孟慶輝，劉朝安，賈 寧，張 洋，成建梅

(1.華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京 100120；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

1 概述

隨著碳排放權(quán)交易的開展，CO2地質(zhì)埋存將得到開展。研究認(rèn)為，深部咸含水層CO2地質(zhì)埋存是減排的有效手段。在場(chǎng)地篩選與評(píng)價(jià)方面，加拿大學(xué)者Bachu的成果最具代表性。此外，還有不少組織機(jī)構(gòu)提出了場(chǎng)地篩選方法。但由于CO2地質(zhì)埋存影響因素多樣，埋存機(jī)理復(fù)雜，至今仍沒(méi)有一套成熟完善的場(chǎng)地篩選與評(píng)價(jià)方法。

范基姣等將CO2地質(zhì)儲(chǔ)存潛力與適宜性評(píng)價(jià)分為國(guó)家級(jí)潛力評(píng)價(jià)階段、盆地級(jí)潛力評(píng)價(jià)階段、目標(biāo)級(jí)潛力評(píng)價(jià)階段、場(chǎng)地級(jí)評(píng)價(jià)階段和灌注級(jí)評(píng)價(jià)階段等5個(gè)階段。本文在前期工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)陸相碎屑巖盆地，提出了場(chǎng)地級(jí)評(píng)價(jià)階段工作詳細(xì)的場(chǎng)地篩選與評(píng)價(jià)方法。

2 初次篩選階段

本階段的目標(biāo)是在研究區(qū)內(nèi)初步篩選可能的CO2地質(zhì)埋存層位，作為后續(xù)的研究工作對(duì)象。

該階段應(yīng)在完成區(qū)域篩選的基礎(chǔ)上進(jìn)行，應(yīng)將優(yōu)先條件最適宜的區(qū)域確定為工程選址篩選目標(biāo)區(qū)域。此外，還應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)條件和時(shí)間等因素的考慮合理選取研究區(qū)，若經(jīng)濟(jì)條件較差或時(shí)間較緊張，應(yīng)優(yōu)先勘探程度較高的區(qū)域作為研究區(qū)，這主要是考慮到勘探程度高的區(qū)域相關(guān)的地質(zhì)構(gòu)造、巖性地層、資源分布、水文地質(zhì)和溫壓等情況的探明程度相對(duì)較高，能夠?yàn)镃O2地質(zhì)封存場(chǎng)地篩選工作提供大量翔實(shí)的資料，節(jié)省了大量的成本與時(shí)間。

2.1 初步圖件繪制

假如碳源位置已經(jīng)固定，則還應(yīng)結(jié)合經(jīng)濟(jì)條件與勘探程度進(jìn)行綜合分析，圈定研究區(qū)范圍。此外，還應(yīng)結(jié)合勘探程度、盆地沉積、經(jīng)濟(jì)條件等各方面情況劃定研究區(qū)深度。

在選定研究區(qū)的基礎(chǔ)上，主要的圖件應(yīng)包括地層埋深圖、地層厚度圖、巖相分區(qū)圖、貫穿性及活動(dòng)性斷裂分布圖、資源分布圖、中深層地下水動(dòng)力場(chǎng)分布圖等。其中，地層埋深圖與地層厚度圖至少應(yīng)精確到段；斷裂分布圖除了確定各斷裂的平面展布外，還應(yīng)確定其貫穿層位；資源分布圖除了確定已經(jīng)和正在開采的礦區(qū)空間分布外，還應(yīng)確定具有資源潛力儲(chǔ)層的空間分布情況。在具備一定的技術(shù)條件時(shí)，可構(gòu)建出三維地層格架，使后續(xù)的分析工作直觀方便。

