CO2封存三维地震实验区地质条件评价

2013-09-05余小雷阮正中

地下水 2013年1期

关键词：盖层砂体泥岩

郭庆，孙卫，余小雷，阮正中

(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069;2.西北大学地质学系，陕西西安 710069;3.东方地球物理勘探公司研究院长庆分院，陕西西安 710021)

CO2封存三维地震实验区地质条件评价

郭庆1，2，3，孙卫1，2，余小雷3，阮正中3

(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069;2.西北大学地质学系，陕西西安 710069;3.东方地球物理勘探公司研究院长庆分院，陕西西安 710021)

根据地质要求在伊盟地区初选CO2封存地以及对其一定范围内的地质基本条件，综合应用地震、地质、测井资料进行综合评价。重点评价地层发育的地质特征，确定地层500 m以下至3 000 m以上储盖层的组合情况、分布区域和位置及厚度、地质构造特征如厚度、特点等，对储盖层岩石的孔隙度、渗透率等做初步预测，为开展CO2封存提出封存目的层的选择建议，利用区域勘探井的相关资料对建议层位进行评价，评价结果表明研究区内石盒子组和石千峰组两套区域性层系具有较好封存条件。

CO2封存;三维地震;储层预测

CO2封存是指将大型排放源产生的CO2捕获、压缩后运输到选定地点长期封存，而不是释放到大气中。现已发展出多种封存方式，包括注入到一定深度的地质构造、注入深海，或者通过工业流程将其凝固在无机碳酸盐之中［1－3］。某些工业流程也可在生产过程中利用和存储少量被捕获的CO2。CO2地质埋存过程主要包括3个要素:从发电厂或者工业生产过程中回收CO2;将CO2运送到埋存场地;CO2注入与埋存［4－5］。其中的很多技术在现有工业以及石油、天然气开采等行业中已经存在，因此，对CO2封存的地质背景调查，摸清地质条件，是我们开展CO2地质埋存研究工作至关重要的一步［6－7］。

1 区域地质背景

三维区块位于内蒙古自治区鄂尔多斯市，布连与陈家村境内。施工面积约 175.193 km2，满覆盖面积 54.375 km2，见图1。

图1 鄂尔多斯三维区地震勘探工区位置图

研究区构造位置属于鄂尔多斯盆地伊盟隆起一级构造单元，位于伊盟隆起南斜坡，现今构造总体表现为东高西低、北高南低的构造特征，地层倾角一般为1°～2°，梯度变化小，在西倾单斜的背景上发育一系列宽缓的小幅度鼻状隆起构造。本区发育的地层从上至下依次有第四系，侏罗系安定组、直罗组、延安组，三叠系延长组、和尚沟组、刘家沟组，二叠系石千峰组、石盒子组、山西组，石炭系太原组、本溪组，奥陶系马家沟组。

2 顶部封闭与断层封闭评价

2.1 盖层性质

二叠系石盒子组中上部泥岩是上古生界的区域盖层，是一套泥质岩和粉砂质岩为主的湖相沉积，具有分布面积广、单层厚度大的特点，上古生界气藏的分布受这一区域性盖层的控制。其次二叠系石千峰组中上部泥岩也是仅次于上石盒子组的另一套区域性盖层［8－10］。

除以上两套区域性盖层外，同时在山西、石盒子组内部广泛发育的三角洲平原分流河间洼地、沼泽相的泥质岩单层厚度一般为 5 ～20 m，可作为直接盖层或侧向遮挡［8，11－12］。

2.1.1 石盒子组中上部泥岩厚度及分布特征

从地震预测的石盒子组中上部泥岩厚度分布图来看，在研究区内大面积连片分布，其中在研究区中东部厚度较大，厚度100～150 m，在研究区西北部存在一相对薄值区，厚度仅80～100 m。

