張 冰，梁凱強，王維波，陳龍龍，王 宏.

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司銷售公司，陜西西安 710075；2.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西西安 710075)

采用差異化的方法對區(qū)域乃至全球范圍內(nèi)不同規(guī)模的CO2地質(zhì)儲存能力進行評估是當前的熱點研究方向[1]?？茖W家預(yù)計至21世紀中葉全球CO2的實際封存潛力會達到近1.68×1012t[2-3]。目前，不僅我國各盆地開展CO2地質(zhì)封存的潛力被進行了評估[4]，中國陸上200多個油田實施CO2地質(zhì)封存的潛力也得到了初步評估[5]。其中，鄂爾多斯盆地是中國大型能源化工基地，盆地內(nèi)的油氣田儲層、煤層及深部鹽/咸水層具有較大的CO2地質(zhì)封存的潛力，任相坤等[6]預(yù)測鄂爾多斯盆地CO2的地質(zhì)封存容量大約有數(shù)百億噸。

咸水層被認為是極具潛力的CO2封存地點。國內(nèi)外深部咸水層CO2封存機理研究、數(shù)值模擬、試驗研究和工程應(yīng)用方面已做了大量工作[7]。Xu等[8]建模分析了CO2咸水層封存過程中碳酸鹽礦物沉淀的影響；CO2在深部咸水層中流動及運移規(guī)律研究、通過建模方法研究場地特征、封存機理等是CO2地質(zhì)封存研究的常見方向[9-10]；李小春等[11]利用溶解度法計算了地下1 000～3 000 m深度咸水含水層的CO2儲存容量，我國25個沉積盆地咸水層的CO2封存潛力約為2.288×1012t。

本文的研究目標鄂爾多斯盆地屬于盆地級別的CO2封存評價，所要計算的是整個盆地的CO2有效地質(zhì)封存潛力。采用碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇(CSFL)提出的深部咸水層中CO2儲存容量評估的方法[12]。該方法假定深部咸水層是一個整體，不存在獨立的圈閉。CO2在深部咸水層的封存量由地層封存量、溶解封存量、殘余氣封存量3部分組成，當CO2注入咸水層時，一部分被封閉在巖石孔隙中，一部分被溶解在咸水層中，CO2在深部咸水層溶解達到飽和時，殘余氣束縛機理也將起作用。

通過計算地層封存量、溶解封存量、殘余氣封存量的總和，得出了目標區(qū)理論封存量的結(jié)果，而有效封存量則是在理論封存量的基礎(chǔ)上，進一步考慮了儲層性質(zhì)、儲層封閉性、儲層壓力系統(tǒng)、孔隙體積以及儲層深度等影響因素，設(shè)定相應(yīng)的有效封存量系數(shù)，進而計算出目標區(qū)咸水層的CO2有效封存量。本文采用該方法對鄂爾多斯盆地的伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、陜北斜坡、天環(huán)坳陷、西緣斷褶帶等六大區(qū)域構(gòu)造單元中深部咸水層的CO2封存潛力進行了研究，評價了鄂爾多斯盆地深部咸水層的CO2有效封存潛力。

1 CO2地質(zhì)封存機理及分類

對CO2地質(zhì)封存潛力的評估是一項復(fù)雜的工作，往往涉及的封存層位多、范圍廣，計算方法受多方面因素影響，同時要考慮封存穩(wěn)定性等因素，做到精準的CO2封存潛力預(yù)測難度很大。因而，首先掌握不同介質(zhì)的封存機理顯得尤為重要。CO2的封存類型、封存機理以及選址和評價模式已被廣泛研究。

Bachu等在2007年提出將CO2地質(zhì)封存潛力分為國家級、盆地級、區(qū)域級、目標區(qū)級和場地級等5個級別進行評價[13]。盆地級別的CO2地質(zhì)封存潛力評估研究的是某個特定的盆地，目標是通過評價和量化該盆地的封存潛力，選擇有發(fā)展?jié)摿Φ腃O2封存場地，這一級別的評價常會將盆地內(nèi)的碳源匹配能力納入研究。目前，國外在盆地級別的CO2地質(zhì)封存潛力研究已有諸多報道。其中，在加拿大威利斯頓盆地及澳大利亞海燕子盆地開展的盆地級的CO2封存潛力評估工作均有一定的代表性[14-15]。

