榆林—神木地區(qū)CO2咸水層封存甜點(diǎn)優(yōu)選

張小莉,李亞軍,馮 淳,王姝慧,羅廣惠,李晨陽

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/榆林碳中和學(xué)院/二氧化碳捕集與封存國家地方聯(lián)合工程研究中心/陜西省碳中和技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069;2.延安大學(xué) 石油工程與環(huán)境工程學(xué)院,陜西 延安 716000)

二氧化碳捕集、利用與封存(CCUS)是國際公認(rèn)的能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)?？焖偬紲p排的技術(shù)解決方案,是中國應(yīng)對氣候變化、邁向“碳中和”的必然選擇[1-4]。二氧化碳地質(zhì)封存是CCUS中最重要的關(guān)鍵核心技術(shù)之一,其受到沉積盆地規(guī)模和特定地質(zhì)條件的制約[5-8]。地層中天然二氧化碳?xì)獠氐目陀^存在,說明二氧化碳是可以被安全封存于具有一定地質(zhì)條件的地層中,尤其是以超臨界狀態(tài)被安全封存于地層中[9]。

鄂爾多斯盆地榆林—神木地區(qū)被認(rèn)為是最有利于二氧化碳咸水層地質(zhì)封存的優(yōu)選場所之一。首先,其具備優(yōu)越的儲集條件,從中生界三疊系延長組到下古生界奧陶系馬家溝組,均有儲集體發(fā)育,特別是中生界三疊系延長組長10向下至上古生界二疊系石千峰組千5段,巖性主要為河流、三角洲、濱淺湖沉積的砂巖、泥巖組合,不含油氣;總體上,砂巖、泥巖厚度變化大,宏觀和微觀非均質(zhì)性強(qiáng);咸水層多層系發(fā)育,儲蓋層配置良好,巖性圈閉發(fā)育,有利于二氧化碳地質(zhì)封存。其次,其具備穩(wěn)定的構(gòu)造背景。鄂爾多斯盆地超大規(guī)模的西傾斜坡,遠(yuǎn)離斷層帶,裂縫不發(fā)育,在斜坡的東北部,中生界儲集層埋深適中,適宜二氧化碳地質(zhì)封存的工程實(shí)施。其三,榆林—神木地區(qū)是中國最重要的煤化工CO2排放集中地,碳源供給豐富,適宜開展CO2地質(zhì)封存。2010年,在榆林北部的內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市啟動了咸水層封存項(xiàng)目,CO2封存層系為三疊系劉家溝組、二疊系石千峰組和石盒子組、奧陶系馬家溝組,開啟了中國首個(gè)咸水層CO2地質(zhì)封存的探索與實(shí)踐;項(xiàng)目實(shí)施至今,運(yùn)行效果良好,證明鄂爾多斯盆地三疊系、二疊系等能夠安全封存CO2[10-14]。

鄂爾多斯盆地不同構(gòu)造單元均具有CO2的地質(zhì)封存潛力[15-16], 其中伊盟隆起深部咸水層、 天環(huán)坳陷深部咸水層和伊陜斜坡深部咸水層的CO2有效封存潛力分別為3 315.12×106t, 2 119.73×106t和7 883.24×106t。

CO2注入與封存過程中,儲層巖石的初始礦物成分、物性、潤濕性、地層水特征、CO2注入方式等導(dǎo)致的鹽沉淀、水巖作用影響著儲層巖石組分及物性的動態(tài)變化,也影響CO2的注入效果及封存量的動態(tài)變化[17-22]。其中,除構(gòu)造作用以外,儲集層規(guī)模、巖石物性及非均質(zhì)性、儲蓋組合等特定的地質(zhì)條件是直接影響CO2注入以及長期地質(zhì)封存的最重要因素。