2.1.2 石千峰组中上部泥岩厚度及分布特征

从地震预测的石千峰组中上部泥岩厚度分布图来看，在研究区的分布呈薄、厚相间的分布格局，连片性不如石盒子组中上部泥岩，厚度仅 30 ～140 m［13－16］。

2.2 盖层封闭能力

微渗漏是天然气通过盖层散失的重要方式之一。不同孔径的盖层，油气发生渗漏的临界高度差异极大，常温常压下具有毛细管孔隙的盖层天然气发生渗漏的最大临界高度比具有超毛细管孔隙的盖层大 2 508 倍［9，11，17］。储层中游离相的天然气要想通过盖层发生渗滤散失，必须驱替掉盖层孔隙中的地层水，游离相天然气驱替盖层孔隙水所需要的最低压力被称之为盖层的排替压力。当储层内天然气剩余压力(气层压力与同深度的静水压力差)大于盖层的排替压力时，盖层孔隙水被驱动，天然气可通过盖层渗滤散失，否则，天然气不可能以游离相形式通过盖层漏失。据此，判断盖层是否存在微渗漏就变得非常简单，只要测得盖层的排替压力和储层内气藏的剩余压力，比较之后便可对微渗漏的可能性作出正确判断。

2.3 断层剖面分析

研究区地处鄂尔多斯盆地伊盟隆起一级构造单元内，本区自古生代以来一直处于隆起状态，中元古代以来的各时代地层由南向北逐渐变薄、尖灭。工区内断裂构造样式简单，主体以小断距的逆断层为主，根据断距的大小和可靠程度分为以下3类:

Ⅰ类(可靠):同相轴明显错开，断距25 m以上;

Ⅱ类(较可靠):同相轴微小错动，断距15～20 m;

Ⅲ类(可疑):同相轴扭曲或振幅变弱，断距10～15 m。

断裂走向以近南－北向为主，工区北部发育有近东－西向断裂，延伸距离一般为(0.4～5)km，纵向切割地层范围小，大多断穿1－2个层位;断距较小，一般为(5～36)m，平均断距为12 m。工区中部发育有小范围的对冲逆断层组合形式，在平面上变现为局部的断凹;其主要形成于海西构造期，初步认为其成因是由于受到向西北方向挤压作用的影响。

2.4 断层封闭性与运移路径

断层的封堵性分两个方面:一是沿断面的垂向封闭性，二是穿越断层面的侧向封堵性。断层的垂向封闭性取决于断面的紧闭程度，在断层两盘为泥岩与泥岩层相接触的情况下，由于泥岩层具有塑性的特点，在地层静压力或构造应力的作用下易使断层愈合，故断层在泥岩－泥岩接触段一般垂向上是封闭的，由于石盒子和石千峰中上部80～140 m厚的泥岩作为区域性盖层，而该区断层平均断距为12 m，可见断层的封闭性较好。

3 储层品质与性能评价

3.1 储层岩性特征

研究区上古生界主要目的层(石千峰、石盒子、山西组)砂岩杂基含量高，矿物成份成熟度和结构成熟度普遍低，物性差(平均孔隙度＜8%，平均渗透率＜0.5×10－3μm2)，基本上是一套低孔、低渗致密型储集体，在大面积的低渗背景上存在相对高孔渗区。优质储层的形成主要受构造演化、沉积环境、石英含量、成岩作用等因素所控制。

优质储层指的是物性条件优越，具有较大的储集空间和较好的连通性的储层。对于伊盟地区上古生界砂岩储集体而言，三角洲主分流河道储集体，石英砂岩含量最高，在河道的侧翼及其河间洼地石英含量明显降低，主要以岩屑质石英砂岩和岩屑砂岩为主，石英砂岩的分布区域就是优质储层的分布区。

总的来说，砂岩组分对储集性能的影响较大，石英砂岩的物性好，同时，少量的微裂缝对改善储集性能有一定的影响。岩屑砂岩与长石岩屑砂岩由于刚性组分的减少，杂基含量的增多，使得孔隙度、渗透率大幅度降低，造成储集性能变差。

3.2 储层展布特征

研究区内砂体的展布形态，分布范围和厚度变化趋势基本上受沉积相带的控制。由于在地震分辨率范围内所预测的砂体厚度是多期沉积环境中单砂体的总和，例如不是某一期河道所致，而是多期叠加的效应，因此，以下对砂体厚度的描述中用“砂带”，而不用“河道”一词。

3.2.1 山西组储层分布特征

早二叠世初期，海水退出盆地，开始了以河流相为主的陆相碎屑岩沉积。在北部物源供应丰富以及北高南低的地形差异影响下，河流注入明显，在区内形成了一套以冲积平原为主的沉积体系。其上发育河道(主河道和分流河道)和河道间沼泽为主要特征。砂岩分布于冲积平原的主河道和分流河道之中，其展布特征为:研究区西部砂带较厚，厚度15～25 m，规模较大;研究区东部砂带规模和厚度较小，厚度5～15 m。

