王紫劍，唐 玄,2，荊鐵亞，游銘心，張金川,2，李 振，周 娟

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083；2.自然資源部 頁巖氣戰(zhàn)略評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

0 引 言

目前CO2封存的方式主要有地質(zhì)封存、海洋封存、礦石碳化、工業(yè)利用、生態(tài)封存等，其中海洋封存具有應(yīng)用潛力，但該方案涉及技術(shù)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境影響等一系列復(fù)雜的問題有待解決，故目前尚處于探索階段；礦石碳化及工業(yè)利用由于耗能高、封存時間短等因素發(fā)展?jié)摿Σ⒉粯酚^[1]。因此CO2地質(zhì)封存 (Carbon Geology Storage，CGS) 技術(shù)被視為一種直接、有效的減排手段，將原本排放到大氣中的CO2轉(zhuǎn)移到地下儲層進(jìn)行封閉，從而達(dá)到減少CO2向大氣中排放的目的[2-4]。國內(nèi)外CO2地質(zhì)封存選址分為三類：在短期內(nèi)因?yàn)槿鄙俳?jīng)濟(jì)效益而不能用于開采和開發(fā)的深煤層[5]，已衰竭或者廢棄的石油和天然氣藏，以及不含飲用水的深部咸水層[6-7]。目前多個國家已經(jīng)相繼展開了CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目的試驗(yàn)，主要還是集中在美國、加拿大、澳大利亞和歐洲多個國家[8]，這些國家目前都已實(shí)現(xiàn)了CO2年封存量達(dá)百萬噸級的工業(yè)化。但對于年封存量百萬噸級的CO2封存選址不單要考慮地層特點(diǎn)，還要綜合考慮圈閉的類型、蓋層的性質(zhì)、地層的可注入性以及碳源運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)效益等，這些因素對年封存量百萬噸級的選址及地質(zhì)封存的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要，但目前國內(nèi)外沒有依據(jù)圈閉類型為封存量每年百萬噸級CO2地質(zhì)封存選址或?qū)Ω黝愋腿﹂]的地質(zhì)因素提出相應(yīng)的指標(biāo)。相比國外，中國的CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目起步較晚，封存量以每年十萬噸級CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目為主。2011年，神華CO2封存項(xiàng)目向鄂爾多斯盆地咸水層中注入CO2(10萬噸/年)，該項(xiàng)目是國內(nèi)第一個咸水層地質(zhì)封存實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[8-10]；隨后吉林油田、延長油田和中原油田都相繼建成CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目，在實(shí)現(xiàn)CO2地質(zhì)封存的同時提高油田采出率[8, 11-12]。我國目前年封存量百萬噸級規(guī)模的地質(zhì)封存技術(shù)尚不成熟，缺少百萬噸級CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目相關(guān)的選址、封存和監(jiān)測經(jīng)驗(yàn)[8]。因此，本文在針對世界上15個代表性的百萬噸級CO2地質(zhì)封存工業(yè)化項(xiàng)目成功案例調(diào)研基礎(chǔ)上，按照封存場地圈閉地質(zhì)類型劃分了構(gòu)造型圈閉(背斜型、斷層型和裂縫型)和巖性型圈閉(砂巖型和碳酸鹽巖型)兩大類。明確不同類型圈閉CO2地質(zhì)封存選址的參數(shù)類型與范圍，從儲層規(guī)模、儲層物性、蓋層地質(zhì)特征和水動力條件等角度，指出了不同類型圈閉的CO2地質(zhì)封存選址原則和標(biāo)準(zhǔn)，提出了規(guī)模性、注入性、安全性和經(jīng)濟(jì)性4大指標(biāo)，為中國年封存量百萬噸級CO2封存提供選址依據(jù)。

1 CO2地質(zhì)封存圈閉類型劃分及典型案例分析

進(jìn)入20世紀(jì)以來，CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目受到越來越多國家的重視。截至2020年，全球共有20個年封存量百萬噸級CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目，其中美國和加拿大執(zhí)行的項(xiàng)目居多(圖1)。1996年挪威主導(dǎo)的Sleipner項(xiàng)目是世界上第一個商業(yè)規(guī)模的地質(zhì)封存項(xiàng)目，將CO2封存在深部咸水層(100萬t/a)；2000年，美國與加拿大合作在 Weyburn 油田注入 Great Plain Synfuels Plant 和 SaskPower 電廠捕集的CO2，在提高瀕臨枯竭油田采油率同時，累計(jì)封存CO2達(dá)2600多萬噸；2016年在澳大利亞進(jìn)行的Gorgon項(xiàng)目是迄今為止預(yù)封存量最大的項(xiàng)目(1億t)；2020年加拿大主導(dǎo)的Alberta Trunk項(xiàng)目是迄今為止最新的CO2年封存量百萬噸級封存項(xiàng)目(140萬t/a)。

圖1 全球年封存量百萬噸級CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目分布(底圖據(jù)文獻(xiàn)[13])Fig.1 Distribution of large-scale CO2 geological storage projects in the world(base map after ref. [13])

1.1 CO2地質(zhì)封存圈閉類型劃分

CO2在地質(zhì)封存中可以封存在衰竭油氣田、不可采的煤層和深部咸水層中[14]。理論上所有油氣儲層都可以成為CO2封存潛在的選址對象。本文借鑒石油與天然氣地質(zhì)學(xué)圈閉類型劃分方案，將CO2地質(zhì)封存空間從地質(zhì)角度劃分為兩個大類：構(gòu)造型圈閉和巖性型圈閉(表1)。構(gòu)造型圈閉分為背斜型、斷層型和裂縫型，巖性型圈閉分為砂巖型和碳酸鹽巖型。本文統(tǒng)計(jì)了數(shù)據(jù)較為齊全的世界上15個年封存量百萬噸級CO2地質(zhì)封存工業(yè)化項(xiàng)目選址的相關(guān)地質(zhì)數(shù)據(jù)，其中背斜型圈閉最適宜年封存量百萬噸級CO2地質(zhì)封存，但是裂縫型和斷層型圈閉滿足特定條件也可被選址封存CO2；相比于碳酸鹽巖型圈閉，國外大部分項(xiàng)目選址在穩(wěn)定性較高的砂巖型圈閉中。

