering geological conditions， sequestration potential conditions， and social and economic conditions， based on the principles of \"safety first， economy， technology and environment friendly\" and the successful implementation of CO2 sequestration reservoir examples at home and abroad. A multi-level grey evaluation model is established by using analytic hierarchy process and grey correlation method.[Findings] The results show that the model can accurately evaluate the suitability of CO2 storage in each block of Yanchang Oilfield.[Conclusions] Research findings provide an effective method for selecting the optimal site for CO2 storage in low permeability reservoir of Yanchang oilfield.

Keywords： CCUS; low permeability reservoir; analytic hierarchy process; grey correlation method; suitability evaluatio

0 引言

相關研究表明，我國未來有有較多的碳排放量要依靠碳捕集、利用與封存（Carbon Capture， Utilization and Storage，簡稱CCUS）來實現中和。到2050年，CCUS將貢獻約14%的CO2減排量［1-2］，可有效推動化石能源的清潔凈化、清潔能源的規模化和生產過程低碳化。

陜西省能源資源豐富，產業發展集聚，科研優勢顯著，是全國首批低碳試點省份，具有良好的CCUS技術攻關及產業鏈發展前景，加之地處鄂爾多斯盆地的陜北地區具有開展大規模CO2驅油的內在要求和巨大潛力，不僅可提供適合CO2地質封存的儲、蓋層，還可將CO2注入其中提高油氣產量。然而，行業內尚未形成統一的CO2地質封存適宜度綜合評價標準，某些選定的目標油藏往往不具備注CO2開發的條件，實施結果并不理想。因此，對注CO2候選油藏進行綜合評價的關鍵是要獲得最佳、最重要的參數，并建立使這些參數相互聯系的理論模型。從油藏工程、地質基礎出發，結合環境要求和考慮經濟成本，通過分析大量的國內外已開展CO2封存的油藏，找出CO2封存的影響指標，篩選、建立指標體系，用理論分析和現場實例分析相結合的方法為延長油田CO2封存選址做好基礎研究，以加快延長油田CCUS產業的發展進程。

延長油田所管轄的油區構造單元屬于鄂爾多斯盆地陜北斜坡中部（圖1），面積約5.6×104 km2，北至靖邊、子洲，南至宜君一線，西到定邊，東到延川、宜川，行政區屬陜西省陜北地區。地表為典型的黃土塬地貌，油藏整體埋藏較淺，屬于（特）低滲油藏。

1 CO2封存適宜度評價方法研究

在CO2地質封存選址中應選擇合適的權重確定方法及評價決策方法，指標權重的確定尤為重要，權重是否合理直接影響評價結果是否合理、客觀。目前，國內外CO2封存適宜度評價中最常采用層次分析法（AHP）、專家調查法（Delphi）和專家經驗判斷法（Experts）［3-4］、網絡分析法（ANP）等主觀賦權方法確定指標權重。主觀賦權方法能較好地體現決策者的主觀偏好，簡便易行，但由于決策者主觀判斷標準存在差異，所以構造的權重缺乏穩定性，客觀性較差。層次分析法（AHP）是將與決策相關的元素分解為目標、準則、方案等若干層次，在此基礎上進行定性和定量分析的一種決策方法。這種方法的特點是在面對復雜的決策問題時，在對問題的本質、影響因素及其內在關系等進行深入分析的基礎上［3-4］，利用較少的定量信息使決策的思維過程數學化，從而為多目標、多準則或無結構特性的復雜決策問題提供簡便的解決方法。灰色關聯分析法（GRAP）是一種多因素統計分析方法，以各因素的樣本數據為依據，用灰色關聯度這一參數來描述因素之間關系情況，若樣本數據反映的兩因素變化態勢基本一致，則它們之間的關聯度較大；反之，關聯度較小。此方法可以在很大程度上減少由于信息不對稱帶來的損失，并且對數據要求較低。本研究在層次分析法和灰色關聯分析法的基礎上，構建多層次灰色評價模型，旨在為CO2封存適宜度選址提供一種新思路。

2 延長油田CO2地質封存適宜度評價指標

通過研究分析，結合延長油田的實際情況，本研究評價指標分別為工程地質條件、封存潛力條件及社會經濟條件等3項一級指標，進一步細化為51項二級指標。其中工程地質條件指標包括地熱流值、地溫梯度、地表溫度、活動斷裂的發育情況、斷裂和裂縫的發育情況、地震動峰值加速度［5-6］、歷史地震、地貌類型、地勢、地形坡度、蓋層巖性、蓋層斷裂發育、儲層巖性、儲層沉積相、儲層壓力系數、水動力作用、與采煤塌陷區距離、與節理裂隙區距離、地質災害易發性、不良地質作用（是否存在采礦塌陷區、巖溶塌陷區、地面沉降區、沙漠活動區、火山活動區）等20項二級指標；封存潛力條件指標包括埋深（主力蓋層）、厚度（主力蓋層的單層厚度）、蓋層滲透率、蓋層力學穩定性、蓋層分布連續性［7］、蓋層封氣指數、主力蓋層之上的二次截留能力、儲層厚度（主力儲層）、儲層砂厚比［8］、儲層孔隙度、儲層滲透率、儲層滲透率變異系數、儲層層間非均質性（砂體連續性）、儲層數量［9］、儲層單井注入量（主力儲層）、注入壓力、儲蓋組合數量、地層水礦化度、封存潛力（×104 t）、使用年限等20項二級指標；社會經濟條件指標包括人口密度、與居民點的距離、公眾認可程度與法規、土地利用現狀、是否符合城市發展規劃、是否在保護區、重點保護植物、碳源規模［10-11］、碳源距離、運輸方式、蘊礦狀況等11項二級指標，具體見表1。

