周銀邦，王 銳，趙淑霞，何應(yīng)付

(中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引言

CO2捕集、利用與封存(CCUS)技術(shù)是應(yīng)對全球氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前全球共有26個在運行的大型CCUS項目，年捕集封存CO2約有4×107t。在目前碳達峰、碳中和“雙碳”目標(biāo)下，開展CO2捕集、利用與封存“多角度、多層次、全鏈條”的CCUS技術(shù)研究與示范具有重要的意義[1]。建立封存區(qū)的地質(zhì)模型就是整個CCUS全鏈條示范工程過程中一個有效紐帶，可以更為精準(zhǔn)地回答CO2封存在哪里，封存量有多少，以及如何安全封存CO2的問題。然而目前油氣藏勘探開發(fā)過程中的地質(zhì)模型都是基于圈閉級別建立目標(biāo)區(qū)塊和目標(biāo)儲層的地質(zhì)模型，在平面和縱向上范圍有限，難以滿足CO2地質(zhì)封存過程中時間和空間尺度的要求；另外油氣藏地質(zhì)模型關(guān)注的重點多在于儲層的非均質(zhì)性，在蓋層封閉性、儲蓋組合、地應(yīng)力分布特征等CO2封存安全性方面很少涉及?；贑O2地質(zhì)封存的特殊性，需要形成針對CO2地質(zhì)封存的地質(zhì)建模方法及流程，以明確封存單元中控制注入和封存能力的動態(tài)過程，明確在封存單元之外的可能會影響CO2長期封存的潛在遷移通道。該文從CO2封存地質(zhì)建模的特殊性出發(fā)，通過對國外典型CCUS示范工程中地質(zhì)建模方法的歸納和總結(jié)，建立CO2地質(zhì)封存“適應(yīng)性”建模方法和流程，并通過挪威Sleipner咸水層和阿爾及利亞In-Salah這2個典型案例，重點闡述CO2地質(zhì)封存過程中“適應(yīng)性”建模方法的側(cè)重點和應(yīng)用，對于開展“雙碳”目標(biāo)下CCUS示范工程具有重要意義，為今后CO2地質(zhì)封存示范工程中開展地質(zhì)建模工作提供思路和參考。

1 CO2封存過程中地質(zhì)建模的特殊性

CO2地質(zhì)封存不同于油氣田開發(fā)，除了注入和采出模式不同，地質(zhì)封存尺度和安全性方面具有很強的特殊性，致使CO2封存地質(zhì)建模與常規(guī)勘探開發(fā)中地質(zhì)建模有很大的差異性。

1.1 CO2封存尺度差異

CO2封存具有空間尺度和時間尺度的差異性，在空間范圍內(nèi)CO2封存具有延伸超過100 km2的羽流。CO2在空間尺度的埋存范圍可以是一個區(qū)塊、一個圈閉或者是一個盆地，模擬范圍不同，建立的模型尺度差異大，不同尺度的模擬結(jié)果差異大。另外從時間尺度來講，CO2封存的時間可以從十年、百年到數(shù)千年，不同的埋存機理封存時間不同，初期以構(gòu)造埋存為主，后期以溶解和滯留作用為主，長期來講礦化埋存最為穩(wěn)定。由于CO2封存具有空間和時間的差異性，所以在封存過程中既需要大尺度、長歷史周期和全油藏范圍的巖石物理模型，也需要小尺度、短周期和局部范圍的流體模型。不同尺度的非均質(zhì)性影響儲層的性質(zhì)，通過描述和模擬油藏中不同尺度的沉積非均質(zhì)性，利用流動尺度升級方法，明確儲層孔隙度和滲透率分布，結(jié)合沉積學(xué)特征，從巖石到流體角度建立多尺度地質(zhì)模型，如圖1所示。

圖1 咸水層中CO2封存機理演化示意圖Fig.1 Schematic diagram of the evolution of CO2 storage mechanism in saline aquifers

