松辽盆地中央坳陷区北部咸水层CO2储存场地适宜性评价与储量计算

罗 伟，张 洋，刘 宁，成建梅（.中国地质大学（武汉）环境学院，湖北　武汉430074；.华北油田公司采油工程研究院，河北任丘06550）

松辽盆地中央坳陷区北部咸水层CO2储存场地适宜性评价与储量计算

罗 伟1，张 洋2，刘 宁1，成建梅1
（1.中国地质大学（武汉）环境学院，湖北武汉430074；2.华北油田公司采油工程研究院，河北任丘062550）

深部含水层CO2地质储存可以有效缓解CO2排放压力，而合理的场地评价和选址工作是有效、安全和经济储存CO2的先决条件。在详细分析松辽盆地中央坳陷区地质背景条件的基础上，针对目标区级深部咸含水层CO2储存场地评价级别，建立了6个一级指标和22个二级评价指标的目标区级场地优选方法。优选方法重点考虑了地质因素的影响，运用层次分析法和加权评判法对松辽盆地中央拗陷区北部5个二级构造单元开展了场地适宜性评价，并计算了各二级构造单元的CO2封存储量。结果表明:各二级构造单元的适宜度指标相差不大，埋存适宜性皆较好，其中齐家—古龙凹陷CO2埋存适宜性最优；储量上，齐家—古龙凹陷最高，朝阳沟阶地最低。

CO2地质储存；场地适宜性评价；储量计算；层次分析法；二级构造单元；松辽盆地中央坳陷区

人类对化石燃料的过度依赖和CO2的集中释放导致全球温室效应日趋严重，随之而来的海平面上升、气候异常等自然灾害严重影响着人类的生存和发展。CO2地质封存技术旨在集中、高效地将CO2收集、运输、注封于地下地质体中，以达到CO2减排目的。盆地深部含水层CO2埋存因潜力巨大、技术可行，且已有实际的工程运行，已成为CO2地质埋存首选方式之一［1］。

科学合理的场地评价和选址工作是有效、安全和经济储存CO2的先决条件。国外学者在该领域研究起步较早，主要集中在不同空间尺度下评价标准的选择和标准权重分配问题的研究。如Bachu［2］从盆地尺度提出了评价沉积盆地在碳埋存适宜性方面应考虑的标准，包括盆地构造类型、地温场、流体动力场、资源潜力、成熟度标准以及经济和社会标准，并提出了评估沉积盆地碳埋存适宜性的方法；Bachu［3］还提出了一套盆地尺度的包含15个指标的碳埋存适宜性评价因子体系和评价方法，并对加拿大主要盆地的碳埋存适宜性进行了分级评价，同时具体分析了盆地地温特征对CO2埋存效果的影响，提出了热盆（Warm Basin）和冷盆（Cold Basin）的概念，并将其作为评价盆地或区域碳埋存适宜性的一项标准。国内学者的研究起步较晚，但研究成果丰富，在综合我国地质情况基础上，将场地适宜性评价级别划分为区域级、盆地级、目标区级、场地级和灌注级［4］，相应的评价标准也得到不断完善和细化。如刁玉杰等［5］着重分析了储盖层性能在深部咸含水层CO2地质储存场地选址中的作用，并引入渗透率变异系数和储层注入指数等定性指标；张森琦等［6］通过对深部咸水层水质属性、水文地质属性、资源属性、浅层地下水脆弱性和环境保护属性等进行详细分析，得出了适宜规模化CO2地质埋存的咸水层应满足的基本条件。

松辽盆地是我国大型陆相含油气沉积盆地，密集的工业区、分布广泛的深部咸含水层以及良好的储盖组合使之成为CO2地质封存的重点研究区域。杨国强等［7］建立了包括地质储存规模、储存经济性、储存条件和储存安全性4个方面、20个指标、5个指标划分等级的评价指标体系，并对松辽盆地6个一级构造单元的CO2地质储存适宜性进行了评价，指出中央坳陷区具有较好的CO2地质储存适宜性；杨霄翼等［8］则建立了以技术性、安全性、经济性与社会环境为准则的包含26项指标的深部盐水层CO2地质埋存适宜性评价指标体系，对松辽盆地一级构造单元进行评价，认为中央坳陷区是CO2地质储存适宜性最好的区域；金超等［9］对松辽盆地南部长岭凹陷保康体系的沉积相类型及其时空分布规律、储盖层沉积特征、水文地质及构造特征等进行了研究，结果表明研究区青山口组—嫩江组是CO2地下埋存的良好储盖组合；徐威等［10］则对松辽盆地中央拗陷区深部咸水层CO2封存潜力进行了评价，并根据储层物性参数的随机性，分析了储量计算结果的不确定性。

