鄂爾多斯盆地子洲地區(qū)山2段咸水層CO2埋存條件與潛力評價

羅　超, 賈愛林, 魏鐵軍, 郭建林, 何東博, 閆海軍

( 中國石油勘探開發(fā)研究院,北京　100083 )

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鄂爾多斯盆地子洲地區(qū)山2段咸水層CO2埋存條件與潛力評價

羅超, 賈愛林, 魏鐵軍, 郭建林, 何東博, 閆海軍

( 中國石油勘探開發(fā)研究院,北京100083 )

以鄂爾多斯盆地子洲地區(qū)山2段咸水層為例，綜合測井、巖心分析和薄片觀察等資料，考慮CO2埋存有效性和埋存穩(wěn)定性，對試驗區(qū)CO2地質(zhì)埋存可行性及埋存潛力進行評價；分析子洲地區(qū)山2—盒8段沉積相類型及時空演化規(guī)律，明確CO2埋存地質(zhì)體的儲層巖石學、微觀孔隙空間及儲層物性分布特征，評價試驗區(qū)蓋層分布特征、斷裂發(fā)育規(guī)律；結(jié)合試驗區(qū)礦化度、水化學成分分析結(jié)果，認定試驗區(qū)山2—盒8段具備注入CO2并進行地質(zhì)埋存的有利儲蓋條件。Z28-43典型井區(qū)的地質(zhì)模型計算結(jié)果表明，試驗區(qū)CO2有效埋存量為2.48×106t，為試驗區(qū)后續(xù)的CO2埋存研究奠定地質(zhì)基礎。

地質(zhì)模型； 有效性； 穩(wěn)定性； CO2埋存； 咸水層； 子洲地區(qū)； 鄂爾多斯盆地

0　引言

2030年，我國預計CO2總排放量將達到67×108t，成為超過美國的第一大排放國[1]。由于溫室氣體的排放直接影響氣候條件變化和國民經(jīng)濟發(fā)展，另外國際上要求我國減少CO2排放的壓力也越來越大，因此必須開展CO2減排和處置的研究，為能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和CO2減排方式優(yōu)化提供科學依據(jù)[2]。在地下地質(zhì)儲集體中，進行CO2地質(zhì)埋存是解決問題的有效手段，在包括煤層[3]、頁巖[4-5]、油氣藏[6]和咸水層[7-9]的適合CO2埋存的儲集體中，臨近氣藏的咸水層具有良好的圈閉條件、巨大的儲集空間，以及完善的井口、管線等基礎設施建設[10]，成為地質(zhì)埋存的首選目標。因此，開展臨近氣藏的咸水層內(nèi)埋存CO2的研究具有重大的意義。

多國研究機構(gòu)對氣藏周圍咸水層的CO2埋存及其相關技術(shù)[11-14]給予廣泛的關注，如荷蘭的K12-B氣田、阿爾及利亞的InSalah氣田，以及德國的Schwarze Pump地區(qū)已經(jīng)開展相應的研究和工程示范。我國在該類CO2埋存試驗及工業(yè)化應用方面還處于空白，借鑒國外咸水層內(nèi)埋存CO2的成功經(jīng)驗，實現(xiàn)有效穩(wěn)定的CO2地下地質(zhì)埋存，需要明確兩個關鍵問題：一是CO2的埋存空間，埋存空間主要取決于儲層縱、橫向上的連續(xù)性、儲層的孔隙空間，以及儲蓋層間的組合關系；二是CO2埋存體的穩(wěn)定性，要實現(xiàn)CO2的長期有效地質(zhì)埋存，離不開蓋層或巖性層的封閉、穩(wěn)定的水文地質(zhì)條件[15]。此外，為保證注入的CO2處于超臨界狀態(tài)，埋存點的注入深度應該超過800 m[16]。由于注入成本隨著埋深的增大而不斷增加，因此較適宜的埋存點最大深度應小于3 500 m。同時，為保證CO2埋存工程的經(jīng)濟效益，CO2埋存點應至少具備埋存1×106t CO2的能力，供應一個年排放量在105t的排放源埋存10 a的需求[17]。