1.2 CO2封存安全性差異

安全性是CO2封存的一個重點，CO2封存泄漏將會帶來很多環(huán)境和安全問題。從CO2封存機理的角度出發(fā)，CO2的安全性主要在于圈閉構(gòu)造特征，包括蓋層溢出、斷層和裂縫泄漏以及井筒泄漏等。斷層和裂縫結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特征，儲蓋層的產(chǎn)狀與空間展布將直接影響CO2地質(zhì)埋存效果及埋存安全。綜合地質(zhì)、地球物理和巖石力學(xué)等多種學(xué)科，采用地質(zhì)研究、實驗室測試、測井解釋、地震反演及地震屬性預(yù)測等方法綜合建立了研究區(qū)的斷層、裂縫、儲蓋層一體化構(gòu)造模型。

CO2封存對油藏地質(zhì)建模帶來了新挑戰(zhàn)。初始簡單模型都需要儲量評估，資料詳細(xì)的精細(xì)模型需要明確注入方式和長期埋存的完整性評估。CO2封存的地質(zhì)建模與常規(guī)建模有相似之處，比如都需要尋找良好的滲流通道，識別重要的滲流屏障等[2-3]；但是CO2封存有一些特殊的問題需要在地質(zhì)模型中反映，比如明確壓力特征及CO2溶解在鹽水中的反應(yīng)，CO2通常被壓縮為液體埋存在地下深處，所以理解流體的行為也是重要因素。CO2封存需要相當(dāng)大的網(wǎng)格分辨率來描述埋存空間(含水層或油層)的容積。

2 CO2封存過程中“適應(yīng)性”地質(zhì)建模方法流程

2.1 CO2封存過程中“適應(yīng)性”地質(zhì)建模

1)資源模型與決策模型

目前成熟油田一般是建立一個單一、詳細(xì)并完整的歷史擬合模型。隨著目前硬件和軟件能力的提升，表征方法變得越來越復(fù)雜。長期開采的老油田一般都擁有大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)建立詳細(xì)完整的地質(zhì)模型是不可避免的，但是不可避免并不代表有用，而且這種方法也存在很多缺陷，并不是數(shù)據(jù)越多就越精細(xì)，不確定性依然存在。大多時候這種模型要反映的內(nèi)容比較多，因此網(wǎng)格比較多，給后期數(shù)值模擬帶來了很多難題。而CO2封存過程中選址有很大的不同，從盆地到目標(biāo)區(qū)尺度差異大，在這種情況下更應(yīng)該針對具體問題建立地質(zhì)模型，如果沒有明確的目的，就可以直接使用數(shù)據(jù)庫，不需要建立地質(zhì)模型。在明確目的的時候都有一個隱含的尺度，在做出決策時確定模型的規(guī)模，對于老油田來說通常是井距的問題，關(guān)于加密井、定量油井增產(chǎn)及CO2封存效果的問題通常需要小井距精細(xì)網(wǎng)格的決策模型來反映模型的非均質(zhì)性[4]。在計算整個CO2封存區(qū)封存潛力時如果用這種精細(xì)模型就很難實現(xiàn)了，實際上計算封存量時并不要求多么精細(xì)的滲透率和孔隙度描述，通過粗化可以將數(shù)值平均而得到一個相對的資源潛力，稱之為資源模型?？偟膩碚f，資源模型適應(yīng)于大井距、長歷史和全油田體積，而決策模型適應(yīng)于小尺度、短周期和局部流體模型，在建立模型時需要明確建模目的，最終在合適的范圍內(nèi)選擇建立合適的地質(zhì)模型。

2)地質(zhì)-巖石力學(xué)-流體力學(xué)一體化模型

在三維建模過程中，對儲蓋層的產(chǎn)狀與空間展布、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物理屬性及巖石地球化學(xué)特征等信息概化是否科學(xué)合理，將直接影響CO2地質(zhì)存儲過程的數(shù)值模擬評價和預(yù)測結(jié)果。因此需要綜合地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)和巖石力學(xué)等多種學(xué)科來綜合反映研究區(qū)的地質(zhì)模型，采用地質(zhì)研究—實驗室測試—測井解釋—地震反演—地層屬性預(yù)測環(huán)環(huán)相扣的方法依次開展。

