延長靖邊油田CO2地質(zhì)封存礦場實踐

聶向榮，江紹靜，余華貴

(1.西安石油大學石油工程學院，陜西 西安 710065；2.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西 西安 710075)

延長靖邊油田CO2地質(zhì)封存礦場實踐

聶向榮1，江紹靜2，余華貴2

(1.西安石油大學石油工程學院，陜西 西安710065；2.陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院，陜西 西安710075)

在油藏中進行CO2地質(zhì)封存既能達到碳減排目的，又提高了原油采收率，是一項很有前景的工程。靖邊油田垂向發(fā)育三套封閉蓋層，能夠實現(xiàn)對CO2接替封閉；靖邊喬家洼示范區(qū)最佳CO2封存量為365.21×104t；示范區(qū)建成了“地層-地表-大氣”三位一體CO2監(jiān)測體系，實現(xiàn)了油藏封存體有效監(jiān)測；示范區(qū)注入CO2累計5.9×104t，監(jiān)測結果表明全部安全封存。延長石油在CO2封存領域的先鋒性工作，為中國CO2地質(zhì)封存提供示范。

CO2封存；蓋層；封存潛力；封存監(jiān)測；靖邊油田

隨著人類社會工業(yè)文明的快速發(fā)展，CO2等溫室氣體排放量逐年大幅增加，全球氣候變暖與環(huán)境問題日趨嚴重，甚至對人類的生存和經(jīng)濟社會的發(fā)展構成了嚴重威脅，引起了世界各國政府和公眾的廣泛關注[1-2]。CO2捕集、利用與封存技術(CO2capture，utilization and storage，簡稱“CCUS”)被認為是能夠大規(guī)模實現(xiàn)碳減排最為重要的技術手段之一，已在全球范圍內(nèi)受到高度重視[3-5]。根據(jù)國際能源署(IEA)的研究，至2050年CCUS技術將承擔全球19%的減排任務，為減排份額中最大的單體技術。CO2驅油與封存技術是將能源化工企業(yè)排放的CO2通過捕集、運輸至油田用于驅油，提高原油采收率，同時實現(xiàn)CO2的地質(zhì)封存[6-8]。CO2以驅油為目的的項目國際上很多[9-11]，但是以封存為目的的項目國際上并不多[12]。延長石油具有陜北煤化工排放的碳源、CO2運輸體系和CO2封存地質(zhì)體，是中國首個全流程CCUS項目。延長石油進行CO2封存的油藏地層壓力低，注入的CO2在油藏中的驅油也屬于非混相驅，而世界范圍內(nèi)的CO2驅油大多數(shù)都是混相驅，其封存CO2的主力油層為長6，屬于特滲透油藏，裂縫較為發(fā)育。利用CCUS技術過程中提高CO2的驅油效率、注入能力和CO2竄逸封堵技術是延長油田面臨的典型技術難題。延長石油在靖邊油田開展的CO2封存示范區(qū)具有開拓性和先鋒性，其中靖邊喬家洼示范區(qū)成功運行4 a，取得了良好的成績，2015年6月，延長靖邊CCUS項目獲得全球碳封存領導人論壇(CSLF)認證；2015年9月，延長CCUS項目被納入《中美元首氣候變化聯(lián)合聲明》。本文基于延長石油CO2油藏地質(zhì)封存示范項目，探討了延長石油在CO2油藏地質(zhì)封存礦場實踐所做的工作，以期為國內(nèi)CCUS項目的開展帶來啟示。

1 靖邊油田示范區(qū)概況

靖邊油田喬家洼油田區(qū)域構造位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡中部。在晚侏羅世燕山I期運動的影響下，東升西降形成了東(北)高西(南)低的構造格局，在大的構造背景控制下，因巖性差異壓實作用和古地形突起披覆構造作用，延長組、延安組地層中形成了一系列具有明顯繼承性發(fā)育的小隆起帶，小隆起帶上局部突起與巖性的有機結合形成構造-巖性圈閉。CO2示范區(qū)長62儲層構造的基本形態(tài)與區(qū)域構造一致，整體為東高西低的單斜構造，在局部存在突起，構造相對平緩，地層整體向西傾斜，傾角0.6°左右。井區(qū)位于陜北斜坡中部，遠離盆地邊緣，地層相對平緩，未見斷裂。