1.2 典型案例分析

1.2.1 背斜型圈閉

迄今為止世界上進(jìn)行的CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目中，背斜型圈閉是百萬噸級CO2地質(zhì)封存的首選，如挪威在1996年起執(zhí)行的Sleipner項(xiàng)目和阿爾及利亞的In Salah項(xiàng)目等。一方面背斜型圈閉構(gòu)造較為簡單，能夠穩(wěn)定且長期封存CO2；另一方面背斜型圈閉是油氣探勘的重點(diǎn)區(qū)域，該類型圈閉井位多、數(shù)據(jù)全，被認(rèn)為是CO2封存中理想的儲集空間。

挪威Sleipner項(xiàng)目是世界上第一個深部咸水層百萬噸級CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目，該項(xiàng)目選址在背斜型圈閉(圖2)。其儲層(Utsira)本身具有較高的孔、滲條件(孔隙度達(dá)到35%～40%，波動范圍??；平均滲透率為2 D,1 D=1 μm2)，有足量的地下空間儲集CO2(預(yù)計(jì)共注入2 000萬t)；Utsira儲層不受大型斷層和裂縫的影響，地質(zhì)條件穩(wěn)定，內(nèi)部的泥巖夾層構(gòu)成的低滲透隔板，可以顯著抑制CO2羽流向上逸散。儲層上方近200 m厚的低滲(水平滲透率為0.001 mD，垂向滲透率為0.000 4 mD,1 mD=10-3μm2)頁巖蓋層(Nordland)具有很好的封存能力，儲、蓋層之間巨大的滲透率差值致使CO2極難突破毛管排驅(qū)壓力而泄漏[17-19]。

圖2 挪威Sleipner項(xiàng)目CO2封存場地地質(zhì)模式(底圖據(jù)文獻(xiàn)[18])Fig.2 Geological concept model of the CO2 storage site of the Sleipner project in Norway(base map after ref. [18])

1.2.2 斷層型圈閉

將CO2封存在斷層型圈閉中存在較大的風(fēng)險和安全隱患。由于斷層特征在空間上的多變及具有不均質(zhì)性，蓋層對斷層型圈閉的封堵性是最關(guān)鍵的考慮指標(biāo)。蓋層不僅要求厚度足夠大，而且?guī)r性應(yīng)該是極低滲的巖石。當(dāng)選址為斷層型圈閉封存CO2時，要對斷層的穩(wěn)定性和封閉性進(jìn)行詳細(xì)研究，放棄貫穿儲、蓋的斷層，起到封蓋作用的斷層可以作為選址區(qū)域。此外，只發(fā)育在儲層內(nèi)部的斷層，其蓋層本身不受斷層影響的斷層型圈閉也可選址為年封存量百萬噸級CO2封存場所。針對于斷層型圈閉前期CO2的運(yùn)移模擬以及后期的監(jiān)測是必不可少的，以確保長期有效地封存CO2。

巴西Petrobras項(xiàng)目是巴西第一個年封存量百萬噸級CO2封存項(xiàng)目[24]，該項(xiàng)目選址在Buracica油田的斷層型圈閉中(圖3)。該圈閉的地質(zhì)特點(diǎn)是斷層本身作為儲層的側(cè)面封蓋作用，地層較為破碎，具有多套的儲層和蓋層且儲層和蓋層交替分布。Sergi 層作為主注入封存層位，具有較好的孔、滲、飽條件，平均孔隙度約為22%，平均初始含水飽和度約為24%，平均滲透率為570 mD。與Sergi 層直接接觸的是主力蓋層Itaparica 1層，是厚度為18m的頁巖蓋層，平均滲透率在0.000 3 mD以下。在主力儲層之上存在兩個備用儲層，分別是位于Sergi層頂部上方約18 m處6 m厚的Arenito B層和位于Arenito B層頂部上方約30 m處6 m厚的gua Grande層，兩套備用儲層的巖性都是砂巖，都可能儲存從下方Sergi儲層遷移來的CO2。在備用儲層Arenito B層之上的是蓋層Itaparica 2層，與Itaparica 1層的巖性和滲透率相同，但I(xiàn)taparica 2層的厚度達(dá)到30 m；與備用儲層gua Grande層直接接觸的蓋層是Taua層，厚度為30 m，平均滲透率為0.000 36 mD；在Taua層之上分別是由厚泥質(zhì)沉積與灰?guī)r和濁積砂巖互層的Candeias層以及由頁巖、粉砂巖、砂巖和鈣質(zhì)砂巖填充的Taquipe層，均作為防止CO2向上逸散的蓋層[22-24]。

圖3 巴西Petrobras Santos項(xiàng)目CO2封存場地地質(zhì)模式(底圖據(jù)文獻(xiàn)[24])Fig.3 Geological model of the CO2 storage site of the Petrobras Santos project in Brazil(base map after ref. [24])