1.1 CO2地質(zhì)封存機理

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會指出CO2地質(zhì)封存是通過物理與化學機理的結(jié)合來實現(xiàn)的[16]，評估CO2封存能力時需要綜合考慮各種不同機理的作用。物理封存過程中CO2以自由流體或超臨界流體的形式被封存在地下?；瘜W封存機理是CO2融入地下流體后與巖石骨架發(fā)生化學反應(yīng)(溶解與電離俘獲作用)，或者吸附于礦物表面(吸附作用)。

CSLF進一步細化了CO2封存機理，認為主要機理包括：

(1)結(jié)構(gòu)地層封存機理。當某一流體處在液相或氣相因遇到不滲透層(如頁巖、泥巖等)而無法流動被束縛在不滲透層下時，稱為結(jié)構(gòu)地層封存機理。

(2)殘余氣封存機理。當一部分CO2在地層中運移時，由于CO2的表面張力作用，使得CO2被永久地圈閉在巖石顆粒的縫隙中，稱為殘余氣封存機理。

(3)溶解封存機理。當CO2在多孔介質(zhì)中運移時，CO2溶解在它所接觸到的地層水或殘余油中，稱為溶解封存機理。

(4)礦物封存機理。當CO2與巖石及地層水發(fā)生化學反應(yīng)生成碳酸鹽礦化物時，稱為礦化封存機理。

(5)水動力封存機理。咸水層中的地層水在一個區(qū)域或盆地級的流動系統(tǒng)中較長地流動，當CO2注入位于封閉地層下面的深部咸水層時，水動力圈閉發(fā)生。

(6)煤層吸附封存機理。煤層具有很大的CO2地質(zhì)封存能力，煤層對于CO2的吸附能力要比煤層中的甲烷和其他烴類氣體要高得多(至少2倍以上)。

1.2 CO2地質(zhì)封存潛力分類

CO2地質(zhì)封存潛力可以用資源潛力來表示。CO2地質(zhì)封存潛力也會隨著技術(shù)經(jīng)濟條件的改變而持續(xù)不斷地變化。利用資源潛力這個概念， CSLF提出將CO2地質(zhì)封存潛力進行層級劃分，大體可以分為理論上的封存潛力、有效的封存潛力、實際可達到的封存潛力、可匹配的封存潛力4個層級。因4個層級存在相互關(guān)聯(lián)和逐級遞進的關(guān)系，因而用CO2地質(zhì)封存資源金字塔這一概念來形象地表述，如圖1所示。

(1)理論封存潛力是總的資源量，它包含資源金字塔的所有，是在不受任何物理極限、技術(shù)水平、經(jīng)濟能力及法律法規(guī)許可等因素制約的情況下，達到的一種最理想的封存狀態(tài)。

(2)有效封存潛力是在理論封存潛力的基礎(chǔ)上，考慮了地質(zhì)和工程方面等因素對封存量的影響，如儲層性質(zhì)、儲層埋深、地層溫度、地層壓力等因素。

(3)實際封存潛力是在有效封存潛力的基礎(chǔ)上，將技術(shù)水平、法律及法規(guī)約束、基礎(chǔ)設(shè)施配套、經(jīng)濟能力等影響因素納入CO2地質(zhì)封存潛力評估的過程中。

(4)匹配封存潛力是在實際封存潛力的基礎(chǔ)上，考慮了碳源匹配問題、注入能力以及供給能力等因素對CO2地質(zhì)封存潛力的影響。匹配封存潛力在金字塔的頂端，類似于礦產(chǎn)資源評價中的可采儲量。

圖1 CO2地質(zhì)封存資源金字塔Fig.1 CO2 geological storage resources pyramid

2 深部咸水層CO2地質(zhì)封存潛力的評價方法

深部鹽水層CO2封存能力的評價非常復(fù)雜，對于評價深部鹽水層的理論封存能力、有效封存能力和實際封存能力，不管是單獨過程還是累積過程都是十分困難的。目前，國際上很多國家及組織以及研究人員開展了咸水層CO2封存能力計算方法研究。

2.1 歐盟的研究

歐盟提出，假設(shè)深部咸水層是密閉的，且封存CO2的空間來自咸水層的孔隙空間[17]。

2.2 美國能源部的研究

美國能源部(DOE)假設(shè)深部咸水層內(nèi)所有的孔隙空間都可以用作封存CO2，認為CO2的注入將替換咸水層原先所占據(jù)的體積。

(1)理論封存量計算公式：

MCO2ts=ρCO2r·A·H·θ

(1)

