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为缓解生态压力,响应国家“碳排放”要求开展的CO2地质封存研究已经成为近几年地质、矿产勘探研究的重要内容(郭建强等,2011; 熊敏瑞等,2014)。可用于 CO2地下储存的场所主要有枯竭油气藏、咸水含水层和不可开采的煤层(郭建强等,2011; 李志伟,2012; 秦长文等,2012)。其中咸水层是指“不可利用”的深部盐水层(矿化度3~50 g/L),层内水中溶解着高浓度的盐类(盐度高于10 g/L),不适于农业及人类生产生活使用。深部盐水层分布广、面积大,储存 CO2时间可达上百万年,具有巨大的封存潜力(刁玉杰等,2011; 李志伟,2012; 孙亮等,2012; 李海燕等,2013)。咸水层封存通常要求CO2以超临界状态储存于地下,因为通常情况下到达地表以下800 m(依照地表15℃,地温梯度2.5℃/100 m、地层压力系数为1.0推算得出)即CO2的超临界点(压力7.38 MPa,临界温度31.1℃)时,才能保持CO2储存的稳定性和安全性(刁玉杰等,2011; 藏雅琼,2013),因此,储存CO2的咸水层埋藏深度一般应该≥800 m。同时,在存储点附近必须有可供进行大规模CO2存储的优质储层,储层之上必须有稳定的、区域性的盖层(或隔水层),以防止CO2的直接泄漏(李志伟,2012; 秦长文等,2012)。CO2地质封存机理可以分为两大类:物理封存和化学封存。其中,物理封存包括构造地层静态封存、束缚气封存和水动力封存; 化学储存包括溶解封存和矿化封存(郭建强等,2011)。CO2注入初期,构造和地层圈闭起到主要作用,随着时间的推移,构造和水动力圈闭中的游离态的CO2逐渐减少,取而代之的形式是束缚气封存和溶解封存,同时矿化封存机理也逐渐开始发挥作用(图1b)。最终,经过上百万年的储存,各个封存机理所贡献的份额基本持平(图1c)。此外,CO2注入后在封存层中发生的化学反应会对最终的封存量以及封存的安全性产生重要影响,因此,在展开CO2地质封存项目之前,应进行CO2与水、岩石作用对岩层物性影响的实验研究,同时建立数值模拟方法,为部署大规模碳捕集、利用与封存(Carbon capture,utilization and storage,CCUS)项目提供基础(朱子涵等,2011; 李义连等,2012; 王广华等,2013; 陈逸云等,2020)。咸水层封存选址中的地质评价可分为大范围的可行性、选位和封存潜力初步评价以及通过更细致的封存适宜性和安全性评价实现的优质靶区评价两个步骤(陈昌照等,2013; 孙腾民等,2021)。前人在咸水层封存的选址评价方面已经开展了不少工作,张二勇等(2009)汇总了地下咸水层储存CO2的关键地质指标; 孙亮等(2012)列出了CO2地质封存选址主要涉及到的地质特征及工程特性两大类的筛选标准; 刁玉杰等(2011)参考Bachu(2003)提出的深部咸水层 CO2 地质储存适宜性评价标准,初步建立了 CO2 地质储存安全性评价指标体系; 刘妍(2014)和许文波(2017)运用目前已明确的选址条件对靖边油田长6储层碳封存适宜性及盖层封闭性进行了评价。笔者认为目前的研究存在以下两个问题:一是缺少针对不同阶段评价依据的系统归纳,包括类别、概念、参数的实际数据等; 二是没有在选址评价中加入对于CO2注入后长期封存效果的影响因素。近年来的CO2-水-岩反应研究(杨芳,2010; 刘娜,2011; 刁玉杰等,2011; 杨国栋等,2014; 陈逸云等,2020)已经表明了储层、盖层初始矿物成分及岩石学特征对于注入后的溶解封存、矿物封存以及储层、盖层的物性变化都具有重要影响,而断层、地层力学性质的相关模拟(卜繁婷,2015; 贺凯,2019; 刘苗苗等,2020)也反映了构造特征和机理对于CO2的运移和泄露影响,但目前的选址评价方案并没有充分吸收构造研究和CO2-水-岩反应研究中的认识。本文通过文献调研,在前人研究基础上系统地归纳了可行性评价所需的通用依据和进一步优质靶区筛选所需的封存适宜性和安全性评价特征,列出了许多参数在目前研究中的量化标准,在封存适宜性评价中加入了会对CO2运移产生影响的构造特征以及会影响长期封存效果的初始矿物成分和岩石学特征,在安全性评价中补充了储层盖层空间分布和构造两个分类,之后根据封存量计算方法的特点确定了适合选址评价不同阶段的封存量计算方法,最后对目前CO2地质封存存在的不确定性问题进行了讨论,希望能够对CO2地质封存研究有所启示。
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图1 咸水层封存中CO2特点
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Fig.1 Characteristics for CO2 to do the storage of the saline aquifer
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(a)— CO2超临界状态;(b)—CO2长期封存的不同方式;(c)—各封存方式在CO2长期封存中的捕获贡献(据李志伟,2012; 卜繁婷,2015修改)