1.2.3 裂縫型圈閉

裂縫構(gòu)造對于CO2封存是一把“雙刃劍”。一方面裂縫被認(rèn)為是CO2的潛在逸出通道，可能會破壞特定儲存地點(diǎn)的封儲能力；另一方面裂縫本身也可以作為CO2運(yùn)移的通道和封存空間。目前世界上年封存量百萬噸級CO2封存選址在裂縫構(gòu)造的案例相對較少。裂縫型儲層非均質(zhì)性極強(qiáng)，從基質(zhì)到裂縫帶，滲透率相差很大。裂縫型圈閉對注入井的要求較高，注入壓力要超過最小地應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度；而且注入井的方向要垂直裂縫帶的延展方向，這樣就會發(fā)生水力壓裂并在儲層內(nèi)產(chǎn)生原裂縫帶方向的拉伸裂縫，有利于CO2的遷移和從該方向注入的多余孔隙壓力的消散[50]。由于裂縫型圈閉存在一定的不穩(wěn)定性且注入井水力壓裂產(chǎn)生新的裂縫可能會影響原生的裂縫帶，因此選址裂縫型圈閉還要考慮圈閉的側(cè)面封堵作用以及對裂縫型圈閉進(jìn)行裂縫動態(tài)評價。所以前期CO2的運(yùn)移模擬以及后期的監(jiān)測是必不可少的，確保能長期有效地封存CO2。

法國的Lacq項(xiàng)目是法國第一個CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目，為年封存量十萬噸級CO2封存項(xiàng)目，選址在Lacq盆地的Rousse枯竭氣田裂縫型圈閉中(圖4)。CO2封存的層位是4 500 m深、厚度為120 m的Mano層中，該層為白云質(zhì)儲層，基質(zhì)孔隙度為2%～4%，受裂縫的影響滲透率為5 mD；Mano儲集層受邊界斷層的封閉作用， Albo Aptian層黏土作為側(cè)蓋層，頂部蓋層是近800 m厚的泥灰?guī)r、頁巖和泥巖互層的Flysh層[25-26]。

1.2.4 砂巖尖滅型圈閉

國外年封存量百萬噸級CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目中，多數(shù)選址在砂巖型圈閉中，一方面是由于國外的砂巖儲層物性較好，不僅有足夠的地下儲集空間封存百萬噸級CO2，而且地層的注入性難度較低；另一方面砂巖型圈閉多數(shù)是油氣聚集的場所，在項(xiàng)目初期進(jìn)行注入CO2驅(qū)替地層中難以開采的原油提高原油采收率(CO2—EOR)，在項(xiàng)目后期注入CO2實(shí)現(xiàn)碳封存的目的。國外CO2封存砂巖圈閉一般都是發(fā)育在海相砂巖地層。砂體以濱海砂巖(Illinois-Mt. Simon Sandstone)、潮坪(Quest-BCS)、濁積砂巖(Gorgon-Dupuy)等海相砂巖為主，往往在平面上分布穩(wěn)定、面積廣大、儲集性優(yōu)越(孔隙度在15%以上，很多可以高達(dá)35%；滲透率幾十到幾百mD)，巖石成分和結(jié)構(gòu)成熟度高、膠結(jié)物少[51]，一般埋深在2 000～3 000 m之間，以一套砂巖居多，但是也存在如美國密西西比Kemper項(xiàng)目白堊紀(jì)多套砂巖共同封存的情況[36]。

圖4 法國Lacq項(xiàng)目CO2封存場地地質(zhì)模式(底圖據(jù)文獻(xiàn)[25])Fig.4 Geological model map of the CO2 storage site of the Lacq project in France(base map after ref. [25])

圖5 澳大利亞Gorgon項(xiàng)目CO2封存場地地質(zhì)模式(底圖據(jù)文獻(xiàn)[29])Fig.5 Geological model of the CO2 storage site of the Gorgon project in Australia(base map after ref. [29])

澳大利亞Gorgon項(xiàng)目是澳大利亞在2009年執(zhí)行的世界上最大的CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目，該項(xiàng)目選址在巴羅島斜坡背景下砂巖尖滅型圈閉Dupuy層儲層中(圖5)，地層深度在2 000～2 500 m之間，總厚度為200～500 m。該地層具有中等孔隙度(約22%)，滲透率為30～100 mD。Dupuy層頂部的巴羅群頁巖(BBGS)是直接且主要的蓋層單元。Dupuy層被分為4個主要巖石單元，分別是Basal Dupuy層、 Lower Dupuy層、Upper Massive Sand層和 Upper Dupuy層。Basal Dupuy層巖性是菱鐵礦膠結(jié)的細(xì)粒至中粒砂巖，儲層物性普遍較差，不是CO2注入目標(biāo)層。Lower Dupuy層主要是細(xì)粒砂巖和粉砂巖，為CO2封存目標(biāo)層。巴羅島北部地區(qū)主要為砂巖(砂地比高達(dá)90%)，南部地區(qū)為頁巖粉砂巖。Upper Massive Sand層主要是細(xì)粒到中粒的塊狀砂巖，也是CO2的注入目標(biāo)層，向上巖石顆粒不斷變細(xì)；Upper Massive Sand層頂部的粉砂巖被認(rèn)為是阻止CO2向上逸散的重要擋板。Upper Dupuy地層巖性主要為粉砂巖，夾少量砂巖透鏡體，不作為CO2注入目標(biāo)層，它在Dupuy頂部形成屏障，阻止CO2向上逸散。緊鄰 Dupuy層上方的是 Basal Barrow Group頁巖層，它是位于 Barrow Delta 層底部的三角洲頁巖單元，存在于巴羅島上向下穿透至 Dupuy層頂部的每一口井中，因此被認(rèn)為是區(qū)域性廣泛且連續(xù)的屏障[27-29]。

