榆林—神木地区CO2咸水层封存甜点优选

张小莉,李亚军,冯 淳,王姝慧,罗广惠,李晨阳

(1.西北大学 地质学系/榆林碳中和学院/二氧化碳捕集与封存国家地方联合工程研究中心/陕西省碳中和技术重点实验室,陕西 西安 710069;2.延安大学 石油工程与环境工程学院,陕西 延安 716000)

二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)是国际公认的能够实现大规模快速碳减排的技术解决方案,是中国应对气候变化、迈向“碳中和”的必然选择[1-4]。二氧化碳地质封存是CCUS中最重要的关键核心技术之一,其受到沉积盆地规模和特定地质条件的制约[5-8]。地层中天然二氧化碳气藏的客观存在,说明二氧化碳是可以被安全封存于具有一定地质条件的地层中,尤其是以超临界状态被安全封存于地层中[9]。

鄂尔多斯盆地榆林—神木地区被认为是最有利于二氧化碳咸水层地质封存的优选场所之一。首先,其具备优越的储集条件,从中生界三叠系延长组到下古生界奥陶系马家沟组,均有储集体发育,特别是中生界三叠系延长组长10向下至上古生界二叠系石千峰组千5段,岩性主要为河流、三角洲、滨浅湖沉积的砂岩、泥岩组合,不含油气;总体上,砂岩、泥岩厚度变化大,宏观和微观非均质性强;咸水层多层系发育,储盖层配置良好,岩性圈闭发育,有利于二氧化碳地质封存。其次,其具备稳定的构造背景。鄂尔多斯盆地超大规模的西倾斜坡,远离断层带,裂缝不发育,在斜坡的东北部,中生界储集层埋深适中,适宜二氧化碳地质封存的工程实施。其三,榆林—神木地区是中国最重要的煤化工CO2排放集中地,碳源供给丰富,适宜开展CO2地质封存。2010年,在榆林北部的内蒙古自治区鄂尔多斯市启动了咸水层封存项目,CO2封存层系为三叠系刘家沟组、二叠系石千峰组和石盒子组、奥陶系马家沟组,开启了中国首个咸水层CO2地质封存的探索与实践;项目实施至今,运行效果良好,证明鄂尔多斯盆地三叠系、二叠系等能够安全封存CO2[10-14]。

鄂尔多斯盆地不同构造单元均具有CO2的地质封存潜力[15-16], 其中伊盟隆起深部咸水层、 天环坳陷深部咸水层和伊陕斜坡深部咸水层的CO2有效封存潜力分别为3 315.12×106t, 2 119.73×106t和7 883.24×106t。

CO2注入与封存过程中,储层岩石的初始矿物成分、物性、润湿性、地层水特征、CO2注入方式等导致的盐沉淀、水岩作用影响着储层岩石组分及物性的动态变化,也影响CO2的注入效果及封存量的动态变化[17-22]。其中,除构造作用以外,储集层规模、岩石物性及非均质性、储盖组合等特定的地质条件是直接影响CO2注入以及长期地质封存的最重要因素。

1 榆林—神木地区构造特征

鄂尔多斯盆地是中国第二大沉积盆地,也是中国中东部中、新生代大型内陆坳陷型湖泊沉积盆地。除东西两侧断裂构造发育、变形较强烈之外,盆地内部为一大型的西倾单斜构造,二级构造不发育,三级构造以鼻状褶曲为主,很少见幅度较大、圈闭较好的背斜构造,圈闭类型以岩性圈闭为主[23]。榆林—神木地区位于伊陕斜坡的东北部,东邻近晋西挠折带,重力、磁法、电法、遥感、地震资料反映区内断裂总体不发育[24-28](见图1)。

图1 榆林—神木区域构造位置及断裂展布Fig.1 Structural position and fault distribution in Yulin-Shenmu Area