2 靖邊油田CO2封存條件評價

2.1 CO2油藏地質(zhì)封存機理

CO2油藏地質(zhì)封存一般存在四種封存方式[13-14]。第一種是地質(zhì)構造封存，注入的CO2處于超臨界的狀態(tài)，在浮力的作用下向儲層頂部聚集，直到遇到蓋層底部、低滲透斷層或者砂體尖滅；第二種是CO2由于毛細管力的作用被吸附在巖石礦物表面，因而滯留在孔隙內(nèi)而被封存；第三種是溶解封存，注入的CO2會溶解在原油和地層水中；第四種是礦化封存，注入的CO2溶解在地層水中，導致地層水的pH值下降，溶解性增強，部分巖石礦物被溶解后和CO2發(fā)生礦化反應，生成新礦物。

這四種封存方式隨著時間的推移，逐漸演化，最初主要以地質(zhì)構造封存為主，CO2在蓋層的限制下隨著注氣井和油井之間的壓差運移，在運移的過程中，受孔隙介質(zhì)中毛細管力作用而被束縛。與此同時，CO2不斷溶解在原油和地層水中，此時主要以溶解封存為主。隨著CO2在地層中滯留時間的延長，地球物理化學反應才顯現(xiàn)出來，礦化封存逐漸起到作用。

2.2 蓋層宏觀封閉性

蓋層的封閉性評價主要是研究蓋層的巖相、發(fā)育規(guī)模、厚度和沉積環(huán)境。研究區(qū)長4+5層泥巖分布范圍廣、沉積體系穩(wěn)定、橫縱向沉積環(huán)境差異性小，蓋層厚度決定蓋層原始空間展布面積和斷裂、裂縫破壞后蓋層空間分布的連續(xù)性，因而關于蓋層的宏觀封閉性評價主要集中評價蓋層的厚度。對泥巖累計厚度統(tǒng)計，見表1。

表1 示范區(qū)蓋層宏觀發(fā)育特征參數(shù)表

長4+51和長4+52泥巖分布范圍廣，厚度大，為區(qū)域封閉蓋層；長61段泥巖分布范圍與厚度稍弱于長4+5層，由于其直接覆蓋于封存CO2的長62段之上，稱之為直接封閉蓋層；長62油層內(nèi)部有發(fā)育5～10 m厚的泥質(zhì)巖層(含致密粉細砂巖)，稱為內(nèi)部封閉蓋層。從蓋層平面分布特征來看，長4+5層泥巖厚度大、縱向連續(xù)性好、滿足區(qū)域性封閉要求；長61為良好的直接封閉蓋層；長62層內(nèi)泥質(zhì)夾層在一定程度上能起到一定的垂向和側向封閉[15]。由此，可以將CO2封閉蓋層分為三級，如圖1所示。

圖1 示范區(qū)CO2三級封閉蓋層示意圖

2.3 蓋層微觀封閉性

長4+51、長4+52、長61、長62段泥巖的平均孔隙度分別為2.74%，2.83%、2.92%、2.36%，泥巖的排替壓力平均為6.28 MPa、6.22 MPa、6.17 MPa、6.51 MPa(表2)，結合我國大中型氣田蓋層微觀封閉能力分級標準，研究區(qū)蓋層微觀封閉品質(zhì)為好-～好+。

2.4 蓋層垂向接替封閉機理

以兩口井蓋層微觀封閉性評價參數(shù)剖面為例(圖2)，可以看出CO2儲層頂部在垂向上發(fā)育有連續(xù)、穩(wěn)定的泥巖，當距離埋存CO2最近的泥巖段由于儲層內(nèi)部增壓而喪失封存能力后，其上部和排替壓力更大的泥巖可以實現(xiàn)對CO2的封存，擔當封閉蓋層，發(fā)揮抑制CO2向上遷移的作用，將這種CO2封閉機理稱之為蓋層垂向接替封閉機理。

表2 示范區(qū)蓋層微觀封閉特征參數(shù)表

圖2 單井蓋層微觀封閉特征參數(shù)評價剖面(mpor為泥巖孔隙度，po為泥巖排替壓力)

3 靖邊喬家洼示范區(qū)封存潛力

采用荷蘭ECOFYS 能源咨詢公司和荷蘭地質(zhì)調(diào)查局有關專家提出的評估方法，該方法十分簡便，回避了復雜的開發(fā)方式和油氣狀態(tài)等因素，對于注CO2提高采收率的油藏，CO2封存量計算見式(1)、式(2)[16-17]。

MEOR=ER×OOIP

(1)