1.2.5 碳酸鹽巖型圈閉

世界上年封存量為百萬噸級CO2封存選址在碳酸鹽巖型圈閉的案例也不少，比較典型的案例是加拿大的Fort Nelson, Weyburn和美國的Michigan項(xiàng)目。碳酸鹽巖型圈閉相對淺一點(diǎn)，埋深一般在1 300～2 500 m之間，如加拿大在2009年執(zhí)行的Fort Nelson項(xiàng)目和美國在2013年執(zhí)行的Michigan項(xiàng)目[43, 49]。碳酸鹽巖型圈閉為有利的CO2封存場地，一方面是因?yàn)樘妓猁}巖生物礁的面積足夠大，能夠作為年封存量百萬噸級CO2封存的儲集空間；另一方面碳酸鹽巖礦物如方解石、白云石等容易與CO2劇烈反應(yīng)生成鈣、鎂質(zhì)礦物，在溶解封存的同時實(shí)現(xiàn)礦化封存CO2。另外，致密碳酸鹽巖如硬石膏巖性穩(wěn)定且具有較強(qiáng)的封閉性，能夠作為優(yōu)質(zhì)蓋層阻止CO2的逸散。但是碳酸鹽巖型圈閉的非均質(zhì)性較強(qiáng)，其巖性、物性差異大，單層厚度較薄，相較于砂巖型圈閉注入難度較大，由于碳酸鹽巖礦物與CO2的反應(yīng)，圈閉的注入點(diǎn)比較關(guān)鍵，對于注入井位置的精確性要求較高。若要將年封存量為百萬噸級CO2封存在碳酸鹽巖型圈閉中，前期的選址工作極為重要，既要充分了解碳酸鹽巖圈閉中的儲層、蓋層巖性，又要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行CO2-水-巖反應(yīng)試驗(yàn)及相關(guān)模擬。

加拿大Weyburn項(xiàng)目是加拿大在2001年實(shí)施的一個碳酸鹽巖層CO2-EOR和封存項(xiàng)目。該項(xiàng)目選址在Weyburn油田地下1 450 m深的Midale巖層中Midale層(圖6)，其厚度約30 m，分為兩個單元，下部石灰?guī)r“溶洞”(8～22 m)和上部白云巖“泥灰?guī)r”(2～12 m)。泥灰?guī)r層M0、M1、M3為高孔隙度(平均26%)高滲透率(平均10 mD)的主力儲層。溶洞層V1的特征是低孔隙度(平均10%)和低滲透率(平均1 mD)；V2-V6的孔隙度較低(平均15%)，但滲透率較高(平均50 mD)。Midale儲層之上的蓋層共分為3套，其中Midale Evaporite層為主力蓋層，由厚度為2～11 m的低滲透硬石膏組成，孔隙度為0.3%～8%，滲透率為10-4～10-6mD；Ratcliff層直接與Midale Evaporite層接觸，由白云巖和蒸發(fā)巖組成，厚度為2～20 m；Lower Watrous層是最厚達(dá)到65 m的不透水含水頁巖層，平均孔隙度為4%，平均滲透率為0.8 mD[44-47]。

2 年封存量為百萬噸級CO2封存選址因素、原則及標(biāo)準(zhǔn)

2.1 年封存量百萬噸級CO2工程項(xiàng)目特點(diǎn)

與封存量十萬噸級項(xiàng)目相比，年封存量百萬噸級項(xiàng)目不僅是在封存量級上的增加，對封存空間的規(guī)模性、注入性、安全性和經(jīng)濟(jì)性都提出新的更高的要求(表2)。主力蓋層之上是否有緩沖蓋層，蓋層本身的連續(xù)性和安全性是實(shí)現(xiàn)百萬噸級地質(zhì)封存重要的因素；年封存量百萬噸級項(xiàng)目長期注入CO2可能會面臨地下壓力過載，是否采用多層統(tǒng)注以及抽取地下水資源是百萬噸級項(xiàng)目需要后續(xù)考慮的問題[52]；此外，CO2對管道的耐腐蝕性要求更高；年注入百萬噸級CO2的項(xiàng)目在地層失穩(wěn)風(fēng)險和泄漏風(fēng)險上必然更大且后期監(jiān)測期限更長，更應(yīng)建立完善的井-地-空監(jiān)測系統(tǒng)。

表2 年封存量十萬噸級與百萬噸級項(xiàng)目劃分指標(biāo)

2.2 年封存量為百萬噸級CO2封存考慮因素和原則

CO2地質(zhì)封存要考慮4個方面的因素：地質(zhì)因素、工程因素、安全因素和經(jīng)濟(jì)因素。大規(guī)模(年封存量百萬噸級)CO2封存不僅在地質(zhì)規(guī)模上與小規(guī)模封存存在差異，長時間多批次地注入CO2對儲集層的物性、以及封存大規(guī)模CO2對蓋層的封存能力和封存區(qū)域的穩(wěn)定性都提出了較高的要求；而且在目前CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目高額成本的條件下，項(xiàng)目的資金投入也是實(shí)施大規(guī)模CO2封存的必要前提。簡單歸納，年封存量百萬噸級CO2封存考慮的因素和原則為四個字：“大(Big)、通(Permeable)、保(Preserved)、值(Value)”(BPPV)。

(1)地質(zhì)因素要考慮區(qū)域地質(zhì)情況、穩(wěn)定情況，封存圈閉類型、大小，儲層類型、厚度、孔隙度、巖石類型等。針對年封存量百萬噸級CO2封存場地，足夠大的圈閉儲集空間是極為重要的，圈閉深度在1 000 m以上以確保CO2處于穩(wěn)定的超臨界狀態(tài)，更有利于年封存量百萬噸級CO2的封存[53]。

(2)工程因素要考慮注入能力和注入方式。注入能力受控于地層巖性、儲層連通性好、高滲透率和相對較低的孔隙壓力。年封存量百萬噸級CO2封存需要進(jìn)行長期高強(qiáng)度的CO2注入，而且要保證大規(guī)模CO2的注入對地層的壓力、抬升等因素在可控的范圍內(nèi)；注入方式因不同的圈閉類型而定，斷層型和裂縫型圈閉要考慮注入井對地層封存穩(wěn)定性影響，碳酸鹽巖型圈閉要考慮注入后CO2與儲層礦物反應(yīng)從而影響后續(xù)的注入性，單儲層封存能力有限的前提下可以考慮多層統(tǒng)注的手段實(shí)現(xiàn)年封存量百萬噸級CO2封存目標(biāo)。