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(a) —The temperature and pressure of the supercritical CO2; (b) —different capture ways of the long-term storage of the CO2; (c) —contributions of various capture ways in the long-term storage (modified from Li Zhiwei, 2012; Bu Fanting, 2015)
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1 CO2咸水层封存选址评价地质依据
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1.1 用于可行性评价的通用依据
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此类依据用于评价大范围研究区内进行CO2咸水层封存的可行性,属于选址评价工作第一阶段(初步可行性评价)就应当考虑的评价依据。本文根据碳存储相关文献(李小春等,2006,2016; 张森琦等,2010,2011; 郭建强等,2011; 秦长文等,2012; 任韶然等,2012; 霍传林,2014; 刘志坚等,2017; 喻英等,2017)以及碳存储选址评价、CO2-水-岩反应模拟学位论文(刘群,2007; 刘娜,2011; 万玉玉,2012; 赵锐锐,2012; 刘妍,2014; 吕苗,2014; 田海龙,2014; 贺凯,2019; 郭兵,2020)对咸水层封存的可行性依据进行了汇总,包括大地构造、容积、储层、盖层、构造、区域稳定性和水文七个方面,具体条件及参数见表1。各因素都经过了许多实验的验证以及工程实践的检验,基本可以作为一个地区进行CO2咸水层封存的前提条件。
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1.2 优质靶区筛选中的封存适宜性和安全性评价指标
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在确定一个地区CO2咸水层封存可行性之后,可以根据可行性评价的依据,初步圈定出适宜的存储区域,之后需要通过对封存适宜性和安全性的进一步评价筛选出优质靶区,其中封存适宜性的评价针对的是相较于可行性评价更加细致的储层特征,前者包括成岩作用、孔隙结构、初始矿物成分、水文、非均质程度、沉积环境、岩性、压力、构造及注入技术要求等多方面,其中构造特征体现在储层内断层的位移、断层倾角、宽度、断层岩特征以及小断层发育程度对于流体运移的影响(卜繁婷,2015; 贺凯,2019); 安全性评价则对应着盖层、水文、地震、场地地质安全、储层盖层分布和构造六个方面。封存适宜性评价具体要素由各文献中CO2封存应用实例以及相关数值模拟参数汇总得到,具体内容分类见表2,而安全性评价依据则是在刁玉杰等(2011)参考Bachu(2003)深部咸水层 CO2 地质储存适宜性评价标准建立的CO2地质储存安全性指标评价体系基础上,结合其他研究成果汇总而成,具体内容见表3。刁玉杰等(2011)建立的评价体系分为盖层适宜性、场地地震安全性、水文地质条件、地面场地地质条件四个方面,本文在此基础上补充了几点认识,包括构造特征、储盖层空间分布对封存安全性造成的影响以及盖层适宜性评价中的盖层渗透率,构造特征产生的影响主要在于断层几何变化的地方(中继带、断层交叉处以及断层尖端)、褶皱曲率最大的区域和活动褶皱易形成裂缝以及断层封启性变化(不同时期、不同部位)造成的泄露风险(Caine et al.,1996; Childs et al.,2009; Eichhubl et al.,2009; Dockrill et al.,2010; 贺凯,2019)。之前的评价体系中的盖层适宜性评价虽然已经涉及了断层和裂缝的发育程度,但并未包括构造特征对于裂缝发育以及CO2运移的影响,本文补充构造特征一项也是为了弥补这一空缺; 储盖层空间分布的影响主要体现在储集体展布和储层盖层组合形式两方面,储集体展布方向对于层状储集体封存安全性具有重要影响,CO2会通过侧向运移至压力相对小的或构造高的位置,再通过渗透通道迁移至地表及及大气中(许文波,2017),储、盖层交界处有效应力变化及岩石变形最大,最易发生岩石断裂(刘苗苗等,2020)。盖层-储层形式中,多层盖层-储层形式虽然会因为不易发现的小断层和裂缝加大泄漏风险,但也因为储层之上有多层盖层相隔减轻浮力与水动力对二氧化碳流动的影响,从而降低泄漏风险,单一盖层-储层形式盖层厚度大,但单一盖层一旦被二氧化碳突破,封存系统将完全失效(贺凯,2019)。
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2 地质评价涉及的定量研究方法
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CO2咸水层封存评价中的定量研究主要包括四个方面,分别是CO2封存量的计算、CO2封存体三维地质建模、CO2地质封存影响因素的数值模拟以及选址评价应用的数学方法。