1 榆林—神木地區(qū)構(gòu)造特征

鄂爾多斯盆地是中國第二大沉積盆地,也是中國中東部中、新生代大型內(nèi)陸坳陷型湖泊沉積盆地。除東西兩側(cè)斷裂構(gòu)造發(fā)育、變形較強(qiáng)烈之外,盆地內(nèi)部為一大型的西傾單斜構(gòu)造,二級構(gòu)造不發(fā)育,三級構(gòu)造以鼻狀褶曲為主,很少見幅度較大、圈閉較好的背斜構(gòu)造,圈閉類型以巖性圈閉為主[23]。榆林—神木地區(qū)位于伊陜斜坡的東北部,東鄰近晉西撓折帶,重力、磁法、電法、遙感、地震資料反映區(qū)內(nèi)斷裂總體不發(fā)育[24-28](見圖1)。

圖1 榆林—神木區(qū)域構(gòu)造位置及斷裂展布Fig.1 Structural position and fault distribution in Yulin-Shenmu Area

2 延長組長10至石千峰組地層-構(gòu)造特征

榆林—神木地區(qū)晚古生代至中生代持續(xù)發(fā)育石炭系本溪組,二疊系太原組、山西組、石盒子組、石千峰組,三疊系劉家溝組、和尚溝組、紙坊組、延長組,地層連續(xù),其間無沉積間斷。其中,延長組長10至石千峰組底部,地層埋深多數(shù)大于800 m,地層分布穩(wěn)定,厚度變化不大,滿足CO2注入咸水層后地質(zhì)封存的安全性。

延長組長10至石千峰組的巖性主要為河流、三角洲、濱淺湖沉積的砂巖、泥巖,砂巖、泥巖間互沉積[29-31]。其中,長10底部、紙坊組以及石千峰組底部砂體相對較發(fā)育,和尚溝組頂部局部存在砂體,劉家溝組砂體不發(fā)育,僅在其中部存在湖相沉積的薄砂層。

為了進(jìn)一步分析紙坊組、石千峰組內(nèi)部不同部位砂巖的發(fā)育特征,從上向下把紙坊組劃分為4段,即紙1、紙2、紙3、紙4,石千峰組劃分為5段,即千1、千2、千3、千4、千5,其中,紙3段、千5段砂體厚度較大(見圖2),是CO2地質(zhì)封存的關(guān)鍵潛力層位。

圖2 榆林—神木地區(qū)三疊系延長組長10至二疊系石千峰組綜合剖面圖Fig.2 Stratigraphic characteristics of Chang 10 Member of Yangchang Formation to Shiqianfeng Formation of Permian, Yulin-Shenmu Area

榆林—神木地區(qū)紙坊組頂面構(gòu)造圖和石千峰組底面構(gòu)造圖顯示,研究區(qū)整體上為一西傾單斜構(gòu)造(見圖3),紙坊組頂面海拔800～-200 m,石千峰組底面海拔一般450～-1 450 m,構(gòu)造相對平緩,不存在明顯鼻狀構(gòu)造、斷裂構(gòu)造,構(gòu)造圈閉不發(fā)育,反映構(gòu)造對CO2地質(zhì)封存基本無影響,CO2地質(zhì)封存主要依靠巖性圈閉或水動力圈閉。

圖3 榆林—神木地區(qū)紙坊組頂面、石千峰組底面構(gòu)造圖Fig.3 Top structure of Zhifang Formation and bottom structure of Shiqianfeng Formation in Yulin-Shenmu Area

延長組長10至石千峰組的巖性組合及其變化,構(gòu)成了巖性圈閉,起封蓋遮擋的泥質(zhì)地層發(fā)育,因此,CO2封存選址的關(guān)鍵是如何優(yōu)選出砂巖厚度大、分布廣、物性好的優(yōu)質(zhì)咸水層,并分析其展布特征。

3 延長組長10至石千峰組的砂體展布

3.1 巖性識別

3.1.1 地質(zhì)特征

榆林—神木地區(qū)的石千峰組千5段主要為三角洲前緣沉積的灰色厚層塊狀粗礫巖、礫巖、粗砂巖、含礫細(xì)砂巖,之上為棕紅色泥巖;千4至千1以淺紅色濱淺湖相灘砂與淺紅色泥巖間互沉積為主。

