新疆準(zhǔn)噶爾盆地四棵樹凹陷CO2地質(zhì)封存潛力評估?

王新奧，師慶三,2?，巴合提亞爾·艾尼瓦爾

(1.新疆大學(xué) 地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆阿勒泰地區(qū)生態(tài)環(huán)境局，新疆 阿勒泰 836500)

0 引言

隨著社會工業(yè)化進(jìn)程的加快，CO2排放量不斷增加，僅新疆平均每年就有約6.227 9×108t 的CO2排放[1]，生態(tài)環(huán)境承擔(dān)著巨大的壓力，所以CO2在地質(zhì)上的應(yīng)用也越來越受到人們的重視.CO2地質(zhì)封存技術(shù)不但大大提高了CO2利用的效率，還降低了原有驅(qū)油方式的成本，這也使得國內(nèi)越來越多的學(xué)者開展CO2地質(zhì)封存潛力評估研究.“十四五”規(guī)劃中，我國莊嚴(yán)承諾CO2排放力爭于2030年前達(dá)到峰值、努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和.根據(jù)我國現(xiàn)階段對化石能源的過分依賴和對清潔能源、可再生能源的發(fā)展需要，可以預(yù)見，CCUS技術(shù)對于碳中和的實現(xiàn)以及油氣開采技術(shù)的重大突破起著重要作用.

新疆準(zhǔn)噶爾盆地是我國西部地區(qū)重要的沉積盆地和油氣資源基地之一，在其周邊有著良好的CO2氣源，這對于CO2地質(zhì)封存的研究和評估有著相當(dāng)大的潛力[2].準(zhǔn)噶爾盆地位于中亞造山帶，構(gòu)造發(fā)育較復(fù)雜，所以可依據(jù)其構(gòu)造特征分為多個構(gòu)造單元.目前，對于CO2地質(zhì)封存潛力評估的研究都偏重于整個地區(qū)或大的構(gòu)造盆地[1,3]，更小尺度的構(gòu)造單元研究未見，本文針對準(zhǔn)噶爾盆地西南端的二級構(gòu)造單元-四棵樹凹陷，進(jìn)行CO2地質(zhì)封存潛力評估.通過對四棵樹凹陷范圍內(nèi)的各項指標(biāo)參數(shù)的分析評估，得出四棵樹凹陷地區(qū)的CO2地質(zhì)封存潛力，最后計算出CO2封存量的理論值.

1 準(zhǔn)噶爾四棵樹凹陷地區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景

準(zhǔn)噶爾盆地是我國第二大盆地，位于中國新疆境內(nèi)，面積約為13 000 km2.根據(jù)地質(zhì)資料綜合分析表明，準(zhǔn)噶爾盆地為雙基底構(gòu)造：下部為前寒武紀(jì)結(jié)晶基底，上部為晚海西期（泥盆-早中石炭世）的褶皺基底，沉積巖總厚度約為15 km，其中的侏羅系地層分布最為廣泛[3].由于準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)的二疊系構(gòu)造以及后期地質(zhì)活動的改造，可將準(zhǔn)噶爾盆地劃分為東部隆起、西部隆起、陸梁隆起、中央坳陷、北天山山前沖斷帶和烏倫古坳陷6個一級構(gòu)造單元，并且還可再劃分為44個二級構(gòu)造單元（圖1）[4].

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造地質(zhì)單元分布

四棵樹凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地西南段，隸屬北天山山前沖斷帶，東鄰昌吉凹陷，并且西南邊以依林黑比爾根山為界，北部鄰車排子凸起，和紅車斷裂帶有所接壤，其凹陷處于北天山構(gòu)造帶和西準(zhǔn)噶爾構(gòu)造帶交匯處（圖2）[5]；四棵樹凹陷地層主要是形成于印支–燕山中期較厚的三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)的沉積地層，其主體走向為北西西–南東東.不論從構(gòu)造變形的運動學(xué)機(jī)制，還是從構(gòu)造變形時間分析，都表明四棵樹凹陷經(jīng)歷多期構(gòu)造疊加改造，這使得四棵樹凹陷相較于準(zhǔn)噶爾盆地周緣其它地區(qū)，它的變形歷史、構(gòu)造展布、斷裂走向和圈閉形態(tài)都更為復(fù)雜[5?6].