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表3 封存安全性评价体系(据Bachu,2003; 刁玉杰等,2011修改)
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Table3 The evaluation system of the security of carbon geological storage (modified from Bachu, 2003; Diao Yujie et al., 2011)
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2.1 CO2封存量的计算
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目前对于CO2封存量的计算方法主要有面积法、容积法、容量系数法、溶解度法等(唐蜜,2014)。面积法是一种利用盆地面积、储存系数和覆盖系数来计算埋存量的方法,计算简单但准确性不是很高。相比之下,容积法以及在其基础之上形成的容量系数和溶解度法具有更高的精度,是目前广泛应用的计算方法。这三种方法的主要区别在于对CO2埋存机制的考虑。盐水层封存CO2的捕获机制可分为物理捕获和化学捕获 2 类。其中,物理捕获包括静态捕获(构造捕获和地层捕获)、束缚气捕获和水动力捕获; 化学捕获包括溶解捕获和矿化捕获容积法主要考虑的是物理捕获中的静态捕获机制,容量系数法则充分考虑了束缚气、水动力以及化学捕获机制,溶解度法主要考虑溶解捕获机制,各方法计算公式见表4。
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图2 CO2封存量层次类型(据吕苗,2014修改)
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Fig.2 Different levels of CO2 storage volume (modified from Lü Miao, 2014)
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Table4 Formulas for calculating CO2 storage volumes of the saline aquifer (summarized according to Liu Yanfeng et al., 2006; Bachu et al., 2007; Zhang Wei et al., 2008; Zhang Liang et al., 2010; Zhao Lichang et al., 2012; Tang Mi, 2014)
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上述各公式计算的均为理论封存量,即假设储层中所有的孔隙都能够被自由相态的CO2占据用于封存,或者所有的地层水都以最大的饱和度溶解CO2情况下的封存量。若考虑实际情况,CO2地质封存量可以分为四种层次类型(图2),即理论封存量、有效封存量、实际封存量和匹配封存量,四项封存量中每一项都是其下部一项的子集,要在下部这一项基础上再增加新的要素进行计算(张炜等,2008; 吕苗,2014),其中除理论封存量之外的其余三项都要根据实际情况适当增加要素进行计算。
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2.2 封存地质体三维建模与数值模拟
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CO2封存地质体的三维建模思路与油气储层建模类似,都是以井坐标、井轨迹、分层、地震解释剖面、地质特征(厚度、砂岩含量、孔隙度、渗透率等)等值线图等资料为基础,通常情况下是先通过确定性建模方法(各类插值方法)建立构造模型(地层顶底面、断层),之后再运用随机建模方法(分形、序贯高斯、序贯指示、截断高斯等),结合测井资料建立相模型(沉积相、岩石相),并在相模型基础上采用类似方法建立属性模型(孔隙度、渗透率、排替压力等)(图3; 曹龙,2014; 杨艳林,2014; 宫玉菲,2020; 齐宁等,2021)。上述三个步骤建立的模型对CO2地质封存意义并不相同,构造模型决定了地质封存体地层格架与三维骨架特征; 岩相模型不仅可以很好地指示地质封存体内砂体发育较好的区域,同时在纵向与侧向上也指明了储、盖层配置关系; 属性模型除了定量地表征储层内非均质性,也指示了物性好的有利储存区(曹龙,2014)。关于确定性建模中插值方法的选取以及随机建模中各类模拟方法的运用,应视具体地质特征以及实际操作效果而定,并无绝对标准。
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图3 CO2封存地质体三维建模普遍流程
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Fig.3 The process of 3D model construction of the CO2 storage geological bodies