劉家溝組以淺紅色、棕紅色砂質(zhì)泥巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖互層為主,中部一般存在薄層淺紅色細(xì)砂巖和中砂巖,主要為濱淺湖灘砂沉積,以長石砂巖和巖屑長石砂巖為主;和尚溝組與劉家溝組巖石組合及沉積特征類似,在其頂部以淺紅色細(xì)砂巖為主,夾棕紅色泥巖和砂質(zhì)泥巖,頂部砂巖主要為長石砂巖;紙坊組下部主要以黃棕、褐色泥巖和灰綠色細(xì)砂巖互層為主,中部主要為棕紅、灰綠色泥巖、砂質(zhì)泥巖與淺灰色泥質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖互層,上部主要為灰色、棕色泥巖與淺灰色細(xì)砂巖、中砂巖互層;延長組長10下部主要為深灰色泥巖、灰色砂質(zhì)泥巖與灰白色中砂巖、含礫細(xì)砂巖、灰綠色含礫細(xì)砂巖互層,巖石顆粒較粗。

3.1.2 測井巖性識別

榆林—神木地區(qū)延長組長10、紙坊組、和尚溝組、劉家溝組以及石千峰組主要為陸源碎屑沉積的砂巖、泥巖等。測井資料中用來反映巖性特征的曲線主要包括自然伽馬、自然電位以及三孔隙度曲線。其中,自然伽馬、自然電位曲線對泥質(zhì)含量反映較為敏感,因此采用自然伽馬、自然電位曲線分層分段處理,確定基線,反向重疊,快速識別泥質(zhì)和砂質(zhì)地層,識別巖性與可能儲層(見圖4),分析各鉆井中砂體的發(fā)育特征。

3.2 長10至石千峰組的砂體展布

鉆井、錄井資料以及測井巖性識別結(jié)果揭示,延長組長10底部、紙坊組紙3段、石千峰組底部千5段的砂層相對較厚,鉆遇率高。分別統(tǒng)計(jì)上述3套地層中的砂層累計(jì)厚度、頂部埋藏深度及其砂體平面展布,結(jié)果表明:紙坊組紙3段砂體相對發(fā)育,分布面積廣,埋深多超過800 m;神木附近的南北向區(qū)域石千峰組千5段的砂體相對發(fā)育,埋深均超過800 m;榆林以北以及其西北部的長10底部砂體相對發(fā)育,且埋深超過800 m(見圖5～7)。

圖5 延長組長10底部砂體展布、砂體頂部埋深Fig.5 Distribution characteristics of sand bodies and the burial depth at the top of the sand bodies, the bottom of Chang 10 Member of Yangchang Formation

圖6 紙坊組紙3段砂體展布、砂體頂部埋深特征Fig.6 Distribution characteristics of sand bodies and the burial depth at the top of the sand bodies, the third member of the Zhifang Formation

圖7 石千峰組千5段砂體展布、砂體頂部埋深Fig.7 Distribution characteristics of sand bodies and burial depth at the top of the sand bodies, the 5th member of the Shiqianfeng Formation

綜上所述,紙坊組紙3段、石千峰組千5段、延長組長10均具有良好的儲蓋組合(見圖4)和側(cè)向遮擋,紙坊組紙3段、石千峰組千5段和榆林附近及西北部的長10底部砂體埋深大于800 m,適合CO2地質(zhì)封存。紙坊組紙3段、石千峰組千5段砂體可作為主力封存CO2的潛力層,長10底部砂體可作為封存CO2接替層系。三疊系和尚溝、劉家溝組以泥質(zhì)地層為主,砂體薄,整體厚度小且分布面積小,主要為蓋層和遮擋層(見圖2)。