2.2 初步候選埋存層位篩選

從儲(chǔ)量角度考慮，候選儲(chǔ)層應(yīng)滿足一定的厚度、埋深和橫向連續(xù)性條件。從安全角度考慮：①候選儲(chǔ)層的頂部應(yīng)分布有區(qū)域性的蓋層，且蓋層應(yīng)滿足一定的厚度、巖性和橫向連續(xù)性條件；②候選埋存層位尤其是蓋層內(nèi)部不應(yīng)有大的貫穿性斷層分布，尤其是活動(dòng)性斷裂，對(duì)其應(yīng)采取避讓措施；③候選埋存層位應(yīng)盡量避開地層的向斜構(gòu)造區(qū)，優(yōu)先選擇規(guī)模較大的背斜圈閉構(gòu)造；④候選埋存層位應(yīng)遠(yuǎn)離地下水流動(dòng)系統(tǒng)的排泄區(qū)。從可注入性考慮，候選儲(chǔ)層應(yīng)滿足一定的巖性條件。從資源保護(hù)的角度考慮，候選埋存層位應(yīng)避開正在進(jìn)行資源開采以及具有資源潛力的儲(chǔ)層。

從儲(chǔ)量、安全、可注入性、資源等方面綜合考慮，候選埋存層位應(yīng)滿足表1～表3所列條件。通過(guò)圖層疊合，初步篩選，在研究區(qū)內(nèi)獲取多個(gè)候選埋存層位。重力驅(qū)動(dòng)的流動(dòng)系統(tǒng)典型流速為0.1m/a～100m/a。表中給出的貫穿性活動(dòng)性斷裂與地下水流動(dòng)系統(tǒng)的安全距離以流速50m/a、安全期1000a估計(jì)給出。如果有實(shí)測(cè)的流速數(shù)據(jù)，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行決策。

表1 儲(chǔ)層初步篩選標(biāo)準(zhǔn)

表2 蓋層初步篩選標(biāo)準(zhǔn)

表3 構(gòu)造及其它初步篩選標(biāo)準(zhǔn)

3 二次篩選階段

本階段的目標(biāo)任務(wù)是根據(jù)候選儲(chǔ)層中地下水的礦化度、儲(chǔ)層溫壓條件、儲(chǔ)層物性情況，對(duì)候選埋存層位進(jìn)行二次篩選。

3.1 資源鑒定

對(duì)于一個(gè)合適的CO2地質(zhì)埋存儲(chǔ)層，其中的流體本身應(yīng)不具有資源屬性。因此，在多數(shù)情況下，地下水的礦化度應(yīng)介于3g/L～50g/L之間。只有在該儲(chǔ)層內(nèi)深層鹵水未被作為資源利用的情況下，再考慮封存CO2，特別是當(dāng)鹵水鹽分很高時(shí)，需要考慮未來(lái)開采的可能性。

3.2 相態(tài)鑒定

此工作只需對(duì)埋深小于1500m的候選埋存層位進(jìn)行。根據(jù)測(cè)井資料可獲得候選埋存層位區(qū)域或臨近區(qū)域一定深度處的溫度和壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)插值計(jì)算和靜水壓力計(jì)算獲得候選儲(chǔ)層頂部的溫度和壓力。根據(jù)該溫度和壓力，確定CO2的相態(tài)，若為氣相，則排除該埋存層位，若為超臨界相或液相，則進(jìn)行下一步的物性篩選。

3.3 物性篩選

相態(tài)鑒定之后，應(yīng)對(duì)剩余的候選埋存層位進(jìn)行物性篩選。應(yīng)優(yōu)先選擇儲(chǔ)層孔隙度在15%以上的埋存層位。這主要出于兩方面的綜合考慮：①孔隙度較大的儲(chǔ)層，其單位體積儲(chǔ)層的埋存潛力越大；②對(duì)于砂巖儲(chǔ)層，孔隙度和滲透率在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下具有明顯的正相關(guān)關(guān)系，滲透率隨孔隙度的增加呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)。在滲透率方面，應(yīng)優(yōu)先選擇儲(chǔ)層滲透率大于100mD的候選層位。