式中MCO2ts——CO2在深部咸水層中的理論封存量，106t；

ρCO2r——在地層條件下CO2的密度，kg/m3；

A——圈閉的面積，km2；

H——儲層的有效厚度，m；

θ——儲層巖石的孔隙度，%。

(2)有效封存量計算公式：

MCO2es=MCO2ts·E

(2)

式中MCO2es——CO2在深部咸水層中的有效封存量，

106t；

E——有效封存系數(shù)。

公式中E反映了CO2占據(jù)整個孔隙體積的比例，利用蒙特卡羅(Monte Carlo)模擬可以得到深部咸水層置信區(qū)間在15%～85%時，E的范圍為4%～15%；置信區(qū)間為50%時，E的平均值為2.4%。該方法計算出的結(jié)果變化范圍較大，只能大概反映CO2在深部咸水層中的封存量。

2.3 CSLF的研究

CSLF根據(jù)深部咸水層封存CO2的機理，認為CO2在深部咸水層封存CO2的潛力由3部分組成：構(gòu)造地層封存、溶解封存、殘余氣封存。

(1)構(gòu)造地層封存的理論封存量：

MCO2s=Vtrap·θ·(1-Swirr)·ρCO2r

=A·H·θ·(1-Swirr)·ρCO2r

(3)

式中MCO2s——CO2在深部咸水層中構(gòu)造地層封存的理論封存量，106t；

Vtrap——構(gòu)造或地層圈閉的體積，106m3；

Swirr——殘余水飽和度，%。

(2)溶解封存的理論封存量：

MCO2d=A·H·θ·(ρsXsCO2-ρiXiCO2)

(4)

式中MCO2d——CO2在深部咸水層中溶解封存的理論封存量，106t；

ρs——地層水被CO2飽和時的平均密度，kg/m3；

ρi——初始的地層水的平均密度，kg/m3；

XsCO2——地層水被CO2飽和時CO2占地層水的平均質(zhì)量分數(shù)，%；

XiCO2——原始CO2占地層水的平均質(zhì)量分數(shù)，%。

MCO2d≈A·H·θ·ρi·SCO2·MCO2

(5)

式中SCO2——CO2在地層水中的溶解度，mol/kg；

MCO2——CO2的摩爾質(zhì)量，0.044 kg/mol。

據(jù)Bachu等[18]計算加拿大Alberta盆地咸水含水層溶解儲量的結(jié)果，不考慮現(xiàn)狀地層水含碳量的情況時，計算值偏大，但誤差僅為1.3%。由于收集到的咸水含水層的水化學資料絕大多數(shù)僅限于主要離子，難以確定其含碳量，此處忽略地層水含碳量，直接利用溶解度計算。

(3)殘余氣封存的理論封存量：

MCO2r=ΔVtrap·θ·SCO2t·ρCO2r

(6)

式中MCO2r——CO2在深部咸水層中殘余氣封存的理論封存量，106t；

Vtrap——原先被CO2飽和然后被水浸入的巖石體積，該參數(shù)可理解為評價單元內(nèi)整個深部咸水層的體積，109m3；

欣竹今早就發(fā)現(xiàn)經(jīng)理不對勁。剛才這一幕，更有些一反常態(tài)。欣竹眼前又閃現(xiàn)思雨盯著她頭發(fā)看的情景，心里不禁一陣興奮和激動。她覺得，自己對思雨的一片愛情，也許真的打動了思雨那顆冷酷的心。欣竹回到自己的辦公室，在鏡子前左照右照自己那一頭天然的栗紅色的頭發(fā)。老天真會安排，讓美麗的女人再擁有一頭美麗的頭發(fā)，就能俘獲人間最美好的愛情。

SCO2t——液流逆流后被圈閉的CO2的飽和度，%。

(4)深部咸水層中封存的總潛力：

①理論封存量：

MCO2ts=MCO2s+MCO2d+MCO2r

(7)

②有效封存量：

MCO2es=E·MCO2ts

(8)