整体上讲，松辽盆地CO2地质储存场地评价大多还停留在一级构造单元上，针对二级构造单元的场地评价，尤其是中央坳陷区的研究尚缺乏。为此，本文在重点考虑松辽盆地中央坳陷区地质背景条件的基础上，分别选取储盖层、地温场、水动力场、区域稳定性等评价标准，对松辽盆地中央坳陷区北部5个代表性二级构造单元进行CO2储存场地适宜性评价，并分别计算其储量。该研究对于松辽盆地CO2地质储存目标靶区的圈定和场地级别CO2注入具有一定的指导意义。

1　松辽盆地中央坳陷区地质背景条件

松辽盆地位于中国东北，面积约24万km2，是世界上以丰富的油气资源而著称的陆相含油气沉积盆地，孕育了目前中国最大的陆相油气田——大庆油田［1］。中央坳陷区位于松辽盆地中部，是盆地发展过程中沉降相对占优势的大型负向构造单元，长期为盆地的沉降、沉积中心。该区地层发育齐全，侏罗系至新近系沉积岩厚度达7 000～10 000 m［11］。中央坳陷区北部五个二级构造单元主要是三肇凹陷、齐家—古龙凹陷、龙虎泡—红岗阶地、大庆长垣和朝阳沟阶地，其中三肇凹陷和齐家—古龙凹陷又是中央坳陷区的中心，如图1所示。研究区被北北东向E2断裂和与之正交的E6、E7断裂所分割，大庆长垣分布有较多的碳源，考虑区内钻孔数量达数千口之多，且密集排列在中央拗陷区中部，故未在图中表示。

1.1储盖组合和沉积相

中央坳陷区符合CO2封存储层岩性特征的地层包括:四方台组、嫩江组第三段和第四段、姚家组、泉头组第一段以及泉头组下伏登娄库组第二段和第三段。但从地层埋深来看，四方台组及嫩江组第三段和第四段地层埋深小于800 m，不符合CO2超临界状态的条件；姚家组地层在部分构造单元埋深为1 000～2 000 m，CO2能以超临界状态储存；泉头组第一段、登娄库组第二段和第三段地层大部分埋深大于2 000 m，符合埋深条件，但考虑到CO2注入操作要求较高、经济成本大，不适宜作为优先储层。因此，初步确定姚家组地层作为CO2优先埋存地层［1］。

图1　松辽盆地构造单元划分以及断裂分布Eig.1 Tectonic units，faults and carbon sources distribution in Songliao Basin

姚家组地层属于中部含油气组合，地层埋深在1 000～2 000 m，岩性多为砂岩，含泥岩夹层，平均厚度为150 m。姚家组第一段在该区域内主要发育三角洲前缘相和三角洲平原分流河道相，砂体发育环境较好，形成了葡萄花油层；姚家组第二段和第三段沉积时期，安达以北地区主要发育三角洲前缘相，砂体发育环境良好，形成了萨尔图油层，而安达以南地区主要发育半深湖-深湖相，泥质岩类发育环境良好［11］。

发育于姚家组之上的嫩江组，为一套巨厚层的泥岩盖层，平均厚度为300 m。嫩江组第一段和第二段沉积时期，半深湖-深湖相几乎覆盖整个区域，泥质岩类发育环境良好［11］，作为萨尔图和葡萄花油层的盖层产出。

1.2地质构造

松辽盆地是中新生代大型陆相断陷-坳陷叠合盆地，早白垩世中期，岩石圈冷却收缩，盆地整体沉降，坳陷沉积统一了此前断陷期凹凸相间的构造格局。坳陷期构造活动微弱，褶皱和大断层发育有限，多为平缓的披覆构造，因此地层连续性较好［11］，而姚家组就发育于坳陷期。松辽盆地坳陷层典型的坳陷盆地沉积和构造特征，为CO2的埋存创造了良好的储层和盖层条件。

1.3水动力条件

松辽盆地中央坳陷区主要发育泥岩压榨水离心流，在坳陷区边缘与大气水下渗向心流汇合，越流蒸发排泄［12］。随着地层埋深增加，泥岩压实排水趋于枯竭，大气水下渗受阻，发育滞流的水动力环境；另外，盆地内局部空间的能量下降，并处于相对封闭的状态，也会出现暂时性的滞流现象。

