鄂尔多斯盆地深部咸水层CO2有效地质封存潜力评价

张 冰，梁凯强，王维波，陈龙龙，王 宏.

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司销售公司，陕西西安 710075；2.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，陕西西安 710075)

采用差异化的方法对区域乃至全球范围内不同规模的CO2地质储存能力进行评估是当前的热点研究方向[1]。科学家预计至21世纪中叶全球CO2的实际封存潜力会达到近1.68×1012t[2-3]。目前，不仅我国各盆地开展CO2地质封存的潜力被进行了评估[4]，中国陆上200多个油田实施CO2地质封存的潜力也得到了初步评估[5]。其中，鄂尔多斯盆地是中国大型能源化工基地，盆地内的油气田储层、煤层及深部盐/咸水层具有较大的CO2地质封存的潜力，任相坤等[6]预测鄂尔多斯盆地CO2的地质封存容量大约有数百亿吨。

咸水层被认为是极具潜力的CO2封存地点。国内外深部咸水层CO2封存机理研究、数值模拟、试验研究和工程应用方面已做了大量工作[7]。Xu等[8]建模分析了CO2咸水层封存过程中碳酸盐矿物沉淀的影响；CO2在深部咸水层中流动及运移规律研究、通过建模方法研究场地特征、封存机理等是CO2地质封存研究的常见方向[9-10]；李小春等[11]利用溶解度法计算了地下1 000～3 000 m深度咸水含水层的CO2储存容量，我国25个沉积盆地咸水层的CO2封存潜力约为2.288×1012t。

本文的研究目标鄂尔多斯盆地属于盆地级别的CO2封存评价，所要计算的是整个盆地的CO2有效地质封存潜力。采用碳封存领导人论坛(CSFL)提出的深部咸水层中CO2储存容量评估的方法[12]。该方法假定深部咸水层是一个整体，不存在独立的圈闭。CO2在深部咸水层的封存量由地层封存量、溶解封存量、残余气封存量3部分组成，当CO2注入咸水层时，一部分被封闭在岩石孔隙中，一部分被溶解在咸水层中，CO2在深部咸水层溶解达到饱和时，残余气束缚机理也将起作用。

通过计算地层封存量、溶解封存量、残余气封存量的总和，得出了目标区理论封存量的结果，而有效封存量则是在理论封存量的基础上，进一步考虑了储层性质、储层封闭性、储层压力系统、孔隙体积以及储层深度等影响因素，设定相应的有效封存量系数，进而计算出目标区咸水层的CO2有效封存量。本文采用该方法对鄂尔多斯盆地的伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、陕北斜坡、天环坳陷、西缘断褶带等六大区域构造单元中深部咸水层的CO2封存潜力进行了研究，评价了鄂尔多斯盆地深部咸水层的CO2有效封存潜力。

1 CO2地质封存机理及分类

对CO2地质封存潜力的评估是一项复杂的工作，往往涉及的封存层位多、范围广，计算方法受多方面因素影响，同时要考虑封存稳定性等因素，做到精准的CO2封存潜力预测难度很大。因而，首先掌握不同介质的封存机理显得尤为重要。CO2的封存类型、封存机理以及选址和评价模式已被广泛研究。

Bachu等在2007年提出将CO2地质封存潜力分为国家级、盆地级、区域级、目标区级和场地级等5个级别进行评价[13]。盆地级别的CO2地质封存潜力评估研究的是某个特定的盆地，目标是通过评价和量化该盆地的封存潜力，选择有发展潜力的CO2封存场地，这一级别的评价常会将盆地内的碳源匹配能力纳入研究。目前，国外在盆地级别的CO2地质封存潜力研究已有诸多报道。其中，在加拿大威利斯顿盆地及澳大利亚海燕子盆地开展的盆地级的CO2封存潜力评估工作均有一定的代表性[14-15]。

1.1 CO2地质封存机理

联合国政府间气候变化专门委员会指出CO2地质封存是通过物理与化学机理的结合来实现的[16]，评估CO2封存能力时需要综合考虑各种不同机理的作用。物理封存过程中CO2以自由流体或超临界流体的形式被封存在地下。化学封存机理是CO2融入地下流体后与岩石骨架发生化学反应(溶解与电离俘获作用)，或者吸附于矿物表面(吸附作用)。