2 延长组长10至石千峰组地层-构造特征

榆林—神木地区晚古生代至中生代持续发育石炭系本溪组,二叠系太原组、山西组、石盒子组、石千峰组,三叠系刘家沟组、和尚沟组、纸坊组、延长组,地层连续,其间无沉积间断。其中,延长组长10至石千峰组底部,地层埋深多数大于800 m,地层分布稳定,厚度变化不大,满足CO2注入咸水层后地质封存的安全性。

延长组长10至石千峰组的岩性主要为河流、三角洲、滨浅湖沉积的砂岩、泥岩,砂岩、泥岩间互沉积[29-31]。其中,长10底部、纸坊组以及石千峰组底部砂体相对较发育,和尚沟组顶部局部存在砂体,刘家沟组砂体不发育,仅在其中部存在湖相沉积的薄砂层。

为了进一步分析纸坊组、石千峰组内部不同部位砂岩的发育特征,从上向下把纸坊组划分为4段,即纸1、纸2、纸3、纸4,石千峰组划分为5段,即千1、千2、千3、千4、千5,其中,纸3段、千5段砂体厚度较大(见图2),是CO2地质封存的关键潜力层位。

图2 榆林—神木地区三叠系延长组长10至二叠系石千峰组综合剖面图Fig.2 Stratigraphic characteristics of Chang 10 Member of Yangchang Formation to Shiqianfeng Formation of Permian, Yulin-Shenmu Area

榆林—神木地区纸坊组顶面构造图和石千峰组底面构造图显示,研究区整体上为一西倾单斜构造(见图3),纸坊组顶面海拔800～-200 m,石千峰组底面海拔一般450～-1 450 m,构造相对平缓,不存在明显鼻状构造、断裂构造,构造圈闭不发育,反映构造对CO2地质封存基本无影响,CO2地质封存主要依靠岩性圈闭或水动力圈闭。

图3 榆林—神木地区纸坊组顶面、石千峰组底面构造图Fig.3 Top structure of Zhifang Formation and bottom structure of Shiqianfeng Formation in Yulin-Shenmu Area

延长组长10至石千峰组的岩性组合及其变化,构成了岩性圈闭,起封盖遮挡的泥质地层发育,因此,CO2封存选址的关键是如何优选出砂岩厚度大、分布广、物性好的优质咸水层,并分析其展布特征。

3 延长组长10至石千峰组的砂体展布

3.1 岩性识别

3.1.1 地质特征

榆林—神木地区的石千峰组千5段主要为三角洲前缘沉积的灰色厚层块状粗砾岩、砾岩、粗砂岩、含砾细砂岩,之上为棕红色泥岩;千4至千1以浅红色滨浅湖相滩砂与浅红色泥岩间互沉积为主。

刘家沟组以浅红色、棕红色砂质泥岩、泥岩、泥质砂岩、砂岩互层为主,中部一般存在薄层浅红色细砂岩和中砂岩,主要为滨浅湖滩砂沉积,以长石砂岩和岩屑长石砂岩为主;和尚沟组与刘家沟组岩石组合及沉积特征类似,在其顶部以浅红色细砂岩为主,夹棕红色泥岩和砂质泥岩,顶部砂岩主要为长石砂岩;纸坊组下部主要以黄棕、褐色泥岩和灰绿色细砂岩互层为主,中部主要为棕红、灰绿色泥岩、砂质泥岩与浅灰色泥质砂岩、细砂岩互层,上部主要为灰色、棕色泥岩与浅灰色细砂岩、中砂岩互层;延长组长10下部主要为深灰色泥岩、灰色砂质泥岩与灰白色中砂岩、含砾细砂岩、灰绿色含砾细砂岩互层,岩石颗粒较粗。

3.1.2 测井岩性识别

榆林—神木地区延长组长10、纸坊组、和尚沟组、刘家沟组以及石千峰组主要为陆源碎屑沉积的砂岩、泥岩等。测井资料中用来反映岩性特征的曲线主要包括自然伽马、自然电位以及三孔隙度曲线。其中,自然伽马、自然电位曲线对泥质含量反映较为敏感,因此采用自然伽马、自然电位曲线分层分段处理,确定基线,反向重叠,快速识别泥质和砂质地层,识别岩性与可能储层(见图4),分析各钻井中砂体的发育特征。

