深部咸含水层CO2地质埋存厂址筛选方法研究

孟庆辉，刘朝安，贾 宁，张 洋，成建梅

(1.华北电力设计院工程有限公司，北京 100120；2.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074)

1 概述

随着碳排放权交易的开展，CO2地质埋存将得到开展。研究认为，深部咸含水层CO2地质埋存是减排的有效手段。在场地筛选与评价方面，加拿大学者Bachu的成果最具代表性。此外，还有不少组织机构提出了场地筛选方法。但由于CO2地质埋存影响因素多样，埋存机理复杂，至今仍没有一套成熟完善的场地筛选与评价方法。

范基姣等将CO2地质储存潜力与适宜性评价分为国家级潜力评价阶段、盆地级潜力评价阶段、目标级潜力评价阶段、场地级评价阶段和灌注级评价阶段等5个阶段。本文在前期工作的基础上，针对陆相碎屑岩盆地，提出了场地级评价阶段工作详细的场地筛选与评价方法。

2 初次筛选阶段

本阶段的目标是在研究区内初步筛选可能的CO2地质埋存层位，作为后续的研究工作对象。

该阶段应在完成区域筛选的基础上进行，应将优先条件最适宜的区域确定为工程选址筛选目标区域。此外，还应结合经济条件和时间等因素的考虑合理选取研究区，若经济条件较差或时间较紧张，应优先勘探程度较高的区域作为研究区，这主要是考虑到勘探程度高的区域相关的地质构造、岩性地层、资源分布、水文地质和温压等情况的探明程度相对较高，能够为CO2地质封存场地筛选工作提供大量翔实的资料，节省了大量的成本与时间。

2.1 初步图件绘制

假如碳源位置已经固定，则还应结合经济条件与勘探程度进行综合分析，圈定研究区范围。此外，还应结合勘探程度、盆地沉积、经济条件等各方面情况划定研究区深度。

在选定研究区的基础上，主要的图件应包括地层埋深图、地层厚度图、岩相分区图、贯穿性及活动性断裂分布图、资源分布图、中深层地下水动力场分布图等。其中，地层埋深图与地层厚度图至少应精确到段；断裂分布图除了确定各断裂的平面展布外，还应确定其贯穿层位；资源分布图除了确定已经和正在开采的矿区空间分布外，还应确定具有资源潜力储层的空间分布情况。在具备一定的技术条件时，可构建出三维地层格架，使后续的分析工作直观方便。

2.2 初步候选埋存层位筛选

从储量角度考虑，候选储层应满足一定的厚度、埋深和横向连续性条件。从安全角度考虑：①候选储层的顶部应分布有区域性的盖层，且盖层应满足一定的厚度、岩性和横向连续性条件；②候选埋存层位尤其是盖层内部不应有大的贯穿性断层分布，尤其是活动性断裂，对其应采取避让措施；③候选埋存层位应尽量避开地层的向斜构造区，优先选择规模较大的背斜圈闭构造；④候选埋存层位应远离地下水流动系统的排泄区。从可注入性考虑，候选储层应满足一定的岩性条件。从资源保护的角度考虑，候选埋存层位应避开正在进行资源开采以及具有资源潜力的储层。

从储量、安全、可注入性、资源等方面综合考虑，候选埋存层位应满足表1～表3所列条件。通过图层叠合，初步筛选，在研究区内获取多个候选埋存层位。重力驱动的流动系统典型流速为0.1m/a～100m/a。表中给出的贯穿性活动性断裂与地下水流动系统的安全距离以流速50m/a、安全期1000a估计给出。如果有实测的流速数据，可根据实际情况进行决策。

表1 储层初步筛选标准

表2 盖层初步筛选标准

表3 构造及其它初步筛选标准

3 二次筛选阶段

本阶段的目标任务是根据候选储层中地下水的矿化度、储层温压条件、储层物性情况，对候选埋存层位进行二次筛选。

3.1 资源鉴定

对于一个合适的CO2地质埋存储层，其中的流体本身应不具有资源属性。因此，在多数情况下，地下水的矿化度应介于3g/L～50g/L之间。只有在该储层内深层卤水未被作为资源利用的情况下，再考虑封存CO2，特别是当卤水盐分很高时，需要考虑未来开采的可能性。

3.2 相态鉴定

此工作只需对埋深小于1500m的候选埋存层位进行。根据测井资料可获得候选埋存层位区域或临近区域一定深度处的温度和压力数据，通过插值计算和静水压力计算获得候选储层顶部的温度和压力。根据该温度和压力，确定CO2的相态，若为气相，则排除该埋存层位，若为超临界相或液相，则进行下一步的物性筛选。