4 延長組長10至石千峰組砂體的孔隙度特征

4.1 延長組長10底部砂體的孔隙度特征

榆林—神木地區(qū)延長組長10不含油,缺乏系統(tǒng)巖屑錄井和巖心資料,無法開展系統(tǒng)的物性測試實(shí)驗(yàn)。區(qū)域沉積體系和沉積微相研究顯示,榆林—神木地區(qū)的長10沉積與安塞油田北部屬于同一沉積體系,物源特征相同,沉積環(huán)境相似[29-30],其孔隙度解釋模型借用安塞北部油田延長組長10的測井解釋模型開展孔隙度參數(shù)解釋[31]。同時(shí),參照長10油層有效儲層物性的下限標(biāo)準(zhǔn),取孔隙度8%作為能夠注入CO2的下限值。8%～10%作為Ⅲ類注入CO2封存潛力層,孔隙度10%～15%作為Ⅱ類注入CO2封存潛力層,孔隙度>15%的作為Ⅰ類注入CO2封存潛力層。

研究區(qū)長10底部砂體的孔隙度分布整體呈帶狀,榆林以北及其西北部地區(qū)砂巖孔隙度主要為8%～10%,物性較好,整體屬于Ⅲ類-Ⅱ類CO2封存潛力層(見圖8)。

圖8 延長組長10底部砂巖孔隙度平面展布Fig.8 Porosity distribution characteristics of the sand bodies in the bottom of Chang 10 Member, Yangchang Formation

4.2 紙坊組紙3段砂體的孔隙度特征

榆林—神木地區(qū)的紙坊組,缺乏系統(tǒng)巖屑錄井和巖心資料。紙坊期沉積與北部神華示范區(qū)均屬于同一河流沉積物源體系[30],砂巖組份類似,因此,其孔隙度測井解釋模型參照神華示范區(qū)測井解釋模型進(jìn)行孔隙度預(yù)測[32]。同時(shí),參照長10的劃分標(biāo)準(zhǔn)確定CO2封存潛力層。

紙坊組紙3段砂體孔隙度平面展布整體呈條帶狀分布,物性較好,整體屬于Ⅲ類-Ⅱ類潛力層(見圖9)。

圖9 紙坊組紙3段砂巖孔隙度平面展布Fig.9 Porosity distribution characteristics of the sand bodies in the third member of the Zhifang Formation

4.3 石千峰組千5段砂體的孔隙度特征

榆林—神木地區(qū)的石千峰組不含天然氣,缺少系統(tǒng)巖屑錄井和巖心資料。考慮地質(zhì)條件相似相近的原則,借用榆林氣田和神木氣田石千峰組的解釋模型,預(yù)測千5段砂體孔隙度特征[33]。同時(shí),參照石千峰組致密砂巖氣的物性下限標(biāo)準(zhǔn),取孔隙度6%作為能夠注入CO2封存的下限值。孔隙度6%～8%為Ⅲ類CO2封存潛力層,孔隙度8%～12%為Ⅱ類,孔隙度>12%為Ⅰ類。

石千峰組千5段砂體孔隙度平面展布呈帶狀分布, 神木附近和榆林西北部為相對高孔隙度砂巖發(fā)育區(qū), 孔隙度一般6%～12%, 砂體物性較好, 整體屬于Ⅲ類-Ⅱ類CO2封存潛力層(見圖10)。

5 長10至石千峰組CO2地質(zhì)封存潛力甜點(diǎn)區(qū)初選

5.1 初選條件

作為CO2地質(zhì)封存的基本條件,必須滿足大容量圈閉、優(yōu)質(zhì)儲集空間、良好封閉條件等。就本研究區(qū)而言,構(gòu)造單一,主要以巖性圈閉和水動力圈閉為主,其規(guī)模受儲集砂體控制。良好的封閉除了與直接蓋層有關(guān)外,還需要一定埋深。

研究表明,榆林—神木地區(qū)埋深達(dá)到800 m就能滿足CO2地質(zhì)封存的超臨界狀態(tài)。當(dāng)埋深800 m左右時(shí),按平均地溫梯度約0.029 ℃/m和基準(zhǔn)溫度11 ℃計(jì)算,CO2可以達(dá)到超臨界狀態(tài)。此時(shí),CO2密度接近液體、黏度接近氣體,擴(kuò)散系數(shù)為液體的100倍,具有很強(qiáng)的溶解能力,可溶解多種物質(zhì),處于超臨界CO2狀態(tài),有利于地質(zhì)封存。

