延长油田低渗油藏CO2封存适宜度评价方法研究及试验

摘 要：【目的】CO2地质封存是落实国家“双碳”目标的重要方法之一，建立完善的选址标准，是确保安全封存的前提条件，并能提高CO2地质封存的成功率。【方法】针对延长油田CO2封存选址优选困难的问题，借鉴国内外成功实施CO2封存的油藏实例，本着CO2地质封存选址“安全性第一，既经济又环境友好”等原则，从工程地质条件、封存潜力条件、社会经济条件等3方面进行评价，建立评价指标体系，利用层次分析法和灰色关联法建立多层次灰色评价模型。【结果】结果表明，所构建的模型能准确评价延长油田各个区块CO2封存的适宜度。【结论】研究成果为延长油田低渗油藏CO2封存优选场地提供了一种行之有效的方法。

关键词：CCUS；低渗油藏；层次分析法；灰色关联法；适宜度评价

中图分类号：TE99" " " 文献标志码：A" " "文章编号：1003-5168（2024）13-0040-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.13.008

Study and Experiment on Evaluation Method of CO2 Storage Suitability for Low Permeability Reservoir in Yanchang Oilfield

YAO Jian1 GUO Hongqiang1 ZHANG Jinyuan1 ZHANG Tianjin2" LI Jiaxin1

（1.Exploration and Development Technology Research Center， Yanchang Oilfield Co.， Ltd.， Yan 'an 716000， China; 2.Yan 'an University， Yan 'an 716000， China）

Abstract： [Purposes] CO2 geological storage is one of the important methods to implement the national" "\" double carbon \" goal. Establishing a perfect site selection standard is a prerequisite for ensuring safe storage and can improve the success rate of CO2 geological storage.[Methods] In view of the difficulties in selecting the location for CO2 sequestration in Yanchang Oilfield， the evaluation index system was established from three aspects： engineering geological conditions， sequestration potential conditions， and social and economic conditions， based on the principles of \"safety first， economy， technology and environment friendly\" and the successful implementation of CO2 sequestration reservoir examples at home and abroad. A multi-level grey evaluation model is established by using analytic hierarchy process and grey correlation method.[Findings] The results show that the model can accurately evaluate the suitability of CO2 storage in each block of Yanchang Oilfield.[Conclusions] Research findings provide an effective method for selecting the optimal site for CO2 storage in low permeability reservoir of Yanchang oilfield.

Keywords： CCUS; low permeability reservoir; analytic hierarchy process; grey correlation method; suitability evaluatio

0 引言

相关研究表明，我国未来有有较多的碳排放量要依靠碳捕集、利用与封存（Carbon Capture， Utilization and Storage，简称CCUS）来实现中和。到2050年，CCUS将贡献约14%的CO2减排量［1-2］，可有效推动化石能源的清洁净化、清洁能源的规模化和生产过程低碳化。

陕西省能源资源丰富，产业发展集聚，科研优势显著，是全国首批低碳试点省份，具有良好的CCUS技术攻关及产业链发展前景，加之地处鄂尔多斯盆地的陕北地区具有开展大规模CO2驱油的内在要求和巨大潜力，不仅可提供适合CO2地质封存的储、盖层，还可将CO2注入其中提高油气产量。然而，行业内尚未形成统一的CO2地质封存适宜度综合评价标准，某些选定的目标油藏往往不具备注CO2开发的条件，实施结果并不理想。因此，对注CO2候选油藏进行综合评价的关键是要获得最佳、最重要的参数，并建立使这些参数相互联系的理论模型。从油藏工程、地质基础出发，结合环境要求和考虑经济成本，通过分析大量的国内外已开展CO2封存的油藏，找出CO2封存的影响指标，筛选、建立指标体系，用理论分析和现场实例分析相结合的方法为延长油田CO2封存选址做好基础研究，以加快延长油田CCUS产业的发展进程。

延长油田所管辖的油区构造单元属于鄂尔多斯盆地陕北斜坡中部（图1），面积约5.6×104 km2，北至靖边、子洲，南至宜君一线，西到定边，东到延川、宜川，行政区属陕西省陕北地区。地表为典型的黄土塬地貌，油藏整体埋藏较浅，属于（特）低渗油藏。