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对CO2地质封存影响因素的数值模拟包括各因素对于CO2迁移、存储量造成的影响以及对各因素影响程度的比较,通过这些模拟产生的认识可以为咸水层封存的选址提供更多的参考依据。近年来通过对咸水层封存影响因素的模拟也发现了一些新的规律,比如地层倾角(靖晶,2016)、储层内小断层(卜繁婷,2015)、储层孔隙度、绿泥石含量(刘娜,2011; 陈逸云等,2020)等对于CO2迁移和封存的影响。此类数值模拟流程同其他类型的数值模拟类似,都是“数据准备-建模-调整变量、对照-分析结论”,有时也会在多组对照之后加入敏感性分析来专门研究某一因素产生的影响或者比较不同因素产生的影响程度(郑艳等,2009; 杨芳,2010)。数据准备阶段由于涉及影响因素较多,要求相对于其他类型模拟更高。
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2.3 选址评价的数学方法
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目前的CO2选址评价主体思路就是在对各个评价因素根据研究尺度分级之后,通过层次分析法确定权重,之后进行分级打分评价。对于各个评价因素的研究尺度分级其实已经有比较详细的标准(霍传林,2014),此处不再详述。对于权重的确定,虽然以层次分析法为主,但有些研究中也与其他数学方法进行了结合,李伟等(2013a,2013b)运用证据理论中的信息融合对碳存储选址方案进行了排序; 王重卿(2012)通过三级模糊综合评价对三个目标区的安全风险指标进行了计算,得到其综合评价指数,之后根据最大隶属原则,筛选出了最合适目标区; 罗伟等(2015)采用模糊综合评价法对松辽盆地中央坳陷区北部5个二级构造单元CO2埋存适宜性进行评价。
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3 咸水层封存选址地质评价流程
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根据之前章节总结的咸水层封存的地质评价依据和风险分析,对一个地区CO2咸水层封存的地质评价可以分为两个步骤(图4),第一步是大范围的可行性评价,即运用可行性评价依据在一个地区筛选出适宜咸水层封存的区块; 第二步则是对于第一步筛选出的区块根据以封存适宜性和安全性为基准进行优劣比较,得到优质靶区,其中封存适宜性可通过更细致的储层特征(相对于可行性评价),安全性评价主要集中在在盖层、水文、地震、场地地质安全、储层盖层分布和构造六个方面。封存量的计算方面,应根据各地区资料的详细程度灵活选取计算方法,本文考虑到资料精度难与区域面积的匹配情况,认为第一步的可行性评价应采取面积法,而第二步的优选区封存量计算可以考虑精度更高的容积法,若是资料充足,可以考虑涵盖多种封存机制的容量系数法。
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4 CO2地质封存评价中的不确定性问题讨论
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4.1 相同依据在多方面评价中产生的不确定性
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CO2封存是否成功取决于封存场所的特征描述,包括注入、封存量和封存的安全性(郭建强等,2011; 李志伟,2012; 秦长文等,2012),研究发现有些地质依据对CO2注入、封存量和封存安全性会产生不同的影响,这就导致了选址评价中有些依据选择的不确定性。李志伟(2012)认为在盐水层总容积一定的条件下,深层盐水层的存储容量比浅层盐水层的存储容量小,且注入压力大,但是从长期封存的角度(尤其是安全性),深层盐水层比浅层盐水层更具价值(刘永忠等,2010)。在实际选址评价中,往往只选一个最浅深度(一般为800 m,有时也取1000 m)作为可行性评价的指标,具体目标层位的选取还要参考具体的储层特征(刘妍,2014; 吕苗,2014; 许文波,2017); 渗透率变异系数是反映层内非均质性的指标之一,是评价储层宏观非均质性的最重要参数,表示围绕渗透率集中趋势的离散程度,变异系数越大,非均质程度越强。李志伟(2012)研究发现渗透率变异系数值较高时,地层属于低渗透较强非均质性地层,CO2在储层内部滞留时间较长,而不是很快地向上运移。这种情况下,CO2存储量更多。渗透率变异系数值较低时,地层属于高渗透较强均质性地层,CO2更容易注入。层内非均质性在CO2封存的选址评价中虽然不是必须的可行性评价依据,但在资料充足的情况下也是重要的储层特征之一(吕苗,2014; 许文波,2017; 尚墨翰,2021),其对注入和封存量产生的不同影响也会对选址评价造成困扰。
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图4 咸水层封存选址地质评价流程