3.3 物性筛选

相态鉴定之后，应对剩余的候选埋存层位进行物性筛选。应优先选择储层孔隙度在15%以上的埋存层位。这主要出于两方面的综合考虑：①孔隙度较大的储层，其单位体积储层的埋存潜力越大；②对于砂岩储层，孔隙度和渗透率在半对数坐标下具有明显的正相关关系，渗透率随孔隙度的增加呈指数关系增长。在渗透率方面，应优先选择储层渗透率大于100mD的候选层位。

4 综合评价阶段

4.1 评价因子体系

在2.2节中论述了CO2地质埋存场地的基本条件，对于每一项条件，本节试图采用多个因子(表4、表5)进行综合体现，描述了从地下到地上再到经济的整体条件和因素。

表4 地质因素综合评价指标体系

表5 环境和经济因素综合评价指标体系

在碳源因子方面，本文考虑的碳源距离上限为300km，碳源规模上限为50Mt。在确定碳源距离和碳源规模时，需考虑以下因素：即碳源规模会随着距离的增大而增加，若场地周边碳源丰富，可能在较小的距离内碳源规模已经达到50Mt，碳源过盛，此时，该范围内的碳源距场地中心的距离均值为碳源距离，相应的碳源排放总和即为碳源规模；若场地周边碳源稀少，可能在300km范围内碳源规模仍过小，此时，300km范围内的碳源距场地中心的距离均值为碳源距离，相应的碳源排放总和即为碳源规模。

4.2 综合评价方法

综合评价阶段，需选用适宜的数学评价方法，对场地适宜性进行综合评价，选出合适的埋存层位。本文提出的模糊数学方法(见第6节)。

对于经过综合评价，评价为适宜的场地，必要时需要通过数值模拟来鉴定场地的可注入性、埋存安全性。数值模拟还能为后面的有效埋存量评估工作提供较为可靠的计算参数。在数值模拟领域，国内外比较成熟的软件有TOUGH2中的ECO2N模块。根据模拟结果应对存在较大安全隐患的埋存层位予以排除。

5 有效埋存量评估

在场地筛选评价的不同阶段，随着场地的圈划和对场地认识的不断加深，对储层埋存量的计算分四个层次：理论埋存量、有效埋存量、实际埋存量、匹配埋存量。理论埋存量反映了地质系统内所能接受的物理极限量，它是一个最高上限的埋存潜力。然而在现实中这是一个不切实际的数值，因为在实际中总受到物理、技术、法规和经济等条件的限制，而这些局限往往会阻止这种埋存量的完全利用。

有效埋存量表示从技术层面(包括地质和工程因素)考虑了储层的物性参数、非均质性、封闭性、埋存深度、温压场等因素之后计算所得的埋存量，它是理论埋存量的子集。这种埋存量会随着所收集资料信息的增多或理论认识程度的加深而发生变化。

实际埋存量表示考虑到技术、法律及政策、基础设施和经济条件等因素影响的埋存量，它是有效埋存量的子集。该埋存量随着技术、政策、法规和经济条件的变化产生很大的变化。

匹配埋存量表示考虑到CO2源、注入能力和供给能力等因素影响的埋存量，它是实际埋存量的子集。实际埋存量与匹配埋存量的差值表示因为缺乏基础设施和(或)在经济距离之内的CO2来源目前不能实现的滞留埋存容量。

6 基于模糊数学的综合评价方法

6.1 建立因子集

根据表4建立的评价因子体系，确定因子集。设有n个评价因子，则因子集可记为：

6.2 建立模糊评价分级指标集

对于第i个因子fi，它的取值情况在一定程度上反映了场地条件的好坏，因此应对该因子进行分级。通过参考国内外文献和学术专著，本文建议的评价因子共分五级：Ⅰ级(好)、Ⅱ级(较好)、Ⅲ级(一般)、Ⅳ级(较差)、Ⅴ(差)。分级指标如表5所示。

对于第i个因子fi，其模糊评价分级指标集可记为：(a11a12a13a14a15)。

6.3 建立隶属度函数

每个因子的取值范围是连续变化的，并非若干个孤立的值，当因子的取值落在相邻的两个分级指标之间时，很难判断该因子的等级，因此采用隶属度来表示该因子对各个等级的隶属程度。

对于分级指标为具体数值的因子，宜采用降半梯形分布函数建立隶属度函数。对于递增型指标，隶属度函数为：

式中：xi为因子取值。对于递减型指标，隶属度函数与上述表达式类似。对于分级指标为描述性句子的因子，若其取值为第j级对应的指标，则对j级的隶属度为1，对其他等级的隶属度为0。