榆林以北及其西北部,長10底部砂體埋深均超過800 m,地層溫度、壓力條件超過超臨界溫度、壓力,地層條件能夠確保CO2處于超臨界狀態(tài)(見圖5)。研究區(qū)紙坊組紙3段砂體埋深一般750～1 500 m(見圖6),石千峰組千5段砂體埋藏深度為1 500～2 500 m(見圖7),上述各地層中,砂體發(fā)育部位埋深均滿足使CO2達(dá)到超臨界狀態(tài)的條件。

5.2 CO2地質(zhì)封存潛力甜點(diǎn)區(qū)初選

針對紙坊組3段、石千峰組千5段和延長組長10三個(gè)重點(diǎn)層位,進(jìn)行潛力甜點(diǎn)區(qū)初選評價(jià)。基于工程條件,選取單砂層厚度>2 m,并結(jié)合砂層厚度與孔隙度平面分布圖(單砂層厚度與孔隙度分類評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如圖11所示),對紙坊組3段、石千峰組千5段和延長組長10分別進(jìn)行CO2地質(zhì)封存潛力甜點(diǎn)區(qū)初選。

研究區(qū)紙坊組3段砂體發(fā)育且物性較好,有利于CO2地質(zhì)封存。石千峰組千5段甜點(diǎn)區(qū)主要位于神木附近和榆林西北部,砂體發(fā)育且物性較好。延長組長10甜點(diǎn)區(qū)主要位于榆林以北及其西北部,砂體發(fā)育,物性較好,且埋深大于800 m,有利于CO2地質(zhì)封存。

6 長10至石千峰組砂巖CO2封存特性分析

6.1 石千峰組

石千峰組砂巖巖石類型主要為長石砂巖、長石巖屑砂巖和巖屑長石砂巖,巖屑類型包括巖漿巖、變質(zhì)巖和沉積巖,填隙物主要為綠泥石和硅質(zhì)。泥巖主要由石英、黏土礦物和長石組成,其黏土礦物主要為伊利石,其次為蒙皂石、高嶺石和綠泥石。

神木氣田鉆井資料揭示,千5段砂巖粒度粗,成分和結(jié)構(gòu)成熟度差—中等,大型交錯(cuò)層理發(fā)育,正粒序發(fā)育,屬于干旱氣候條件下的河流-三角洲沉積,砂體分布受邊灘微相控制。儲層孔隙以粒間孔為主,喉道以中、細(xì)喉為主,孔喉組合主要見中孔中喉、中孔細(xì)喉、低孔中喉和低孔細(xì)喉4種類型,屬于中—低孔、中—特低滲透率儲層[34-35]。

CO2注入后,流體-砂巖長期相互作用的過程中,石千峰組砂巖可以通過形成片鈉鋁石、方解石、鐵白云石和菱鐵礦等固碳礦物,形成對CO2泄露而言的礦物圈閉,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)CO2的長期和安全封存;紅色泥巖夾層將會發(fā)生金屬離子活化,導(dǎo)致泥巖褪色[36]。

鉆井及模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示,石千峰組及其上部以泥質(zhì)地層為主的劉家溝組、和尚溝組地層,具有良好封蓋能力[32]。

6.2 紙坊組

榆林—神木地區(qū)的紙坊期主要為河流-三角洲、濱淺湖沉積,榆林南北一線主要為三角洲前緣沉積,與北部神華示范區(qū)的紙坊期河流沉積屬于同一物源體系[30],砂巖礦物組分主要為石英、高嶺石、尖晶石、鐵橄欖石等。