2　二级构造单元CO2储存场地适宜性评价

本文以松辽盆地中央坳陷区北部5个二级构造单元（包括龙虎泡—红岗阶地、齐家—古龙凹陷、大庆长垣、三肇凹陷和朝阳沟阶地）姚家组地层为研究对象，运用建立的区域适宜性评价因子体系和评价方法，对各构造单元的CO2埋存适宜性进行综合评价。

2.1场地选址原则及优选条件

场地选址原则是指埋存场地应满足的基本条

件，包含五个最基本的内容:技术、经济、安全、合法、公众意见。场地选址原则应贯穿整个选址过程的始终，且对具体场地适宜性评价体系的构建具有最基本的导向作用。本文在参考国内外学者研究成果［2-3，14-17］基础上，结合对场地适宜性的认识，将场地选址原则细化，得到具体场地优选条件及其基本要求，详见表1。

2.2场地适宜性评价因子体系

表1　场地优选条件及其基本要求Table 1 Eactors considering and basic requirements in site optimal selection

松辽盆地中央坳陷区北部5个二级构造单元CO2储存场地适宜性评价级别属于目标区级，对目标区级评价不仅需要全面、科学的评价因子体系，而且需要更加详尽的资料为依托。本文在参考部分国内外学者提出的评价体系［3，5-8］的基础上，结合松辽盆地自身的特点，重点考虑地质因素对CO2储存场地适宜性评价的影响，建立了6个一级指标和22个二级评价指标的目标区级场地优选方法。5个二级构造单元各评价因子取值详见表2。本次评价共收集了松辽盆地北部2 248口钻井的垂向地层划分数据，这些钻井主要分布在上述5个二级构造单元内，且相对密集，各构造单元具体各类钻孔数详见表2。

2.3场地适宜性评价方法

表2　5个二级构造单元各评价因子的取值Table 2 Values applied for each evaluation factor of five secondary tectonic units

本文采用模糊综合评价法对松辽盆地中央坳陷区北部5个二级构造单元CO2埋存适宜性进行评价。该方法主要评价与计算过程包括:建立因子集—建立模糊评价分级指标集—建立隶属度函数—建立模糊关系矩阵—建立权重矩阵—适宜性评价。其中，采用降半梯形分布函数确定定量评价指标对各级的隶属度函数，利用层次分析法确定各评价指标的权重，模糊算子使用相乘相加法进行计算，以便使评价结果能够充分综合各个评价因子的影响。各评价因子的分级标准及权重见表3。

表3　5个二级构造单元各评价因子的分级标准及权重Table 3 Eactor weights and suitability standard in the evaluation of secondary tectonic units

为了对各二级构造单元的CO2储存适宜性进行定量排序，本文采用加权评价法［13］做进一步分析。使用定量化评语集｛9，7，5，3，1｝代替模糊综合评价的评语集V=｛好，较好，一般，较差，差｝，构建二级构造单元适宜度指标S=B·VT，其中B为模糊综合评价矩阵，V为备择集。适宜性判别如下:若S≥8，则定义该构造单元适宜度好；若6≤S＜8，则定义该构造单元适宜度较好；若4≤S＜6，则定义该构造单元适宜度中等；若2≤S＜4，则定义该构造单元适宜度较差；若S≤2，则定义该构造单元适宜度差。

最终计算得到各二级构造单元储存CO2的适宜度指标，见表4。由表4可以看出:根据模糊综合评价矩阵，各构造单元姚家组的CO2埋存适宜性皆为Ⅰ级；根据适宜度指标，各构造单元姚家组的CO2埋存适宜性皆较好，其适宜性从好到差依次为齐家—古龙凹陷、龙虎泡—红岗阶地、三肇凹陷、大庆长垣、朝阳沟阶地。

表4　5个二级构造单元姚家组CO2埋存适宜性综合评价结果Table 4 CO2storage suitability evaluation results of Yaojia group in five secondary tectonic units

3　二级构造单元CO2储量计算

储层CO2储量计算是场地评价的重要组成，直接决定了CO2封存潜力。本文采用Bachu等［18］提出的CO2溶解度法对松辽盆地中央坳陷区北部5个二级构造单元储量进行评价。该方法认为CO2最终被水体溶解捕获，水体饱和时的无机碳的增量即为CO2最大储量。采用该方法计算CO2储量须满足以下两个条件:①地下水不存在非碳酸盐缓冲溶液；②溶解饱和之后过多的CO2不会导致碳酸盐矿物溶解或析出现象的发生。事实上，考虑地层非均质性，流体不可能全部饱和CO2，因此该计算方法十分粗糙，但用于二级构造单元CO2储量评估时这种精度是可以接受的。其计算表达式为

