碳中和背景下鄂爾多斯盆地地質封存CO2封堵層特征研究

白云云， 丁 鑫， 梁 穎， 師洋陽， 李亞梅

（1.榆林學院化學與化工學院，陜西榆林 719000； 2.榆林市能源安全稽查支隊，陜西榆林 719000）

在全球氣候變化的大背景下，CO2減排是當今國際社會已經達成共識并為之一直努力的行動目標.2020年12月12日，習近平主席在氣候雄心峰會上宣布中國國家自主貢獻一系列“碳中和”新舉措［1］. 基于碳捕集、利用及封存技術（CCUS）是世界各國普遍認可和關注的減緩溫室氣體排放的重要技術之一. 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，理論與實踐表明，CCUS技術一方面能夠有效降低空氣中的CO2含量，緩解溫室效應［2］，CO2封存方式主要包括酸化固定、海洋封存以及地質封存［3］. 酸化固定CO2需要用到大量的化學藥劑技術成本較高，且化學反應完成所需周期較長；海洋封存技術難度大，對海洋威脅較大，危險系數(shù)高［4］. 綜合比較，地質封存CO2技術較成熟，封存量可觀，封存潛力巨大［5］，可用于CO2地下儲存的場所主要有油藏、不可采煤層以及深部咸水層，且三種地質封存方式中，以CO2驅油最具有經濟效益［6］.

研究表明：在選擇進行CO2地下地質存儲時，一定要對封堵層的完整性、有效性和物性封閉能力進行嚴格的評估. 鄂爾多斯盆地位于一方面具有極為豐富的油氣資源，同時區(qū)域煤化工企業(yè)每年排放的CO2高達數(shù)千萬噸，因此，在鄂爾多斯盆地開展CO2地質封存能力和評價體系，評估封存場地適應性，具備得天獨厚地理和地質條件，具有迫切的實踐需求和良好的應用前景，我國CCUS 技術起步較晚，但發(fā)展較快，首個CCUS 項目是基于2015 年中美簽署的《中美元首氣候變化聯(lián)合聲明》，選定陜西延長石油集團位于陜北地區(qū)作為CCUS項目實施地［7-8］.

1 研究區(qū)地層劃分及烴源巖特征

X油田位于伊陜斜坡的中東部，在古地形起伏和沉積時巖性差異的雙重作用下，形成一總體為平緩的西傾鼻狀構造，地層傾角小于1°，圈閉類型主要為巖性尖滅或成巖，研究區(qū)分布如圖1所示. 研究區(qū)物源主要來自研究區(qū)的西南部，東北部為次物源［9-10］.

地層劃分與對比是地質工作的基礎，其目的是建立等時地層格架，明確地層接觸關系，了解地層縱橫向分布變化. 為后續(xù)的準確評估CO2地層封存潛力提供參考依據(jù). 本次劃分依據(jù)沉積旋回、標志層、鄰井對比、巖性電性綜合對比原則將延長組劃分為長2+長3、長4+5、長6 和長7，如圖2 所示. 其中長4+5 既是主要的產油層、也是未來實施CO2地質封存的主要目的層. 該層組主要發(fā)育一套三角洲前緣亞相沉積，總厚度約為35～60 m，中部發(fā)育一套黑色炭質泥巖，該標志層將長4+5劃分為長4+51和長4+52兩個油層亞組. 長4+51較為發(fā)育，主要為含油中細砂巖夾薄層泥巖，電性特征為高電阻、低時差、自然電位曲線表現(xiàn)為漏斗狀，垂向連續(xù)性好且厚度達20 m 左右. 該層不僅是研究區(qū)的主要產油層，同時也為未來CO2的封存提供地質場所；長4+52主要巖性為灰黑色泥巖夾砂巖，電性特征為高電阻、低時差，與上下覆地層呈過渡，該層厚度大約為30 m左右，為CO2主要封堵層［11-12］.

圖2 研究區(qū)地層劃分Fig.2 Stratigraphic division of study area

2 研究區(qū)儲層物性特征

蓋層通常由泥巖、頁巖等具有極低孔滲物性特征的致密巖石構成，是沉積、成巖及后期演化過程中環(huán)境下形成的天然地質體，能夠有效地將油氣阻擋，防止其逃逸. 蓋層封閉機理一般認為具有三種，其中物性封閉油氣是最普遍的機理，主要利用儲集層與蓋層之間的物性差異（高毛細管力）從而封閉油氣. 目前常用排替壓力、滲透率、孔隙度、比面以及微孔隙等參數(shù)來評價封閉能力［13-16］.