CSLF进一步细化了CO2封存机理，认为主要机理包括：

(1)结构地层封存机理。当某一流体处在液相或气相因遇到不渗透层(如页岩、泥岩等)而无法流动被束缚在不渗透层下时，称为结构地层封存机理。

(2)残余气封存机理。当一部分CO2在地层中运移时，由于CO2的表面张力作用，使得CO2被永久地圈闭在岩石颗粒的缝隙中，称为残余气封存机理。

(3)溶解封存机理。当CO2在多孔介质中运移时，CO2溶解在它所接触到的地层水或残余油中，称为溶解封存机理。

(4)矿物封存机理。当CO2与岩石及地层水发生化学反应生成碳酸盐矿化物时，称为矿化封存机理。

(5)水动力封存机理。咸水层中的地层水在一个区域或盆地级的流动系统中较长地流动，当CO2注入位于封闭地层下面的深部咸水层时，水动力圈闭发生。

(6)煤层吸附封存机理。煤层具有很大的CO2地质封存能力，煤层对于CO2的吸附能力要比煤层中的甲烷和其他烃类气体要高得多(至少2倍以上)。

1.2 CO2地质封存潜力分类

CO2地质封存潜力可以用资源潜力来表示。CO2地质封存潜力也会随着技术经济条件的改变而持续不断地变化。利用资源潜力这个概念， CSLF提出将CO2地质封存潜力进行层级划分，大体可以分为理论上的封存潜力、有效的封存潜力、实际可达到的封存潜力、可匹配的封存潜力4个层级。因4个层级存在相互关联和逐级递进的关系，因而用CO2地质封存资源金字塔这一概念来形象地表述，如图1所示。

(1)理论封存潜力是总的资源量，它包含资源金字塔的所有，是在不受任何物理极限、技术水平、经济能力及法律法规许可等因素制约的情况下，达到的一种最理想的封存状态。

(2)有效封存潜力是在理论封存潜力的基础上，考虑了地质和工程方面等因素对封存量的影响，如储层性质、储层埋深、地层温度、地层压力等因素。

(3)实际封存潜力是在有效封存潜力的基础上，将技术水平、法律及法规约束、基础设施配套、经济能力等影响因素纳入CO2地质封存潜力评估的过程中。

(4)匹配封存潜力是在实际封存潜力的基础上，考虑了碳源匹配问题、注入能力以及供给能力等因素对CO2地质封存潜力的影响。匹配封存潜力在金字塔的顶端，类似于矿产资源评价中的可采储量。

图1 CO2地质封存资源金字塔Fig.1 CO2 geological storage resources pyramid

2 深部咸水层CO2地质封存潜力的评价方法

深部盐水层CO2封存能力的评价非常复杂，对于评价深部盐水层的理论封存能力、有效封存能力和实际封存能力，不管是单独过程还是累积过程都是十分困难的。目前，国际上很多国家及组织以及研究人员开展了咸水层CO2封存能力计算方法研究。

2.1 欧盟的研究

欧盟提出，假设深部咸水层是密闭的，且封存CO2的空间来自咸水层的孔隙空间[17]。

2.2 美国能源部的研究

美国能源部(DOE)假设深部咸水层内所有的孔隙空间都可以用作封存CO2，认为CO2的注入将替换咸水层原先所占据的体积。

(1)理论封存量计算公式：

MCO2ts=ρCO2r·A·H·θ

(1)

式中MCO2ts——CO2在深部咸水层中的理论封存量，106t；

ρCO2r——在地层条件下CO2的密度，kg/m3；

A——圈闭的面积，km2；

H——储层的有效厚度，m；

θ——储层岩石的孔隙度，%。

(2)有效封存量计算公式：

MCO2es=MCO2ts·E

(2)

式中MCO2es——CO2在深部咸水层中的有效封存量，

106t；

E——有效封存系数。

公式中E反映了CO2占据整个孔隙体积的比例，利用蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟可以得到深部咸水层置信区间在15%～85%时，E的范围为4%～15%；置信区间为50%时，E的平均值为2.4%。该方法计算出的结果变化范围较大，只能大概反映CO2在深部咸水层中的封存量。

2.3 CSLF的研究

CSLF根据深部咸水层封存CO2的机理，认为CO2在深部咸水层封存CO2的潜力由3部分组成：构造地层封存、溶解封存、残余气封存。

(1)构造地层封存的理论封存量：

MCO2s=Vtrap·θ·(1-Swirr)·ρCO2r

=A·H·θ·(1-Swirr)·ρCO2r

(3)

式中MCO2s——CO2在深部咸水层中构造地层封存的理论封存量，106t；

Vtrap——构造或地层圈闭的体积，106m3；

Swirr——残余水饱和度，%。

(2)溶解封存的理论封存量：

MCO2d=A·H·θ·(ρsXsCO2-ρiXiCO2)

(4)