3.2 长10至石千峰组的砂体展布

钻井、录井资料以及测井岩性识别结果揭示,延长组长10底部、纸坊组纸3段、石千峰组底部千5段的砂层相对较厚,钻遇率高。分别统计上述3套地层中的砂层累计厚度、顶部埋藏深度及其砂体平面展布,结果表明:纸坊组纸3段砂体相对发育,分布面积广,埋深多超过800 m;神木附近的南北向区域石千峰组千5段的砂体相对发育,埋深均超过800 m;榆林以北以及其西北部的长10底部砂体相对发育,且埋深超过800 m(见图5～7)。

图5 延长组长10底部砂体展布、砂体顶部埋深Fig.5 Distribution characteristics of sand bodies and the burial depth at the top of the sand bodies, the bottom of Chang 10 Member of Yangchang Formation

图6 纸坊组纸3段砂体展布、砂体顶部埋深特征Fig.6 Distribution characteristics of sand bodies and the burial depth at the top of the sand bodies, the third member of the Zhifang Formation

图7 石千峰组千5段砂体展布、砂体顶部埋深Fig.7 Distribution characteristics of sand bodies and burial depth at the top of the sand bodies, the 5th member of the Shiqianfeng Formation

综上所述,纸坊组纸3段、石千峰组千5段、延长组长10均具有良好的储盖组合(见图4)和侧向遮挡,纸坊组纸3段、石千峰组千5段和榆林附近及西北部的长10底部砂体埋深大于800 m,适合CO2地质封存。纸坊组纸3段、石千峰组千5段砂体可作为主力封存CO2的潜力层,长10底部砂体可作为封存CO2接替层系。三叠系和尚沟、刘家沟组以泥质地层为主,砂体薄,整体厚度小且分布面积小,主要为盖层和遮挡层(见图2)。

4 延长组长10至石千峰组砂体的孔隙度特征

4.1 延长组长10底部砂体的孔隙度特征

榆林—神木地区延长组长10不含油,缺乏系统岩屑录井和岩心资料,无法开展系统的物性测试实验。区域沉积体系和沉积微相研究显示,榆林—神木地区的长10沉积与安塞油田北部属于同一沉积体系,物源特征相同,沉积环境相似[29-30],其孔隙度解释模型借用安塞北部油田延长组长10的测井解释模型开展孔隙度参数解释[31]。同时,参照长10油层有效储层物性的下限标准,取孔隙度8%作为能够注入CO2的下限值。8%～10%作为Ⅲ类注入CO2封存潜力层,孔隙度10%～15%作为Ⅱ类注入CO2封存潜力层,孔隙度>15%的作为Ⅰ类注入CO2封存潜力层。

研究区长10底部砂体的孔隙度分布整体呈带状,榆林以北及其西北部地区砂岩孔隙度主要为8%～10%,物性较好,整体属于Ⅲ类-Ⅱ类CO2封存潜力层(见图8)。

图8 延长组长10底部砂岩孔隙度平面展布Fig.8 Porosity distribution characteristics of the sand bodies in the bottom of Chang 10 Member, Yangchang Formation

4.2 纸坊组纸3段砂体的孔隙度特征

榆林—神木地区的纸坊组,缺乏系统岩屑录井和岩心资料。纸坊期沉积与北部神华示范区均属于同一河流沉积物源体系[30],砂岩组份类似,因此,其孔隙度测井解释模型参照神华示范区测井解释模型进行孔隙度预测[32]。同时,参照长10的划分标准确定CO2封存潜力层。

纸坊组纸3段砂体孔隙度平面展布整体呈条带状分布,物性较好,整体属于Ⅲ类-Ⅱ类潜力层(见图9)。

图9 纸坊组纸3段砂岩孔隙度平面展布Fig.9 Porosity distribution characteristics of the sand bodies in the third member of the Zhifang Formation

