安徽省二氧化碳地質(zhì)儲存潛力評價

楊章賢，汪定圣，董迎春

（安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，安徽合肥230001）

1 概述

二氧化碳地質(zhì)儲存技術(shù)(Carbon Dioxide Geologi?cal Storage，CGS)，是將從能源活動及工業(yè)生產(chǎn)集中排放源中(如發(fā)電廠、鋼鐵廠等)分離得到的二氧化碳進(jìn)行一定的工藝處理后注入到地下深處具有封閉條件的地層中儲存起來。該技術(shù)的目的就是把二氧化碳儲存與地下深部構(gòu)造之中，具有儲存容量大、儲存時間長、可利用成熟技術(shù)等特點(diǎn)，是二氧化碳捕集與封存技術(shù)中最重要的技術(shù)之一。安徽省分布有31個中新生代陸相沉積盆地、7個煤田、2個油氣田，是儲存二氧化碳良好的地下空間，針對沉積盆地、不可采煤層、枯竭油氣田評價安徽省二氧化碳地質(zhì)儲存潛力，可為安徽省發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、實(shí)施節(jié)能減排提供地質(zhì)依據(jù)，開辟了新的減排途徑。

2 二氧化碳地質(zhì)儲存條件

二氧化碳的地質(zhì)儲存需要有一個儲存空間大、地質(zhì)構(gòu)造封閉、穩(wěn)定安全的地質(zhì)條件，以達(dá)到有效儲存及儲存的安全保證，因此該技術(shù)對地質(zhì)構(gòu)造及區(qū)域地殼穩(wěn)定性有著嚴(yán)格要求。

2.1 儲層深度

二氧化碳地質(zhì)儲存過程中常需要在超臨界壓力下將其注入，要求其流動性好、密度大。根據(jù)二氧化碳物理性質(zhì)研究顯示，超臨界二氧化碳的臨界點(diǎn)為31.1℃，7.38MPa。一般而言，需要在地表800m以下才能達(dá)到上述溫度及壓力，考慮安全因素，二氧化碳儲層的深度需在地表以下1000m處，以保證注入的二氧化碳完全呈現(xiàn)超臨界狀態(tài)的高密度流體。

2.2 儲層空間

二氧化碳地質(zhì)儲存要求儲層巖石要有較高的孔隙度及有效的滲透率，具備流體儲存和流通空間，方便二氧化碳注入過程中在儲層中的運(yùn)移。儲層巖石中都會發(fā)育有孔隙、裂隙、溶洞以及其它縫隙等，這些縫隙構(gòu)成的深部空間都可以有效進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)儲存，且相互連通的空隙通道，使二氧化碳流體能夠在儲層當(dāng)中進(jìn)行運(yùn)移，充滿整個地質(zhì)儲層，從而達(dá)到最大的二氧化碳地質(zhì)儲存量。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

二氧化碳地質(zhì)儲存地質(zhì)體必須是一個圈閉的地質(zhì)構(gòu)造，圈閉條件的構(gòu)成可以是地層向山彎曲成背斜圈閉，也可以是儲層沿上傾方向與非滲透層以斷層相接的斷層圈閉，還可以是儲層沿上傾方向被非滲透層不整合覆蓋的地層圈閉。二氧化碳由于超臨界狀態(tài)時密度比水小，注入到地質(zhì)儲層后會沿著縫隙向上滲透，因此，二氧化碳儲層上部必須存在嚴(yán)密的蓋層，防止其泄露或者發(fā)生次生環(huán)境事件。

綜合上述二氧化碳地質(zhì)儲存的深度、空間、構(gòu)造條件，適合二氧化碳地質(zhì)儲存的圈閉空間有深部咸水含水層、不可采的煤層、枯竭的油氣田等。

3 評價原則、方法及數(shù)據(jù)來源

3.1 估算單元概化與基本估算原則

（1）僅估算理論儲存量，以單個盆地、油氣田、煤田為估算單元，儲、蓋層地質(zhì)結(jié)構(gòu)模型僅為粗略概化。

（2）對深部咸水含水層的理論儲存量估算，主要為10個安徽省中新生代陸相沉積盆地深度800～3500m范圍內(nèi)的儲層。

（3）將油氣田作為單獨(dú)的估算單元，主要為合肥油田和天長油田，并假設(shè)均已開采枯竭。

（4）將煤田作為單獨(dú)的估算單元，主要為淮北煤田和淮南煤田，估算深度為1200～2000km。

（5）儲層的估算參數(shù)均取儲層范圍所得數(shù)據(jù)的平均值。

3.2 估算方法

（1）深部咸水層理論儲存量估算方法。CO2深部咸水層儲存最終將溶解到深部咸水層中的地層水中，其理論儲存量可視為原始地層水達(dá)到CO2飽和時所能溶解的CO2量，可用下式計(jì)算：