(3)安全因素需要考慮蓋層對儲層CO2封存的密閉性和注入工程對地層本身的穩(wěn)定性，摒棄地震高發(fā)區(qū)域；蓋層不僅要求厚度大、連續(xù)有效且最好存在多套連續(xù)穩(wěn)定的緩沖蓋層，巖性要求保持長時間對CO2的化學(xué)惰性。注入工程不能觸發(fā)地震，尤其是注入井周圍的地層穩(wěn)定性和鉆井管柱的有效性，針對斷層的穩(wěn)定性和裂縫的活躍性要有完善的長期監(jiān)控和預(yù)防泄露處理方案。年封存量百萬噸級CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目對周邊環(huán)境潛在風(fēng)險大，所以安全性極為重要，要求地質(zhì)條件穩(wěn)定，把不確定性盡量降低，提高對各種風(fēng)險的管理能力。

(4)經(jīng)濟(jì)因素包括源匯距離、封存氣體性質(zhì)與井筒管道材料、后期監(jiān)控方案等。CO2注入量大，盡量就近封存，或者需要考慮專門的CO2集輸管線。因此，經(jīng)濟(jì)性是年封存量百萬噸級CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目成功與否的重要指標(biāo)。

總體而言，依據(jù)國外年封存量百萬噸級CO2封存案例，年封存量百萬噸級CO2封存的地質(zhì)選址需要考慮地質(zhì)圈閉的規(guī)模性、可注入性、安全性和經(jīng)濟(jì)性(BPPV)。規(guī)模性指CO2封存儲量要大(Big)；可注入性指儲層物性要好，孔隙度和滲透率盡量高(Permeable)；安全性指選擇必須盡量遠(yuǎn)離構(gòu)造活躍區(qū)和人口密集區(qū)，蓋層厚度大，分布連續(xù)、物性致密、封堵性好(Preserved)；經(jīng)濟(jì)性指必須要考慮經(jīng)濟(jì)成本，需要考慮源匯距離、能源使用及采用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本要有競爭力(Value)。

2.3 CO2地質(zhì)封存選址標(biāo)準(zhǔn)

本文在全面分析國外CO2地質(zhì)封存年封存量百萬噸級項(xiàng)目適宜性影響因素的基礎(chǔ)上，建立不同類型圈閉選址封存條件參數(shù)(表3)。背斜型圈閉是CO2地質(zhì)封存年封存量百萬噸級的項(xiàng)目首選；斷層型圈閉需要對斷層穩(wěn)定性進(jìn)行評價，明確適宜斷層的注入井打井方式，不可考慮貫穿儲、蓋的斷層，斷層型圈閉更多選址在只發(fā)育在儲層內(nèi)部且作為圈閉封蓋的一部分，蓋層本身不受斷層影響的圈閉；裂縫型圈閉針對裂縫進(jìn)行動態(tài)評價，重點(diǎn)分析注入井是否產(chǎn)生新的裂縫以及對原生裂縫的影響，考慮到裂縫本身的各向異性，側(cè)面封堵作用對裂縫型圈閉是極為必要的，選址在只發(fā)育在儲層的裂縫、蓋層本身不發(fā)育裂縫的裂縫型圈閉；砂巖型圈閉由于具有較好的孔滲條件是封存百萬噸級CO2首選的巖性型圈閉；碳酸鹽巖型圈閉的非均質(zhì)性較強(qiáng)，巖性、物性差異大，單層厚度較薄，注入性影響較大，并且碳酸鹽巖本身能夠與CO2發(fā)生礦化反應(yīng)，因此選址碳酸鹽巖型圈閉時注入點(diǎn)較為關(guān)鍵，硬石膏的密閉性較強(qiáng)，是碳酸鹽巖型圈閉中蓋層的首要選址巖性。

本文還提出了適宜年封存量百萬噸級CO2地質(zhì)封存評估指標(biāo)體系[54]，從規(guī)模性、可注入性、安全性和經(jīng)濟(jì)性(BPPV)4個一級指標(biāo)、9個二級指標(biāo)和22個三級指標(biāo)為中國年封存量百萬噸級CO2封存提供選址依據(jù)(表4)。

2.3.1 規(guī)模性

目前開展的CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目主要以咸水層封存和CO2-EOR項(xiàng)目為主?，F(xiàn)今全世界CO2封存場地中背斜型圈閉類型占比是最多的(表2)，背斜一般構(gòu)造比較簡單，往往也具有良好的物性條件，CO2羽流運(yùn)移容易預(yù)測。由于斷層型圈閉和裂縫型圈閉地質(zhì)條件比較復(fù)雜，儲層空間非均質(zhì)性較強(qiáng)，所以選址斷層型圈閉和裂縫型圈閉時既要考慮封存地層本身的安全性又要完善CO2長期監(jiān)測系統(tǒng)。砂巖型圈閉和碳酸鹽巖型圈閉都可作為年封存量百萬噸級CO2封存選址的巖性型圈閉，但是目前已進(jìn)行的CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目來看，絕大多數(shù)都選址在砂巖型圈閉；目前也有試驗(yàn)將CO2封存到玄武巖中，例如Carb-fix和Iceland項(xiàng)目，但目前封存規(guī)模較小，仍處于初級階段[2]。

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(表3)來看，年封存量百萬噸級CO2封存選址的圈閉規(guī)模應(yīng)在1 000 km2以上，為CO2的封存和運(yùn)移提供了空間保障。封存空間一般埋深在1 000～3 000 m之間，太淺的情況下溫度壓力太低，CO2的相態(tài)不穩(wěn)定，不利于封存，且容易散失；太深了可能地層壓力太高，儲層致密程度高、注入壓力大，經(jīng)濟(jì)成本高?？紤]到我國對于深層油氣藏的定義，一般將超過4 500 m定義為深層，將CO2封存適宜深度定為1 000～4 500 m。

