碳中和背景下鄂尔多斯盆地地质封存CO2封堵层特征研究

白云云， 丁 鑫， 梁 颖， 师洋阳， 李亚梅

（1.榆林学院化学与化工学院，陕西榆林 719000； 2.榆林市能源安全稽查支队，陕西榆林 719000）

在全球气候变化的大背景下，CO2减排是当今国际社会已经达成共识并为之一直努力的行动目标.2020年12月12日，习近平主席在气候雄心峰会上宣布中国国家自主贡献一系列“碳中和”新举措［1］. 基于碳捕集、利用及封存技术（CCUS）是世界各国普遍认可和关注的减缓温室气体排放的重要技术之一. 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，理论与实践表明，CCUS技术一方面能够有效降低空气中的CO2含量，缓解温室效应［2］，CO2封存方式主要包括酸化固定、海洋封存以及地质封存［3］. 酸化固定CO2需要用到大量的化学药剂技术成本较高，且化学反应完成所需周期较长；海洋封存技术难度大，对海洋威胁较大，危险系数高［4］. 综合比较，地质封存CO2技术较成熟，封存量可观，封存潜力巨大［5］，可用于CO2地下储存的场所主要有油藏、不可采煤层以及深部咸水层，且三种地质封存方式中，以CO2驱油最具有经济效益［6］.

研究表明：在选择进行CO2地下地质存储时，一定要对封堵层的完整性、有效性和物性封闭能力进行严格的评估. 鄂尔多斯盆地位于一方面具有极为丰富的油气资源，同时区域煤化工企业每年排放的CO2高达数千万吨，因此，在鄂尔多斯盆地开展CO2地质封存能力和评价体系，评估封存场地适应性，具备得天独厚地理和地质条件，具有迫切的实践需求和良好的应用前景，我国CCUS 技术起步较晚，但发展较快，首个CCUS 项目是基于2015 年中美签署的《中美元首气候变化联合声明》，选定陕西延长石油集团位于陕北地区作为CCUS项目实施地［7-8］.

1 研究区地层划分及烃源岩特征

X油田位于伊陕斜坡的中东部，在古地形起伏和沉积时岩性差异的双重作用下，形成一总体为平缓的西倾鼻状构造，地层倾角小于1°，圈闭类型主要为岩性尖灭或成岩，研究区分布如图1所示. 研究区物源主要来自研究区的西南部，东北部为次物源［9-10］.

地层划分与对比是地质工作的基础，其目的是建立等时地层格架，明确地层接触关系，了解地层纵横向分布变化. 为后续的准确评估CO2地层封存潜力提供参考依据. 本次划分依据沉积旋回、标志层、邻井对比、岩性电性综合对比原则将延长组划分为长2+长3、长4+5、长6 和长7，如图2 所示. 其中长4+5 既是主要的产油层、也是未来实施CO2地质封存的主要目的层. 该层组主要发育一套三角洲前缘亚相沉积，总厚度约为35～60 m，中部发育一套黑色炭质泥岩，该标志层将长4+5划分为长4+51和长4+52两个油层亚组. 长4+51较为发育，主要为含油中细砂岩夹薄层泥岩，电性特征为高电阻、低时差、自然电位曲线表现为漏斗状，垂向连续性好且厚度达20 m 左右. 该层不仅是研究区的主要产油层，同时也为未来CO2的封存提供地质场所；长4+52主要岩性为灰黑色泥岩夹砂岩，电性特征为高电阻、低时差，与上下覆地层呈过渡，该层厚度大约为30 m左右，为CO2主要封堵层［11-12］.

图2 研究区地层划分Fig.2 Stratigraphic division of study area

2 研究区储层物性特征

盖层通常由泥岩、页岩等具有极低孔渗物性特征的致密岩石构成，是沉积、成岩及后期演化过程中环境下形成的天然地质体，能够有效地将油气阻挡，防止其逃逸. 盖层封闭机理一般认为具有三种，其中物性封闭油气是最普遍的机理，主要利用储集层与盖层之间的物性差异（高毛细管力）从而封闭油气. 目前常用排替压力、渗透率、孔隙度、比面以及微孔隙等参数来评价封闭能力［13-16］.

