延长靖边油田CO2地质封存矿场实践

聂向荣，江绍静，余华贵

(1.西安石油大学石油工程学院，陕西 西安 710065；2.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西 西安 710075)

延长靖边油田CO2地质封存矿场实践

聂向荣1，江绍静2，余华贵2

(1.西安石油大学石油工程学院，陕西 西安710065；2.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西 西安710075)

在油藏中进行CO2地质封存既能达到碳减排目的，又提高了原油采收率，是一项很有前景的工程。靖边油田垂向发育三套封闭盖层，能够实现对CO2接替封闭；靖边乔家洼示范区最佳CO2封存量为365.21×104t；示范区建成了“地层-地表-大气”三位一体CO2监测体系，实现了油藏封存体有效监测；示范区注入CO2累计5.9×104t，监测结果表明全部安全封存。延长石油在CO2封存领域的先锋性工作，为中国CO2地质封存提供示范。

CO2封存；盖层；封存潜力；封存监测；靖边油田

随着人类社会工业文明的快速发展，CO2等温室气体排放量逐年大幅增加，全球气候变暖与环境问题日趋严重，甚至对人类的生存和经济社会的发展构成了严重威胁，引起了世界各国政府和公众的广泛关注[1-2]。CO2捕集、利用与封存技术(CO2capture，utilization and storage，简称“CCUS”)被认为是能够大规模实现碳减排最为重要的技术手段之一，已在全球范围内受到高度重视[3-5]。根据国际能源署(IEA)的研究，至2050年CCUS技术将承担全球19%的减排任务，为减排份额中最大的单体技术。CO2驱油与封存技术是将能源化工企业排放的CO2通过捕集、运输至油田用于驱油，提高原油采收率，同时实现CO2的地质封存[6-8]。CO2以驱油为目的的项目国际上很多[9-11]，但是以封存为目的的项目国际上并不多[12]。延长石油具有陕北煤化工排放的碳源、CO2运输体系和CO2封存地质体，是中国首个全流程CCUS项目。延长石油进行CO2封存的油藏地层压力低，注入的CO2在油藏中的驱油也属于非混相驱，而世界范围内的CO2驱油大多数都是混相驱，其封存CO2的主力油层为长6，属于特渗透油藏，裂缝较为发育。利用CCUS技术过程中提高CO2的驱油效率、注入能力和CO2窜逸封堵技术是延长油田面临的典型技术难题。延长石油在靖边油田开展的CO2封存示范区具有开拓性和先锋性，其中靖边乔家洼示范区成功运行4 a，取得了良好的成绩，2015年6月，延长靖边CCUS项目获得全球碳封存领导人论坛(CSLF)认证；2015年9月，延长CCUS项目被纳入《中美元首气候变化联合声明》。本文基于延长石油CO2油藏地质封存示范项目，探讨了延长石油在CO2油藏地质封存矿场实践所做的工作，以期为国内CCUS项目的开展带来启示。

1 靖边油田示范区概况

靖边油田乔家洼油田区域构造位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡中部。在晚侏罗世燕山I期运动的影响下，东升西降形成了东(北)高西(南)低的构造格局，在大的构造背景控制下，因岩性差异压实作用和古地形突起披覆构造作用，延长组、延安组地层中形成了一系列具有明显继承性发育的小隆起带，小隆起带上局部突起与岩性的有机结合形成构造-岩性圈闭。CO2示范区长62储层构造的基本形态与区域构造一致，整体为东高西低的单斜构造，在局部存在突起，构造相对平缓，地层整体向西倾斜，倾角0.6°左右。井区位于陕北斜坡中部，远离盆地边缘，地层相对平缓，未见断裂。

2 靖边油田CO2封存条件评价

2.1 CO2油藏地质封存机理

CO2油藏地质封存一般存在四种封存方式[13-14]。第一种是地质构造封存，注入的CO2处于超临界的状态，在浮力的作用下向储层顶部聚集，直到遇到盖层底部、低渗透断层或者砂体尖灭；第二种是CO2由于毛细管力的作用被吸附在岩石矿物表面，因而滞留在孔隙内而被封存；第三种是溶解封存，注入的CO2会溶解在原油和地层水中；第四种是矿化封存，注入的CO2溶解在地层水中，导致地层水的pH值下降，溶解性增强，部分岩石矿物被溶解后和CO2发生矿化反应，生成新矿物。