3 模型建立及實例分析

3.1 多層次灰色模型

多層次灰色模型（Multi-level grey model）是層次分析法與灰色關聯分析法相結合的一種組合評價模型。針對多因素、多層次的評價對象，首先，通過層次分析法確定評價對象各因素之間的相對權重；然后，利用灰色關聯分析法對評價對象的各因素進行灰色量化處理，求出相關的灰色關聯系數；最后，依據各因素的權重求取加權灰色關聯度，評價對象的優劣根據關聯度大小進行分析，具體步驟如下。

第一步：基于層次分析法的指標權重確定構建評價指標體系，分層設問，建立與之相適應的目標層、準則層。在所建立的分析方法中引入1～9比率標度法，構成判斷矩陣，其含義見表2。

某一層因素相對上一層某一個因素的權重系數，可以通過計算判斷矩陣的最大特征根和對應的特征向量來求得，引入負平均值CI作為一致性指標，用于判斷矩陣最大特征根以外的其余特征根，見式（1）。

[CI=λmax?nn?1] （1）

表2 層次分析標度

[標度 含" 義 1 表示兩個因素具有同樣重要的意義 3 表示兩個方面的因素，一個比另一個稍微重要一些 5 表示兩個方面的因素，一個比另一個明顯重要 7 表示兩個方面的因素，一個比另一個強烈重要 9 表示兩個方面的因素，一個比另一個極端重要 2、4、6、8 上述兩相鄰判斷的中值 倒數 因素i與j比較得到的判斷Bij，則因素j與i比較得到的判斷

Bji= 1/Bij ]

為了評估不同階段矩陣是否具有滿意的一致性，引入平均隨機一致性指標RI，CI和RI的比值稱為隨機一致性比率CR，當CR滿足式（2）時，即認為矩陣具有滿意的一致性，反之需要調整判斷矩陣。

[CR=CIRI＜0.10] （2）

根據一致性檢驗后的層次單排序，形成層次總排序，確定評價指標元素的最終權重。

第二步：基于GRAP求灰色關聯系數。

①根據評價指標體系，確定最優指標集，構造矩陣D，見式（3）。

[D=x'01…x'nk???x'ik…x'ik] （3）

式中：k為評價指標，i為評價對象。

②確定參考序列。參考數據列應該是一個比較理想的標準，可以把各指標的最優值（或最劣值）當成參考數據列，也可根據評價目的確定其他參照值，記作式（4）。

[x'0=x'01， x'02，…， x'0m] （4）

③無量綱化。因為以上每種序列數據都有不同的單位，因此可能會出現數字大小不一的情況，但是這并不是由于其內在的性質決定的，而只是由于量綱不同導致的，因此需要對其進行無量綱化，見式（5）。

[Xik'=ximean（xi）k=1，2，…，m;i=1，2，…，N] （5）

④確定指標列和參考序列絕對差的最值。將各個被評價對象指標序列（比較序列）與參考序列對應元素的絕對差值逐個計算出來，即式（6）。

[｜x0k?xik｜ k=1，…，m;i=1，…，n] （6）

確定最大絕對差值a和最小絕對差值b，即式（7）。

[a=max｜x0k?xik｜]

[b=min｜x0k?xik｜]

⑤計算比較序列的灰色關聯系數，見式（8）。

[ζk=a+ρbx0k?xik+ρbk=1，…，m] （8）

式中：ρ是控制ζ系數區分度的一個系數，取值從0到1，取值越小，區分度越大，一般取值0.5是比較合適的，ζ關聯系數∈（0， 1）。

第三步：根據層次分析法的灰色加權關聯計算，對評價對象按照關聯度大小進行分析。

①計算每個比較序列的關聯度。用加權平均的方法來表示比較數列與參考數列之間關聯程度的數量，見式（9）。

[γx0，xi=k=1nAζk] （9）

②得到每個比較序列的關聯序。主要是通過關聯度的大小次序描述來衡量各因素之間的關聯程度，將m個子序列對同一母序列的關聯度按大小順序排列起來，即為關聯序，其可反映各比較序列的“優劣”關系。

3.2 實例分析

針對延長油田的地質條件及油藏條件，通過計算得到了51項指標的權重值，具體見表3。

通過多層次灰色模型分別對吳起白豹、志丹永寧及富縣直羅區塊進行關聯度計算，得到吳起白豹關聯度0.825 0，排序第一，可優先作為CO2封存選址地，志丹永寧區塊關聯度0.792 4，排序第二，富縣直羅區塊關聯度0.774 1，排序第三。評價結果匯總見表4。

4 結語

特低滲層、超低滲層和低滲層是延長油區三疊系延長組的主要儲層類型。延長組地層具有地質封存CO2能力的三套有效儲蓋組合，儲層孔隙結構復雜，CO2流體會沿著砂體厚度大、物性好、連通性強的區域運移與聚集。本研究從工程地質條件、封存潛力條件、社會經濟條件等3方面進行評價，建立51項評價指標體系，利用層次分析法和灰色關聯法構建多層次灰色評價模型，能夠根據各個區塊的指標參數進行CO2封存優先級選址，為延長油田低滲油藏CO2封存優選場地提供了一種行之有效的方法。

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