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Fig.4 The geological evaluation process of the site selection of the saline aquifer
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4.2 CO2-水-岩反应对储集物性的影响
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由数值模拟实验探究CO2-水-岩反应对于储层孔隙度、渗透率的影响是目前CO2地质封存研究的重要内容,当前较为普遍的认识是由长石等非稳定矿物、铁镁矿物的溶解以及黏土类矿物(高岭石、伊利石、蒙脱石等)的沉淀作用产生的方解石、白云石、铁白云石以及片钠铝石等固碳矿物的形成会降低储层渗透率(刘娜,2011; 陈逸云等,2020),但对于储层孔隙度的影响并不明确,或升高,或降低,许多研究认为随着时间的推移,矿物捕集逐渐增强,孔隙度会逐渐降低(刘娜,2011)。由此可见,在具体某个时间段内CO2-水-岩反应对于储层孔隙度的影响其实并不明确,即使经历长时间反应后最终孔隙度与未注入CO2时相比会有所下降,其产生的原因可能也是多方面的(刘娜,2011),未必就与储层中的形成固碳矿物的反应有关。因此,CO2-水-岩反应对于储层孔隙度究竟会产生怎样的影响、造成孔隙度变化的原因有哪些,目前的研究尚未给出明确的结论。卜繁婷(2015)认为储层内部小断层既是重要的碳存储构造要素,也有可能增加泄露的风险,可见这也是一项双向性要素。
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4.3 研究中存在的特殊现象
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部分碳存储研究中产生认识虽然不具普遍性,还不能运用到具体的评价方案中,但其中发现的特殊现象仍然值得关注。储层内小断层断距一般在10 m左右、横向上延伸距离多半不超过500 m的断层,其在经过严格常规处理后的地震剖面上表现为微小错开或是同相轴扭曲、振幅突然变弱等形式(卜繁婷,2015)。目前在深部咸水含水层 CO2地质储存领域,断层研究多侧重于对其安全性的评价,储层内部的小断层一般不会造成 CO2大规模泄漏,因此,关于储层内部小断层对 CO2地质储存过程影响的研究较少。但这些断层其实也会对CO2封存的存储量、安全性造成影响。卜繁婷(2015)通过对鄂尔多斯盆地石千峰组内部小型断层对CO2空间分布和存储量的模拟实验发现:当高渗透性断层区域的储量显著增加时,储层的整体储量也有显著增加的趋势。以注入后100 a时的超临界状态CO2存储量为例,高渗断层方案(表5)相比于无断层方案存储量显著提升(图5a)。此外,高渗透性断层也可促进储层内除断层以外其他区域的CO2储量增加(图5b); 低渗透性断层阻碍CO2迁移,会造成总储量减少和储存位置集中在断层前缘。低渗透性断层方案(表5)与无断层方案相比,存储量明显降低(图5c)。低渗透性断层方案前缘拦截的CO2量也更大(图5d)。
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刘娜(2011)对松辽盆地南部红岗地区CO2注入后的含片钠铝石的砂岩(统称A类)与未注入CO2砂岩(统称B类)的相近深度段(A类:埋深910~2401 m,2180组数据; B类:埋深1195~2223 m,831组数据)岩石学特征进行了比较,其孔隙度各区间占总样本数的比值显示(图6a):孔隙度5%~20%的比例B类(0.82)比A类(0.73)多9%,孔隙度高于20%的比例A类(0.18)比B类多出11%,孔隙度低于5%的比例以及样本数量较多的10%~20%的比例二者接近(0.09∶0.11; 0.55∶0.59),而在10%~20%区间内,10%~15%与15%~20%二者对比情况分别为0.25∶0.4和0.3∶0.19,互有长短,因此,从两类砂岩各孔隙度区间样本数量占比来看,两类砂岩的孔隙度高低很难比较,看不出CO2-水-岩反应对于储层孔隙度的影响规律。对片钠铝石含量与孔隙度关系的统计(图6b)显示作为该地区储层主要固碳矿物的片钠铝石与孔隙度之间并没有很明显的正相关性,而研究区内某井位片钠铝石与孔隙度、埋深关系图则显示1200~1600 m埋深的片钠铝石含量、碳酸盐矿物含量、埋深都与孔隙度有一定程度的关联(图5c),很难确定孔隙度究竟受哪项因素控制,这也说明了CO2注入后产生储层孔隙度变化的原因或者主要原因目前依然难以定论。
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图5 储层内小断层对于CO2存储的影响
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Fig.5 The impact of the CO2 storage produced by the intra-reservoir small sized fault
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(a)—含高渗透性断层储层内CO2含量(含断层);(b)—含高渗透性断层储层内CO2含量(不含断层);(c)—含低渗透性断层储层内CO2含量(含断层);(d)—断层前缘CO2拦截量(据卜繁婷,2015修改)