6.4 建立模糊关系矩阵

设共有n个因子，则建立的模糊关系矩阵为：

6.5 建立权重矩阵

权重反映了每个因子对整体影响程度的大小，若第i个因子的权重为wi，则权重矩阵可记为：

对于权重的确定，有多种方法，较为常见的有专家评分法和层次分析法。专家评分法是一种定性描述定量化方法，它首先根据评价对象的具体要求选定若干个评价项目，再根据评价项目制订出评价标准，聘请若干代表性专家凭借自己的经验按此评价标准给出各项目的评价分值，然后对其进行结集。

层次分析法是将决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法。层次分析法的步骤一般包括：建立层次结构模型；构造成对比较阵；计算权向量并作一致性检验；计算组合权向量并作一致性检验。该方法具有系统性、实用性、简洁性等诸多优点，但在建立判断矩阵时主观性较强，最终得到的权重值可能不够合理。建议采用专家评判与层次分析相结合的方法，即在建立层次模型和构造成对比较矩阵阶段，相应的工作由专家完成。

针对碎屑岩盖层情况，表2给出了本文建议权重值。对于蒸发岩盖层，由于缺少了碎屑岩封闭性能(包括突破压力和压力系数)这一评价因子，因此，应对其余的因子权重值进行归一化处理，方能得到蒸发岩盖层情况下的因子权重。此外，在资料缺少、评价因子选取不全的情况下，应对选取的评价因子权重值进行归一化处理。

6.6 场地级别鉴定与场地适宜度计算

最终的评价工作通过模糊运算完成，若记模糊综合评价矩阵为：

则：

其中：为模糊算子。常用的模糊算子有四种类型：相乘相加法、取小相加法、相乘取大法和取小取大法。

为使评价结果能够综合反映各个评价因子的影响，建议选择相乘相加这一模糊算子，即：

式中：j=1，2，3，4，5。

对于最后经计算所得的模糊综合评价矩阵，若第j个元素bj的值最大，则定义该场地级别为j级。

若需要对所有场地的适宜性进行综合排序，则根据以下方法进行：

首先，建立备择集。结合CO2地质埋存场地筛选与评价具体工作，这里的备择集应为。其次，数值化备择集。可以采用不同大小的数值来表示备择集中的各个元素，本课题组给出的数值化后的备择集为。最后，加权计算。场地适宜度指标。若S≥8，则定义场地适宜度好；若6≤S＜8，则定义场地适宜度较好；若4≤S＜6，则定义场地适宜度中等；若2≤S＜4，则定义场地适宜度较差；若S≤2，则定义场地适宜度差。

根据计算后得到的场地适宜度指标，可以对所有的场地就CO2地质埋存场地适宜性进行排序，从中优选出场地综合条件较好的若干埋存层位，为后续工作提供参考。

7 结论

对现有CO2地质埋存场地筛选领域研究成果的分析，发现其中的不足之处，提出了一套具有一定创新性和实用性的场地筛选与评价方法。

针对工程场地筛选与评价阶段划分为五个工作阶段：初次筛选阶段、二次筛选阶段、综合评价阶段、数值模拟阶段和有效埋存量评估阶段。

通过建立综合评价指标体系，并利用建立的评价方法对候选场地的封存适宜性进行综合评价。借助模糊数学方法，对场地的进行了半定量评价，为场地的优选提供了依据。

[1]K.Michael,M.Arnot,P.Cook etc..CO2storage in saline aquifers Ⅰ-current state of scientific knowledge.[J]Energy Procedia 1(2009): 3197-3204.

[2]K.Michael,G.Allinson,A.Golab etc..CO2storage in saline aquifers Ⅱ-experience from existing storage operations [J].Energy Procedia 1(2009): 1973-1980.

[3]Bachu S.Sequestration of CO2in geological media:criteria and approach for site selection in response to climate change[J].Energy Conversion & Management,2000,41(9): 953-970.

[4]Bachu S & S Stewart.Geological sequestration of anthropogenic carbon dioxide in the Western Canada sedimentary basin: suitability analysis[J].Journal of Canadian Petroleum Technology,2002,41(2): 32-40.

[5]Bachu S & Adams JJ.Sequestration of CO2in geological media in response to climate change:capacity of deep saline aquifers to sequester CO2in solution [J].Energy Conversion and Management,2003,44: 3151-3175.

[6]郭建强，等．深部咸水层CO2地质储存工程场地选址技术方法[J]．吉林大学学报(地球科学版)，2011，41(4): 1084-1091．

[7]范基姣，等．CO2地质埋存潜力与适宜性评价方法及初步评价[J]．水文地质工程地质，2011，38(6)．

[8]张森琦，等．中国二氧化碳地质封存地质基础及场地地质评价[M]．北京：地质出版社，2011．

[9]孟庆辉，等．深部咸含水层CO2地质埋存场地适宜性评价探讨[J]．电力勘测设计，2011，(5): 20-23．