式中:MCO2d为咸水层的CO2溶解储量（kg）；MCO2td为咸水层所能溶解的最大CO2质量（kg）；MCO2nd为初始地层水中天然溶解的CO2质量（kg）；A为含水层面积（m2）；￣H为含水层的平均厚度（m）；¯φ为含水层平均孔隙度（%）；¯ρ为初始地层水的平均密度（kg/m3）；¯βH2O为初始地层水中溶剂水所占的平均质量分数（%）；￣mCO2为CO2在地层水中的平均溶解度（mol/kg）；MCO2为CO2的摩尔质量（为常数，其值为0.044 kg/mol）；MCO2nd为初始地层水中天然CO2的浓度（kg/m3）。

上式中所需含水层空间信息、水化学资料、温压条件皆来自1 430口钻井的录井数据，其中初始地层水密度使用Batzle模型［19］计算，CO2溶解度计算参考Duan［20］模型，其数据已剔除异常点并进行加和平均。

松辽盆地中央坳陷区北部5个二级构造单元姚家组CO2储存容量的计算结果见表5。由表5可知:研究区内姚家组地层的储量共计11 729.068 Mt，其中齐家—古龙凹陷以3 566.770 Mt的储量居首位，朝阳沟阶地以1 090.051 Mt的储量居末位；从单位面积储量来看，则大庆长垣最高，朝阳沟阶地最低。

表5　CO2储存容量计算结果Table 5 Calculation results of CO2storage capacity

4　结 论

本文在综合分析松辽盆地中央坳陷区地质背景条件的基础上，建立了6个宏观影响因素、22个具体评价指标的场地评价因子体系，并结合研究区详尽的地质资料，利用层析分析法和溶解度法对松辽盆地中央坳陷区北部龙虎泡—红岗阶地、齐家—古龙凹陷、大庆长垣、三肇凹陷和朝阳沟阶地5个二级构造单元CO2地质储存进行场地适宜性评价和储量计算。结果表明:各二级构造单元姚家组的埋存适宜性皆为Ⅰ级；根据适宜度指标，各二级构造单元姚家组的CO2埋存适宜性皆较好，其适宜性从好到差依次为齐家—古龙凹陷、龙虎泡—红岗阶地、三肇凹陷、大庆长垣、朝阳沟阶地；总储量上，齐家—古龙凹陷储量最高，朝阳沟阶地最低；单位面积储量上，大庆长垣最高，朝阳沟阶地最低。此外，由于资料限制，经济能源分布、公众意识等因子影响本文并未讨论，但必须指出，这些因子可能制约CO2场地评价工作，甚至可能是决定性的影响因子。考虑次一级（场地级）场地选址范围相对较小，资料相对充足，调查工作也相对容易，这些因素理应在评价体系中进行体现和讨论。以上研究成果，对于松辽盆地CO2地质储存目标靶区的圈定和场地级别CO2注入具有一定的指导意义。

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Assessment of Site Suitability and the Capacity of CO2Storage in Deep Aquifer in the Northern Central Depression of Songliao Basin

LUO Wei1，ZHANG Yang2，LIU Ning1，CHENG Jianmei1
（1.School of Environmental Studies，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China；2.Research Institute of Petroleum Production Engineering，Huabei Oilfield Company，PetroChina，Renqiu 062552，China）

Storage of carbon dioxide into deep aquifer is one of feasible ways to reduce CO2emission and mitigate greenhouse effect.Proper evaluation and selection of the site are key factors to effective，safe and economical CO2storage.Based on detailed analysis of geological background of central depression in Songliao basin，this paper establishes a site optimization method including 6 primary indexes and 22 secondary indexes to solve the site selection for CO2geological storage into deep saline aquifer in the target area.Particularly considering the effects of geological factors，the paper evoluates the site suitability of five secondary tectonic units in Songliao basin by the analytic hierarchy process and the weighted evaluation methods，and calculater the CO2storage capaicty of each sevondary tectonic units.The results indicate that the suitability indexes of these secondary tectonic units are similar with fairly good storage suitability，among which Qijiagulong depression shows the best suitability for CO2storage.Besides，Qijia-gulong depression shows the highest capacity for CO2storage while Chaoyanggou anticline shows the lowest.

CO2geological storage；site suitability assessment；evaluation of storage capacity；analytic hierarchy process；secondary tectonic unit；central depression of Songliao Basin

X701

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.05.009

1671-1556（2015）05-0052-07

2015-04-09

2015-05-14

国家自然科学基金项目（41172217）

罗 伟（1989—），男，硕士研究生，主要研究方向为地下水数值模拟。E-mail:weiluow@163.com