路萍, 白勇, 劉偉剛, 陳曦, 鄭化安, 劉杰, 陳永振, 高建平

1)西北大學(xué)地質(zhì)系/大陸動力國家重點實驗室，西安，710069；2)陜西省能源化工研究院，西安，710069

內(nèi)容提要: CO2地質(zhì)封存(CCS)技術(shù)是目前國際上實現(xiàn)CO2大規(guī)模低成本減排的最佳選擇之一，而CO2地質(zhì)封存的首要問題是CO2封存有利區(qū)優(yōu)選。針對鄂爾多斯盆地馬家溝組CO2地質(zhì)封存有利區(qū)優(yōu)選研究不足的現(xiàn)狀，本文借助大量的地質(zhì)、鉆井、地球物理及測試分析，對鄂爾多斯盆地馬家溝組地層水礦化度條件、溫壓條件、儲層條件、構(gòu)造條件及蓋層條件進行研究分析，從而對CO2地質(zhì)封存區(qū)域邊界進行確定。在此基礎(chǔ)上，出于CO2地質(zhì)封存技術(shù)性和經(jīng)濟性考慮，進一步再優(yōu)選出儲層條件優(yōu)越、距離CO2捕集裝置較近、勘探程度較高、地層埋深合適且對其他礦產(chǎn)開發(fā)影響甚微的地區(qū)進行CO2地質(zhì)封存。結(jié)果表明：① 確定鄂爾多斯盆地適宜CO2地質(zhì)封存的地區(qū)位于擺宴井—沙井子斷裂以東、渭北隆起北緣斷裂以北、黃河斷裂以西、伊盟隆起以南的廣大地區(qū)，主要包括伊陜斜坡和天環(huán)坳陷內(nèi)的除中央古隆起缺失區(qū)以外的馬家溝組分布地區(qū)；②烏審旗—靖邊—延安巖溶斜坡區(qū)(Ⅰ1)為盆內(nèi)最佳CO2地質(zhì)封存區(qū)；③ 榆林—米脂巖溶盆地區(qū)(Ⅰ2)是CO2地質(zhì)封存的有利場所。

近年來，以CO2為主的溫室氣體過量排放導(dǎo)致全球氣候變暖，同時引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題(Becker et al., 2012; Ahmed et al., 2019)，甚至影響地球生物的生存狀況(Bachu，2000)。因此，大規(guī)模CO2減排刻不容緩(Bachu，2002；Minh et al., 2017)?？茖W(xué)研究表明，CO2地質(zhì)封存技術(shù)(CCS)是目前國際上實現(xiàn)CO2大規(guī)模低成本減排的最佳選擇之一(Leung et al., 2014; Mac et al., 2017)，根據(jù)全球碳捕捉與封存研究院CO2RE數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，截止目前，全球有51個大型CCS項目，其中19個項目正處于商業(yè)化運營，4個項目在建設(shè)中，28個項目處于不同的開發(fā)階段，每年可捕捉CO2高達(dá)50 Mt。在處于商業(yè)化運營的19個項目中，17個項目用于工業(yè)領(lǐng)域，2個項目用于電力領(lǐng)域。

CO2地質(zhì)封存技術(shù)(CCS)是將CO2轉(zhuǎn)變成超臨界狀態(tài)封存于地下儲存體中實現(xiàn)永久地質(zhì)封存。CO2封存場所主要有四種，分別為枯竭油氣藏、無開采價值的煤層、深部鹽水層以及深海，其中深部鹽水層封存潛力巨大，是目前CCS工程中最具前景的地質(zhì)儲存體(Sunil et al., 2020)。CO2地質(zhì)封存機理主要有構(gòu)造和地層封存機理、束縛水封存機理、溶解封存機理以及礦物封存機理 (Bachu, 2002；Surdam et al., 2013；Sawada et al., 2018)，對于以碳酸鹽巖為主的深部鹽水層而言，封存過程始終是不同封存機理同時作用的結(jié)果，在CO2注入初期構(gòu)造封存及溶解封存機理發(fā)揮主要作用(Azin et al., 2015)，隨著時間的推移，束縛水封存和礦化封存機理作用日益凸顯(Li Xiaochun et al., 2016; Minh et al., 2017; Philip, 2018)。1996年，在挪威開展的Sleipner海上CO2封存項目是世界上首個在深部鹽水層存儲CO2的商業(yè)范例。截止2017年底，Sleipner項目和Sn?hvitCCS項目已在挪威近海的鹽水層捕獲并儲存了22 Mt的CO2。Sleipner處的CO2羽流監(jiān)測觀察結(jié)果表明CO2總體存儲效率約為孔隙體積的5%，其中約十分之一溶解在鹽水相中。這些估計與CO2注入的流體動力學(xué)一致，在該流體動力學(xué)中，重力控制過程中有望產(chǎn)生1%～6%的效率(Philip, 2018)，由此說明Sleipner項目22年內(nèi)CO2構(gòu)造地層封存機理和溶解封存機理起主要作用。