筆者篩選符合CO2埋存地質(zhì)條件的咸水層，以鄂爾多斯盆地子洲氣田山西組到石盒子組發(fā)育的河流—三角洲沉積體系為研究對象，在勘探開發(fā)研究基礎上，綜合分析子洲地區(qū)山2段埋存地質(zhì)體的儲層地質(zhì)特征、蓋層封閉性、埋存體，以及周邊地層的構(gòu)造穩(wěn)定性、水文地質(zhì)條件等因素，開展CO2地質(zhì)埋存可行性研究，并建立典型井區(qū)的地質(zhì)模型，評估研究區(qū)的CO2存儲能力。

圖1　子洲地區(qū)區(qū)域位置Fig.1 Regional position of Zizhou area

1　區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是一個沉降穩(wěn)定的多旋回克拉通邊緣盆地(見圖1)，經(jīng)歷加里東期近億年的風化剝蝕，至上古生界沉積時期地勢平緩[18]。該時期自下而上發(fā)育本溪、太原、山西及石盒子組等地層，其中山西組沉積演化階段，受氣候周期性變化影響，盆地西緣賀蘭拗拉槽關閉，全區(qū)成為統(tǒng)一坳陷，北部地區(qū)受擠壓發(fā)生隆升剝蝕，形成南北差異升降的構(gòu)造格局，也為盆地的南北相帶分異提供物源基礎。子洲氣田位于盆地中央古隆起東側(cè)陜北斜坡的東部，在盆地大的構(gòu)造沉積格局控制下，該地區(qū)形成以“多物源供給、多水系匯聚”為特征的大型緩坡型三角洲沉積，多期次分流河道砂體交錯疊置，與煤系烴源巖的垂向組合一起構(gòu)成良好的儲蓋條件[19]。

2　沉積相類型及沉積演化

2.1沉積相類型

子洲氣田沉積的山西組可以分為山2和山1段，與下石盒子組為連續(xù)沉積。山2段底部與太原組的灰?guī)r直接接觸，為一套連續(xù)性較好的三角洲前緣沉積砂巖[20-21]，自下而上劃分為山23、山21+2兩小段，平面上形成厚度為30～50 m、寬度為10～30 km的水下分流河道連續(xù)砂體；山1段沉積地層厚度一般為40～60 m，以三角洲平原的分流河道為主，受基準面旋回升降變化，至下石盒子組沉積階段演化為河流作用主控的沉積環(huán)境，發(fā)育淺灰色含礫中—粗砂巖及泥巖互層，厚度為140～160 m。

2.2沉積演化

在山23段沉積過程中，研究區(qū)總體為三角洲前緣沉積環(huán)境，分流河道、間灣沼澤廣泛發(fā)育，局部也見河口壩發(fā)育。主河道沿榆22—榆81—榆53—榆55井一線發(fā)育，河道規(guī)模大、砂體較厚，隨后在榆56—榆73—榆58井一線迅速分叉，形成榆56—榆44—榆43井方向、榆45—榆58—榆77—榆48井方向和米3—榆69井方向的3條分支河道，且向前端砂體規(guī)模減小(見圖2)。其中榆56—榆44—榆43井方向的分支河道向西南方向延伸；榆45—榆58—榆77—榆48井方向的分支河道主體向南延伸，河道寬度穩(wěn)定，且在洲1井區(qū)和榆48井區(qū)發(fā)育河口壩；米3—榆69井方向分支河道規(guī)模較小、砂體較薄。雖然水下分流河道砂體的單層厚度相差較大，但砂體間的連通性較好。受后期成巖作用改造儲層的影響，儲層在平面上具一定程度的非均質(zhì)性，位于河道主體部位的砂巖厚、粒度大、石英含量高，是子洲地區(qū)主要的儲層發(fā)育帶，砂體向兩側(cè)減薄，物性變差。總體上，山23段沉積時期水下分流河道作用強，河道寬廣，砂層較厚，沿主流線多期河道砂體疊覆沖刷，為最有利的CO2埋存層段。