從儲層厚度來看，砂巖儲層厚度可以從一二十米到幾百米，儲層厚度從In Salah的20 m，到加拿大Quest的潮坪砂巖儲層44 m，再到Gorgan厚達(dá)200～500 m的儲層，說明儲層厚度不一定很大；如果主力儲層厚度較薄可以考慮多套備用儲層的方法；斷層型圈閉和裂縫型圈閉由于存在一定的不穩(wěn)定性，選址要求圈閉埋深較深、儲層厚度較厚(表3)。

2.3.2 可注入性

國外很多CO2封存項(xiàng)目都選址于海相砂巖環(huán)境，其空間分布穩(wěn)定、成分和結(jié)構(gòu)成熟度高、分選磨圓度高、容易發(fā)育優(yōu)質(zhì)儲層，一般孔隙度都比較高，至少在10%以上，屬于優(yōu)質(zhì)儲層；流動水飽和度在較低的情況下，既保證了CO2在深部咸水層中的溶解封存，又防止CO2隨著地層水的運(yùn)移而逸散(表3)[55]。除了孔隙度、滲透率、流動水飽和度這類靜態(tài)表征指標(biāo)，也要注意CO2在注入過程中造成儲層傷害而導(dǎo)致滲透率和注入效率降低，因此在CO2注入過程中需要監(jiān)測儲層孔隙結(jié)構(gòu)和滲透率的動態(tài)變化。與其他巖性相比較而言，砂巖的均質(zhì)性較好。碳酸鹽巖儲層物性變化比較大，滲透率一般都在5 mD至上百個mD，選址碳酸鹽巖型圈閉時著重考慮儲層和蓋層礦物與CO2反應(yīng)對后續(xù)注入性的影響。斷層型和裂縫型圈閉由于儲層非均質(zhì)性極強(qiáng)，注入性比較難以預(yù)測，注入工程挑戰(zhàn)性很高。選址斷層型圈閉時，注入井的方式要因地質(zhì)條件而變化，避免工程作業(yè)影響斷層的穩(wěn)定性；選址裂縫型圈閉時，注入井的方向要垂直裂縫帶的延展方向，這樣就會發(fā)生水力壓裂并在儲層內(nèi)產(chǎn)生原裂縫帶方向的拉伸裂縫，有利于CO2的遷移和從該方向注入的多余孔隙壓力的消散[50]。

表3 不同類型圈閉CO2封存選址評價參數(shù)

2.3.3 安全性

地質(zhì)安全性是評價CO2地質(zhì)封存可行性的關(guān)鍵指標(biāo)，包括蓋層地質(zhì)特征、水動力條件和地震活動性。選址年封存量為百萬噸級CO2封存區(qū)域地殼的穩(wěn)定性是長期有效封存CO2的基本要求。地震動峰值加速度是確定地震烈度的依據(jù)，其值越小越有利于CO2的地質(zhì)儲存，活動斷裂的蠕滑可使與活動斷裂銜接的裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)貫通，進(jìn)而破壞巖層的連續(xù)性，使區(qū)域性蓋層的封閉性能整體變差，應(yīng)選址在歷史地震圍空區(qū)域并且地震動峰值加速度要<0.15 g，地震動峰值加速度越大，越不利于CO2地質(zhì)儲存；在選址時應(yīng)摒棄地震活動水平高，距活動斷裂25 km內(nèi)的儲集空間[56](表4)。

蓋層巖性一般為泥巖、頁巖和致密砂巖，或者硬石膏蒸發(fā)巖類。蓋層滲透率都非常低，從0.000 1 mD到0.001 mD的范圍(表3)。但在不同方向(垂向和橫向)上滲透率存在數(shù)量級的差異，而且往往橫向滲透率要高得多，可能成為CO2橫向運(yùn)移的通道，因此蓋層評價還需要考慮其各向異性和巖石力學(xué)特征。如表2和表3所示，一般大規(guī)模CO2封存場地蓋層厚度都很大，厚度絕對值往往都在幾十米以上，甚至上千米，而且蓋層總厚度往往超過儲層總厚度(蓋/儲>1，甚至超過100)。另外，縱向上主蓋層之上最好存在多套或高質(zhì)量的緩沖蓋層，多套蓋層疊置為CO2向地面的逸散形成多道封鎖線。圈閉中的水動力條件可能會破壞儲層中CO2的封存，因此在選址時應(yīng)考慮水動力對儲層是有封堵作用，且水力壓力為負(fù)壓-低壓的地層。另外，還要考慮地下條件時CO2多處于超臨界狀態(tài)，對鉆井管柱腐蝕較為嚴(yán)重。對于有較多鉆井的封存空間，CO2對管柱容易造成腐蝕而泄露，因此CO2腐蝕性評價是影響CO2地質(zhì)封存安全性的關(guān)鍵因素[57]。人口密度和土地利用情況也是考慮CO2封存選址的必要因素，人口密度越低，越適宜CO2地質(zhì)儲存；土地利用程度越高，越不適宜CO2地質(zhì)儲存[56]。

表4 CO2地質(zhì)封存適宜性評估指標(biāo)體系

實(shí)施年封存量百萬噸級CO2封存項(xiàng)目，對CO2封存后的監(jiān)測尤為重要。國外年封存量百萬噸級CO2封存案例中將CO2的泄露監(jiān)測技術(shù)分為大氣、地表、地下水和封存層4個層次監(jiān)測技術(shù)。地下水和封存層CO2泄露監(jiān)測技術(shù)包括基于壓力、電磁性能、熱導(dǎo)性能、CO2剩余飽和度等監(jiān)測方法；地表和大氣CO2泄露監(jiān)測技術(shù)包括紅外氣體分析儀檢測技術(shù)、激光雷達(dá)檢測技術(shù)、碳穩(wěn)定同位素監(jiān)測技術(shù)、超光譜成像監(jiān)測技術(shù)等[58-59]。