神華示范區(qū)紙坊組巖心模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,注入CO2以后,石英在短時(shí)間發(fā)生了部分溶解;尖晶石、鐵橄欖石等也發(fā)生了部分溶蝕反應(yīng),但反應(yīng)并不劇烈;高嶺石和其他黏土類物質(zhì),溶蝕比較劇烈,可以觀察到晶型被破壞并生成了部分碎屑顆粒物沉淀,生成新礦物,如方解石、針葉狀綠泥石等,起到較好的封存效果[37]。

6.3 延長組長10

研究區(qū)延長組長10砂巖類型主要為長石砂巖、巖屑質(zhì)長石砂巖,巖屑多為變質(zhì)巖、火成巖巖屑及少量沉積巖巖屑;孔隙類型以粒間孔、長石溶孔以及濁沸石溶孔為主,物性差異較大,非均質(zhì)性較強(qiáng)。

注入CO2以后,CO2與地層水反映生成弱酸,酸性介質(zhì)條件下容易導(dǎo)致長石的溶蝕,產(chǎn)生系列CO2-水-巖石反應(yīng),達(dá)到封存CO2的目的。

6.4 長10至石千峰組砂巖CO2可注入性分析

根據(jù)神華CO2示范區(qū)的主力儲層石千峰組等巖心模擬實(shí)驗(yàn)分析和現(xiàn)場測試結(jié)果,結(jié)合孔隙尺度的研究表明,CO2注入后,砂巖中長石含量增加,石英比例略有降低,注入前后主量元素含量變化不大,Si質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有下降,Mg,Al,Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加;注入CO2后,黏土含量較注入前減少。同時(shí),注入CO2后,對咸水層的孔滲特性有明顯改善作用[38]。

現(xiàn)場注CO2氣井穩(wěn)定測試與不穩(wěn)定測試資料綜合解釋認(rèn)為,石千峰組具有良好的吸氣性。紙坊組、長10砂巖主要礦物組分與石千峰組的相似,推測同樣具有較好的吸氣性和可注入性。

7 長10至石千峰組CO2封存優(yōu)選建議

假設(shè)井筒完整性好,從CO2封存地質(zhì)因素以及工程操作經(jīng)濟(jì)性方面綜合考慮,從砂體埋深、砂體厚度、孔隙度及其平面展布特征,并考慮砂巖原始礦物成分、可注入性(如鹽沉淀、水巖作用、物性變化等),以及經(jīng)濟(jì)效益、工程操作可行性等,建議首先優(yōu)選榆林—神木區(qū)的紙坊組3段砂體甜點(diǎn)作為CO2優(yōu)先注入層位。其次,在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下,可以選取榆林和神木之間的紙坊組3段砂體和石千峰組千5段的砂體甜點(diǎn)疊置區(qū),先將CO2注入石千峰組千5段的砂體中,后期注入紙坊組3段的砂體中;榆林以北及其西北部的長10底部砂體,可作為CO2封存甜點(diǎn)接替區(qū)。

8 結(jié)論

1)榆林—神木地區(qū)三疊系延長組長10至二疊系石千峰組,遠(yuǎn)離斷裂,延長組長10底部、紙坊組紙3段、石千峰組千5段砂體相對發(fā)育,厚度大,分布面積廣,物性較好。上述砂體的上、下地層中,泥質(zhì)地層發(fā)育,且各主砂帶之間,均分布泥質(zhì)地層封堵,具有良好“儲-蓋”組合。

2)石千峰組千5段的砂巖具有較好的CO2可注入性。紙坊組、榆林以北及其西北部長10底部砂體巖石學(xué)特征與石千峰組巖石學(xué)特征類似,推測具有較好的CO2可注入性。

3)優(yōu)選紙坊組3段砂體中的砂體甜點(diǎn)作為CO2優(yōu)先注入層位,經(jīng)濟(jì)條件允許情況下,選取紙坊組3段砂體和石千峰組千5段的砂體甜點(diǎn)疊置區(qū)作為CO2甜點(diǎn)區(qū),先將CO2注入石千峰組千5段的砂體中,后期注入紙坊組3段砂體中;榆林以北及其西北部的長10底部砂體,可作為CO2封存甜點(diǎn)接替區(qū)。