利用遥感和GIS技术的CO2地质储存选址研究

张晓娟，李旭峰，张杨

（中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定071051）

利用遥感和GIS技术的CO2地质储存选址研究

张晓娟，李旭峰，张杨

（中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定071051）

CO2地质储存是减少CO2排放、缓解温室效应的主要途径之一。针对CO2地质储存场地的选择对于工程安全及稳定的重要性，该文基于CO2地质储存理论，建立了CO2地质储存工程场地选址指标体系，并利用遥感技术获取相应评价指标，基于GIS指标空间加权叠加分析法，从安全性、经济性角度进行了CO2地质储存工程场地适宜性评价，得到了适宜性分区图。我国第一个深部咸水层CO2地质储存工程就建立在本次评价为适宜区的地区，目前工程运行很好。由此，本文方法可以为今后的CO2地质储存工程选址提供很好的参考。

CO2地质储存；选址指标；GIS空间分析；遥感解译；D－InSAR技术

0 引 言

CO2地质储存［1－3］是当前国际公认的减少温室气体排放的有效途径之一。CO2地质储存场地的合理选择，是实现长期、安全储存CO2的前提。开展CO2地质储存工程非常重要的一步是储存场地的选择，场地选择的成功与否直接决定了储存工程的使用寿命和安全性等关键问题。如果CO2地质储存场地的选择失当，会带来诸多不利影响甚至造成难以弥补的损失。

2005年我国开展了CO2地质储存潜力估算［4］，结果表明中国深部咸水含水层的CO2储存能力远远大于其他介质如煤层、油气盆地等，约占总储存量的98.64%。根据我国陆域盆地地质条件特征，我国深部咸水含水层地质储存规划选址分为四个阶段，分别为国家级、盆地级、工程场地级［5－6］。第一、第二阶段主要是对国家级和盆地级地质储存潜力进行评价，第三阶段重点是在选择出可供地质储存的圈闭或地区的基础上，对圈闭内各地质时代形成的储盖层做精细描述和刻画，通过一系列分析，优选出CO2地质储存目标靶区，第四阶段是在优选出的具有一定储量并且适宜CO2地质储存的场地开展工程选址工作。

本研究主要针对第四阶段的选址工作开展的，利用遥感技术的优势，采用相应算法进行选址指标信息的提取［7］，在此基础上，基于GIS强大的空间分析功能进行多指标的场址优选［8］。

1 CO2地质储存目标靶区场地概况

该目标靶区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗附近，面积约2000km2，是经过前期广泛收集分析鄂尔多斯盆地构造、沉积格局、储层分布、盖层稳定性、地温梯度、压力及水文地质等资料基础上，优选出的较适宜CO2地质储存的目标靶区［9］。该区与陕北黄土高原西北缘相连，总体地貌类型为丘陵，其中西部为白垩系丘陵，主要包括内蒙古伊金霍洛旗部分，东部及东南部为黄土丘陵，主要包括陕西省神木县部分。区内沟谷发育，并构成三级水系，丘陵区被普遍切割，从而形成了岗岭纵横、川谷交错、沟壑发育的地貌景观。丘间发育有平缓谷地，低洼处为内陆湖泊。经分析，该地区主要有三叠系下统刘家沟组、二叠系上统石千峰组、二叠系中统石盒子组、二叠系下统山西、太原组、奥陶系下统马家沟组、奥陶系下统马家沟组五个主力储层，分布在地下1300m至2700m深度之间，具备良好的深部储存CO2的地质条件，且具备一定的储存能力。

2 CO2地质储存工程场地选址原则

CO2地质储存场地选择的基本原则是满足储存量的要求、有合适的储盖层组合、安全性、经济性等。本次工作是在经过前期储盖组合评价优选出具有一定储存量的储盖组合区进一步开展的工程选址工作，因此重点考虑安全性、经济性等要素。

安全性。避开可能引起CO2泄露的活动断裂、废弃的深井等逃逸通道；避开地质灾害频发或有地质灾害隐患地段，本示范区主要避开采煤塌陷区，虽然采煤基本在100m以浅，对于深部的CO2储存不构成影响，但是基于安全角度，距离采煤塌陷区越远越好；风向也会直接影响CO2运移方向，因此首先工程选址需要避开人口密集地，并且位于人口密集地的下风口的高处，以防万一发生CO2泄露对当地居民健康造成影响；选址应在地势较高处，CO2式量为44，而空气为29（标准大气压条件下），因此若大量CO2溢出会位于空气的最底层，并且有向地势低洼处运移的趋势，工程建在高处CO2容易扩散，因此应选择建立在地势高洼处。