2.3.4 經(jīng)濟(jì)性

對于年封存量為百萬噸級CO2封存項(xiàng)目的商業(yè)化成功的建設(shè)，還需要認(rèn)真考慮地質(zhì)因素之外的經(jīng)濟(jì)因素，例如捕-運(yùn)-存的空間距離、運(yùn)輸方式、井位的數(shù)量及材料等。由于CO2源的特殊性，選取碳源密度作為區(qū)域級經(jīng)濟(jì)適宜性評價指標(biāo)。從經(jīng)濟(jì)適宜性角度評價，沉積盆地內(nèi)碳源密度越高，越有利于CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目的實(shí)施(表4)。

3 我國年封存量為百萬噸級CO2地質(zhì)封存選址適宜性評價策略

目前國外百萬噸級CO2地質(zhì)封存選址以海相沉積地層為主，其分布穩(wěn)定、面積大、物性好，有地質(zhì)條件優(yōu)越的地下空間。而中國的地質(zhì)條件復(fù)雜，盆地類型多樣，地層發(fā)育特征差異大，力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜，縱向變化大。不同區(qū)域的地下結(jié)構(gòu)差異很大，因此需要在不同地質(zhì)背景下有不同的選址策略。按照中國地質(zhì)結(jié)構(gòu)的劃分，可宏觀分成6大區(qū)域：東北區(qū)、東部區(qū)、東南區(qū)、中部區(qū)、西北區(qū)和青藏區(qū)。由于東南區(qū)地貌以平原、丘陵為主，且人口密度較大，不利于大型CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目的實(shí)施。而青藏區(qū)位于青藏高原之上，工業(yè)不發(fā)達(dá)，碳排放量很低，實(shí)施碳封存工業(yè)化難度大，因此不作為本次研究的考慮對象。結(jié)合我國大型盆地地質(zhì)特征，適宜大規(guī)模CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目的區(qū)域主要為東北部的松遼盆地、東部的渤海灣盆地、中部的鄂爾多斯盆地和四川盆地以及西部的塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地。松遼盆地是一個陸內(nèi)坳陷盆地，具有下部斷陷上部坳陷性特征[60-61]，其油氣資源量豐富，具有構(gòu)造規(guī)模大、砂巖分布廣泛等特點(diǎn)，而且地下和地面基礎(chǔ)設(shè)施較為完善，尋找大型咸水層或者衰竭型油氣藏封存場地的潛力大；對難開采的油氣藏，注入CO2實(shí)現(xiàn)CO2-EOR的可能性高；對枯竭油氣藏可以利用油氣藏本身的蓋、儲組合實(shí)現(xiàn)CO2地質(zhì)封存。松遼盆地也是斷陷與坳陷雙重結(jié)構(gòu)的大型疊合盆地[61-62]，對于年封存量百萬噸級CO2地質(zhì)封存選址，首選斷陷湖盆的緩坡帶背斜型圈閉，應(yīng)格外注意斷層和裂縫對封存圈閉的影響，具有滲透率低、厚度較厚的主力蓋層配多套緩沖蓋層的封閉系統(tǒng)是在松遼盆地實(shí)施CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目的有利區(qū)域。此外，松遼盆地的深層火山巖氣藏也可作為年封存量百萬噸級CO2地質(zhì)封存選址，一方面天然氣藏本身具有良好的儲、封能力，在注入CO2的同時實(shí)現(xiàn)對天然氣的開采；另一方面CO2本身與玄武巖(基性巖)發(fā)生礦化反應(yīng)變成碳酸鹽礦物以達(dá)到永久封存的目的[14, 63]。

中部鄂爾多斯盆地是多旋回疊合型內(nèi)陸盆地，總體上構(gòu)造簡單、地層平緩、斷裂不發(fā)育，整體呈現(xiàn)為東高西低的區(qū)域斜坡構(gòu)造[64-65]。區(qū)域上斜坡砂體分布廣、儲集性好，盆地內(nèi)發(fā)育多套深部咸水層，例如三疊系劉家溝組及和尚溝組，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模CO2的封存。臨近工業(yè)集中區(qū)域，碳源豐富、交通便利，因此在鄂爾多斯盆地實(shí)施年封存量百萬噸級CO2封存的可行性高。除砂巖型圈閉外，盆地中部面積大、構(gòu)造簡單的陜北斜坡內(nèi)的鼻狀構(gòu)造圈閉也是年封存量百萬噸級CO2選址的有利區(qū)域；而盆地東緣煤層廣泛發(fā)育，是重要的煤層氣產(chǎn)區(qū)，深部不可采煤層構(gòu)成很好的CO2封存空間[66-68]。

中部四川盆地作為中國南方最大的沉積盆地，天然氣資源十分豐富[69]。四川盆地位于我國構(gòu)造最活躍的青藏高原邊緣，斷層和地震活動比較頻繁，使得CO2封存地質(zhì)風(fēng)險相對較高。作為大型CO2封存首選的川中構(gòu)造區(qū)，其基底剛性強(qiáng)度大，抗水平擠壓構(gòu)造變形能力強(qiáng)，區(qū)域中盆地的封存和儲集條件較好，深部咸水層和枯竭氣藏都是主要的地質(zhì)封存空間[69-71]。枯竭天然氣藏具有良好的圈閉條件、氣層低壓狀態(tài)，其地質(zhì)資料豐富、基礎(chǔ)設(shè)施完善等優(yōu)勢有利于封存量百萬噸級CO2。選址時優(yōu)選充足的地下咸水層資源結(jié)合的砂巖型圈閉，但是由于四川盆地邊緣地區(qū)構(gòu)造活動強(qiáng)烈，要遠(yuǎn)離大型斷裂帶100 km以上。