2.2 CO2封存“適應(yīng)性”地質(zhì)建模流程

鑒于CO2封存地質(zhì)模型的特殊性，應(yīng)該放棄建立全面、詳細(xì)、完整的地質(zhì)模型，代之以靈活、便捷、能夠快速用于決策的“適應(yīng)性”模型。在基于目的的思維模式下，地質(zhì)學(xué)家用于CO2封存建立的模型不止一套，在初期油藏建模時，一個整體的工作流必須是以“適應(yīng)性”為主，解決具體問題，實現(xiàn)更多的細(xì)節(jié)。一旦明確CO2封存，首先需要尋找封存地點，地質(zhì)沉積構(gòu)造以及儲層內(nèi)部流體流動都是非常復(fù)雜的過程，需要進行詳細(xì)的表征預(yù)測，因此在地質(zhì)建模過程中需要明確3D地質(zhì)模型(靜態(tài)模型)和流體流動模擬模型(動力學(xué)模型)這2個模型。

地質(zhì)模型是一個描述頂?shù)滓约斑吔鐢鄬拥摹叭萜鳌?，只有有限的地震?shù)據(jù)和相應(yīng)的油井?dāng)?shù)據(jù)可以描述一個相對簡單的地質(zhì)模型；井?dāng)?shù)較多且數(shù)據(jù)充足的情況下可以將復(fù)雜的巖相信息描述的較為清楚，可以有效表征地下儲層非均質(zhì)性和巖石物理特征。Ringrose和Bentley[5]描述了模型構(gòu)建的工作流程和過程，強調(diào)了地質(zhì)建模隨機性和確定性之間平衡的重要性，更加明確了建模時儲層巖相流體的多尺度性質(zhì)。在實踐中，可能需要幾個可供選擇的地質(zhì)模型用來控制流體流動特征，且模型還需要不斷地更新和完善。以往的地質(zhì)建模由于受到時間和成本的限制，只是建立一個確定性的靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型，這種做法會將模型“鎖定”到一個定義不明確、甚至是錯誤的網(wǎng)格概念中，因此應(yīng)該避免出現(xiàn)這種確定性的情況，并且建議始終有不確定性的替代模型能夠確保模型的結(jié)果存在一個范圍，以使其更加具有不確定性。在未來，隨著建模技術(shù)的快速發(fā)展，建模過程會更加靈活和獨立。

整體來說，“適應(yīng)性”建模的流程首先需要明確建立模型的目的，要確認(rèn)針對CO2地質(zhì)封存建立的是資源模型還是決策模型；之后可以按照常規(guī)建模方法建立構(gòu)造框架模型、巖相模型和屬性模型等，按照模型的“適應(yīng)性”建立流體屬性模型并對其進行粗化，粗化過程中以反映CO2地質(zhì)封存特征為原則，準(zhǔn)確選擇保留和放棄的地質(zhì)屬性，基于目的提供給數(shù)值模擬進行預(yù)測；最終根據(jù)所評估的明確儲層的不確定性，建立經(jīng)濟和工程方案。如果建立的方案無法滿足CO2地質(zhì)封存要求，則保留數(shù)據(jù)和模型，基于其他目的重復(fù)建立“適應(yīng)性”模型。建模流程如圖2所示[5]。

圖2 CO2地質(zhì)封存“適應(yīng)性”建模流程Fig.2 Geological “fit to purpose” modeling of CO2 storage process

3 CO2封存建模案例

下面通過2個CO2封存經(jīng)典實例來說明CO2封存“適應(yīng)性”建模的方法。每一個封存點都有特殊的地質(zhì)情況，對模型也有特殊的目的和要求。油藏建模應(yīng)該是一個決策主導(dǎo)的過程，建模的整體過程和步驟在一定程度上可以讓決策過程變得更為簡單。

3.1 挪威北海Sleipner CO2儲存模型

挪威北海Sleipner CO2捕集和封存(CCS)項目是世界上首個CO2咸水層封存工程，運行時間長、封存量大。長期運行的Sleipner CCS項目于1996年開始向深海咸水層注入CO2，是了解CO2封存流體動力學(xué)最重要的研究案例。Sleipner位于挪威近海，主要為海相濁積巖沉積，砂體穩(wěn)定，規(guī)模大，構(gòu)造簡單，斷層不發(fā)育。封存地層為Utsira砂巖層，位于海平面以下800～1 000 m深度(水深82 m)，孔隙度為38%，面積為2.6×104km2，滲透率為1～8 mD，地層厚度200～300 m，累計封存CO2約有1 980×104t，目前已形成封存量計算方法、水平井注入及地表-監(jiān)測井CO2運移動態(tài)的全流程監(jiān)測系統(tǒng)[4]。挪威CCS項目咸水層面積廣，厚度大，無大級別斷層，實施20多年壓力無明顯變化，無泄漏現(xiàn)象。