歐盟、美國能源部及CSFL提出的CO2在咸水層中封存潛力的計算方法都是基于一定的假設(shè)條件而得出的。通過比較分析，CSFL提出的方法其假設(shè)更合理，該方法計算所得結(jié)果更符合CO2在咸水層中封存的真實潛力值。

CSFL所提出的深部咸水層構(gòu)造地層圈閉機理的計算方法與美國能源部所應(yīng)用的計算方法相似，其提出的有效封存系數(shù)僅適合于構(gòu)造地層圈閉機理計算。美國能源部采用的方法以有效封存系數(shù)E反映CO2占據(jù)整個孔隙體積的比例，在數(shù)學模擬過程中所考慮的幾個因素，對于其他封存機理有效封存系數(shù)的取值也有借鑒意義。因此，本文在采用碳封存領(lǐng)導(dǎo)人法計算鄂爾多斯盆地深部咸水層有效封存量時，借鑒該方法使用的有效封存量系數(shù)，E也取值0.024。

3 鄂爾多斯盆地深部咸水層CO2封存潛力

鄂爾多斯盆地共有6個一級構(gòu)造單元：伊盟隆起、渭北隆起、晉西撓褶帶、陜北斜坡、天環(huán)坳陷、西緣斷褶帶。其中，渭北隆起、西緣斷褶帶斷裂構(gòu)造發(fā)育，西緣逆沖斷褶帶蓋層封閉差、隔擋層差，有暢通的水文地質(zhì)條件，地表水向下滲透混入地層流體中，從安全性的角度考慮，不在以上構(gòu)造進行CO2的咸水層封存。晉西撓褶帶構(gòu)造單元內(nèi)含水層多被地表水所切穿，地下水可接受大氣降水和地表水的捕集，從安全性的角度來考慮，也不在本構(gòu)造進行CO2咸水層的封存。因此，鄂爾多斯盆地CO2深部咸水層的封存只需考慮伊盟隆起、陜北斜坡、天環(huán)坳陷3個一級構(gòu)造單元。

在伊盟隆起構(gòu)造單元中，通過溶解機理理論可以計算三疊系、石灰—二疊系、奧陶系3個層位的CO2封存潛力，經(jīng)計算，伊盟隆起構(gòu)造單元咸水層中CO2的理論封存量為18 185.25×106t，計算參數(shù)及結(jié)果見表1。通過殘余氣封存機理計算理論封存潛力結(jié)果為119 944.58×106t，計算參數(shù)及結(jié)果見表2。

表1 伊盟隆起深部咸水層溶解機理封存計算參數(shù)及結(jié)果Table 1 Yimeng uplift deep saline aquifer calculation parameters and results by mechanism of water dissolving

表2 伊盟隆起深部咸水層殘余氣機理封存計算參數(shù)及結(jié)果Table 2 Yimeng uplift deep saline aquifer calculation parameters and results by mechanism of residual gas storage

根據(jù)以上兩個計算結(jié)果，計算得出伊盟隆起深部咸水層CO2的有效封存量為3 315.12×106t，計算參數(shù)及結(jié)果見表3。

表3 伊盟隆起深部咸水層封存總封存量計算參數(shù)及結(jié)果Table 3 Calculation parameters and results of total sequestration of Yimeng uplift deep saline aquifer

在陜北斜坡構(gòu)造單元中，通過溶解機理理論可以計算三疊系、石灰—二疊系、奧陶系3個層位咸水層中的CO2封存潛力，經(jīng)計算，陜北斜坡構(gòu)造單元CO2溶解理論封存量為45 867.64×106t。通過殘余氣封存機理計算，殘余氣理論封存潛力為282 600.72×106t。綜合以上結(jié)果，陜北斜坡深部咸水層CO2的有效封存量為7 883.24×106t。

在天環(huán)坳陷構(gòu)造單元中，通過溶解機理理論可以計算侏羅系、三疊系、石灰—二疊系、奧陶系等4個層位中咸水層的CO2封存潛力，經(jīng)計算，天環(huán)坳陷構(gòu)造單元的溶解CO2的理論封存量為12 413.54×106t。通過殘余氣封存機理計算，天環(huán)坳陷構(gòu)造單元溶解氣理論封存量為75 908.35×106t。綜合以上計算結(jié)果，得出天環(huán)坳陷構(gòu)造單元深部咸水層CO2的有效封存量為2 119.73×106t。