受湖平面升降作用影響，山21+2段總體上位于三角洲前緣亞相，但主要發(fā)育分流間灣沼澤沉積，分流河道砂體發(fā)育程度較低。該時期發(fā)育活躍于不同時段的、來自北部的三股物源，分別為榆22—榆72井一線的西物源、米15—榆74—榆71井一線的中物源和米3井一線的東物源，三股物源對應的分支河道自北向南發(fā)育，在榆56—榆73—榆58井一線疊覆交匯并形成新的分支河道。交匯后的河道向南持續(xù)分支前積，能量迅速衰減，部分形成的分支河道尖滅于分流間灣?？傮w上，該期分流河道較窄、彎曲度增加且快速擺動，砂體間連通性差，儲層非均質(zhì)性強烈。

圖2　子洲地區(qū)山23段沉積微相Fig.2 Sedimentary facies of Shan23 formation in Zizhou area

山1段總體上砂體發(fā)育程度較差，分流河道較窄，砂體較薄，以三角洲平原的細?；蛑辛７至骱拥郎绑w為主，河道間灣沉積發(fā)育。主要有來自北偏西方向和北偏東方向的物源供給，兩股物源在榆58—榆76井區(qū)交匯，河道也沿榆58—榆76井一線形成三股分支，左分支沿榆56—榆46井方向延伸，能量衰減，尖滅于分流間灣；中部分支向南持續(xù)形成兩次新的分支進積；右分支沿榆85—榆59井方向延伸。

盒8下段以平原分流間灣沉積為主，河道主體位于北部井區(qū)，向南分支河道進一步收縮，向南推進、尖滅和持續(xù)分支，河道整體能量弱，呈窄、薄、高彎度特征，儲集砂體不發(fā)育。至盒8上段時期分流河道沉積作用增強，河道變寬、彎度降低，河道沿主流向疊覆沖刷作用增強。

由子洲地區(qū)山西組—石盒子組的沉積演化過程(見圖3)可以看出，山西組山23段沉積時期，區(qū)域以連片疊置的三角洲前緣水下分流河道砂體為主，是良好的CO2埋存儲層；山1段、石盒子組以厚層的平原分流河道間灣泥質(zhì)沉積為主，是較好的區(qū)域性蓋層，與山23段構(gòu)成適宜CO2地下埋存的良好儲蓋層組合。

3　儲蓋層地質(zhì)特征

3.1儲層地質(zhì)特征

3.1.1巖石學特征

子洲氣田山23段位于三角洲前緣，儲層巖性以灰色石英砂巖、巖屑石英砂巖為主(見圖4)，成分成熟度較低；石英體積分數(shù)為45%～90%，巖屑體積分數(shù)為5%～40%，以變質(zhì)石英巖巖屑為主，其次為火山巖巖屑；長石零星分布，一般體積分數(shù)小于3%。薄片鑒定結(jié)果顯示，研究區(qū)山23段儲層分選較好，顆粒以次棱—次圓狀為主，呈點—線狀、線—線狀接觸，膠結(jié)類型以孔隙式膠結(jié)、再生孔隙式膠結(jié)為主[22]；雜基體積分數(shù)變化較大，一般小于8%，以伊利石、高嶺石和伊蒙混層黏土為特征。

圖3　子洲地區(qū)榆46井—榆76井沉積相剖面Fig.3 Cross section of sedimentary facies between Yu-46 well and Yu-76 well

圖4　子洲地區(qū)山23段儲層成分三角圖Fig.4 Reservoir composition triangle of Shan23 formation in Zizhou area