通過利用X-衍射和圖像粒度對研究區(qū)樣品進行分析，研究區(qū)長4+5 油層組主要以含泥巖屑長石粉砂巖和含泥極細粒巖屑長石砂巖為主，其中長石（正長石、斜長石）和石英平均質量分數(shù)分別為38.8%和29.19%，成分成熟度為0.75，屬于中等偏低，巖性特征如圖3（a～d）所示；填隙物中以膠結物類型主要為黏土類（29.08%）和碳酸鹽類（2.04%），主要成分為伊利石、綠泥石和伊蒙混層，其中伊利石占50.68%，綠泥石占32.19%，伊蒙混層占17.13%. 顆粒以細砂為主，粒徑主要分布在0.03～0.16 mm，磨圓度為棱狀，膠結類型為孔隙，分選中等.

圖3 研究區(qū)巖性特征Fig.3 Lithological characteristics of the study area

通過對研究區(qū)進行物性測試研究區(qū)儲層物性參數(shù)主要為特低孔、特低滲透為主，其中儲層孔隙度介于1.83%～5.06%之間，平均3.27%，儲層滲透率介于0.001 1×10-3～0.108 9×10-3μm2，平均為0.025 7×10-3μm2. 研究表明：研究區(qū)滲透率與孔隙度相關系數(shù)僅為0.416 4，兩者相關性很差，決定流體滲流的主控因素是孔喉比，而不是孔隙度，這就是為什么中孔低滲透率砂巖可以封堵油氣的原因［17］.

3 研究區(qū)封堵層非均質性

儲層非均質性通常指在空間的不均勻性，能在一定程度上反映儲層質量的優(yōu)劣，任何儲層都存在非均質性. 國內目前主要根據(jù)裘懌楠在1989 年、1992 年提出的方案，將宏觀非均質性分為層間、平面和層內三類，滲透率評價參數(shù)及標準如表1所示. 不同類型以及強弱的非均質性對二氧化碳向上做羽狀流運移起著至關重要的作用，直接影響著二氧化碳的地質封存效果［18-19］.

表1 滲透率非均質性評價參數(shù)及標準Tab.1 Evaluation parameters and standards for permeability heterogeneity

3.1 層內非均質性

層內非均質性主要對單砂層內CO2運移厚度及其羽狀流波及系數(shù)起著控制作用，研究表明研究區(qū)長4+5主要為正韻律和復合韻律兩類，滲透率在垂向上高低交替出現(xiàn)，變化規(guī)律不明顯. 經過統(tǒng)計分析得出長4+5變異系數(shù)為0.75，突進系數(shù)為3.76，滲透率級差為45.12，由層內非均質程度分類評價指標可看出，研究區(qū)具有層內強非均質性. 該性質對于阻礙CO2在層內橫向的擴散運移非常有利，是保證封堵效果的重要地質因素［20］.

3.2 層間非均質性

研究區(qū)長4+5屬于陸相湖泊三角洲前緣沉積，具有相帶窄、相變快、流程短、多種類型砂體相互疊加的一套儲集封堵層，大范圍發(fā)育多套穩(wěn)定泥巖、泥質粉砂巖和粉砂質泥巖隔層，這些發(fā)育的隔層能有效阻止CO2羽狀流向上滲流，研究表明，層間非均質性較強.

3.3 平面非均質性

平面非均質性主要影響CO2進入儲層以后的平面波及程度，研究表明：長4+5封堵層砂體在平面上呈東北—西南向的條帶狀分布，分流河道砂體的物性較好，厚度較大，封存潛力大；分流間灣物性相對較差，封存潛力小. 綜合分析認為，研究區(qū)長4+5非均質性強，對于CO2封存極為有利.

4 結論

1）研究表明：研究區(qū)長4+5 巖性為灰黑色泥巖夾砂巖，電性特征為高電阻、低時差；物性為特低孔特低滲，黏土礦物主要為伊利石、綠泥石，高的毛細管力為CO2的封存提供動力.

2）研究區(qū)范圍發(fā)育多套穩(wěn)定泥巖、泥質粉砂巖和粉砂質泥巖隔層具有強的層內、層間和平面非均質性，限制了CO2層內橫向的擴散運移和羽狀流向上滲流，對于CO2封存極為有利.