1 CO2封存适宜度评价方法研究

在CO2地质封存选址中应选择合适的权重确定方法及评价决策方法，指标权重的确定尤为重要，权重是否合理直接影响评价结果是否合理、客观。目前，国内外CO2封存适宜度评价中最常采用层次分析法（AHP）、专家调查法（Delphi）和专家经验判断法（Experts）［3-4］、网络分析法（ANP）等主观赋权方法确定指标权重。主观赋权方法能较好地体现决策者的主观偏好，简便易行，但由于决策者主观判断标准存在差异，所以构造的权重缺乏稳定性，客观性较差。层次分析法（AHP）是将与决策相关的元素分解为目标、准则、方案等若干层次，在此基础上进行定性和定量分析的一种决策方法。这种方法的特点是在面对复杂的决策问题时，在对问题的本质、影响因素及其内在关系等进行深入分析的基础上［3-4］，利用较少的定量信息使决策的思维过程数学化，从而为多目标、多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简便的解决方法。灰色关联分析法（GRAP）是一种多因素统计分析方法，以各因素的样本数据为依据，用灰色关联度这一参数来描述因素之间关系情况，若样本数据反映的两因素变化态势基本一致，则它们之间的关联度较大；反之，关联度较小。此方法可以在很大程度上减少由于信息不对称带来的损失，并且对数据要求较低。本研究在层次分析法和灰色关联分析法的基础上，构建多层次灰色评价模型，旨在为CO2封存适宜度选址提供一种新思路。

2 延长油田CO2地质封存适宜度评价指标

通过研究分析，结合延长油田的实际情况，本研究评价指标分别为工程地质条件、封存潜力条件及社会经济条件等3项一级指标，进一步细化为51项二级指标。其中工程地质条件指标包括地热流值、地温梯度、地表温度、活动断裂的发育情况、断裂和裂缝的发育情况、地震动峰值加速度［5-6］、历史地震、地貌类型、地势、地形坡度、盖层岩性、盖层断裂发育、储层岩性、储层沉积相、储层压力系数、水动力作用、与采煤塌陷区距离、与节理裂隙区距离、地质灾害易发性、不良地质作用（是否存在采矿塌陷区、岩溶塌陷区、地面沉降区、沙漠活动区、火山活动区）等20项二级指标；封存潜力条件指标包括埋深（主力盖层）、厚度（主力盖层的单层厚度）、盖层渗透率、盖层力学稳定性、盖层分布连续性［7］、盖层封气指数、主力盖层之上的二次截留能力、储层厚度（主力储层）、储层砂厚比［8］、储层孔隙度、储层渗透率、储层渗透率变异系数、储层层间非均质性（砂体连续性）、储层数量［9］、储层单井注入量（主力储层）、注入压力、储盖组合数量、地层水矿化度、封存潜力（×104 t）、使用年限等20项二级指标；社会经济条件指标包括人口密度、与居民点的距离、公众认可程度与法规、土地利用现状、是否符合城市发展规划、是否在保护区、重点保护植物、碳源规模［10-11］、碳源距离、运输方式、蕴矿状况等11项二级指标，具体见表1。

3 模型建立及实例分析

3.1 多层次灰色模型

多层次灰色模型（Multi-level grey model）是层次分析法与灰色关联分析法相结合的一种组合评价模型。针对多因素、多层次的评价对象，首先，通过层次分析法确定评价对象各因素之间的相对权重；然后，利用灰色关联分析法对评价对象的各因素进行灰色量化处理，求出相关的灰色关联系数；最后，依据各因素的权重求取加权灰色关联度，评价对象的优劣根据关联度大小进行分析，具体步骤如下。

第一步：基于层次分析法的指标权重确定构建评价指标体系，分层设问，建立与之相适应的目标层、准则层。在所建立的分析方法中引入1～9比率标度法，构成判断矩阵，其含义见表2。

某一层因素相对上一层某一个因素的权重系数，可以通过计算判断矩阵的最大特征根和对应的特征向量来求得，引入负平均值CI作为一致性指标，用于判断矩阵最大特征根以外的其余特征根，见式（1）。