3.1.2孔隙類型

子洲地區(qū)山西組埋藏深度較大，成巖作用研究表明，該套地層處于晚成巖階段成熟—過成熟期，壓實—壓溶及硅質(zhì)膠結(jié)是導致儲層低滲—致密的主因。根據(jù)158個薄片樣品的統(tǒng)計結(jié)果，山23段儲層以殘余粒間孔(見圖5(a))、晶間孔(見圖5(b))、粒間溶孔(見圖5(c))和巖屑溶孔(見圖5(d))為主，占93.9%；其余孔隙類型占6.1%。其中，殘余粒間孔孔徑較大，介于0.03～0.10 mm，占總孔隙的37.4%，孔緣石英加大明顯，晶面受限制，呈三角形、四邊形及多邊形，多分布在中—粗粒石英砂巖中。晶間孔、粒間溶孔和巖屑溶孔為次生孔隙，占總孔隙的56.5%。在廣泛發(fā)育的次生孔隙中，巖屑溶孔的孔徑較大，一般為0.10～0.50 mm，占總孔隙的13.4%，溶蝕弱時呈斑點狀，溶蝕較強時呈網(wǎng)格狀、蜂窩狀，完全溶解時呈鑄?？?；粒間溶孔孔徑一般為0.05～0.15 mm，占總孔隙的14.1%，由粒間填隙物、顆粒邊緣溶蝕擴大形成，呈長條狀，溶解強烈時形成超大溶孔，孔徑大于周圍顆粒直徑；晶間孔孔徑小于0.01 mm，多為高嶺石晶體間的微小孔隙，雖然占總孔隙的29.0%，但相比其他類型孔隙更難以被充注的CO2占據(jù)。優(yōu)質(zhì)儲層段原生殘余粒間孔、巖屑溶孔和粒間溶孔發(fā)育，且具有孔徑大、連通性好的特征，因此在后期CO2埋存過程中，粒間孔、巖屑溶孔發(fā)育的優(yōu)質(zhì)儲集空間可以被CO2優(yōu)先占據(jù)。

圖5　子洲地區(qū)山2段儲層顯微照片(紅色部分為鑄體)Fig.5 Micrographs of sandstone reservoir in Shan2 member, Zizhou area

3.1.3物性特征

子洲氣田主力氣層山23段儲層屬于低滲—致密類型，平均孔隙度為5.73%(見圖6(a))，滲透率多分布在(0.10～10.00)×10-3μm2之間，75.85%的樣品小于1.00×10-3μm2(見圖6(b))。礦物組分、粒度特征對儲層的孔滲特征有明顯控制作用[23]，細粒的石英砂巖往往發(fā)育強烈的硅質(zhì)膠結(jié)，薄片資料顯示為致密特征；中粗粒石英砂巖物性往往較好，常發(fā)育為優(yōu)質(zhì)儲層。1011塊樣品分析資料表明：孔滲參數(shù)與巖石中石英含量、粒度大小呈正相關關系，石英含量越高、粒度越粗，孔隙度、滲透率越大。因此，中粗粒石英砂巖是高效儲層的主要巖石類型，厚層的水下分流河道控制石英砂巖高效儲層的展布。在儲集層非均質(zhì)性控制下，物性較好的水下分流河道砂體儲層內(nèi)CO2充注壓力低，運移阻力小，水容易被驅(qū)替，成為埋存CO2的“甜點”。由于低滲致密儲層一般難以進行CO2的注入與封存，一旦將超臨界狀態(tài)的CO2注入到山23段水下分流河道的相對高滲儲層內(nèi)，強非均質(zhì)性造成的分隔作用有利于CO2長期安全的埋存。

圖6　山23段儲層孔隙度、滲透率參數(shù)分布Fig. 6 Porosity and permeability distribution in Shan23 formation

3.2蓋層地質(zhì)特征

判斷一個地區(qū)是否能長期、有效、安全地埋存CO2，儲層是基礎，蓋層是關鍵，因此需要評價蓋層的巖性、厚度、發(fā)育面積，以及蓋層的斷裂與裂縫發(fā)育特征[24]等密封性因素。

3.2.1巖性、厚度

密封性良好的蓋層由低滲的巖層組成，裂縫不發(fā)育，具有較大的厚度和連續(xù)性，且沒有被易滲漏的鉆井破壞。子洲地區(qū)不存在廢棄的易滲漏井，因此蓋層的厚度及平面分布特征對CO2安全埋存更具意義。當蓋層厚度小或局部不發(fā)育時，在注入的CO2氣體形成連續(xù)相后，易發(fā)生氣竄造成突破滲漏。分析山西組到石盒子組的沉積演化過程，山2段上部黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖夾煤層及山1段泥巖是氣藏的直接蓋層，全區(qū)厚度分布穩(wěn)定，在主河道位置一般可達到20 m，在榆63、榆40井一線可超過30 m(見圖7)。下石盒子組的河漫灘泥質(zhì)巖及上石盒子組廣泛分布的泥巖是氣藏的區(qū)域蓋層，厚度達到80～120 m，側(cè)向隔板為低孔滲的致密巖層。壓汞實驗結(jié)果表明，兩套蓋層的孔隙度主要分布在2.3%～3.7%之間，滲透率為0.01×10-3～0.20×10-3μm2。在平緩的構(gòu)造背景下，全區(qū)厚度穩(wěn)定的致密蓋層構(gòu)成研究區(qū)CO2埋存安全性的有利條件。