通过利用X-衍射和图像粒度对研究区样品进行分析，研究区长4+5 油层组主要以含泥岩屑长石粉砂岩和含泥极细粒岩屑长石砂岩为主，其中长石（正长石、斜长石）和石英平均质量分数分别为38.8%和29.19%，成分成熟度为0.75，属于中等偏低，岩性特征如图3（a～d）所示；填隙物中以胶结物类型主要为黏土类（29.08%）和碳酸盐类（2.04%），主要成分为伊利石、绿泥石和伊蒙混层，其中伊利石占50.68%，绿泥石占32.19%，伊蒙混层占17.13%. 颗粒以细砂为主，粒径主要分布在0.03～0.16 mm，磨圆度为棱状，胶结类型为孔隙，分选中等.

图3 研究区岩性特征Fig.3 Lithological characteristics of the study area

通过对研究区进行物性测试研究区储层物性参数主要为特低孔、特低渗透为主，其中储层孔隙度介于1.83%～5.06%之间，平均3.27%，储层渗透率介于0.001 1×10-3～0.108 9×10-3μm2，平均为0.025 7×10-3μm2. 研究表明：研究区渗透率与孔隙度相关系数仅为0.416 4，两者相关性很差，决定流体渗流的主控因素是孔喉比，而不是孔隙度，这就是为什么中孔低渗透率砂岩可以封堵油气的原因［17］.

3 研究区封堵层非均质性

储层非均质性通常指在空间的不均匀性，能在一定程度上反映储层质量的优劣，任何储层都存在非均质性. 国内目前主要根据裘怿楠在1989 年、1992 年提出的方案，将宏观非均质性分为层间、平面和层内三类，渗透率评价参数及标准如表1所示. 不同类型以及强弱的非均质性对二氧化碳向上做羽状流运移起着至关重要的作用，直接影响着二氧化碳的地质封存效果［18-19］.

表1 渗透率非均质性评价参数及标准Tab.1 Evaluation parameters and standards for permeability heterogeneity

3.1 层内非均质性

层内非均质性主要对单砂层内CO2运移厚度及其羽状流波及系数起着控制作用，研究表明研究区长4+5主要为正韵律和复合韵律两类，渗透率在垂向上高低交替出现，变化规律不明显. 经过统计分析得出长4+5变异系数为0.75，突进系数为3.76，渗透率级差为45.12，由层内非均质程度分类评价指标可看出，研究区具有层内强非均质性. 该性质对于阻碍CO2在层内横向的扩散运移非常有利，是保证封堵效果的重要地质因素［20］.

3.2 层间非均质性

研究区长4+5属于陆相湖泊三角洲前缘沉积，具有相带窄、相变快、流程短、多种类型砂体相互叠加的一套储集封堵层，大范围发育多套稳定泥岩、泥质粉砂岩和粉砂质泥岩隔层，这些发育的隔层能有效阻止CO2羽状流向上渗流，研究表明，层间非均质性较强.

3.3 平面非均质性

平面非均质性主要影响CO2进入储层以后的平面波及程度，研究表明：长4+5封堵层砂体在平面上呈东北—西南向的条带状分布，分流河道砂体的物性较好，厚度较大，封存潜力大；分流间湾物性相对较差，封存潜力小. 综合分析认为，研究区长4+5非均质性强，对于CO2封存极为有利.

4 结论

1）研究表明：研究区长4+5 岩性为灰黑色泥岩夹砂岩，电性特征为高电阻、低时差；物性为特低孔特低渗，黏土矿物主要为伊利石、绿泥石，高的毛细管力为CO2的封存提供动力.

2）研究区范围发育多套稳定泥岩、泥质粉砂岩和粉砂质泥岩隔层具有强的层内、层间和平面非均质性，限制了CO2层内横向的扩散运移和羽状流向上渗流，对于CO2封存极为有利.