渤海灣盆地周邊毗鄰我國東部工業(yè)發(fā)達(dá)的區(qū)域，碳源條件充足，CO2就近封存需求大。渤海灣盆地是隆坳相間、多個斷陷組成的裂陷盆地，斷層發(fā)育、斷層相關(guān)圈閉多，選址時優(yōu)先考慮盆地中蓋層發(fā)育穩(wěn)定、分布范圍廣、厚度大的區(qū)域。斷層活動性評價是CO2地質(zhì)封存選址的關(guān)鍵要素[72-74]。由于斷塊油氣藏常常規(guī)模有限，對于年封存量百萬噸級的CO2的封存，需要探索多斷塊聯(lián)合封存技術(shù)。另外，渤海灣盆地廣泛發(fā)育玄武巖，為CO2快速礦化封存提供了有利途徑[75]。

西部新疆塔里木盆地是大型疊合型盆地，雖然工業(yè)不是很發(fā)達(dá)，但是盆地面積大，咸水層多，圈閉類型多、體積大。其下古生界為克拉通盆地，廣泛發(fā)育碳酸鹽巖地層和油氣藏。盆地邊緣構(gòu)造為中新生代發(fā)育形成的前陸盆地，構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)、地層壓力高、CO2注入難度大，但盆地中央古隆起斜坡可以成為有效的封存場地[76-77]。塔里木盆地的天然氣資源量大，優(yōu)先選址在中央隆起區(qū)域內(nèi)砂巖型圈閉中。塔里木盆地地理位置偏僻，碳源少，因此完善長距離CO2運(yùn)輸管道對西部盆地作為碳封存基地至關(guān)重要。

西部準(zhǔn)噶爾盆地大致呈三角形，整體表現(xiàn)為“周邊擠壓、中部穩(wěn)定”的特點(diǎn)。準(zhǔn)噶爾盆地邊緣構(gòu)造運(yùn)動較為強(qiáng)烈，中部穩(wěn)定的陸梁隆起和中央坳陷適宜封存百萬噸級CO2。陸梁隆起和中央坳陷主要發(fā)育受基巖隆起控制的背斜型圈閉，巖性主要以砂礫巖為主，侏羅系八道灣組、三工河組、西山窯組等可作為CO2地質(zhì)封存的儲層。侏羅系和白堊系泥巖蓋層分布面積廣，厚度相對大，有著較高的封存穩(wěn)定性[78-80]。根據(jù)氣源規(guī)模和運(yùn)輸情況的考慮，準(zhǔn)噶爾盆地的氣源非常集中，實(shí)施CO2-EOR技術(shù)可行性高，完善烏魯木齊、昌吉、石河子等地CO2源與枯竭油氣藏之間碳運(yùn)輸管線，可確保長期穩(wěn)定運(yùn)、存CO2。

另外，一些中小型盆地，雖然規(guī)模較小，但是發(fā)育良好的儲蓋組合和優(yōu)質(zhì)蓋層，具備良好的CO2封存條件，例如內(nèi)蒙古海拉爾盆地貝爾凹陷[81-82]。

4 結(jié) 論

(1)從圈閉類型角度將CO2封存場地劃分為構(gòu)造型圈閉(背斜型、斷層型和裂縫型)和巖性型圈閉(砂巖型和碳酸鹽巖型)兩大類。大型背斜型圈閉是最為理想的CO2封存空間；高孔滲的巖性圈閉是選址常見類型；裂縫型圈閉也可以成為有效的封存空間，但儲集空間非均質(zhì)性較強(qiáng)，需要進(jìn)行詳細(xì)評價。

(2)年封存量為百萬噸級CO2地質(zhì)封存選址遵循 “大(Big)、通(Permeable)、保(Preserved)、值(Value)”4原則(BPPV)，即“規(guī)模性、注入性、安全性和經(jīng)濟(jì)性”四性指標(biāo)。規(guī)模性指CO2封存儲量要大(B)；注入性指儲層物性要好、孔隙度和滲透率盡量高(P)；安全性指選擇必須盡量遠(yuǎn)離構(gòu)造活躍區(qū)和人口密集區(qū)，蓋層厚度大，分布連續(xù)、物性致密、封堵性好(P)；經(jīng)濟(jì)性指必須要考慮經(jīng)濟(jì)成本，需要考慮源匯距離、能源使用及采用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本要有競爭力(V)。明確了年封存量百萬噸級CO2地質(zhì)封存選址原則及參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)中國適宜實(shí)施百萬噸級CO2封存選址的區(qū)域主要為東北區(qū)、東部區(qū)、中部區(qū)和西北區(qū)。我國盆地多、特點(diǎn)差異大，不同區(qū)域需要考慮采取不同CO2的封存策略。中部區(qū)的鄂爾多斯盆地和東北區(qū)的松遼盆地等大型坳陷型盆地，由于其構(gòu)造規(guī)模大、砂體分布廣、大規(guī)模背斜和巖性圈閉發(fā)育，尋找大型整裝深層咸水層或者衰竭型油氣藏封存場地的潛力大；對東部區(qū)的渤海灣盆地及近海斷陷型盆地，由于斷層發(fā)育、斷層相關(guān)圈閉多、單圈閉容量較小，封存有效性受斷層影響大，需要采取圈閉群綜合評價與斷層活動性動態(tài)評價相結(jié)合的策略；對西部區(qū)疊合盆地，盆地邊緣構(gòu)造沖斷帶一般構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)、地層壓力高、CO2注入難度大，但盆地中央古隆起斜坡可以成為有效的封存場地，因此對西部盆地需要采取分區(qū)分帶分層評價策略。