圖7　子洲地區(qū)山23段直接蓋層厚度分布

蓋層泄漏主要有滲流和分子擴散兩種形式[25]。其中，溶解態(tài)CO2的分子擴散速度非常慢，在較短時間內(nèi)難以見到明顯泄露。向地質(zhì)體內(nèi)注入CO2后，地層壓力隨之增大，持續(xù)注入超過一定限值后，在蓋層中逐漸形成微裂縫甚至大的裂隙，使CO2發(fā)生長期滲流，形成貫穿蓋層的滲漏通道。CO2發(fā)生滲流的條件是CO2壓力與水壓之差超過兩者間的毛管張力臨界值(即排替壓力)。因此，蓋層巖石排替壓力是CO2地質(zhì)封存物性封閉特征的關鍵指標[26]，排替壓力越大，封閉能力越強[27-28]。利用實驗測得取心泥質(zhì)巖排替壓力，與相應深度段的聲波時差測井值建立函數(shù)關系，推算非取心井上的對應蓋層排替壓力，子洲地區(qū)山西組—石盒子組蓋層泥巖排替壓力整體比較高，縱向上差異不明顯，平面上具有從西向東逐漸降低的趨勢，東部排替壓力一般可達17.8 MPa，西部最高可達25.9 MPa。蓋層CO2突破壓力實驗顯示該套蓋層擴散系數(shù)為10-8～10-7cm2/s，根據(jù)天然氣封蓋層封閉能力分級評價標準(見表1)[29]，子洲氣田的蓋層條件為2～3級優(yōu)質(zhì)蓋層，厚層泥巖完整性好，巖性均一致密，為較理想的蓋層。

3.2.2蓋層裂隙及斷層發(fā)育

地震、測井資料表明，子洲地區(qū)地層平緩、接觸整合、構(gòu)造穩(wěn)定，且不發(fā)育具破壞作用的斷層。薄片資料(見圖8(a-b))和巖心觀察結(jié)果(見圖8(c-d))表明，研究區(qū)裂縫主要以構(gòu)造裂縫為主，開啟度很小，且主要集中分布于山西組儲層，在山西組、石盒子組泥質(zhì)蓋層中幾乎不發(fā)育，因此研究區(qū)蓋層各向同性均一，具備有效封蓋CO2的能力。

表1　天然氣封蓋層封閉能力分級評價

圖8　子洲地區(qū)山2段儲層裂縫特征Fig.8 Fractures of sandstone reservoir in Shan2 member, Zizhou area

4　水文地質(zhì)條件

在儲集體內(nèi)埋存的過程中，CO2受到來自巖層溫壓條件、地球化學等方面因素的影響[30]，與埋存體的水文地質(zhì)特征相關[31-32]，因此適宜的水文地質(zhì)條件是CO2安全埋存的另一必要條件[31]。一般情況下，可以利用地層水中各離子的含量，分析地層水化學成分、形成條件及其影響因素，綜合判斷地層水與地層之間的相互作用信息。

表2　子洲地區(qū)山2段水化學分析數(shù)據(jù)

5　CO2埋存潛力

在明確子洲地區(qū)CO2埋存地質(zhì)體沉積相演化、儲蓋層地質(zhì)及水文地質(zhì)等條件后，估算研究區(qū)CO2埋存潛力。由于CO2埋存潛力主要取決于儲層的三維分布和物性因素[37-39]，儲層地質(zhì)建?？梢员碚鲀尤S結(jié)構(gòu)和物性變化[40]，是綜合構(gòu)造、沉積、地球物理等學科為一體的技術(shù)[41]，因此可以作為評估地質(zhì)體CO2埋存潛力的重要手段。