CO2地質(zhì)封存技術(shù)首要解決的問題是CO2封存有利區(qū)優(yōu)選。本次CCS有利區(qū)優(yōu)選研究針對鄂爾多斯盆地開展，該盆地能源資源豐富，煤、石油、天然氣、鈾礦、鹽礦等資源同盆共存，能源及能源化工企業(yè)密布，鄂爾多斯盆地成為CO2集中排放的地區(qū)(Wang Yajun et al., 2013)。所以，在鄂爾多斯盆地實施CO2地質(zhì)封存(CCS)技術(shù)能有力緩解盆地各省(區(qū))的CO2減排壓力，對實現(xiàn)CO2減排目標(biāo)具有重大意義。國內(nèi)外學(xué)者針對鄂爾多斯盆地馬家溝組開展了諸多CO2地質(zhì)封存相關(guān)的研究工作，其主要集中在CO2地質(zhì)封存機理、CO2地質(zhì)封存潛力評估、CO2驅(qū)油機理數(shù)值模擬方面及CO2封存泄露預(yù)案等方面(Shafeen et al., 2004; 李政等，2012；Surdam et al., 2013; Wang Yajun et al., 2013；Jafari et al., 2014；王力，2014；Li Xiaochun et al., 2016; Jiao et al., 2017; Amanda, 2018)，而針對馬家溝組地質(zhì)封存有利區(qū)優(yōu)選方面的研究工作比較薄弱。鑒于此，本文展開對鄂爾多斯盆地馬家溝組CO2地質(zhì)封存有利區(qū)優(yōu)選的研究。

基于以上對CO2地質(zhì)封存技術(shù)和鄂爾多斯盆地碳排放的調(diào)研，本文借助大量的地質(zhì)、鉆井、地球物理及室內(nèi)實驗資料，通過地層水礦化度條件、溫壓條件、儲層條件、構(gòu)造條件及蓋層條件研究對鄂爾多斯盆地CO2地質(zhì)封存區(qū)域進行邊界確定。在此基礎(chǔ)上，出于CO2地質(zhì)封存技術(shù)性、封存經(jīng)濟性、封存安全性三方面考慮，在這一區(qū)域再優(yōu)選出儲層條件優(yōu)越、距離CO2排放源較近、勘探程度較高、地層埋深合適且對其他礦產(chǎn)開發(fā)影響甚微的地區(qū)進行CO2地質(zhì)封存，以實現(xiàn)CO2大規(guī)模減排。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地地域遼闊，橫跨陜、甘、寧、蒙、晉五省(區(qū))，為我國第二大沉積盆地，面積約為37×104km2。盆地范圍北起陰山，南抵秦嶺，西自六盤山，東達(dá)呂梁山，輪廓呈矩形。根據(jù)現(xiàn)今的構(gòu)造形態(tài)，可劃分為伊盟隆起、渭北隆起、天環(huán)坳陷、西緣沖斷帶、晉西撓褶帶及陜北斜坡等6個一級構(gòu)造單元(圖1)。鄂爾多斯盆地不但以石油、天然氣及煤炭等礦產(chǎn)資源蘊藏豐富而聞名于國內(nèi)外，而且其內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，周緣露頭發(fā)育、地層出露齊全而著稱(盛軍等，2018)，這種得天獨厚的綜合條件決定了該盆地是我國陸上實施CO2地質(zhì)封存最有利和最安全的地區(qū)之一。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元劃分圖Fig. 1 Tectonic unit division map of the Ordos Basin

2 鄂爾多斯盆地CO2地質(zhì)封存區(qū)域邊界確定

考慮到影響CO2地質(zhì)封存的地質(zhì)要素涉及到溫壓、儲層、構(gòu)造及蓋層等條件，本文借助大量的地質(zhì)、鉆井、地球物理及室內(nèi)實驗資料，對鄂爾多斯盆地馬家溝組地層水礦化度、溫壓、儲層、構(gòu)造及蓋層條件進行研究分析，從而確定CO2地質(zhì)封存區(qū)域的邊界。研究表明，鄂爾多斯盆地適宜CO2地質(zhì)封存的地區(qū)位于擺宴井—沙井子斷裂以東、渭北隆起北緣斷裂以北、黃河斷裂以西、伊盟隆起以南的廣大地區(qū)，主要包括伊陜斜坡和天環(huán)坳陷內(nèi)的除中央古隆起缺失區(qū)以外的馬家溝組分布地區(qū)。