4.3 石千峰组千5段砂体的孔隙度特征

榆林—神木地区的石千峰组不含天然气,缺少系统岩屑录井和岩心资料。考虑地质条件相似相近的原则,借用榆林气田和神木气田石千峰组的解释模型,预测千5段砂体孔隙度特征[33]。同时,参照石千峰组致密砂岩气的物性下限标准,取孔隙度6%作为能够注入CO2封存的下限值。孔隙度6%～8%为Ⅲ类CO2封存潜力层,孔隙度8%～12%为Ⅱ类,孔隙度>12%为Ⅰ类。

石千峰组千5段砂体孔隙度平面展布呈带状分布, 神木附近和榆林西北部为相对高孔隙度砂岩发育区, 孔隙度一般6%～12%, 砂体物性较好, 整体属于Ⅲ类-Ⅱ类CO2封存潜力层(见图10)。

5 长10至石千峰组CO2地质封存潜力甜点区初选

5.1 初选条件

作为CO2地质封存的基本条件,必须满足大容量圈闭、优质储集空间、良好封闭条件等。就本研究区而言,构造单一,主要以岩性圈闭和水动力圈闭为主,其规模受储集砂体控制。良好的封闭除了与直接盖层有关外,还需要一定埋深。

研究表明,榆林—神木地区埋深达到800 m就能满足CO2地质封存的超临界状态。当埋深800 m左右时,按平均地温梯度约0.029 ℃/m和基准温度11 ℃计算,CO2可以达到超临界状态。此时,CO2密度接近液体、黏度接近气体,扩散系数为液体的100倍,具有很强的溶解能力,可溶解多种物质,处于超临界CO2状态,有利于地质封存。

榆林以北及其西北部,长10底部砂体埋深均超过800 m,地层温度、压力条件超过超临界温度、压力,地层条件能够确保CO2处于超临界状态(见图5)。研究区纸坊组纸3段砂体埋深一般750～1 500 m(见图6),石千峰组千5段砂体埋藏深度为1 500～2 500 m(见图7),上述各地层中,砂体发育部位埋深均满足使CO2达到超临界状态的条件。

5.2 CO2地质封存潜力甜点区初选

针对纸坊组3段、石千峰组千5段和延长组长10三个重点层位,进行潜力甜点区初选评价。基于工程条件,选取单砂层厚度>2 m,并结合砂层厚度与孔隙度平面分布图(单砂层厚度与孔隙度分类评价标准如图11所示),对纸坊组3段、石千峰组千5段和延长组长10分别进行CO2地质封存潜力甜点区初选。

研究区纸坊组3段砂体发育且物性较好,有利于CO2地质封存。石千峰组千5段甜点区主要位于神木附近和榆林西北部,砂体发育且物性较好。延长组长10甜点区主要位于榆林以北及其西北部,砂体发育,物性较好,且埋深大于800 m,有利于CO2地质封存。

6 长10至石千峰组砂岩CO2封存特性分析

6.1 石千峰组

石千峰组砂岩岩石类型主要为长石砂岩、长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩,岩屑类型包括岩浆岩、变质岩和沉积岩,填隙物主要为绿泥石和硅质。泥岩主要由石英、黏土矿物和长石组成,其黏土矿物主要为伊利石,其次为蒙皂石、高岭石和绿泥石。

神木气田钻井资料揭示,千5段砂岩粒度粗,成分和结构成熟度差—中等,大型交错层理发育,正粒序发育,属于干旱气候条件下的河流-三角洲沉积,砂体分布受边滩微相控制。储层孔隙以粒间孔为主,喉道以中、细喉为主,孔喉组合主要见中孔中喉、中孔细喉、低孔中喉和低孔细喉4种类型,属于中—低孔、中—特低渗透率储层[34-35]。

CO2注入后,流体-砂岩长期相互作用的过程中,石千峰组砂岩可以通过形成片钠铝石、方解石、铁白云石和菱铁矿等固碳矿物,形成对CO2泄露而言的矿物圈闭,进而实现CO2的长期和安全封存;红色泥岩夹层将会发生金属离子活化,导致泥岩褪色[36]。