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(a) —The CO2 content of the reservoir with high-permeability faults (including the intra-faults CO2 content) ; (b) —the CO2 content of the reservoir with high-permeability faults (without the intra-faults CO2 content) ; (c) —the CO2 content of the reservoir with low-permeability faults (including the intra-faults CO2 content) ; (d) —the CO2 content of the front margin of faults (modified from Bu Fanting, 2015)
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图6 松辽盆地红岗地区注入CO2砂岩样品与未注入CO2砂岩样品岩石学特征比较
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Fig.6 The comparison of petrological characteristics between sandstones with CO2 injection and sandstones without CO2 injection (all samples are collected in the Honggang area of the Songliao basin)
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(a)—不同孔隙度区间样品数量占比;(b)—注入CO2砂岩样品中片钠铝石含量与孔隙度之间的关系;(c)—不同深度片钠铝石含量、碳酸盐矿物含量与孔隙度之间的关系(据刘娜,2011修改)
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(a) —Ratios of numbers of samples in different intervals of the porosity; (b) —the relationship between the content of the ammonium dawsonite and the porosity in sandstone samples with CO2 injection; (c) —the relationship among the ammonium dawsonite content, the carbonate minerals content, and the porosity in different depths (modified from Liu Na, 2011)
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4.4 多场耦合模拟中存在的不确定性
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数值模拟方法的优势在于它能充分考虑各个化学反应、力学变形过程间复杂的耦合关系,可直观有效地对地质模型进行数学分析,同时还可以对许多室内实验产生的机理方面的认识进行多个角度的验证和分析(李小春等,2016; 陈逸云等,2020; 刘苗苗等,2020)。CO2咸水层封存则是一个复杂的热力学-流体力学-岩石力学-化学多场相互作用的过程(李小春等,2016; 刘宁,2018; 刘苗苗等,2020),各场之间相互作用、相互影响(图7)。不过实际研究中很少会将以上四个场的影响都涉及到,因为并不是所有的场都会对最终的模拟效果造成影响,一般都是在流体力学和热力学参数的基础上,通过化学场参数模拟CO2-水-岩反应、矿物捕集的影响或者结合岩石力学、应力场参数模拟CO2注入后储层、盖层力学特征的变化,岩石力学场合化学场在多场耦合模拟很少兼顾,这是由于CO2-水-岩反应的时间尺度较长而储层、盖层力学性质的变化主要集中在注入阶段的几十年中,因此力学场和化学场之间往往不会互相干扰(姜玲,2010; 刘苗苗等,2020)。董建兴等(2012)在分析CO2-水-岩反应对于江汉盆地盖层的影响时采用了热力学场、渗流场和地球化学场的耦合,刘苗苗等(2020)在对盖层力学完整性模拟的综述中则强调CO2注入的模拟实验往往以力学场、渗流场和热力学场的耦合为主。然而,任何一种场本身也都是存在多种机理的,但目前有关CO2注入后封存状态演变以及对于储层、盖层影响的数值模拟研究很难做到多种机理的兼顾(雷宏武等,2015; 伍海清等,2018; 刘苗苗等,2020),比如在已有的力学问题耦合效应数值模拟研究中,有的单从流场角度分析储层封存的可行性,研究了裂缝对于渗流场的影响,而很少同时关注其对应力场的影响; 有的单从力学角度考虑盖层是否会失稳,关注了CO2注入可能诱发的裂缝产生问题,而较少关注裂缝产生后对渗流场的影响(刘苗苗等,2020)。