3.2.2 石盒子组底部储层分布特征

盒8期在构造活动、气候变化，沉积物供给等诸方向都处在一个重要的调整变化和转折的初期。由于北部物源区继续抬升，古地形仍是南低北高，河床坡降向南逐渐减小，物源供应充足，河流作用增强，由于特定的构造沉积背景具有“满盆河流满盆砂”的特征，河流分布很复杂，垂向上河道叠复稳定性远不如石炭纪海进期和山西高位期那种沼泽平原的河道稳定，河道迁移频繁，洪泛事件又增加了河流改道的随意性和随机性。

石盒子组底部盒8砂体的分布特点是连片性强，研究区东西部厚度大，厚度在20～35 m之间，研究区中部存在一个薄值区，厚度在10～15 m之间。

3.2.3 石千峰组底部储层分布特征

石千峰组为陆相红色碎屑岩系，属冲积平原相沉积。石千峰组底部千5段砂体的分布特点是连片性强，研究区西北部和东南部厚度大，厚度在20～35 m之间，研究区东北部存在一个薄值区，厚度在10～15 m之间。

3.2.4 马家沟组马三盐岩分布特征

利用叠前反演预测的马家沟组马三盐岩分布图来，本研究区马三盐岩仅在研究区中东部局部发育，厚度10～30 m，研究区西部不发育，厚度5～10 m，从研究区北部H3井钻井岩性剖面来，该区马三盐岩基本为薄互层，单层厚度5～10 m。

3.3 储层孔隙系统

3.3.1 山西组中下部物性特征

从地震预测的山西组中下部平均孔隙度分布图来看，平均孔隙度为1%～9%，其中研究区中部存在一个相对高值条带，平均孔隙度为6% ～9%，其次为研究区东部，平均孔隙度为5% ～8%，研究区西部为低值区，平均孔隙度为1% ～5%。

山西组中下部砂岩平均渗透率0.1～0.4 Md，其分布规律与平均孔隙度具有很好的相关性，既渗透率与孔隙度成正相关关系。

3.3.2 石盒子组底部物性特征

从地震预测的石盒子组底部盒8段平均孔隙度分布图来看，平均孔隙度为2% ～8.5%，其中研究区西部和东部各存在一个相对高值条带，平均孔隙度为6% ～8.5%，研究区中部为低值区，平均孔隙度为2% ～5%。

石盒子组底部盒8段砂岩平均渗透率0.1～0.38 mD，其分布规律与平均孔隙度具有很好的相关性，既渗透率与孔隙度成正相关关系。

3.3.3 石千峰组底部物性特征

从地震预测的石千峰组底部平均孔隙度分布图来看，平均孔隙度为2%～7%，其中研究区中部存在一个相对高值条带，平均孔隙度为5% ～7%，研究区西部和东部各存在一低值区，平均孔隙度为2% ～4%。

石千峰组底部砂岩平均渗透率0.02～0.28 mD，其分布规律与平均孔隙度具有很好的相关性，既渗透率与孔隙度成正相关关系。

4 圈闭类型评价

研究区周边的天然气勘探证明，该区的圈闭主要是岩性圈闭，构造圈闭不占主要地位。上古生界砂体的分布格局自北而南展布，在东西方向上形成相对独立的沉积相带分布区，其间形成了泥岩为主的泛滥盆地沉积物。对于研究区东高西低的构造形态，其南北向分布的泥质沉积自然形成了砂体带上部的遮挡封堵，形成了不同的岩性圈闭分布区带。

研究区周边的天然气勘探表明，气藏主要受近北西—南东向展布的三角洲前缘水下分流河道砂体的控制，其与上倾分流间湾泥岩相间分布，形成具一定分布规模的砂岩岩性圈闭气藏。同一支分流河道砂体的含气性及气层分布与构造部位高低、局部发育的鼻状构造关系不大，也就是说气藏基本不受局部构造控制。该区气藏只是在发育规模较小的分支砂体或其局部低洼地带含有少量地层滞留水，不同时期砂体其间被泥岩封隔，形成水动力相互独立的封闭单元，因此地层水分布范围有限。地层水基本不受局部构造的控制，主要聚集于单个连通砂体的下倾尾端(西南方向)或局部低洼地带，其成因主要为未完全排替和蒸发逸失的残余地层水(地层滞留水)。