式中：MCO2td——CO2在深部咸水層中溶解儲存的理論計(jì)算量，106t；

A——深部咸水層的面積，km2；

H——深部咸水層的平均厚度，m；

?——深部咸水層巖石的平均孔隙度，%；

ρs——地層水被CO2飽和時的平均密度，kg/m3；

ρi——初始的地層水的平均密度，kg/m3；

——地層水被CO2飽和時的CO2占地層水中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

——原始CO2占地層水中的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

——CO2在地層水溶解度，mol/kg；

——CO2的摩爾質(zhì)量，0.044kg/mol。

（2）油田理論儲存量估算方法。我省目前尚未有枯竭的油氣田，所以首先作如下基本假設(shè)：即所有油氣田在充分開發(fā)后成為枯竭的油氣田再用于儲存CO2，而不考慮現(xiàn)有階段油氣田的開發(fā)程度。因此應(yīng)用已枯竭油氣藏儲存量估算方法。該方法基本的假設(shè)條件為CO2注入到衰竭油藏中直到儲層壓力恢復(fù)到原始儲層壓力，即油氣的采出所讓出的空間都用于CO2的儲存，可用下式計(jì)算：

式中：MCO2to——CO2在油藏中理論儲存量，106t；

ρCO2r——CO2在油藏條件下的密度，kg/m3；

N——原油的儲量，109m3；

ER——原油的采收率，%；

Bo——原油的體積系數(shù)，m3/m3；

A——油藏面積，km2；

h——油藏的厚度，m；

?——油藏孔隙度，%；

Sw——油藏束縛水飽和度，%。

上述兩公式分別適用于不同的數(shù)據(jù)獲取情況。前者適用于已經(jīng)獲得油藏原油儲量數(shù)據(jù)情況；后者適用于未知油藏原油儲量，但可以通過油藏面積、厚度、孔隙度和束縛水飽和度等參數(shù)計(jì)算油藏原油儲量。

（3）煤田理論儲存量估算方法。煤田理論儲存量估算可被認(rèn)為是氣體已被煤層吸附的情況下，煤層中的理論儲存量。用下式計(jì)算：

式中：MCO2tc——CO2在不能開采的煤層中的理論儲存量，106t；

ρCO2s——CO2在標(biāo)準(zhǔn)條件的密度，t/m3，通常為1.977kg/m3；

IGIP——煤層中原始?xì)怏w（甲烷氣體）地質(zhì)儲量，106m3。

（4）安徽省二氧化碳地質(zhì)儲存潛力匯總。安徽省二氧化碳地質(zhì)儲存潛力總和：

式中：Mco2(總)——安徽省二氧化碳地質(zhì)儲存理論儲存總量，108t；

Mco2td(總)——安徽省二氧化碳深部咸水層理論儲存總量，108t；

Mco2to(總)——安徽省二氧化碳油田理論儲存總量，108t；

Mco2tc(總)——安徽省二氧化碳煤田理論儲存總量，108t。

3.3 估算參數(shù)取值及來源

（1）估算對參數(shù)的空間變異性不做要求，以單個盆地儲層參數(shù)的平均值作為整個盆地的參數(shù)值開展計(jì)算，不做細(xì)化處理。

（2）結(jié)合儲層的平均壓力和溫度，利用二氧化碳密度與壓力、溫度的函數(shù)關(guān)系來確定盆地儲層的二氧化碳密度。

（3）根據(jù)儲層深度的壓力、溫度以及鹽度的平均值，然后通過查表法、Duan和Sun模型計(jì)算溶解度。

（4）深部咸水層的空間體積通過儲層在盆地內(nèi)分布面積和厚度估算求得。儲層在盆地內(nèi)的分布面積，首先分析可作為儲層的沉積地層分布范圍，作為儲層的基本分布面積，對儲層的面積延展不祥的構(gòu)造單元，取儲存單元總面積的1%；儲層厚度通過分析盆地的地層巖性及其他相關(guān)資料估算地層中可作為儲層的厚度,或取沉積深度平均值的10%計(jì)。

（5）孔隙度根據(jù)所搜集到的估算單元范圍內(nèi)的平均孔隙度代替。

（6）油氣和煤層氣的地質(zhì)儲量是反映油氣田和煤田中可用于CO2儲層空間大小的理論量，主要通過搜集油氣和煤炭部門的資料直接獲得，參考《安徽省油氣資源評價》、《安徽省煤炭資源圖集》、《安徽省石油地質(zhì)基本特征及含油氣遠(yuǎn)景評價的初步探討》及《兩淮煤田煤層氣抽采利用初步評價報(bào)告》。

（7）油氣采收率主要是選擇通過區(qū)域的采收率平均值作為近似值使用，參考《新一輪全國油氣資源評價系列叢書》之《全國石油天然氣資源評價》、《全國煤層氣資源評價》。