这四种封存方式随着时间的推移，逐渐演化，最初主要以地质构造封存为主，CO2在盖层的限制下随着注气井和油井之间的压差运移，在运移的过程中，受孔隙介质中毛细管力作用而被束缚。与此同时，CO2不断溶解在原油和地层水中，此时主要以溶解封存为主。随着CO2在地层中滞留时间的延长，地球物理化学反应才显现出来，矿化封存逐渐起到作用。

2.2 盖层宏观封闭性

盖层的封闭性评价主要是研究盖层的岩相、发育规模、厚度和沉积环境。研究区长4+5层泥岩分布范围广、沉积体系稳定、横纵向沉积环境差异性小，盖层厚度决定盖层原始空间展布面积和断裂、裂缝破坏后盖层空间分布的连续性，因而关于盖层的宏观封闭性评价主要集中评价盖层的厚度。对泥岩累计厚度统计，见表1。

表1 示范区盖层宏观发育特征参数表

长4+51和长4+52泥岩分布范围广，厚度大，为区域封闭盖层；长61段泥岩分布范围与厚度稍弱于长4+5层，由于其直接覆盖于封存CO2的长62段之上，称之为直接封闭盖层；长62油层内部有发育5～10 m厚的泥质岩层(含致密粉细砂岩)，称为内部封闭盖层。从盖层平面分布特征来看，长4+5层泥岩厚度大、纵向连续性好、满足区域性封闭要求；长61为良好的直接封闭盖层；长62层内泥质夹层在一定程度上能起到一定的垂向和侧向封闭[15]。由此，可以将CO2封闭盖层分为三级，如图1所示。

图1 示范区CO2三级封闭盖层示意图

2.3 盖层微观封闭性

长4+51、长4+52、长61、长62段泥岩的平均孔隙度分别为2.74%，2.83%、2.92%、2.36%，泥岩的排替压力平均为6.28 MPa、6.22 MPa、6.17 MPa、6.51 MPa(表2)，结合我国大中型气田盖层微观封闭能力分级标准，研究区盖层微观封闭品质为好-～好+。

2.4 盖层垂向接替封闭机理

以两口井盖层微观封闭性评价参数剖面为例(图2)，可以看出CO2储层顶部在垂向上发育有连续、稳定的泥岩，当距离埋存CO2最近的泥岩段由于储层内部增压而丧失封存能力后，其上部和排替压力更大的泥岩可以实现对CO2的封存，担当封闭盖层，发挥抑制CO2向上迁移的作用，将这种CO2封闭机理称之为盖层垂向接替封闭机理。

表2 示范区盖层微观封闭特征参数表

图2 单井盖层微观封闭特征参数评价剖面(mpor为泥岩孔隙度，po为泥岩排替压力)

3 靖边乔家洼示范区封存潜力

采用荷兰ECOFYS 能源咨询公司和荷兰地质调查局有关专家提出的评估方法，该方法十分简便，回避了复杂的开发方式和油气状态等因素，对于注CO2提高采收率的油藏，CO2封存量计算见式(1)、式(2)[16-17]。

MEOR=ER×OOIP

(1)

MCO2=RCO2×MEOR/ρ0

(2)

式中：MEOR为注CO2增由量，t；ER为注CO2提高的采收率，%；OOIP为原始地质储量，t；MCO2为CO2封存量，t；RCO2为CO2换油率，t/m3；ρ0为原有密度，t/m3。注CO2提高的采收率可以通过文献[17]中图1获得，靖边油田原油API为35.17，经查图可得，最小值为6.1%，最大值为16.5%，最优值为11.6%。以靖边油田乔家洼示范区为例进行埋存潜力计算，示范区OOIP为931×104t，原油密度ρ0为0.858 t/m3。换油率RCO2按照文献[17]中的经验值进行计算，最小值为0.94 t/m3，最大值为5.0 t/m3，最优值为2.83 t/m3，计算结果见表3。