圖2 四棵樹凹陷構(gòu)造綱要

2 四棵樹凹陷地區(qū)地質(zhì)封存潛力評估

通過對四棵樹凹陷地區(qū)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的搜集和整理，收集到其區(qū)域評價指標(biāo)，包括盆地特征指標(biāo)、安全性指標(biāo)；圈閉評價指標(biāo)包括蓋層指標(biāo)、儲層指標(biāo)等；油藏適宜性指標(biāo)包括流體指標(biāo)、油氣藏物性指標(biāo)等；氣源及環(huán)境指標(biāo)包括氣源指標(biāo)、交通指標(biāo)、環(huán)境指標(biāo)等（表1）.

表1 四棵樹凹陷數(shù)據(jù)指標(biāo)

由于CO2地質(zhì)封存評價中所涉及到的因素較多、指標(biāo)較多，且有些指標(biāo)只能進(jìn)行定性描述、難以量化，所以選擇模糊綜合評價法來解決這些問題[9].對這些指標(biāo)的重要性進(jìn)行估算評價從而確定其權(quán)重并建立評價模型體系.由于現(xiàn)階段對四棵樹凹陷探明的不完全性，仍有小部分區(qū)域地層的數(shù)據(jù)未知，本研究只對已探明區(qū)域的已知數(shù)據(jù)進(jìn)行評估.

根據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局之前發(fā)布的《中國二氧化碳地質(zhì)儲存潛力評價與示范工程實施技術(shù)要求》，對每項指標(biāo)賦值9、7、5、3、1，其所對應(yīng)評價集定義為｛極適宜、比較適宜、一般性適宜、不適宜和極不適宜｝，從中得到每項評估指標(biāo)的評估分值，其后再依據(jù)所制定的評價標(biāo)準(zhǔn)并應(yīng)用加權(quán)平均法計算出該區(qū)域CO2地質(zhì)儲存適宜性綜合評分值[10].加權(quán)平均法公式：

式中：p為評價單元的綜合評分值，n為評價因子的總數(shù)，Pi為第i個評價指標(biāo)的給定指數(shù)，Ai為第i個評價指標(biāo)的權(quán)重.

3 四棵樹凹陷地質(zhì)潛力評價結(jié)果

3.1 地質(zhì)封存適應(yīng)性評價

根據(jù)《中國二氧化碳地質(zhì)儲存潛力評價與示范工程實施技術(shù)要求》，對各指標(biāo)參數(shù)采用加權(quán)平均法計算CO2地質(zhì)儲存適宜性綜合評分值.準(zhǔn)噶爾盆地四棵樹凹陷地質(zhì)封存適宜性評價體系及計算結(jié)果見表2.計算可得準(zhǔn)噶爾盆地四棵樹凹陷的CO2適應(yīng)性地質(zhì)封存綜合評價值為6.379，準(zhǔn)噶爾盆地四棵樹凹陷CO2地質(zhì)封存綜合適宜性評價結(jié)果為一般性適宜.

表2 CO2地質(zhì)封存適宜性評價體系及賦值

續(xù)表2

3.2 四棵樹凹陷CO2技術(shù)封存理論儲量結(jié)果

3.2.1 理論封存儲量計算方法

目前，油氣藏中的CO2理論儲量值主要依據(jù)物質(zhì)平衡方程計算得到的，其假設(shè)條件為原油氣藏空間全部用于CO2的貯藏.本文根據(jù)盆地一級構(gòu)造圈閉的劃分計算四棵樹凹陷整個構(gòu)造圈閉的CO2儲存量值[11].通過國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)前期研究，做出如下假設(shè)：考慮到凹陷內(nèi)的地層發(fā)育延展、地質(zhì)構(gòu)造斷裂、礦產(chǎn)開發(fā)以及缺少詳細(xì)的地質(zhì)數(shù)據(jù)資料等，很難詳細(xì)地計算出凹陷儲層的平面展布情況，所以在計算CO2地質(zhì)理論封存儲量過程中，取儲層單元總面積的1%[12]；凹陷儲層的孔隙度資料由于不能詳細(xì)得知，孔隙度取20%（經(jīng)驗值）[13].由于區(qū)域構(gòu)造的復(fù)雜性和油氣開采進(jìn)度等因素，在計算過程中僅對已知范圍內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算.