2.1 地層水礦化度條件

通過對鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組200個地層水樣品進行系統(tǒng)測試、分析，得到馬家溝組地層水的平均總礦化度為154.6 g/L，整體屬于鹵水層，且以CaCl2水型為主。與此同時，通過對下古生界馬家溝組鹵水樣品的礦化度分布進行分類，得知礦化度在50～100 g/L范圍內(nèi)的樣品數(shù)占樣品總數(shù)的16%，礦化度在100～150 g/L范圍內(nèi)的樣品數(shù)占樣品總數(shù)的18%，礦化度在150～200 g/L范圍內(nèi)的樣品數(shù)占樣品總數(shù)的29%，礦化度在200～250 g/L范圍內(nèi)的樣品數(shù)占樣品總數(shù)的23%，礦化度>250 g/L范圍內(nèi)的樣品數(shù)占樣品總數(shù)的14%。值得注意的是，黃河大斷裂以東地區(qū)馬家溝組地層水氯離子含量及礦化度整體不高(3.65 g/L)，水型均為NaHCO3，不適宜CO2地質(zhì)封存。因此研究區(qū)馬家溝組大部分屬于高礦化度—極高礦化度的鹵水層，且主要分布于黃河大斷裂以西的區(qū)域(圖2)。從保護人類賴以生存的淡水資源角度評價，馬家溝組適合CO2封存。

圖2 鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組地層水類型圖Fig. 2 The formation water types of the Ordovician Majiagou Formation in the Ordos Basin

2.2 溫壓條件

鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組頂面溫度由東部65～75℃向西逐漸增高至130～140℃，馬家溝組頂面壓力由東部20 MPa向西逐漸增高至40 MPa(孫玉景等，2018)，由此表明鄂爾多斯盆地馬家溝組的現(xiàn)代地下壓力場屬于正常壓力系統(tǒng)，溫度場屬于中低溫系統(tǒng)，且封存于馬家溝組的CO2均處于超臨界狀態(tài)(t>31.1℃且P>7.38 MPa; Dai Zhenxue et al., 2018)，這為CO2的有效注入和封存提供了合適的溫壓條件。

2.3 儲層條件

馬家溝組由內(nèi)源沉積巖(主要為碳酸鹽巖，其次為蒸發(fā)巖)及經(jīng)巖溶作用改造的碳酸鹽巖(即巖溶角礫巖)組成，偶見凝灰?guī)r和陸源碎屑巖(圖3)。研究區(qū)發(fā)育風(fēng)化殼型、白云巖型、巖溶縫洞型等多種類型的儲集體，其中風(fēng)化殼型儲集體和白云巖型儲集體主要分布于中央古隆起以東的盆地中東部地區(qū)，巖溶縫洞型儲集體分布于中央古隆起以西的盆地西部地區(qū)。馬家溝組巖石孔隙度范圍為1%～11%，其平均孔隙度為5%，滲透率范圍為(1～35)×10-3μm2(楊華等, 2013a, b, 2016)，由此表明，鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組深部鹽水層具有CO2地質(zhì)封存較好的儲層物性條件。

圖3 鄂爾多斯盆地馬家溝組儲層顯微特征Fig. 3 The reservoir microscopic characteristics of the Majiagou Formation in the Ordos Basin(a)Y2188，3570. 98 m, 馬家溝組， 方解石交代；(b)Y2193, 3804. 75～ 3804.88 m, 馬家溝組， 微裂縫， 未充填；(c)Y2188, 3568. 02 m, 馬家溝組， 晶間孔；(d)Y1728, 3644.93～3645.13 m, 馬家溝組， 灰?guī)r，晶間孔和晶內(nèi)溶孔(a) The Well Y2188, 3570. 98 m, Majiagou Formation,calcite metasomatic particles;(b) the Well Y2193, 3804. 75～ 3804.88 m, Majiagou Formation, microcracks, unfilled;(c) the Well Y2188, 3568. 02 m, Majiagou Formation, intercrystalline pores;(d) the Well Y1728, 3644.93～3645.13 m, Majiagou Formation, limestone, intercrystalline pores and intracrystalline pores

2.4 構(gòu)造條件

利用大量的地質(zhì)、鉆井、地球物理資料對鄂爾多斯盆地構(gòu)造特征進行研究，研究表明鄂爾多斯盆地適宜CO2地質(zhì)封存的地區(qū)位于擺宴井—沙井子斷裂以東、渭北隆起北緣斷裂以北、黃河斷裂以西、伊盟隆起以南的廣大地區(qū)，主要包括伊陜斜坡和天環(huán)坳陷內(nèi)的除中央古隆起缺失區(qū)以外的馬家溝組分布地區(qū)(圖4)。這一地區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定且馬家溝組沉積穩(wěn)定，其上的封蓋層也比較穩(wěn)定，封堵能力較強，能夠保證CO2地質(zhì)封存的泄露風(fēng)險很小。此范圍內(nèi)的馬家溝組是適宜CO2地質(zhì)封存的有利區(qū)，其面積約為14.1×104km2。