4 现场实施效果

4.1 CO2注入情况

靖边乔家洼示范区自2009年9月开始注CO2，优选了5个井组先期开展先导注气试验，主要注气层位为长62，5个注气井控制同层位生产油井33口，其中一线受益井14口，二线受益井19口，注气井受控面积1.2 km2，石油地质储量39.4×104t，截至2016年6月底，累计注入CO2(液态)5.9×104t。注气以来，地层压力逐年上升(图3)。截至2016年底，地层压力恢复到8.54 MPa，压力保持水平为71.2%，表明注入CO2后，示范区地层压力缓慢恢复，地层能量也得到相应的补充。

表3 示范区CO2封存量计算结果

图3 靖边乔家洼示范区地层压力

4.2 CO2封存安全监测

将CO2封存在靖边乔家洼示范区油藏地质体中，为了评价油藏封存体的封闭性和检验封存效果，靖边乔家洼示范区通过对现有监测方法的优化，建立了“地层+地表+大气”三位一体CO2监测体系(图4)。

地层监测体系包括两种方法：一种是套管气CO2浓度监测，其采用便携式二氧化碳分析仪，该仪器可以直读CO2等气体含量，用以判断生产井的产气情况；另一种是CO2地震前缘监测，其利用微地震技术描述CO2在封存体中的迁移和展布情况，可以绘制出CO2在地层中的浓度场。地表监测体系包括两种方法，土壤气是通过采样分析近地表土壤层CO2气体浓度和碳-13同位素，以监测CO2是否泄漏至土壤层。植被统计监测是对植物种群密度和生长情况进行监测和统计，以判断植物是否受到CO2泄露影响；大气监测是将大气中的CO2浓度和碳-13同位素含量作为重要的监测指标，延长目前建成了大气在线监测工作站，可以连续实时监测大气中的CO2，地貌条件不适建立在线监测工作站的地区采用气样袋取样法。监测结果表明，靖边乔家洼示范注入的5.9万t CO2全部封存。

图4 三位一体监测体系

5 结 论

1)延长石油在靖边乔家洼建立的CO2封存示范区，是中国首个CCUS全流程项目，在国内外取得了一系列荣誉。靖边乔家洼示范区的成功实施，为中国CCUS项目大规模开展提供了可供借鉴的范例。

2)靖边油田乔家洼示范区长6层CO2封存潜力评价结果表明，最优封存量为365.21×104t。

3)靖边乔家洼示范区建立了“地层-地表-大气”三位一体CO2监测体系，监测结果表明目前已经注入的5.9万t CO2全部安全封存。

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FieldapplicationofCO2storageinreservoirgeologyforJingbianoilfieldofYanchang

NIE Xiangrong1, JIANG Shaojing2, YU Huagui2

(1.College of Petroleum Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an710065，China；2.Research Institute of Shannxi Yanchang Petroleum (Group) Co.,Ltd.,Xi’an710075,China)

The CO2storage in reservoir can not only be used for CO2reduction，but also can be used for EOR，which is a promising project.The results show that there is a three-stage cap rock which is composed of interior sealing cap，which is an important reason for CO2well storage.The optimal CO2storage capacity in Qiaojiawa oil region is365.21×104t.A monitoring system was built called “strata-surface-atmosphere” trinity，which achieves the effective monitor.The total CO2injected in reservoir is5.9×104t.The monitoring results show the storage condition is well.The pioneering project conducted by Yanchang petroleum provides a good demonstration for CO2storage in reservoir geology in China.

CO2storage；cap rock；storage capacity；storage monitor；Jingbian reservoir

P618.31

A

1004-4051(2017)12-0157-04

2017-02-08责任编辑赵奎涛

国家科技支撑计划项目“陕北煤化工CO2捕集、埋存与提高采收率技术示范”资助(编号：2012BAC26B00)；陕西省科技统筹创新工程计划项目“陕北致密砂岩油藏 CO2驱提高采收率关键技术研究及先导试验”资助(编号：2014KTZB03-02)

聂向荣(1986-)，男，博士，工程师，主要从事提高油气采收率方向的研究，E-mail：nxrcup@163.com。