经济性。距离碳源越近越好，可以降低运输成本；工程场地选则的土地利用程度越低经济。

3 CO2地质储存工程场地选址指标体系

基于CO2地质储存工程场地选址原则及遥感技术的特点，确定了选址指标分别为：与采煤塌陷区距离、与活动断裂距离、与居民点距离、土地利用程度、地貌类型、与碳源距离、地势、地形坡度等8个场地评价指标（表1）。

在鄂尔多斯盆地选取典型主力储层组合（山西组＋石盒子组＋石千峰组＋刘家沟组），模拟了固定速率（105t／年）注入CO2和固定压力（1.3P0，P0为水静力平衡后最上储层的压力）注入CO2两种情形下，20年和100年内，注入的CO2在地下深部空间里运移的情况，模拟结果为注入20年时，CO2在径向上大约扩散700m～800m，100年时，CO2扩散到大约距离注入井900m［10］。

本次各指标适宜程度区间的选择则参考此模拟结果。为确保绝对安全，采煤塌陷区距离及距离活动断裂距离的极限值定为注入100年扩散最大距离的三倍，即将距离这两项指标3km以内的范围定为不适宜区，其他较不适宜、一般适宜、较适宜、适宜4个等级的距离按照研究区内最大距离平均分配；与居民地距离，研究区位于毛乌素沙漠南缘，居民点分布较少，将距离居民点1km以内的范围定为不适宜区，其他较不适宜、一般适宜、较适宜、适宜4个等级的距离按照研究区内最大距离平均分配；地貌类型，水库、常年性河流及季节性河流及河道内不适宜开展工程建设，半固定沙丘受风向和风力影响，会一定程度影响工程建设及后期的维护，定位较不适宜，研究区内的基岩丘陵区，由于地形切割比较严重，起伏较大，相对地势相对平坦的固定沙丘区，定为较适宜，固定沙丘地区，地形起伏很小，适合工程的建设；地势越高，越利于CO2的扩散，以海拔1150m为起点，50m为间距，分别赋予较不适宜、一般适宜、较适宜、适宜；地形坡度越小，工程建设难度和成本越小，以25°作为不适宜的极限坡度，5°为间隔，分别赋予较不适宜、一般适宜、较适宜、适宜；建设工程地点土地利用程度直接决定工程的场地建设成本，利用程度越低，越适宜工程建设；与碳源距离越近，则运输成本越低，根据研究区的面积，将30km定为极限距离，以5km为间隔，分别赋予较不适宜、一般适宜、较适宜、适宜。基于此，建立了CO2地质储存工 程场地选址指标体系，如表1所示。

表1 CO2地质储存工程场地选址指标体系

4 工程场地选址指标遥感解译

4.1 地形地貌遥感解译

研究区位于陕北黄土高原与毛乌素沙漠的过渡地带，区内海拔标高1100m～1300m，大的地貌成因类型属于长期遭受侵蚀剥蚀的高原地貌。研究区北部主要地貌形态为龙岗状沙堆平原，地貌形态比较简单，多光谱遥感数据ETM卫星影像能够很好地区分，基于监督分类方法的最大似然比分类法分类原理［11］，利用固定沙丘、半固定沙丘、基岩丘陵、河流漫滩与阶地、风积沙漠5个地貌类型在ETM图像上所展现的不同色调、纹理等信息，成功区分此类地物，分类精度达到93%。

4.2 活动断裂遥感解译

区内以缓慢的上升运动为主，褶皱、断裂构造十分微弱，地面高差相对较小，主要构造形迹为节理裂隙、基岩呈向西倾斜、倾角平缓的单斜构造。地表和埋藏一定深度的断裂，由于力学性质，活动特征和伸展形态及其相关的两侧自然景观的不同，其反射太阳电磁波谱的能量就存在差异，从而构成其特有的线性特征［12］，在充分分析研究区内线性影像特征的基础上，判释节理裂隙11条（图3）。

4.3 采煤塌陷区遥感解译

研究区地貌类型为高平原、沙丘、丘陵等地貌，地表岩性单一，区内不具备崩塌滑坡泥石流等地质灾害形成条件，区内为煤矿区，针对这个问题，采用了目前已经成功用于滑坡、地震变形、火山活动以及由于开采石油、煤、地下水等人类活动所引起的地表沉降等问题的D－InSAR技术［13－14］，开展了采煤塌陷区的排查。