(1)西部邊界。鄂爾多斯盆地馬家溝組CO2地質(zhì)封存區(qū)域的西部邊界是擺宴井—沙井子斷裂(圖4F1)，這兩個斷裂是西緣構(gòu)造帶與天環(huán)坳陷的分界斷裂(張家聲等，2008；趙迪等，2019)。斷裂以西為構(gòu)造發(fā)育地區(qū)，逆沖推覆斷裂、高角度逆沖斷裂和褶皺廣泛分布，容易造成CO2泄露等安全問題，不適宜CO2地質(zhì)封存；斷裂以東構(gòu)造微弱，斷裂與褶皺均不發(fā)育，有利于CO2地質(zhì)封存。

(2)南部邊界。鄂爾多斯盆地馬家溝組CO2地質(zhì)封存區(qū)域的南部邊界是渭北隆起北緣斷裂，即渭北隆起與天環(huán)坳陷及伊陜斜坡的分界斷裂(圖4F2; 白相東等，2015)。該斷裂從西向東沿長武—旬邑—宜君—黃陵南呈北東向展布，斷裂以南為構(gòu)造發(fā)育地區(qū)，逆沖推覆斷裂、高角度逆沖斷裂和褶皺廣泛分布，不適宜CO2地質(zhì)封存；斷裂以北構(gòu)造微弱，斷裂與褶皺均不發(fā)育，地層產(chǎn)狀平緩，利于CO2地質(zhì)封存。

(3)東部邊界。鄂爾多斯盆地馬家溝組CO2地質(zhì)封存區(qū)域的東部邊界為晉西撓折帶與陜北斜坡的分界斷裂即吳堡—府谷東西向斷裂(圖4F3; 江濤，2010)，斷裂以西地層埋深大，構(gòu)造作用相對微弱，斷裂與褶皺均不發(fā)育，不易造成CO2泄露，適宜CO2地質(zhì)封存。斷裂以東構(gòu)造作用相對強烈，斷裂和褶皺較為廣泛(廖昌珍等，2007)，不利于實施CO2安全地質(zhì)封存。

(4)北部邊界。鄂爾多斯盆地馬家溝組向北厚度減薄并缺失，CO2地質(zhì)封存區(qū)域的北部邊界為馬家溝組缺失線(圖4F4)，該線以北(伊盟隆起)基本缺失馬家溝組(圖5)，不適宜CO2地質(zhì)封存。該斷裂以南則發(fā)育馬家溝組一段至五段，且蓋層發(fā)育完好，適宜CO2地質(zhì)封存(圖4)。

圖4 鄂爾多斯盆地馬家溝組適宜CO2地質(zhì)封存區(qū)域Fig. 4 The suitable areas for CO2 geological storage in the Majiagou Formation in the Ordos BasinF1—擺宴井—沙井子斷裂; F2—渭北隆起北緣斷裂; F3—黃河斷裂(吳堡—府谷東西向斷裂) ; F4—伊盟隆起(馬家溝組缺失線) F1—Baiyanjing—Shajingzi Fault; F2—Northern Margin of Weibei Uplift; F3—Yellow River Fault (Wubao—Fugu East—West Fault); F4—Yimeng Uplift (Missing line of the Majiagou Formation)

圖5 鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組厚度圖Fig. 5 The thickness map of the Ordovician Majiagou Formation in the Ordos Basin

2.5 蓋層條件

CO2能否永久性地質(zhì)儲存，主要取決于CO2儲集層上覆沉積蓋層的封蓋能力(劉苗苗等，2020)。鄂爾多斯盆地中東部馬家溝組主要為馬五段風(fēng)化殼溶巖儲層，所以上石炭統(tǒng)底部的鋁土巖是其直接蓋層，石炭系與山西組泥質(zhì)巖和海相碳酸鹽巖可作為馬家溝組儲層的間接蓋層，上石盒子組和石千峰組泥質(zhì)巖可作為馬家溝組儲層的區(qū)域封蓋層(表1)。鄂爾多斯盆地西部分布著馬六段，其上是中上奧陶統(tǒng)烏拉力克組、拉什仲組及背鍋山組且不發(fā)育石膏巖和鹽巖，所以馬六段直接蓋層是烏拉力克組，太原組灰?guī)r、石炭系與山西組泥質(zhì)巖和海相碳酸鹽巖可作為馬家溝組儲層的間接蓋層，上石盒子組和石千峰組泥質(zhì)巖可作為馬家溝組儲層的區(qū)域封蓋層。馬家溝組的蓋層性能較好，可永久性地質(zhì)封存CO2。

表1 鄂爾多斯盆地馬家溝組CO2封存蓋層類型及封蓋能力Table 1 Types and sealing capacity of CO2 storage caprocks in the Majiagou Formation, Ordos Basin

3 CO2地質(zhì)封存區(qū)域優(yōu)選因素

確定鄂爾多斯盆地馬家溝組CO2地質(zhì)封存的安全區(qū)域邊界之后，出于CO2地質(zhì)封存技術(shù)性(儲層物性)和經(jīng)濟性(距離CO2捕集裝置遠(yuǎn)近、勘探程度、地層埋深及對其他礦產(chǎn)開發(fā)的影響)考慮，結(jié)合區(qū)域條件再優(yōu)選出儲層條件優(yōu)越、距離CO2排放源較近、勘探程度較高且對其他礦產(chǎn)開發(fā)影響甚微的地區(qū)，進行CO2地質(zhì)封存區(qū)預(yù)選。