MCO2=RCO2×MEOR/ρ0

(2)

式中：MEOR為注CO2增由量，t；ER為注CO2提高的采收率，%；OOIP為原始地質(zhì)儲量，t；MCO2為CO2封存量，t；RCO2為CO2換油率，t/m3；ρ0為原有密度，t/m3。注CO2提高的采收率可以通過文獻[17]中圖1獲得，靖邊油田原油API為35.17，經(jīng)查圖可得，最小值為6.1%，最大值為16.5%，最優(yōu)值為11.6%。以靖邊油田喬家洼示范區(qū)為例進行埋存潛力計算，示范區(qū)OOIP為931×104t，原油密度ρ0為0.858 t/m3。換油率RCO2按照文獻[17]中的經(jīng)驗值進行計算，最小值為0.94 t/m3，最大值為5.0 t/m3，最優(yōu)值為2.83 t/m3，計算結果見表3。

4 現(xiàn)場實施效果

4.1 CO2注入情況

靖邊喬家洼示范區(qū)自2009年9月開始注CO2，優(yōu)選了5個井組先期開展先導注氣試驗，主要注氣層位為長62，5個注氣井控制同層位生產(chǎn)油井33口，其中一線受益井14口，二線受益井19口，注氣井受控面積1.2 km2，石油地質(zhì)儲量39.4×104t，截至2016年6月底，累計注入CO2(液態(tài))5.9×104t。注氣以來，地層壓力逐年上升(圖3)。截至2016年底，地層壓力恢復到8.54 MPa，壓力保持水平為71.2%，表明注入CO2后，示范區(qū)地層壓力緩慢恢復，地層能量也得到相應的補充。

表3 示范區(qū)CO2封存量計算結果

圖3 靖邊喬家洼示范區(qū)地層壓力

4.2 CO2封存安全監(jiān)測

將CO2封存在靖邊喬家洼示范區(qū)油藏地質(zhì)體中，為了評價油藏封存體的封閉性和檢驗封存效果，靖邊喬家洼示范區(qū)通過對現(xiàn)有監(jiān)測方法的優(yōu)化，建立了“地層+地表+大氣”三位一體CO2監(jiān)測體系(圖4)。

地層監(jiān)測體系包括兩種方法：一種是套管氣CO2濃度監(jiān)測，其采用便攜式二氧化碳分析儀，該儀器可以直讀CO2等氣體含量，用以判斷生產(chǎn)井的產(chǎn)氣情況；另一種是CO2地震前緣監(jiān)測，其利用微地震技術描述CO2在封存體中的遷移和展布情況，可以繪制出CO2在地層中的濃度場。地表監(jiān)測體系包括兩種方法，土壤氣是通過采樣分析近地表土壤層CO2氣體濃度和碳-13同位素，以監(jiān)測CO2是否泄漏至土壤層。植被統(tǒng)計監(jiān)測是對植物種群密度和生長情況進行監(jiān)測和統(tǒng)計，以判斷植物是否受到CO2泄露影響；大氣監(jiān)測是將大氣中的CO2濃度和碳-13同位素含量作為重要的監(jiān)測指標，延長目前建成了大氣在線監(jiān)測工作站，可以連續(xù)實時監(jiān)測大氣中的CO2，地貌條件不適建立在線監(jiān)測工作站的地區(qū)采用氣樣袋取樣法。監(jiān)測結果表明，靖邊喬家洼示范注入的5.9萬t CO2全部封存。

圖4 三位一體監(jiān)測體系

5 結 論

1)延長石油在靖邊喬家洼建立的CO2封存示范區(qū)，是中國首個CCUS全流程項目，在國內(nèi)外取得了一系列榮譽。靖邊喬家洼示范區(qū)的成功實施，為中國CCUS項目大規(guī)模開展提供了可供借鑒的范例。

2)靖邊油田喬家洼示范區(qū)長6層CO2封存潛力評價結果表明，最優(yōu)封存量為365.21×104t。

3)靖邊喬家洼示范區(qū)建立了“地層-地表-大氣”三位一體CO2監(jiān)測體系，監(jiān)測結果表明目前已經(jīng)注入的5.9萬t CO2全部安全封存。

[1] 江懷友，沈平平，宋新民，等.世界氣候變暖形勢嚴峻二氧化碳減排工作勢在必行[J].中國能源，2007，29(5)：10-16.

[2] 趙杰，李昌建，袁向華.淺談我國二氧化碳減排途徑及對策[J].環(huán)境科學導刊，2010，29(S1)：1-4.