經(jīng)計算，鄂爾多斯盆地深部咸水層CO2有效地質(zhì)封存潛力為13 318.09×106t，各一級構(gòu)造單元具體的封存潛力如圖2所示。鄂爾多斯盆地中，陜北斜坡的深部咸水層CO2有效地質(zhì)封存潛力最高，其次是伊盟隆起和天環(huán)坳陷，渭北隆起、晉西撓褶帶和西緣斷褶帶不納入咸水層CO2封存計算。

圖2 鄂爾多斯盆地深部咸水層CO2有效地質(zhì)封存潛力Fig.2 Potential of Ordos basin deep saline aquifer effective CO2 geological sequestration

由此可見，鄂爾多斯盆地作為中國重要的資源型盆地，在深部咸水層封存CO2領(lǐng)域擁有巨大的發(fā)展?jié)摿?，這一潛力為解決盆地內(nèi)因油氣資源開發(fā)利用而帶來的大規(guī)模碳排放問題，提供了一種在區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)排放、捕集、封存閉環(huán)結(jié)構(gòu)，進而達到近零排放的環(huán)保可持續(xù)發(fā)展的可能性。因而，碳捕集封存(CCS)技術(shù)在鄂爾多斯盆地具有廣闊的市場和良好的應(yīng)用前景。

當前，我國在CCS技術(shù)方面的發(fā)展還相對遲緩，已知的能夠通過CCS項目實現(xiàn)的封存量與實際CO2排放量相差甚遠。在咸水層封存方面，中國神華開展了深部咸水層CO2地質(zhì)封存探索工作，為后續(xù)工業(yè)化CCUS 項目在工程優(yōu)化及環(huán)境評估等方面提供借鑒參考[19]。但單純的捕集封存項目缺乏經(jīng)濟性，會影響到企業(yè)開展咸水層封存的積極性。對CO2的資源化利用從而實現(xiàn)低成本減排就變得越來越重要[20]。

國內(nèi)CCS項目側(cè)重于CO2封存的同時實現(xiàn)資源化利用，簡稱CCUS(碳捕集利用與封存)。以CO2氣驅(qū)提高石油采收率為典型CCUS項目。延長油田、吉林油田、勝利油田等都開展了小規(guī)模的CO2驅(qū)油與封存試驗[21-23]，但均未達到工業(yè)化應(yīng)用水平。其中，延長油田的CCUS項目是中國首個通過CSFL認證的捕集、利用與封存一體化項目。該項目開展了大量室內(nèi)試驗研究，圍繞CO2驅(qū)油技術(shù)的驅(qū)油機理、儲層非均質(zhì)性、注入方式、注入?yún)?shù)、注入時機等方面進行了研究和優(yōu)化[24-27]，并對油藏CO2地質(zhì)封存開展了潛力評價[28-29]，建成了油溝油田和喬家洼油田CCUS項目。

未來，CCS技術(shù)在中國的應(yīng)用需要克服的技術(shù)水平、工程建設(shè)、法規(guī)許可、環(huán)境評價、社會認知等因素還很多。進一步深化CO2封存技術(shù)研究，選擇典型場所開展CO2地質(zhì)封存示范研究工作，并不斷加強該領(lǐng)域的國際技術(shù)交流與合作，能夠與國際高水平接軌，最終形成一套適合于中國實際的低成本、低風險、高回報的CCS技術(shù)，是未來很長一段時間我們的努力方向。

4 結(jié)論

采用CSFL提出的咸水層CO2地質(zhì)封存潛力計算方法，有效封存量系數(shù)按0.024取值。經(jīng)計算，鄂爾多斯盆地的伊盟隆起深部咸水層CO2有效封存量為3 315.12×106t，天環(huán)坳陷深部咸水層CO2有效封存量為2 119.73×106t，陜北斜坡深部咸水層CO2有效封存量為7 883.24×106t；鄂爾多斯盆地深部咸水層CO2有效封存潛力為13 318.09×106t。結(jié)果表明，鄂爾多斯盆地咸水層CO2地質(zhì)封存潛力巨大，可以為解決盆地內(nèi)因油氣資源開發(fā)利用而帶來的高碳排放問題，提供一種在區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)碳排放、捕集、封存為一體的達到近零排放的可能性。并為在該盆地內(nèi)開展碳封存項目提供了必要的決策參考。