3.1 儲層物性

鄂爾多斯盆地不同地區(qū)馬家溝組儲層分布及物性等方面差異較大，而儲層條件又決定著CO2地質(zhì)封存量的大小，所以出于技術(shù)可行性考慮，在優(yōu)選CO2地質(zhì)封存有利區(qū)優(yōu)選時儲層條件是需要考慮的最重要的因素之一。

通過對鉆井、露頭及地震資料進行研究，并參照楊華等(2011，2013a，b，2016)的研究結(jié)果，將鄂爾多斯盆地馬家溝組儲層分為4類：中部風(fēng)化殼(Ⅰ)、古隆起周邊白云巖體(Ⅱ)、臺緣相帶(Ⅲ)、東部鹽下(Ⅳ)(圖6)。其中中部風(fēng)化殼(Ⅰ)與東部鹽下(Ⅳ)在東部鹽下(Ⅳ)范圍內(nèi)屬于上下疊合的關(guān)系。這些都是目前受到重點關(guān)注的儲集體，主要位于馬五段，也有部分位于馬四段和馬六段。

圖6 鄂爾多斯盆地奧陶系碳酸鹽巖儲集體類型(楊華等，2006)Fig. 6 The Ordovician carbonate reservoir types in the Ordos Basin (from Yang Hua et al., 2006&)

(1)中部風(fēng)化殼(Ⅰ)。該類儲集體主要分布在鄂爾多斯盆地中東部，東部鹽下(Ⅳ)范圍內(nèi)上部的風(fēng)化殼也屬于該類儲集體，但其古巖溶地貌屬于巖溶盆地。著名的靖邊氣田的儲層就屬于該類儲集體。風(fēng)化殼型儲集體主要發(fā)育在奧陶系馬家溝組馬五亞段上部的含膏白云巖中，其白云巖基質(zhì)多呈泥粉晶結(jié)構(gòu)，因發(fā)育硬石膏結(jié)核、膏鹽礦物晶體等易溶礦物組構(gòu)，在風(fēng)化殼期的大氣淡水淋溶作用下，易溶膏鹽礦物溶解形成溶孔型儲集體，儲集空間主要為溶孔和鑄?？?賴錦等，2020)。這種圈閉主要受控于盆地前石炭紀(jì)古地貌，與侵蝕溝槽及成巖致密帶相配置，可以構(gòu)成大型古地貌—成巖復(fù)合圈閉。

儲集性能在平面上具有明顯的差異，自西向東儲層物性總體上具有變差的趨勢。烏審旗—靖邊—延安一帶屬于巖溶斜坡且為白云石填充區(qū)，儲層物性較好，平均孔隙度為5.7%，平均滲透率為3.482×10-3μm2(楊華等，2013b)，劃分為Ⅰ1區(qū)。榆林—米脂一帶屬于巖溶盆地且為方解石填充，平均孔隙度為3.4%，平均滲透率為0.834×10-3μm2，劃分為Ⅰ2區(qū)(楊華等，2013b)。

(2)古隆起周邊白云巖體(Ⅱ)。古隆起周邊白云巖體主要目的層為奧陶系馬家溝組馬五段中下部及馬四段白云巖。在馬五5、馬五7、馬五9與馬四段等沉積期，古隆起東側(cè)地區(qū)近南北向分布臺坪相帶，水動力較強，有利于發(fā)育淺水顆粒灘相沉積。經(jīng)歷淺埋藏期的混合水云化作用及風(fēng)化殼期的巖溶作用，可以形成晶間孔、晶間溶孔發(fā)育的白云巖儲層(楊華等，2011)。白云巖為粗粉晶—細(xì)晶結(jié)構(gòu)，白云石自形程度較高，多為半自形—自形狀，發(fā)育大量晶間(溶)孔。

該類儲層呈環(huán)帶狀分布于古隆起東側(cè)，厚度為4.0～20m，連片性好，向東白云巖儲層呈透鏡狀展布。平均孔隙度為4.6%，平均滲透率為0.431×10-3μm2(楊華等，2013b)。