此外,许多参数比如垂直方向渗透率、毛细管压力、残余气体饱和度、形变程度参数以及边界范围等的不确定性(郑艳等,2009; 董建兴等,2012; 郑菲等,2014; 胡叶军等,2016; 刘苗苗等,2020)以及目前数值模拟领域的通用问题比如三维建模的粗化、概化(资料少、数据精度低的情况下建立对真实地址特征还原程度较低的简易三维模型)、数值分析的精准度、模拟的时间、效率、软件性能等问题也都会影响CO2地质封存相关的数值模拟效果(雷宏武等,2014; 郑菲等,2014; 刘苗苗等,2020)。
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4.5 封存潜力计算中的不确定性
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封存潜力计算的不确定性主要在于其计算公式中参数的不确定性,可分为两点。第一点是各计算公式中经常用以表征不同封存机制影响的存储效率因子和容量系数的不确定性,存储效率因子是有效封存量与理想条件下理论封存量之间的比值,用于矫正理想储层的厚度、面积、孔隙度与有效储层厚度、有效面积、有效孔隙度之间的差异,受储层地质特征、储存机理、地球化学、压力、温度、相对渗透率等多因素的影响(刘廷等,2021)。有效存储容量系数也涉及多种因素影响,需要通过较多野外经验和数值模拟得到(张炜等,2008; 张亮等,2010; 赵利昌等,2012; 陈昌照等,2013; 唐蜜,2014)。由此可见二者均存在一定程度的不确定性。另一点是各类地层参数的不确定性,尤其是一些非均质性较强的层系和地区,许多参数往往只取平均值进行计算,这无疑也会增加封存潜力评价的不确定性(Goodman et al.,2013; 刘廷等,2021)。
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图7 CO2地质封存相关的数值模拟类型以及各类型之间的关系(据刘苗苗等,2020修改)
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Fig.7 Numerical simulations which is related with the CO2 geological storage and their relationships (modified from Liu Miaomiao et al., 2020)
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5 结论
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(1)CO2咸水层封存选址的地质依据可根据在评价中的作用分为两类,第一类是可行性评价的通用依据,包括大地构造、容积、储层、盖层、构造、区域稳定性和水文七个方面,可实现选址评价的初步定位; 第二类是用于进一步筛选优选靶区的封存适宜性和安全性指标,其中封存适宜性评价针对的是更加细致的储层特征(相较于可行性评价),还应注重与CO2-水-岩反应和构造方面认识的结合,而安全性评价则集中在盖层适宜性、场地地震安全性、水文地质条件、地面场地地质条件、储层盖层空间分布和构造六个方面。
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(2)根据不同封存量计算方法的特点,大范围的可行性评价可首选资料要求较低的面积法进行封存潜力评价,对小范围的优选靶区采取精度更高的容积法和包含更多封存机制的容量系数法
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(3)目前CO2地质封存中的不确定性问题主要在于相同依据在不同评价方面产生的不同影响、CO2-水-岩反应对储集物性的影响、研究发现的特殊现象、多场耦合模拟研究不系统以及封存潜力计算中参数不确定问题。
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摘要
深部咸水层封存是目前最具前景的CO2地质封存方式。本文通过调研CO2地质封存相关文献,对CO2咸水层封存选址地质评价依据进行分类,总结咸水层封存涉及的定量研究方法并探讨目前CO2地质封存中的不确定性问题。主要认识有:① CO2咸水层封存选址的地质依据可根据在评价中的作用分为两类,第一类是用于可行性评价的通用依据,第二类是用于进一步筛选优选靶区的封存适宜性和安全性指标,其中封存适宜性评价针对的是更加细致的储层特征(相较于可行性评价),而安全性评价则集中在盖层适宜性、场地地震安全性、水文地质条件、地面场地地质条件、储层盖层空间分布和构造六个方面;② 封存潜力评价方面,大范围的可行性评价可首选资料要求较低的面积法进行封存潜力评价,对小范围的优选靶区采取精度更高的容积法和包含更多封存机制的容量系数法;③ 目前CO2地质封存中的不确定性问题主要在于相同依据在不同评价方面产生的不同影响、CO2-水-岩反应对储集物性的影响、研究发现的特殊现象、多场耦合模拟研究不系统以及封存潜力计算中参数不确定问题。