[3] 孫亮，陳文穎.基于GAMS的CCUS源匯匹配動態(tài)規(guī)劃模型[J].清華大學學報：自然科學版，2013(4)：421-426.

[4] 張燕，張紹良.CCUS煤層氣開采項目經(jīng)濟可行性分析[J].中國礦業(yè)，2015，24(11)：25-27.

[5] 劉冬梅，王亞男，陳穎，等.我國二氧化碳捕集利用與封存項目環(huán)評對策[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2013，38(4)：21-22.

[6] 李大鵬.能源化工產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排新模式[J].化學工業(yè)與工程技術，2012，33(3)：40-42.

[7] 仲平，彭斯震，張九天，等.發(fā)達國家碳捕集、利用與封存技術及其啟示[J].中國人口·資源與環(huán)境，2012，22(4)：25-28.

[8] 許志剛，陳代釗，曾榮樹，等.CO2地下地質(zhì)埋存原理和條件[J].西南石油大學學報：自然科學版，2009，31(1)：91-97.

[9] 謝尚賢，韓培慧.大慶油田薩南東部過渡帶注CO2驅油先導性礦場試驗研究[J].油氣地質(zhì)與采收率，1997(3)：13-19.

[10] Ettehadtavakkol A，Lake LW，Bryant SL.CO2-EOR and storage design optimization[J].International Journal of Greenhouse Gas Control，2014，25(6)：79-92.

[11] 廖長霖，廖新維，趙曉亮，等.低滲透油藏二氧化碳驅油及埋存可行性研究—以新疆油田八區(qū)克上組油藏為例[J].油氣地質(zhì)與采收率，2013，20(5)：79-83.

[12] 任韶然，張莉，張亮.CO2地質(zhì)埋存：國外示范工程及其對中國的啟示[J].中國石油大學學報：自然科學版，2010，34(1)：93-98.

[13] 楊國棟.鄂爾多斯盆地二氧化碳地質(zhì)封存機理研究[D].武漢：中國地質(zhì)大學(武漢)，2015.

[14] 楊永智，沈平平，宋新民，等.鹽水層溫室氣體地質(zhì)埋存機理及潛力計算方法評價[J].吉林大學學報：地球科學版，2009，39(4)：744-748.

[15] 曹龍.靖邊喬家洼JT203井區(qū)CO2地質(zhì)封存體的三維地質(zhì)建模[D].西安：西北大學，2014.

[16] 汪傳勝，田蓉，季峻峰，等.蘇北盆地油田封存二氧化碳潛力初探[J].高校地質(zhì)學報，2012，18(2)：225-231.

[17] 張亮，王舒，張莉，等.勝利油田老油區(qū)CO2提高原油采收率及其地質(zhì)埋存潛力評估[J].石油勘探與開發(fā)，2009，36(6)：737-742.

FieldapplicationofCO2storageinreservoirgeologyforJingbianoilfieldofYanchang

NIE Xiangrong1, JIANG Shaojing2, YU Huagui2

(1.College of Petroleum Engineering，Xi’an Shiyou University，Xi’an710065，China；2.Research Institute of Shannxi Yanchang Petroleum (Group) Co.,Ltd.,Xi’an710075,China)

The CO2storage in reservoir can not only be used for CO2reduction，but also can be used for EOR，which is a promising project.The results show that there is a three-stage cap rock which is composed of interior sealing cap，which is an important reason for CO2well storage.The optimal CO2storage capacity in Qiaojiawa oil region is365.21×104t.A monitoring system was built called “strata-surface-atmosphere” trinity，which achieves the effective monitor.The total CO2injected in reservoir is5.9×104t.The monitoring results show the storage condition is well.The pioneering project conducted by Yanchang petroleum provides a good demonstration for CO2storage in reservoir geology in China.

CO2storage；cap rock；storage capacity；storage monitor；Jingbian reservoir

P618.31

A

1004-4051(2017)12-0157-04

2017-02-08責任編輯趙奎濤

國家科技支撐計劃項目“陜北煤化工CO2捕集、埋存與提高采收率技術示范”資助(編號：2012BAC26B00)；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目“陜北致密砂巖油藏 CO2驅提高采收率關鍵技術研究及先導試驗”資助(編號：2014KTZB03-02)

聶向榮(1986-)，男，博士，工程師，主要從事提高油氣采收率方向的研究，E-mail：nxrcup@163.com。