[CI=λmax−nn−1] （1）

表2 层次分析标度

[标度 含" 义 1 表示两个因素具有同样重要的意义 3 表示两个方面的因素，一个比另一个稍微重要一些 5 表示两个方面的因素，一个比另一个明显重要 7 表示两个方面的因素，一个比另一个强烈重要 9 表示两个方面的因素，一个比另一个极端重要 2、4、6、8 上述两相邻判断的中值 倒数 因素i与j比较得到的判断Bij，则因素j与i比较得到的判断

Bji= 1/Bij ]

为了评估不同阶段矩阵是否具有满意的一致性，引入平均随机一致性指标RI，CI和RI的比值称为随机一致性比率CR，当CR满足式（2）时，即认为矩阵具有满意的一致性，反之需要调整判断矩阵。

[CR=CIRI＜0.10] （2）

根据一致性检验后的层次单排序，形成层次总排序，确定评价指标元素的最终权重。

第二步：基于GRAP求灰色关联系数。

①根据评价指标体系，确定最优指标集，构造矩阵D，见式（3）。

[D=x'01…x'nk⋮⋱⋮x'ik…x'ik] （3）

式中：k为评价指标，i为评价对象。

②确定参考序列。参考数据列应该是一个比较理想的标准，可以把各指标的最优值（或最劣值）当成参考数据列，也可根据评价目的确定其他参照值，记作式（4）。

[x'0=x'01， x'02，…， x'0m] （4）

③无量纲化。因为以上每种序列数据都有不同的单位，因此可能会出现数字大小不一的情况，但是这并不是由于其内在的性质决定的，而只是由于量纲不同导致的，因此需要对其进行无量纲化，见式（5）。

[Xik'=ximean（xi）k=1，2，…，m;i=1，2，…，N] （5）

④确定指标列和参考序列绝对差的最值。将各个被评价对象指标序列（比较序列）与参考序列对应元素的绝对差值逐个计算出来，即式（6）。

[｜x0k−xik｜ k=1，…，m;i=1，…，n] （6）

确定最大绝对差值a和最小绝对差值b，即式（7）。

[a=max｜x0k−xik｜]

[b=min｜x0k−xik｜]

⑤计算比较序列的灰色关联系数，见式（8）。

[ζk=a+ρbx0k−xik+ρbk=1，…，m] （8）

式中：ρ是控制ζ系数区分度的一个系数，取值从0到1，取值越小，区分度越大，一般取值0.5是比较合适的，ζ关联系数∈（0， 1）。

第三步：根据层次分析法的灰色加权关联计算，对评价对象按照关联度大小进行分析。

①计算每个比较序列的关联度。用加权平均的方法来表示比较数列与参考数列之间关联程度的数量，见式（9）。

[γx0，xi=k=1nAζk] （9）

②得到每个比较序列的关联序。主要是通过关联度的大小次序描述来衡量各因素之间的关联程度，将m个子序列对同一母序列的关联度按大小顺序排列起来，即为关联序，其可反映各比较序列的“优劣”关系。

3.2 实例分析

针对延长油田的地质条件及油藏条件，通过计算得到了51项指标的权重值，具体见表3。

通过多层次灰色模型分别对吴起白豹、志丹永宁及富县直罗区块进行关联度计算，得到吴起白豹关联度0.825 0，排序第一，可优先作为CO2封存选址地，志丹永宁区块关联度0.792 4，排序第二，富县直罗区块关联度0.774 1，排序第三。评价结果汇总见表4。

4 结语

特低渗层、超低渗层和低渗层是延长油区三叠系延长组的主要储层类型。延长组地层具有地质封存CO2能力的三套有效储盖组合，储层孔隙结构复杂，CO2流体会沿着砂体厚度大、物性好、连通性强的区域运移与聚集。本研究从工程地质条件、封存潜力条件、社会经济条件等3方面进行评价，建立51项评价指标体系，利用层次分析法和灰色关联法构建多层次灰色评价模型，能够根据各个区块的指标参数进行CO2封存优先级选址，为延长油田低渗油藏CO2封存优选场地提供了一种行之有效的方法。

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