Abstract
The CO2 storage of the deep saline aquifer is the most perspective CO2 geological storage way. This manuscript arranged papers which are related to researches of the CO2 geological storage, classifying geological conditions which is applied in the site selection evaluation of the saline aquifer CO2 storage, summarizing quantitative methods of the saline aquifer CO2 storage, and discussing main aspects of the uncertainty for the current CO2 geological storage. Current geological conditions for the site selection of the CO2 storage can be classified into two categories according to their different functions in the evaluation: the first category is the general condition for the feasibility evaluation and the second category is characteristics of the suitability and security of the storage which can be used to select the high-quality target area. Suitability features are more accurate features of reservoirs compared with the feasibility evaluation and the security evaluation focus on the suitability of cap rocks, the security of earthquakes, hydrogeological conditions, geological conditions of ground sites, the spatial distribution of reservoirs and cap rocks and structural features. The area method can be the prior consideration of the calculation of the storage volume in the large size area because of low requirements of materials. The volume method and the capacity coefficient method should be prior selection in the storage potential evaluation of high-quality target areas because of higher accuracy and the consideration of more storage mechanisms respectively. The uncertainty of the current geological evaluation of the saline aquifer storage lies in the following five aspects, which are respectively different impacts of geological factors in different aspects of evaluations, the uncertainty of the influence on the reservoir physical property produced by the CO2-water-rock reactions, special phenomena of the study, the insufficient understanding on the mechanism of various numerical simulations, and the uncertainty of parameters in the evaluation of storage potentials.
Keywords
CO2 ; the saline aquifer storage ; geological conditions ; reservoirs ; quantitative studies ; uncertainty