(3)臺緣相帶(Ⅲ)。臺緣相帶主要發(fā)育于盆地西部克里摩里組臺緣相帶顆?；?guī)r中?？死锬锝M作為古風(fēng)化殼的范圍較小，呈現(xiàn)為南北向展布的條帶狀(圖7)，西側(cè)克里摩里組上覆地層為烏拉力克組，兩者之間為連續(xù)沉積，所以不發(fā)生強烈溶蝕作用。石灰?guī)r由于其易溶性，再疊加構(gòu)造抬升導(dǎo)致的張裂作用，極易在風(fēng)化殼期形成較大規(guī)模的巖溶縫洞體系(包括地下暗河等)。由于后期巖溶塌陷作用與周圍地層的圍限，部分洞穴未充填，部分被泥質(zhì)角礫巖充填，但礫間充填物成巖程度低，孔隙仍然較發(fā)育，孔隙度為5%～11%，孔隙類型以晶間(溶)孔、角礫溶孔和溶縫為主，儲層厚度一般為3～12 m。臺緣相帶除了古風(fēng)化殼溶蝕儲層以外，還存在礁灘相帶。

圖7 鄂爾多斯盆地現(xiàn)代煤化工基地及下古生勘探程度綜合圖Fig. 7 Comprehensive map of the modern coal chemical base and the exploration degree of the lower Paleozoic in the Ordos Basin

(4)東部鹽下(Ⅳ)。位于鄂爾多斯盆地東部馬五、馬三及馬一段均發(fā)育膏鹽巖，其中馬五段是馬家溝組最后一期蒸發(fā)旋回形成的沉積地層，內(nèi)部又可進一步細(xì)分為馬五10、馬五8、馬五6、馬五44個主要的膏鹽巖層段，尤以馬五6亞段的膏鹽巖分布范圍為最廣，面積約5×104km2，主要分布在盆地中東部的陜北米脂鹽洼沉積相區(qū)。

鹽下及鹽間白云巖儲層是實施CCS工程的有利層位，原因如下：①膏鹽層具有良好的封蓋作用；②鹽下及鹽間的馬五7亞段、馬五9亞段、馬四段等白云巖層中也發(fā)育良好的晶間孔型白云巖儲層；③由于膏鹽巖層在區(qū)域應(yīng)力變化下發(fā)生塑性形變, 可以在鹽下形成大量的鼻狀隆起構(gòu)造，與鹽間白云巖儲層相配合，可以形成有效的構(gòu)造—巖性復(fù)合圈閉(楊華等，2011)。

3.2 距離CO2捕集裝置遠(yuǎn)近

距離CO2捕集裝置遠(yuǎn)近決定了CCS工程實施成本大小，距離太遠(yuǎn)，運輸費用增加，不利于CO2地質(zhì)封存項目開展，所以盡可能地選擇與CO2源排放源距離較近的地區(qū)實施CO2地質(zhì)封存。鄂爾多斯盆地CO2源主要集中在陜西榆林市、延安市、寧夏寧東能源化工基地、內(nèi)蒙古鄂爾多斯市，此外鄂爾多斯盆地南緣的陜西咸陽、渭南、韓城等地也有一些CO2排放源?，F(xiàn)代煤化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的CO2排放強度大、濃度高，捕集成本較低，非常有利于CO2捕集。鄂爾多斯盆地的現(xiàn)代煤化工項目位于榆林、鄂爾多斯、寧東、包頭及蒲城，目前已經(jīng)運行的是榆林煤化公司的5×104/a CO2捕集裝置，在建的是中煤榆林能化公司的36×104/a CO2捕集裝置。為了獲得低成本CO2，在選擇封存地點時，首先考慮接近已經(jīng)布局現(xiàn)代煤化工項目及CO2捕集裝置的地區(qū)(圖7)。

3.3 勘探程度

在進行CO2地質(zhì)封存有利區(qū)優(yōu)選時，出于經(jīng)濟性考慮，選擇勘探程度較高的地區(qū)開展CCS工程項目。在CCS項目開展過程中，為了了解地下巖石、儲層及物性、蓋層等地質(zhì)情況，必須實施鉆井、測井和三維地震等工程資料來積累資料，而獲取這些資料的費用極其巨大。選擇勘探程度較高的地區(qū)，既可以充分利用已有的勘探資料選擇最適宜實施CO2地質(zhì)封存的區(qū)塊并設(shè)計較佳的施工方案，也可以盡量利用已有鉆井及CO2運輸和注入所需的基礎(chǔ)設(shè)施，節(jié)省巨額工程費用。鄂爾多斯盆地下古生界勘探程度較高的地區(qū)(主要是靖邊氣田)如圖7所示。

3.4 地層埋深

在進行CO2地質(zhì)封存有利區(qū)優(yōu)選時，出于封存效果和封存成本考慮，地層埋深不宜過深也不宜過淺，埋深過大會導(dǎo)致施工成本急劇升高，而埋深較小可能會造成CO2泄露，因此需要選擇合適的地層埋深進行CO2地質(zhì)封存。就鄂爾多斯盆地而言，在謹(jǐn)慎原則下，地層埋深至少需要超過800 m，才能夠保證所注入的CO2處于超臨界狀態(tài)。而鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組頂面埋深呈現(xiàn)為東高西低的簡單斜坡，東部奧陶系頂面埋深1000 m左右，西部奧陶系頂面馬家溝組埋深4000～5200 m，這樣的地層埋深條件完全可保證所注入的CO2處于超臨界狀態(tài)，為降低CO2封存工程費用，合適的埋深是區(qū)域優(yōu)選時應(yīng)該考慮的因素(圖8)。