目前，地質(zhì)建模的方法主要包括確定性和隨機建模[42]。由于子洲氣田山23段三角洲前緣砂體分布具有較強的非均質(zhì)性特征，因此使用單一的確定性或隨機建模方法[43]難以保證較高的準確度。為提高井間預測插值的精度，選取研究區(qū)東南部的Z28-43井區(qū)作為典型試驗區(qū)，該井區(qū)共有各類鉆井30余口。在研究過程中，采用“隨機建模和人機交互”的方法，以各井點數(shù)據(jù)為硬數(shù)據(jù)，按照“相控建?！钡乃悸?，在構(gòu)造模型基礎上，以儲層巖相為約束，建立儲層物性模型。將平面網(wǎng)格步長設為50 m×50 m，垂向上每0.25 m設定一個網(wǎng)格，模型網(wǎng)格總數(shù)共1.162 512×107個。

由于子洲氣田Z28-43井區(qū)斷層不發(fā)育，在完成山23段等小層的等時劃分與對比后，將Z28-43井區(qū)的鉆井、分層數(shù)據(jù)導入并建立井模型，結(jié)合先驗構(gòu)造認識構(gòu)建三維構(gòu)造模型。根據(jù)Z28-43井區(qū)的構(gòu)造地質(zhì)模型，各小層坡降幅度在4～5 m/km之間，符合研究區(qū)南西傾向的低緩單斜構(gòu)造特征。在單井巖相識別基礎上，調(diào)整變差函數(shù)，采用序貫指示模擬方法模擬巖相的空間分布，并以人機交互的方式編輯模擬結(jié)果，使得儲層三維分布模型符合地質(zhì)實際(見圖9(a))。以測井解釋的儲層物性數(shù)據(jù)為基準，采用序貫高斯模擬方法對孔隙度進行相控插值，儲層中孔隙度參數(shù)主要分布在3.0%～7.0%之間，在Z29-43、Y84井附近存在高值區(qū)，與測井解釋的結(jié)果保持一致(見圖9(b))。

為計算研究區(qū)CO2埋存量，引用2008年“CO2埋存領導峰會”提出的、基于埋存有效因子的計算方法[44]，該方法具有假設條件少、可操作性強等優(yōu)點。根據(jù)子洲氣田儲層實際，山23段小層埋藏深度取2 500 m，充注二氧化碳密度取700 kg/m3，埋存有效因子取經(jīng)驗值(2%)[45]，基于模型可用于埋存CO2的有效網(wǎng)格，計算Z28-43井區(qū)CO2有效埋存量為2.48×106t，具備較大的CO2埋存潛力。

圖9　Z28-43井區(qū)CO2埋存地質(zhì)模型Fig.9 Geological model of CO2 storage in Z28-43 well area

6　結(jié)論

(1)子洲氣田山23段沉積大面積疊置連通的三角洲前緣河道砂體，砂體殘余粒間孔、次生孔隙的發(fā)育為埋存CO2提供良好的儲集空間；山西組上部的三角洲平原泥質(zhì)巖和石盒子組的間灣泥質(zhì)巖構(gòu)成埋存CO2良好的蓋層，與山23段共同構(gòu)成CO2有效、安全埋存的有利儲蓋組合。

(2)研究區(qū)地層水具有典型的高礦化度特征，總礦化度分布在52.462 7～160.772 6 g/L之間，水型為CaCl2，為封閉環(huán)境下地下水水體環(huán)境，適合CO2長期有效安全注入；區(qū)域斷層不發(fā)育且斷裂活動少，蓋層內(nèi)無裂縫發(fā)育，為CO2埋存提供有利的地質(zhì)條件。

(3)采用“隨機建模和人機交互”方法，采用“構(gòu)造—巖相—屬性”的多步建模思路，建立Z28-43井區(qū)典型井組地質(zhì)模型，基于模型計算子洲地區(qū)Z28-43井區(qū)CO2有效埋存量為2.48×106t。

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2015-11-25；編輯：任志平

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羅超(1989-)，男，博士研究生，主要從事沉積地質(zhì)學與CO2地下埋存方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.01.002

TE121.1；P66

A

2095-4107(2016)01-0014-11