CO2在構(gòu)造圈閉之中理論儲存值的計算應(yīng)是在詳細(xì)探知的圈閉構(gòu)造或其圈閉指標(biāo)詳知條件下進(jìn)行的，所以在此假設(shè)其構(gòu)造圈閉的油氣藏空間全部用來進(jìn)行CO2的封存，不考慮圈閉內(nèi)復(fù)雜構(gòu)造和殘留油氣以及層間水等因素的影響.利用圈閉構(gòu)造的數(shù)據(jù)、構(gòu)造空間延展參數(shù)及CO2注入地層時的密度等數(shù)據(jù)，并依據(jù)儲存效率基數(shù)，利用如下公式進(jìn)行儲量計算：

式中：Vtrap為整個構(gòu)造或地層圈閉的有效體積，m3；hst為儲存效率，代表地質(zhì)體中可被CO2充填孔隙的空間百分比，一般取經(jīng)驗值0.2；Φaverage為儲層巖石的平均孔隙度；Haverage為儲層圈閉的平均厚度，m；A為構(gòu)造或地層圈閉的平面分布面積，m2；ρCO2為儲層圈閉中CO2的密度，kg/m3；MCO2S為CO2在構(gòu)造地層圈閉中的理論儲存值，kg.

本次計算由于數(shù)據(jù)的局限性和資料的不完整性，在不考慮注入及采出水的問題下，參數(shù)的選取是在已知的大量數(shù)據(jù)資料基礎(chǔ)上取平均值所得.對于一些未知或油氣藏未探明的數(shù)據(jù)資料在此不做討論.

3.2.2 理論封存儲量結(jié)果

由查詢到的數(shù)據(jù)可知，面積延展為0.18×104km2[5]，累計平均厚度為240 m，平均孔隙度為0.125，CO2的平均密度為860 kg/m3[3].

運用公式（2）對四棵樹凹陷區(qū)域的CO2地質(zhì)封存潛力進(jìn)行計算，可得CO2在四棵樹凹陷油氣藏中的理論地質(zhì)封存量為92.88×108t.

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

研究發(fā)現(xiàn)，凹陷盆地的區(qū)域特征條件和圈閉條件尤其是圈閉條件對于CO2地質(zhì)封存潛力起著決定性作用.蓋層指標(biāo)和儲層指標(biāo)對于CO2的注入和封存作用息息相關(guān).油氣藏物性總體而言對于封存能力影響較小，所占權(quán)重比不大.氣源及環(huán)境指標(biāo)所占權(quán)重比不高，但也是封存條件評估中必不可少的影響因素.

由于所用數(shù)據(jù)只是已探明情況下的數(shù)據(jù)，所計算出的CO2理論封存量只是現(xiàn)階段下的保守理論封存量.隨著進(jìn)一步勘探的進(jìn)行，CO2的理論封存量會進(jìn)一步加大.

4.2 結(jié)論

（1）運用文章中的評價方法可對四棵樹凹陷區(qū)域進(jìn)行CO2地質(zhì)封存潛力評價.并且此評價體系也可推廣應(yīng)用至更多盆地凹陷相關(guān)研究.

（2）四棵樹凹陷在評價體系中所得評分為6.379，適應(yīng)進(jìn)行CO2地質(zhì)封存，實施效果一般適宜.

（3）四棵樹凹陷區(qū)域地質(zhì)封存潛力非常巨大，理論上現(xiàn)階段CO2封存量為92.88×108t，隨著對四棵樹凹陷的繼續(xù)探明，CO2的地質(zhì)封存量定會加大.