圖8 鄂爾多斯盆地馬家溝組頂面埋深圖Fig. 8 The buried depth map of the top surface of the Majiagou Formation in the Ordos Basin

3.5 對其他礦產(chǎn)開發(fā)的影響

出于封存安全性考慮，在進行CO2地質(zhì)封存區(qū)域優(yōu)選時，選擇對鄂爾多斯盆地內(nèi)部其他礦產(chǎn)開發(fā)影響甚微的區(qū)域進行封存。鄂爾多斯盆地馬家溝組蘊藏的礦產(chǎn)主要是天然氣和巖鹽，其上地層中含有煤炭、煤層氣、石油與天然氣、鋁土礦、鈾礦等資源(路玉林，2015)。

對于天然氣藏來說，如果注入地下的CO2與天然氣混在一起，在開采天然氣時不可避免地要將CO2一起帶到地面，然后進行分離，這樣一方面增加費用，另一方面影響封存效果，應(yīng)該盡量避免此類情況的發(fā)生。鄂爾多斯盆地目前已探知的天然氣藏主要在靖邊氣田(馬家溝組)、米脂氣田(上古生界)、大牛地氣田(上古生界)等幾個氣田，這些氣田儲層物性較好、鉆井、地震等資料較多，所以可以在氣田開發(fā)結(jié)束后利用已有的鉆井及地質(zhì)資料實施廢棄氣田CO2地質(zhì)封存。對于已經(jīng)確定的沒有天然氣藏的地區(qū)可以直接在鹽水層開展CO2地質(zhì)封存項目。

鄂爾多斯盆地的石油主要賦存于三疊系延長組和侏羅系延安組，其與馬家溝組之間的地層包括石炭系—二疊系，這些地層中包含多個封堵能力良好的隔層(趙家銳等，2020)，被封存在馬家溝組的CO2幾乎不可能遷移到上覆的三疊系延長組和侏羅系延安組，鄂爾多斯盆地馬家溝組CO2地質(zhì)封存對石油開發(fā)影響甚微。

鄂爾多斯盆地的煤炭資源從下往上劃分為石炭—二疊系、三疊系、侏羅系三套煤層。其中石炭—二疊系在適宜馬家溝組CO2地質(zhì)封存的區(qū)域(伊陜斜坡和天環(huán)坳陷)埋深較大，一般超過1500 m甚至2000 m，為不可開采煤層；三疊系煤層分布范圍很有限，僅在子長一帶達(dá)到可采厚度；侏羅系延安組煤層分布在盆地中部延安、延川、延長一帶之外的地區(qū)，其與馬家溝組之間的地層包括石炭系—二疊系與三疊系地層，這些地層中包含多個封堵能力良好的隔層，封存于馬家溝組的CO2幾乎不可能遷移到侏羅系延安組。

鄂爾多斯盆地煤層氣主要產(chǎn)于石炭系—二疊系和侏羅系，其中石炭—二疊系含氣量較高(馮三利等，2002)。在適宜馬家溝組CO2地質(zhì)封存的區(qū)域(伊陜斜坡和天環(huán)坳陷)埋深較大，石炭系—二疊系埋深一般超過1500 m甚至2000 m，目前技術(shù)條件下不適宜煤層氣開采。此外，由于煤體表面對CO2的吸附能力是對甲烷吸附能力的1～10倍，在煤層中注入CO2，煤層會吸附大量CO2分子，煤層氣可較容易地從煤體中解吸，如果馬家溝組封存的CO2進入石炭系—二疊系煤層，將會有助于煤層氣開發(fā)。侏羅系埋深淺，但是含氣量較低，其與馬家溝組之間的地層包括石炭系—二疊系與三疊系地層，這些地層中包含多個封堵能力良好的隔層，被封存在馬家溝組的CO2幾乎不可能遷移到侏羅系延安組?？傊鯛柖嗨古璧伛R家溝組CO2地質(zhì)封存對煤層氣開發(fā)不會產(chǎn)生明顯的不利影響。

鄂爾多斯盆地巖鹽主要賦存于馬家溝組一段、三段、五段，位于盆地東部，面積較小(唐雪松，2017)，如果CO2遷移到巖鹽或其周邊，在開發(fā)巖鹽時CO2會從地下逃逸造成危害，所以在選擇CO2地質(zhì)封存場址時應(yīng)該避開巖鹽發(fā)育區(qū)。