5 优选有利封存区

综合考虑断层、构造、储层、盖层、储盖组合等因素，并参照研究区周边已知井钻探结果，综合评价了有利的CO2封存区见图2。

图2 鄂尔多斯三维区石盒子组盒8段综合评价图

综合评价石盒子组有利封存区5个，面积最小1.7 km2，面积最大8.0 km2，总面积19.1 km2，该区属于河流相沉积，地震预测的是多个单砂体的累计厚度，因此，对于单砂体而言，由于横向上的相变，是不会大面积连通的。

综合评价石千峰组有利封存区4个，面积最小3.2 km2，面积最大6.4 km2，总面积20.6 km2，该区属于河流相沉积，地震预测的是多个单砂体的累计厚度，因此，对于单砂体而言，由于横向上的相变，是不会大面积连通的。

在综合评价的基础上，考虑断层、构造、储层、盖层、储盖组合等因素，结合常规剖面、反演剖面特征优选注入井位。

6 结论与建议

1)落实了主要目的层断裂与构造，从断层解释成果来看，发现了可靠的Ⅰ类断层很少，而且分布在研究区的边缘，较可靠的Ⅱ类断层也较少，而且断距和平面上的展部规模均不大，虽然解释的Ⅲ类可疑断层数量相对较多，原因是为了保证CO2封存的安全性考虑，对于研究区保存条件影响不大。

2)通过该区三维地震资料综合解释，对目的层段的储层砂体厚度、膏盐层厚度、空间展布范围、储层物性进行了预测，如实施CO2封存，建议注入层首选石盒子组底部盒8储层，其次为石千峰组底部千5、山西组中下部储层，另外，马三膏盐层可以备选层段，但相对厚度小，夹层多，埋藏深。

3)预测了盖层厚度，从预测结果来看，在研究区内石盒子组和石千峰组两套区域性盖层均相对较为发育。

4)综合评价认为三维区内局部地区存在有利的CO2封存区，具备一定的封存潜力。

［1］孙枢.CO2地下封存的地质学问题及其对减缓气候变化的意义［J］.中国基础科学.2006，(3):17 －22.

［2］李小春，小出仁，大隅多加志.二氧化碳地中隔离技术及其岩石力学问题［J］.岩石力学与工程学报.2003，22(6):989－994.

［3］李小春，刘延锋，白冰等.中国深部咸水含水层CO2储存优先区域选择［J］.岩石力学与工程学报.2006，25(5):963 －968.

［4］Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC)Specia Report on Carbon Dioxide and Storage［R］.Cambrig University Press，2005:195～276.

［5］Angus，S·B.，Armstrong and K·M·de Reuck.Internationa Thermodynamic Tables of the Fluid State Volume 3.Carbo Dioxide，IUPAC Division of Physical Chemistry［M］.Pergamon Press，London，1973:266～356.

［6］张洪涛，文冬光，李义连等.中国CO2地质埋存条件分析及有关建议［J］.地质通报.2005，24(12):1107－1110.

［7］李向东，冯启言等.中国 CO2地质储存研究现状和应用前景［J］.洁净煤技术.2009，15(1):9 －13.

［8］黄志龙，高耀斌，郝石生.天然气盖层浓度封闭的定量评价及其应用［J］.沉积学报.1996，14(2):89－94.

［9］包茨.天然气地质学.北京:科学出版社.1988.

［10］吕延防.盖层排替压力研究.大庆石油学报.1994:(4).

［11］郝石生，黄志龙.天然气运聚动平衡原理.石油学报，1994:(3).

［12］付广，吕延防，薛永超.泥岩盖层封气性演化阶段及其研究意义.中国海上油气(地质).2001:(2).

［13］易海永，李爱国，罗潇.渝东地区石炭系气藏充满度的影响因素分析.天然气工业.2002:(1).

［14］付广，康德江.乌尔逊凹陷大一段泥岩封闭能力及其研究意义［J］.天然气地球科学.2005，16(3):269 －273.

［15］付广，付晓文，吕延防.盖层对油气聚集的控制作用［J］.天然气地球科学.1999，10(5)，17 －22.

［16］朱盘良，张文达.天然气盖层微孔隙形态的研究及其地质意义［J］.石油实验地质.1994，16(6):171 －179.

［17］辛忠斌，张交东，丁丽荣，等.油气微运移的烃类相态［J］.河南石油.2002，16(4):8 －11.