4 綜合評(píng)價(jià)階段

4.1 評(píng)價(jià)因子體系

在2.2節(jié)中論述了CO2地質(zhì)埋存場(chǎng)地的基本條件，對(duì)于每一項(xiàng)條件，本節(jié)試圖采用多個(gè)因子(表4、表5)進(jìn)行綜合體現(xiàn)，描述了從地下到地上再到經(jīng)濟(jì)的整體條件和因素。

表4 地質(zhì)因素綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表5 環(huán)境和經(jīng)濟(jì)因素綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

在碳源因子方面，本文考慮的碳源距離上限為300km，碳源規(guī)模上限為50Mt。在確定碳源距離和碳源規(guī)模時(shí)，需考慮以下因素：即碳源規(guī)模會(huì)隨著距離的增大而增加，若場(chǎng)地周邊碳源豐富，可能在較小的距離內(nèi)碳源規(guī)模已經(jīng)達(dá)到50Mt，碳源過(guò)盛，此時(shí)，該范圍內(nèi)的碳源距場(chǎng)地中心的距離均值為碳源距離，相應(yīng)的碳源排放總和即為碳源規(guī)模；若場(chǎng)地周邊碳源稀少，可能在300km范圍內(nèi)碳源規(guī)模仍過(guò)小，此時(shí)，300km范圍內(nèi)的碳源距場(chǎng)地中心的距離均值為碳源距離，相應(yīng)的碳源排放總和即為碳源規(guī)模。

4.2 綜合評(píng)價(jià)方法

綜合評(píng)價(jià)階段，需選用適宜的數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)方法，對(duì)場(chǎng)地適宜性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選出合適的埋存層位。本文提出的模糊數(shù)學(xué)方法(見(jiàn)第6節(jié))。

對(duì)于經(jīng)過(guò)綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)為適宜的場(chǎng)地，必要時(shí)需要通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)鑒定場(chǎng)地的可注入性、埋存安全性。數(shù)值模擬還能為后面的有效埋存量評(píng)估工作提供較為可靠的計(jì)算參數(shù)。在數(shù)值模擬領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外比較成熟的軟件有TOUGH2中的ECO2N模塊。根據(jù)模擬結(jié)果應(yīng)對(duì)存在較大安全隱患的埋存層位予以排除。

5 有效埋存量評(píng)估

在場(chǎng)地篩選評(píng)價(jià)的不同階段，隨著場(chǎng)地的圈劃和對(duì)場(chǎng)地認(rèn)識(shí)的不斷加深，對(duì)儲(chǔ)層埋存量的計(jì)算分四個(gè)層次：理論埋存量、有效埋存量、實(shí)際埋存量、匹配埋存量。理論埋存量反映了地質(zhì)系統(tǒng)內(nèi)所能接受的物理極限量，它是一個(gè)最高上限的埋存潛力。然而在現(xiàn)實(shí)中這是一個(gè)不切實(shí)際的數(shù)值，因?yàn)樵趯?shí)際中總受到物理、技術(shù)、法規(guī)和經(jīng)濟(jì)等條件的限制，而這些局限往往會(huì)阻止這種埋存量的完全利用。

有效埋存量表示從技術(shù)層面(包括地質(zhì)和工程因素)考慮了儲(chǔ)層的物性參數(shù)、非均質(zhì)性、封閉性、埋存深度、溫壓場(chǎng)等因素之后計(jì)算所得的埋存量，它是理論埋存量的子集。這種埋存量會(huì)隨著所收集資料信息的增多或理論認(rèn)識(shí)程度的加深而發(fā)生變化。

實(shí)際埋存量表示考慮到技術(shù)、法律及政策、基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)條件等因素影響的埋存量，它是有效埋存量的子集。該埋存量隨著技術(shù)、政策、法規(guī)和經(jīng)濟(jì)條件的變化產(chǎn)生很大的變化。