分布于鄂爾多斯盆地山西保德、河曲、興縣和臨縣—中陽3個區(qū)的鋁土礦均賦存于石炭系本溪組，陜西境內(nèi)鋁土礦分布在府谷和韓城的石炭—二疊系煤系地層中，甘肅鋁土礦分布在慶陽的環(huán)縣、寧縣，內(nèi)蒙古也有分布(路玉林等，2015)。鋁土礦資源多分布在盆地周緣并非適宜馬家溝組CO2地質(zhì)封存的區(qū)域，而且目前僅在山西柳林、中陽、興縣等地開采，所以鄂爾多斯盆地馬家溝組CO2地質(zhì)封存對鋁土礦開發(fā)不會產(chǎn)生明顯的不利影響。

鄂爾多斯盆地砂巖型鈾礦主要分布在盆地周緣的不適宜馬家溝組CO2地質(zhì)封存的東勝、隴縣、黃陵地區(qū)(俞礽安等，2019)，鄂爾多斯盆地馬家溝組CO2地質(zhì)封存對砂巖型鈾礦開發(fā)不會產(chǎn)生不利影響。

4 地質(zhì)封存區(qū)域優(yōu)選結(jié)果

根據(jù)上述研究，將CO2地質(zhì)封存儲集體劃分為6個等級(表2)。其中烏審旗—靖邊—延安巖溶斜坡區(qū)(Ⅰ1)的層位為馬五上部，巖溶古地貌為巖溶斜坡，平均孔隙度和滲透率均較高, 與CO2排放源的距離很近，勘探程度很高，地質(zhì)資料豐富，埋深非常合適，為最佳CO2封存區(qū)(圖9)。榆林—米脂巖溶盆地區(qū)(Ⅰ2)的層位為馬五上部，巖溶古地貌為巖溶盆地，平均孔隙度一般，滲透率較高, 與CO2排放源的距離較近，勘探程度高，地質(zhì)資料豐富，埋深合適，特別是分布于溶蝕溝槽(谷)兩側(cè)的殘丘，層位相對保留完整，巖溶作用相對較強，物性較好，是CO2地質(zhì)封存的有利場所(圖9)。古隆起周邊白云巖體(Ⅱ)的層位為馬五中下部及馬四，巖溶古地貌為巖溶高地，平均孔隙度較高，滲透率較低, 與CO2排放源的距離較遠(yuǎn)，勘探程度一般，地質(zhì)資料不足，埋深較為合適，是CO2地質(zhì)封存的備選場所。臺緣相帶(Ⅲ)層位為克里摩里組，巖溶古地貌為巖溶高地，平均孔隙度較高，與CO2排放源的距離較近，勘探程度一般，地質(zhì)資料不足，埋深過大，施工成本較高，是CO2地質(zhì)封存的備選場所。東部鹽下(Ⅳ)層位為馬五下部及馬四，巖溶古地貌為巖溶盆地，物性不詳，與CO2排放源的距離較遠(yuǎn)，勘探程度較低，地質(zhì)資料不足，埋深過小，是CO2地質(zhì)封存的備選場所。其他儲集體層位為馬四、馬三、馬二、馬一，物性不詳，與CO2排放源的距離遠(yuǎn)近皆有，勘探程度低，地質(zhì)資料非常少，有待進一步評價，是CO2地質(zhì)封存的備選場所。

表2 鄂爾多斯盆地馬家溝組CO2地質(zhì)封存有利區(qū)優(yōu)選成果表Table 2 Optimal results of favorable areas for CO2 geological storage in the Majiagou Formation, Ordos Basin

圖9 鄂爾多斯盆地馬家溝組CO2封存有利區(qū)優(yōu)選圖Fig. 9 Map of the favorable for optimal CO2 sequestration in the Majiagou Formation in the Ordos Basin

5 結(jié)論

(1)通過對地層水礦化度條件、溫壓條件、儲層條件、構(gòu)造條件及蓋層條件進行系統(tǒng)研究，得知鄂爾多斯盆地適宜CO2地質(zhì)封存的地區(qū)位于擺宴井—沙井子斷裂以東、渭北隆起北緣斷裂以北、黃河斷裂以西、伊盟隆起以南的廣大地區(qū)，主要包括伊陜斜坡和天環(huán)坳陷內(nèi)的除中央古隆起缺失區(qū)以外的馬家溝組分布地區(qū)。

(2)CO2地質(zhì)封存區(qū)域優(yōu)選因素主要從封存技術(shù)性及封存經(jīng)濟性進行考慮，主要針對區(qū)域內(nèi)各儲集體物性及其古巖溶類型、距離CO2排放源遠(yuǎn)近、勘探程度、地層埋深及對其他礦產(chǎn)開發(fā)的影響程度展開研究。

(3)確定鄂爾多斯盆地馬家溝組CO2地質(zhì)封存的區(qū)域邊界之后，結(jié)合CO2地質(zhì)封存區(qū)域優(yōu)選因素，優(yōu)選得出烏審旗—靖邊—延安巖溶斜坡區(qū)(Ⅰ1)為最佳CO2地質(zhì)封存區(qū)，榆林—米脂巖溶盆地區(qū)(Ⅰ2)是CO2地質(zhì)封存的有利場所。