式中MCO2d——CO2在深部咸水层中溶解封存的理论封存量，106t；

ρs——地层水被CO2饱和时的平均密度，kg/m3；

ρi——初始的地层水的平均密度，kg/m3；

XsCO2——地层水被CO2饱和时CO2占地层水的平均质量分数，%；

XiCO2——原始CO2占地层水的平均质量分数，%。

MCO2d≈A·H·θ·ρi·SCO2·MCO2

(5)

式中SCO2——CO2在地层水中的溶解度，mol/kg；

MCO2——CO2的摩尔质量，0.044 kg/mol。

据Bachu等[18]计算加拿大Alberta盆地咸水含水层溶解储量的结果，不考虑现状地层水含碳量的情况时，计算值偏大，但误差仅为1.3%。由于收集到的咸水含水层的水化学资料绝大多数仅限于主要离子，难以确定其含碳量，此处忽略地层水含碳量，直接利用溶解度计算。

(3)残余气封存的理论封存量：

MCO2r=ΔVtrap·θ·SCO2t·ρCO2r

(6)

式中MCO2r——CO2在深部咸水层中残余气封存的理论封存量，106t；

Vtrap——原先被CO2饱和然后被水浸入的岩石体积，该参数可理解为评价单元内整个深部咸水层的体积，109m3；

欣竹今早就发现经理不对劲。刚才这一幕，更有些一反常态。欣竹眼前又闪现思雨盯着她头发看的情景，心里不禁一阵兴奋和激动。她觉得，自己对思雨的一片爱情，也许真的打动了思雨那颗冷酷的心。欣竹回到自己的办公室，在镜子前左照右照自己那一头天然的栗红色的头发。老天真会安排，让美丽的女人再拥有一头美丽的头发，就能俘获人间最美好的爱情。

SCO2t——液流逆流后被圈闭的CO2的饱和度，%。

(4)深部咸水层中封存的总潜力：

①理论封存量：

MCO2ts=MCO2s+MCO2d+MCO2r

(7)

②有效封存量：

MCO2es=E·MCO2ts

(8)

欧盟、美国能源部及CSFL提出的CO2在咸水层中封存潜力的计算方法都是基于一定的假设条件而得出的。通过比较分析，CSFL提出的方法其假设更合理，该方法计算所得结果更符合CO2在咸水层中封存的真实潜力值。

CSFL所提出的深部咸水层构造地层圈闭机理的计算方法与美国能源部所应用的计算方法相似，其提出的有效封存系数仅适合于构造地层圈闭机理计算。美国能源部采用的方法以有效封存系数E反映CO2占据整个孔隙体积的比例，在数学模拟过程中所考虑的几个因素，对于其他封存机理有效封存系数的取值也有借鉴意义。因此，本文在采用碳封存领导人法计算鄂尔多斯盆地深部咸水层有效封存量时，借鉴该方法使用的有效封存量系数，E也取值0.024。

3 鄂尔多斯盆地深部咸水层CO2封存潜力

鄂尔多斯盆地共有6个一级构造单元：伊盟隆起、渭北隆起、晋西挠褶带、陕北斜坡、天环坳陷、西缘断褶带。其中，渭北隆起、西缘断褶带断裂构造发育，西缘逆冲断褶带盖层封闭差、隔挡层差，有畅通的水文地质条件，地表水向下渗透混入地层流体中，从安全性的角度考虑，不在以上构造进行CO2的咸水层封存。晋西挠褶带构造单元内含水层多被地表水所切穿，地下水可接受大气降水和地表水的捕集，从安全性的角度来考虑，也不在本构造进行CO2咸水层的封存。因此，鄂尔多斯盆地CO2深部咸水层的封存只需考虑伊盟隆起、陕北斜坡、天环坳陷3个一级构造单元。

在伊盟隆起构造单元中，通过溶解机理理论可以计算三叠系、石灰—二叠系、奥陶系3个层位的CO2封存潜力，经计算，伊盟隆起构造单元咸水层中CO2的理论封存量为18 185.25×106t，计算参数及结果见表1。通过残余气封存机理计算理论封存潜力结果为119 944.58×106t，计算参数及结果见表2。

表1 伊盟隆起深部咸水层溶解机理封存计算参数及结果Table 1 Yimeng uplift deep saline aquifer calculation parameters and results by mechanism of water dissolving

表2 伊盟隆起深部咸水层残余气机理封存计算参数及结果Table 2 Yimeng uplift deep saline aquifer calculation parameters and results by mechanism of residual gas storage