由于Sleipner面積廣、封存層位厚，如果用一個精細(xì)的模型來表征封存地必然會導(dǎo)致數(shù)值模擬網(wǎng)格數(shù)增大，模擬無法進行，采用“適應(yīng)性”建?？梢杂行Ы鉀Q網(wǎng)格數(shù)量大、難以模擬的問題。首先需要明確建模的目的，對于Sleipner CO2封存來說有2個重要目的：1)通過建立三維地質(zhì)模型來了解Sleipner CO2的封存量；2)明確表征Sleipner CO2封存的多層羽流分布，掌握影響CO2羽流遷移的關(guān)鍵因素。Sleipner CO2封存體由9個砂巖和頁巖交替組成，從注入點下方的Utsira組底部到儲層上方的蓋層?；谶@2個目的采用“適應(yīng)性”建模方法分別建立了資源模型和決策模型。初期的地質(zhì)模型都是為了描述整個注入封存地的資源量，尺度相對較大，以網(wǎng)格較粗的資源模型為主，對于封存體內(nèi)部的非均質(zhì)性和頁巖層描述不夠精細(xì)；在注入一段時間后CO2羽流的展布是CO2封存地質(zhì)模型的重點，為了描述CO2羽流特征建立了更為精確的決策模型，針對CO2羽流擴散的范圍從平面和垂向?qū)Ψ獯骟w進行了精細(xì)描述，如后期應(yīng)用Permedia軟件建立的決策模型平面網(wǎng)格為50 m×50 m，垂向網(wǎng)格厚為0.5 m，用以表征夾層的頁巖屏障分布。網(wǎng)格邊界與地震邊界一致，橫向延伸為3.4 km×6.1 km。三維模型總共有大約520×104個網(wǎng)格(68×122×626)，由9個儲層代表橫向夾層展布。地震成像數(shù)據(jù)能夠估算CO2橫向羽流，通過多次反復(fù)地震解釋后精度提高，羽流的多層特征變的非常明顯[5-7]。當(dāng)然最成功的還是最上層第9層砂巖區(qū)域，由于有高質(zhì)量地震成像使得羽流分布非常明顯。從30年(2001—2030年)的羽流模擬可以看出，隨著地震精度的提高，決策模型越來越精準(zhǔn)。早期羽流預(yù)測的多為更圓的幾何形狀，后來的研究能夠捕捉到更多細(xì)長形狀的羽流(如圖3所示)。受不確定性的影響，模擬整個多層CO2羽流的地質(zhì)條件(特別是薄頁巖流動通道的位置)和流體性質(zhì)非常具有挑戰(zhàn)性[7]，經(jīng)過多次4D地震監(jiān)測可以更為精確地表征薄頁巖層及充滿CO2的層，這些都會進一步改進Sleipner模型匹配[8-9](如圖4所示[5])。

圖3 Sleipner第9層CO2羽流地震響應(yīng)及30年模型預(yù)測Fig.3 Sleipner layer 9 CO2 plume seismic response and 30 years model prediction

圖4 Sleipner項目CO2羽流分布地質(zhì)模型Fig.4 Geological model of CO2 plume distribution in Sleipner project

另外，在Sleipner模型中,砂巖由于埋深較淺并且?guī)缀鯖]有固結(jié),顆粒形狀變化很小。因此,基于每個巖性特征的目的,應(yīng)用了一種簡單的“適應(yīng)性”建模方法,頁巖內(nèi)的壓力通過迭代實驗來定義,用以捕獲在Sleipner CO2封存中觀察到的CO2羽流層垂直分布。系統(tǒng)將頁巖內(nèi)巖心蓋層的輸入壓力降低1.7 MPa,直到達到允許突破的每個頁巖屏障的值。CO2羽流L5是地震中最大的觀測層,其估計的突破壓力略高于其他層。為了一致性,將平均滲透率-突破壓力變換應(yīng)用到0.001 mD的巖心輸入來定義蓋層突破壓力,1.7 MPa的突破壓力輸入值提供0.000 5 mD的等效滲透率值。