匹配埋存量表示考慮到CO2源、注入能力和供給能力等因素影響的埋存量，它是實(shí)際埋存量的子集。實(shí)際埋存量與匹配埋存量的差值表示因?yàn)槿狈A(chǔ)設(shè)施和(或)在經(jīng)濟(jì)距離之內(nèi)的CO2來(lái)源目前不能實(shí)現(xiàn)的滯留埋存容量。

6 基于模糊數(shù)學(xué)的綜合評(píng)價(jià)方法

6.1 建立因子集

根據(jù)表4建立的評(píng)價(jià)因子體系，確定因子集。設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)因子，則因子集可記為：

6.2 建立模糊評(píng)價(jià)分級(jí)指標(biāo)集

對(duì)于第i個(gè)因子fi，它的取值情況在一定程度上反映了場(chǎng)地條件的好壞，因此應(yīng)對(duì)該因子進(jìn)行分級(jí)。通過(guò)參考國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)和學(xué)術(shù)專著，本文建議的評(píng)價(jià)因子共分五級(jí)：Ⅰ級(jí)(好)、Ⅱ級(jí)(較好)、Ⅲ級(jí)(一般)、Ⅳ級(jí)(較差)、Ⅴ(差)。分級(jí)指標(biāo)如表5所示。

對(duì)于第i個(gè)因子fi，其模糊評(píng)價(jià)分級(jí)指標(biāo)集可記為：(a11a12a13a14a15)。

6.3 建立隸屬度函數(shù)

每個(gè)因子的取值范圍是連續(xù)變化的，并非若干個(gè)孤立的值，當(dāng)因子的取值落在相鄰的兩個(gè)分級(jí)指標(biāo)之間時(shí)，很難判斷該因子的等級(jí)，因此采用隸屬度來(lái)表示該因子對(duì)各個(gè)等級(jí)的隸屬程度。

對(duì)于分級(jí)指標(biāo)為具體數(shù)值的因子，宜采用降半梯形分布函數(shù)建立隸屬度函數(shù)。對(duì)于遞增型指標(biāo)，隸屬度函數(shù)為：

式中：xi為因子取值。對(duì)于遞減型指標(biāo)，隸屬度函數(shù)與上述表達(dá)式類似。對(duì)于分級(jí)指標(biāo)為描述性句子的因子，若其取值為第j級(jí)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)，則對(duì)j級(jí)的隸屬度為1，對(duì)其他等級(jí)的隸屬度為0。

6.4 建立模糊關(guān)系矩陣

設(shè)共有n個(gè)因子，則建立的模糊關(guān)系矩陣為：

6.5 建立權(quán)重矩陣

權(quán)重反映了每個(gè)因子對(duì)整體影響程度的大小，若第i個(gè)因子的權(quán)重為wi，則權(quán)重矩陣可記為：

對(duì)于權(quán)重的確定，有多種方法，較為常見(jiàn)的有專家評(píng)分法和層次分析法。專家評(píng)分法是一種定性描述定量化方法，它首先根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象的具體要求選定若干個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目，再根據(jù)評(píng)價(jià)項(xiàng)目制訂出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，聘請(qǐng)若干代表性專家憑借自己的經(jīng)驗(yàn)按此評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)給出各項(xiàng)目的評(píng)價(jià)分值，然后對(duì)其進(jìn)行結(jié)集。

層次分析法是將決策總是有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)行定性和定量分析的決策方法。層次分析法的步驟一般包括：建立層次結(jié)構(gòu)模型；構(gòu)造成對(duì)比較陣；計(jì)算權(quán)向量并作一致性檢驗(yàn)；計(jì)算組合權(quán)向量并作一致性檢驗(yàn)。該方法具有系統(tǒng)性、實(shí)用性、簡(jiǎn)潔性等諸多優(yōu)點(diǎn)，但在建立判斷矩陣時(shí)主觀性較強(qiáng)，最終得到的權(quán)重值可能不夠合理。建議采用專家評(píng)判與層次分析相結(jié)合的方法，即在建立層次模型和構(gòu)造成對(duì)比較矩陣階段，相應(yīng)的工作由專家完成。