4 安徽省二氧化碳地質(zhì)儲存潛力估算

4.1 盆地咸水含水層二氧化碳地質(zhì)儲存潛力評價

綜合各盆地深部咸水含水層的分布面積、厚度，儲存平均孔隙度，初始地層水的平均密度，二氧化碳在地層水溶解度及二氧化碳的摩爾質(zhì)量等參數(shù)的取值，進(jìn)行了我省盆地咸水含水層二氧化碳地質(zhì)儲存潛力估算?？梢缘玫礁髋璧厣畈肯趟畬又卸趸嫉刭|(zhì)儲存潛力，計(jì)算參數(shù)和計(jì)算結(jié)果見表1，并繪制各盆地咸水層二氧化碳地質(zhì)儲存潛力柱狀圖，結(jié)果見圖1。從圖1和表1中可以看出，安徽省深部咸水層二氧化碳總地質(zhì)儲存潛力為886.86×108t。其中合肥盆地儲存潛力最大，占全省深部咸水層總儲存量的33.19%；其次為阜陽盆地，占深部咸水層總儲存量26.83%。

表1 安徽省盆地咸水含水層二氧化碳地質(zhì)儲存潛力估算一覽表

4.2 不可采煤層二氧化碳地質(zhì)儲存潛力評價

不可采煤層儲存二氧化碳的過程，可以簡化為煤層氣開采的逆過程，其核心機(jī)制是二氧化碳吸附及驅(qū)替煤層氣的動力學(xué)過程。因此，不可采煤層二氧化碳地質(zhì)儲存機(jī)理實(shí)質(zhì)上主要是關(guān)于二氧化碳在煤層孔隙結(jié)構(gòu)中吸附-解吸的作用機(jī)理。

據(jù)安徽省煤炭資源圖集，安徽省有煤田7個，包括淮北煤田、淮南煤田、巢湖煤田、安慶煤田、貴池煤田、蕪銅煤田、宣涇煤田，其中兩淮煤田煤炭資源約占全省的97.7%，且分布較集中、資料較豐富，其他煤田分布面積小，規(guī)模有限，且資料有限，故本文確定淮北煤田和淮南煤田作為二氧化碳地質(zhì)儲存評價估算煤田。

安徽省兩淮煤田煤炭資源量大，煤層氣儲量豐富，是儲存二氧化碳理想場所，目前，我省煤炭開采深度已超過1000m（望峰崗煤礦），所以本次估算認(rèn)為兩淮地區(qū)深度為1200～2000m的煤層為我省不可采煤層，即采用1200～2000m煤層中煤層氣地質(zhì)儲量進(jìn)行我省不可采煤層二氧化碳地質(zhì)儲存潛力估算。通過計(jì)算，得出安徽省不可采煤層二氧化碳總地質(zhì)儲存潛力為6.60×108t，其中淮北煤田不可采煤層二氧化碳地質(zhì)儲存潛力為2.36×108t，淮南煤田不可采煤層二氧化碳地質(zhì)儲存潛力為4.23×108t（表2）。

表2 安徽省不可采煤層二氧化碳地質(zhì)儲存潛力估算一覽表

4.3 油田二氧化碳地質(zhì)儲存潛力評價

油藏經(jīng)過一定時間的開發(fā)，在當(dāng)時技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件下的限制，有部分原油不能采出，導(dǎo)致油藏失去了開采價值而被廢棄，因此，可以利用該油藏儲存二氧化碳。鑒于已有資料情況，本文針對我省有資源量預(yù)測的較大的合肥油田和天長油田進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)儲存潛力估算。通過計(jì)算，得出安徽省油田二氧化碳總地質(zhì)儲存潛力為5.62×108t，其中合肥油田二氧化碳地質(zhì)儲存潛力為3.85×108t，天長煤田二氧化碳地質(zhì)儲存潛力為1.77×108t（表3）。

表3 安徽省油田二氧化碳地質(zhì)儲存潛力估算一覽表

4.4 安徽省二氧化碳地質(zhì)儲存潛力估算

通過上述計(jì)算，安徽省二氧化碳地質(zhì)儲存潛力為899.08×108t。其中深部咸水含水層二氧化碳地質(zhì)儲存潛力為886.86×108t，占全省二氧化碳地質(zhì)儲存潛力的98.64%；不可采煤層二氧化碳地質(zhì)儲存潛力為6.60×108t，占全省二氧化碳地質(zhì)儲存潛力的0.73%；油田二氧化碳地質(zhì)儲存潛力為5.62×108t，占全省二氧化碳地質(zhì)儲存潛力的0.63%（圖2）。

5 結(jié)語

安徽省二氧化碳地質(zhì)儲存潛力巨大，可儲存二氧化碳899.08×108t。從儲存介質(zhì)來看，以深部咸水含水層儲存潛力最大，主要有合肥盆地、阜陽盆地、沿江盆地和宣廣盆地。在今后二氧化碳地質(zhì)儲存工程上的研究與探索過程中，可選擇我省勘探及研究程度較高的可行盆地進(jìn)一步深入研究，以盆地一級構(gòu)造單元為研究對象，圈定一批二氧化碳地質(zhì)儲存目標(biāo)靶區(qū)，盡早開展我省二氧化碳地質(zhì)儲存試點(diǎn)、示范工作。另外，還需加強(qiáng)與煤炭、石油等部門的合作，通過人工地質(zhì)碳匯模式將二氧化碳進(jìn)行地質(zhì)儲存，必將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益，為我省碳減排工作做出重要貢獻(xiàn)。