钻井及模拟实验结果揭示,石千峰组及其上部以泥质地层为主的刘家沟组、和尚沟组地层,具有良好封盖能力[32]。

6.2 纸坊组

榆林—神木地区的纸坊期主要为河流-三角洲、滨浅湖沉积,榆林南北一线主要为三角洲前缘沉积,与北部神华示范区的纸坊期河流沉积属于同一物源体系[30],砂岩矿物组分主要为石英、高岭石、尖晶石、铁橄榄石等。

神华示范区纸坊组岩心模拟实验结果表明,注入CO2以后,石英在短时间发生了部分溶解;尖晶石、铁橄榄石等也发生了部分溶蚀反应,但反应并不剧烈;高岭石和其他黏土类物质,溶蚀比较剧烈,可以观察到晶型被破坏并生成了部分碎屑颗粒物沉淀,生成新矿物,如方解石、针叶状绿泥石等,起到较好的封存效果[37]。

6.3 延长组长10

研究区延长组长10砂岩类型主要为长石砂岩、岩屑质长石砂岩,岩屑多为变质岩、火成岩岩屑及少量沉积岩岩屑;孔隙类型以粒间孔、长石溶孔以及浊沸石溶孔为主,物性差异较大,非均质性较强。

注入CO2以后,CO2与地层水反映生成弱酸,酸性介质条件下容易导致长石的溶蚀,产生系列CO2-水-岩石反应,达到封存CO2的目的。

6.4 长10至石千峰组砂岩CO2可注入性分析

根据神华CO2示范区的主力储层石千峰组等岩心模拟实验分析和现场测试结果,结合孔隙尺度的研究表明,CO2注入后,砂岩中长石含量增加,石英比例略有降低,注入前后主量元素含量变化不大,Si质量分数略有下降,Mg,Al,Fe质量分数增加;注入CO2后,黏土含量较注入前减少。同时,注入CO2后,对咸水层的孔渗特性有明显改善作用[38]。

现场注CO2气井稳定测试与不稳定测试资料综合解释认为,石千峰组具有良好的吸气性。纸坊组、长10砂岩主要矿物组分与石千峰组的相似,推测同样具有较好的吸气性和可注入性。

7 长10至石千峰组CO2封存优选建议

假设井筒完整性好,从CO2封存地质因素以及工程操作经济性方面综合考虑,从砂体埋深、砂体厚度、孔隙度及其平面展布特征,并考虑砂岩原始矿物成分、可注入性(如盐沉淀、水岩作用、物性变化等),以及经济效益、工程操作可行性等,建议首先优选榆林—神木区的纸坊组3段砂体甜点作为CO2优先注入层位。其次,在经济条件允许的情况下,可以选取榆林和神木之间的纸坊组3段砂体和石千峰组千5段的砂体甜点叠置区,先将CO2注入石千峰组千5段的砂体中,后期注入纸坊组3段的砂体中;榆林以北及其西北部的长10底部砂体,可作为CO2封存甜点接替区。

8 结论

1)榆林—神木地区三叠系延长组长10至二叠系石千峰组,远离断裂,延长组长10底部、纸坊组纸3段、石千峰组千5段砂体相对发育,厚度大,分布面积广,物性较好。上述砂体的上、下地层中,泥质地层发育,且各主砂带之间,均分布泥质地层封堵,具有良好“储-盖”组合。

2)石千峰组千5段的砂岩具有较好的CO2可注入性。纸坊组、榆林以北及其西北部长10底部砂体岩石学特征与石千峰组岩石学特征类似,推测具有较好的CO2可注入性。

3)优选纸坊组3段砂体中的砂体甜点作为CO2优先注入层位,经济条件允许情况下,选取纸坊组3段砂体和石千峰组千5段的砂体甜点叠置区作为CO2甜点区,先将CO2注入石千峰组千5段的砂体中,后期注入纸坊组3段砂体中;榆林以北及其西北部的长10底部砂体,可作为CO2封存甜点接替区。