針對(duì)碎屑巖蓋層情況，表2給出了本文建議權(quán)重值。對(duì)于蒸發(fā)巖蓋層，由于缺少了碎屑巖封閉性能(包括突破壓力和壓力系數(shù))這一評(píng)價(jià)因子，因此，應(yīng)對(duì)其余的因子權(quán)重值進(jìn)行歸一化處理，方能得到蒸發(fā)巖蓋層情況下的因子權(quán)重。此外，在資料缺少、評(píng)價(jià)因子選取不全的情況下，應(yīng)對(duì)選取的評(píng)價(jià)因子權(quán)重值進(jìn)行歸一化處理。

6.6 場(chǎng)地級(jí)別鑒定與場(chǎng)地適宜度計(jì)算

最終的評(píng)價(jià)工作通過(guò)模糊運(yùn)算完成，若記模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣為：

則：

其中：為模糊算子。常用的模糊算子有四種類型：相乘相加法、取小相加法、相乘取大法和取小取大法。

為使評(píng)價(jià)結(jié)果能夠綜合反映各個(gè)評(píng)價(jià)因子的影響，建議選擇相乘相加這一模糊算子，即：

式中：j=1，2，3，4，5。

對(duì)于最后經(jīng)計(jì)算所得的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣，若第j個(gè)元素bj的值最大，則定義該場(chǎng)地級(jí)別為j級(jí)。

若需要對(duì)所有場(chǎng)地的適宜性進(jìn)行綜合排序，則根據(jù)以下方法進(jìn)行：

首先，建立備擇集。結(jié)合CO2地質(zhì)埋存場(chǎng)地篩選與評(píng)價(jià)具體工作，這里的備擇集應(yīng)為。其次，數(shù)值化備擇集?？梢圆捎貌煌笮〉臄?shù)值來(lái)表示備擇集中的各個(gè)元素，本課題組給出的數(shù)值化后的備擇集為。最后，加權(quán)計(jì)算。場(chǎng)地適宜度指標(biāo)。若S≥8，則定義場(chǎng)地適宜度好；若6≤S＜8，則定義場(chǎng)地適宜度較好；若4≤S＜6，則定義場(chǎng)地適宜度中等；若2≤S＜4，則定義場(chǎng)地適宜度較差；若S≤2，則定義場(chǎng)地適宜度差。

根據(jù)計(jì)算后得到的場(chǎng)地適宜度指標(biāo)，可以對(duì)所有的場(chǎng)地就CO2地質(zhì)埋存場(chǎng)地適宜性進(jìn)行排序，從中優(yōu)選出場(chǎng)地綜合條件較好的若干埋存層位，為后續(xù)工作提供參考。

7 結(jié)論

對(duì)現(xiàn)有CO2地質(zhì)埋存場(chǎng)地篩選領(lǐng)域研究成果的分析，發(fā)現(xiàn)其中的不足之處，提出了一套具有一定創(chuàng)新性和實(shí)用性的場(chǎng)地篩選與評(píng)價(jià)方法。

針對(duì)工程場(chǎng)地篩選與評(píng)價(jià)階段劃分為五個(gè)工作階段：初次篩選階段、二次篩選階段、綜合評(píng)價(jià)階段、數(shù)值模擬階段和有效埋存量評(píng)估階段。

通過(guò)建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并利用建立的評(píng)價(jià)方法對(duì)候選場(chǎng)地的封存適宜性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。借助模糊數(shù)學(xué)方法，對(duì)場(chǎng)地的進(jìn)行了半定量評(píng)價(jià)，為場(chǎng)地的優(yōu)選提供了依據(jù)。

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