針對每個具體目的建立不同的“適應(yīng)性”地質(zhì)模型，既有效地反映了不同的地質(zhì)特征和封存目的，也解決了數(shù)值模擬過程中網(wǎng)格局限性的問題，對于制定CO2地質(zhì)封存工程方案和經(jīng)濟方案起到了決定性作用。多個“適應(yīng)性”模型的建立為Sleipner封存場地、封存量以及CO2羽流分布的認(rèn)識提供了重要的基礎(chǔ)和建模思路。

3.2 阿爾及利亞In-Salah CO2儲存模型

在阿爾及利亞中部的In-Salah CCS項目是多油田天然氣開發(fā)項目，屬于In-Salah合資企業(yè)的一部分，其中包括一個CO2捕集和封存示范項目。該項目將捕集的CO2注入到1.9 km深的鹽水層地層單元中，該地層單元為Krechba地區(qū)石炭系砂巖儲層。該項目在2004—2011年期間注入CO2約為3.8×104t。Krechba小層為平緩背斜，形成于晚石炭世擠壓構(gòu)造階段時期(約3億年前)。構(gòu)造擠壓作用使之變形，古生代形成一系列褶皺；持續(xù)的擠壓導(dǎo)致其中一些褶皺被走滑破壞。Krechba地層構(gòu)造相對未斷裂，厚度為20 m，所有的斷層都是隱蔽的并且接近地震分辨率的極限，以海西期不整合為代表的隆升導(dǎo)致裂縫的形成[10-11]。構(gòu)造的復(fù)雜性對建模過程中斷層和裂縫的性質(zhì)描述及其對CO2注入性能的影響造成了困難。

In-Salah JIP開發(fā)了許多模型和建模方法來描述注氣井和監(jiān)測情況[12]。井資料和地震資料已整合成一套地質(zhì)和儲層模型，其中包括靜態(tài)地質(zhì)模型(如Gocad和RMS)、流體模型(如STARS和Eclipse)、裂縫模型(如Fraca和4D Move)和地質(zhì)力學(xué)模型(如Abaqus,STARS和Stimplan)，這些模型已經(jīng)用于運營決策，并對目標(biāo)區(qū)CO2儲存的完整性和長期安全性提供長期預(yù)測(如圖5所示)。JIP也受益于美國最先進的建模能力，包括利弗莫爾和伯克利能源部國家實驗室(LLNL和LBNL)、挪威巖土研究所Europa(TRE)和歐盟資助的CO2排放合作伙伴項目等許多研究伙伴的技術(shù)貢獻[13-16]。廣泛的地質(zhì)力學(xué)和地球化學(xué)研究方案使研究者能夠利用地下模型監(jiān)測數(shù)據(jù)了解CO2注入和儲存情況。

圖5 In-Salah CO2封存“適應(yīng)性”建模流程Fig.5 “Fit to purpose”modeling process of CO2 storage in In-Salah

這些模擬研究表明，構(gòu)造地質(zhì)和巖石力學(xué)系統(tǒng)研究在早期注入階段最為關(guān)鍵，而在考慮中長期影響時(10～1 000年)，孔隙空間和裂縫流動特征變得更為重要。表征儲集單元的必要數(shù)據(jù)包括地質(zhì)、地球化學(xué)、流體以及地質(zhì)力學(xué)數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)類型和范圍都比常規(guī)油氣藏大。在該項目運行期間，詳細(xì)描述蓋層特征的重要性變得越來越明顯，通過多項研究描述了蓋層樣品以及三維地震成像中蓋層的特征[17-19]。

下面通過In-Salah CO2封存的具體例子說明如何使用一系列“適應(yīng)性”地質(zhì)模型來管理CO2封存項目的有關(guān)決策。表1說明了哪些斷層和裂縫會影響CO2的儲存，從而形成了一套詳細(xì)的“適應(yīng)性”建模工作流程，主要步驟如下：