根据以上两个计算结果，计算得出伊盟隆起深部咸水层CO2的有效封存量为3 315.12×106t，计算参数及结果见表3。

表3 伊盟隆起深部咸水层封存总封存量计算参数及结果Table 3 Calculation parameters and results of total sequestration of Yimeng uplift deep saline aquifer

在陕北斜坡构造单元中，通过溶解机理理论可以计算三叠系、石灰—二叠系、奥陶系3个层位咸水层中的CO2封存潜力，经计算，陕北斜坡构造单元CO2溶解理论封存量为45 867.64×106t。通过残余气封存机理计算，残余气理论封存潜力为282 600.72×106t。综合以上结果，陕北斜坡深部咸水层CO2的有效封存量为7 883.24×106t。

在天环坳陷构造单元中，通过溶解机理理论可以计算侏罗系、三叠系、石灰—二叠系、奥陶系等4个层位中咸水层的CO2封存潜力，经计算，天环坳陷构造单元的溶解CO2的理论封存量为12 413.54×106t。通过残余气封存机理计算，天环坳陷构造单元溶解气理论封存量为75 908.35×106t。综合以上计算结果，得出天环坳陷构造单元深部咸水层CO2的有效封存量为2 119.73×106t。

经计算，鄂尔多斯盆地深部咸水层CO2有效地质封存潜力为13 318.09×106t，各一级构造单元具体的封存潜力如图2所示。鄂尔多斯盆地中，陕北斜坡的深部咸水层CO2有效地质封存潜力最高，其次是伊盟隆起和天环坳陷，渭北隆起、晋西挠褶带和西缘断褶带不纳入咸水层CO2封存计算。

图2 鄂尔多斯盆地深部咸水层CO2有效地质封存潜力Fig.2 Potential of Ordos basin deep saline aquifer effective CO2 geological sequestration

由此可见，鄂尔多斯盆地作为中国重要的资源型盆地，在深部咸水层封存CO2领域拥有巨大的发展潜力，这一潜力为解决盆地内因油气资源开发利用而带来的大规模碳排放问题，提供了一种在区域内实现排放、捕集、封存闭环结构，进而达到近零排放的环保可持续发展的可能性。因而，碳捕集封存(CCS)技术在鄂尔多斯盆地具有广阔的市场和良好的应用前景。

当前，我国在CCS技术方面的发展还相对迟缓，已知的能够通过CCS项目实现的封存量与实际CO2排放量相差甚远。在咸水层封存方面，中国神华开展了深部咸水层CO2地质封存探索工作，为后续工业化CCUS 项目在工程优化及环境评估等方面提供借鉴参考[19]。但单纯的捕集封存项目缺乏经济性，会影响到企业开展咸水层封存的积极性。对CO2的资源化利用从而实现低成本减排就变得越来越重要[20]。

国内CCS项目侧重于CO2封存的同时实现资源化利用，简称CCUS(碳捕集利用与封存)。以CO2气驱提高石油采收率为典型CCUS项目。延长油田、吉林油田、胜利油田等都开展了小规模的CO2驱油与封存试验[21-23]，但均未达到工业化应用水平。其中，延长油田的CCUS项目是中国首个通过CSFL认证的捕集、利用与封存一体化项目。该项目开展了大量室内试验研究，围绕CO2驱油技术的驱油机理、储层非均质性、注入方式、注入参数、注入时机等方面进行了研究和优化[24-27]，并对油藏CO2地质封存开展了潜力评价[28-29]，建成了油沟油田和乔家洼油田CCUS项目。

未来，CCS技术在中国的应用需要克服的技术水平、工程建设、法规许可、环境评价、社会认知等因素还很多。进一步深化CO2封存技术研究，选择典型场所开展CO2地质封存示范研究工作，并不断加强该领域的国际技术交流与合作，能够与国际高水平接轨，最终形成一套适合于中国实际的低成本、低风险、高回报的CCS技术，是未来很长一段时间我们的努力方向。

4 结论

采用CSFL提出的咸水层CO2地质封存潜力计算方法，有效封存量系数按0.024取值。经计算，鄂尔多斯盆地的伊盟隆起深部咸水层CO2有效封存量为3 315.12×106t，天环坳陷深部咸水层CO2有效封存量为2 119.73×106t，陕北斜坡深部咸水层CO2有效封存量为7 883.24×106t；鄂尔多斯盆地深部咸水层CO2有效封存潜力为13 318.09×106t。结果表明，鄂尔多斯盆地咸水层CO2地质封存潜力巨大，可以为解决盆地内因油气资源开发利用而带来的高碳排放问题，提供一种在区域内实现碳排放、捕集、封存为一体的达到近零排放的可能性。并为在该盆地内开展碳封存项目提供了必要的决策参考。