本次研究采用的二轨法D－InSAR技术。二轨法工作原理是采用工作区地表变化前后的两幅Radarsat－2图像生成干涉条纹图ψd，再利用事先获取的DEM数据模拟地形相位图ψsim，从干涉条纹图中消除地形信息就得到地表的形变信息ΔR（公式1），数据差分干涉处理流程如图1所示。

图1 二轨法D－InSAR数据处理流程

采用2010年10月18日获取的雷达影像作为主影像，选择2010年12月29日获取的雷达影像为从影像，配准方法选择强度互相干算法，所获取的2期雷达卫星影像质量很好，配准误差平均小于0.2个像元，将配准好的影像进行干涉处理，生成干涉图；采用DEM数据模拟地形相位；将模拟结果与干涉结果进行差分，去除地形引起的相位；继而进行相位解缠，将相位由主值或相位差值恢复为真实值，在此过程中，为去除相位噪声、干涉相位的不连续造成的影响，进行了自适应滤波处理，最后生成监测区的地表形变图，见图2。由图2可以看出，在研究区内存在10处典型的采煤塌陷区。考虑到CO2地质储存工程的安全性，在今后进行CO2选址时应避开采煤塌陷地段。

图2 工作区地表形变D－InSAR监测结果

4.4 土地利用程度遥感解译

研究内90%以上的土地为裸地或人工林，且人口稀少，在乌兰木伦河谷有铁路、与煤炭有关的经营活动以及部分农田，总体上，利于CO2地质储存（图3）。

图3 示范区遥感综合解译图

4.5 其他要素信息提取

地势及地形坡度通过利用研究区DEM数据，利用GIS的三维空间分析模块，将其量化为表1的相应指标。

图4 CO2地质储存工程场地选址结果

5 CO2地质储存工程场地适宜性评价

基于以上遥感解译结果，基于GIS的重分类模块，将其转变为评价指标，利用GIS空间分析模块，基于CO2地质储存工程场地选址指标体系，进行指标叠加分析，进而得到研究CO2地质储存灌注场地适宜性评价结果图（图4），在适宜性评价结果图上人工圈划出8处适宜开展CO2地质储存工程的场地范围。

6 结束语

本次研究通过建立CO2地质储存工程场地选址指标体系，利用遥感技术解译相关指标，采用GIS的空间分析模块生成CO2地质储存工程场地适宜性区划，在此基础上圈定工程建设选址靶区。其中，我国第一个煤基全流程深部咸水层储存工程——神华集团CO2捕获与储存示范工程［15］，就建设在评价等级为适宜的一处区域，该工程2010年底建设安全运行至今。实践证明，利用遥感和GIS相结合，能够从安全性和经济性角度为CO2地质储存工程选址提供很好的参考。

鉴于我国CO2地质储存研究处于起步阶段，工程选址指标体系在今后的研究与实践过程中有待进一步改进和完善。

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Site Selection of CO2Geology Storage Based on Remote Sensing and GIS Technique

ZHANG Xiao－juan，LI Xu－feng，ZHANG Yang

（Center for Hydrogeology and Environmental Geology Survey，CGS，Baoding071051）

The carbon dioxide geological storage is one of the best methods to reduce carbon emission and alleviate the greenhouse effect.It is very important to choose the site of carbon dioxide storage.Therefore，this paper built the site selection index system of carbon dioxide geology project，generated the base data of evaluation by remote sensing technology，set up the suitability evaluation for carbon dioxide geology project site based on the spatial weighted stack analysis method，and obtained suitability zoning maps.The first carbon dioxide storage project in deep saline water layer has been built in the area which was evaluated as suitable region by this research，and it is running well to this day.This technology can provide a good reference for carbon dioxide project site selection at both sides of safety and economy in future.

carbon dioxide geology storage；site selection index；GIS spatial analysis；remote sensing interpretation；D－InSAR technology

10.3969／j.issn.1000－3177.2015.04.021

P66

A

1000－3177（2015）140－0121－04

2014－05－20

2014－10－13

中国地质调查局地质调查项目（1212011087128、1212011087127）。

张晓娟（1981—），女，高级工程师，研究方向为3S技术在二氧化碳地质储存领域的应用与研究。

E－mail：zxj＿3004＠sina.com