1)識別出各種斷層和斷裂及其與地層的關(guān)系。該區(qū)斷裂群為東西向和北東—西南向2組，它們主要是由走滑構(gòu)造作用形成的， 受到海西造山運動過程的影響。CO2封存場地主要由背斜形成了構(gòu)造圈閉，該構(gòu)造單元在擠壓構(gòu)造(盆地反轉(zhuǎn))作用下形成，走滑斷層發(fā)育。

2)識別斷層和裂縫。這些斷層和裂縫嚴(yán)格對應(yīng)相應(yīng)的應(yīng)力場，有潛在的滲流通道，在提高注入壓力的時候或者會受到影響。這項工作通過使用構(gòu)造恢復(fù)地應(yīng)力、地質(zhì)力學(xué)建模以及基質(zhì)構(gòu)造建模等來了解斷層分布和斷裂破壞模式，包括斷層相關(guān)的裂縫和褶皺相關(guān)的裂縫，其中一個重要成果是在監(jiān)測井KB-5井中觀測到了CO2的早期突破，這突破與斷層相關(guān)的應(yīng)力裂縫有關(guān)。之后需要解決的主要問題是明確裂縫是如何控制CO2流動的，通過建立高分辨率裂縫網(wǎng)絡(luò)，有效估計油藏網(wǎng)格單元下裂縫滲透率分布，有效滲透率為140～1 000 mD，平均滲透率為300 mD，比基質(zhì)滲透率(1～10 mD)高2個數(shù)量級。

表1 CO2地質(zhì)封存建模問題及分類Table 1 Problems and classification of CO2 geological storage modeling

該研究從近井裂縫研究中獲得的產(chǎn)生裂縫的整個石炭系Tournasian砂巖單元的模型，估計了具有水平滲透率的各向異性滲透率張量的2/3由應(yīng)力敏感模型控制。從具體的實際封存問題出發(fā)，選擇不同的建模類型，建立了基于地震和地應(yīng)力的構(gòu)造模型、儲層的DFN裂縫網(wǎng)絡(luò)模型以及基于DFN模型改進的滲透率模型，從多個角度考慮了地質(zhì)-巖石力學(xué)-流體力學(xué)一體化地質(zhì)模型。通過InSAR數(shù)據(jù)檢測，與預(yù)測的各向異性滲透率張量吻合良好，有效解決了CO2封存的安全性問題。

4 結(jié)論

1)CO2地質(zhì)封存建模在時空尺度和安全性方面不同于常規(guī)油氣藏勘探開發(fā)地質(zhì)建模，空間尺度可以從區(qū)塊到盆地，時間尺度從十年到數(shù)千年；安全性建模方面除了常規(guī)建模之外，還須考慮蓋層封閉性、儲蓋組合、地應(yīng)力分布特征及井筒泄漏等；

2)選定封存地址，計算封存量，需要建立粗網(wǎng)格、大面積資源模型，且長期預(yù)測和封存量估算需要基于經(jīng)過短期監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證的模型。具體封存過程中的決策模型需要以目的為出發(fā)點建立“適應(yīng)性”模型，不局限在單一模型，可基于目的建立多個模型；考慮多相流的決策模型需建立多尺度儲層流體模型，整合不同尺度參數(shù)，有效反映不同尺度封存機理，有望把復(fù)雜過程(溶解、礦化、相滲滯后)加入到長期模型中；

3)Sleipner案例為代表的常規(guī)咸水層封存應(yīng)使用資源模型和決策模型來建立“適應(yīng)性”模型，資源模型適應(yīng)于大井距、長歷史、全油田體積，而決策模型適應(yīng)于小尺度、短周期、局部流體模型；In-Salah案例為代表的斷裂發(fā)育的封存項目須基于目的和階段建立不同“適應(yīng)性”模型，早期注入階段以構(gòu)造斷層模型和地應(yīng)力模型為主，中長期注入階段以儲蓋層模型和裂縫模型特征為主；CO2封存引起的巖石力學(xué)變形需要詳細(xì)地質(zhì)力學(xué)模型合并斷層/裂縫和儲層的一體化整合，更加需要多學(xué)科融合建立“適應(yīng)性”模型。