中国二氧化碳地质储存目标靶区筛选技术方法

贾小丰，张 杨，张 徽，刁玉杰，李旭峰，范基姣，张 超，郑长远

1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051 2.青海省水文地质工程地质环境地质调查院，西宁 8100083.青海省水文地质及地热地质重点实验室，西宁 810008

中国二氧化碳地质储存目标靶区筛选技术方法

贾小丰1，张 杨1，张 徽1，刁玉杰1，李旭峰1，范基姣1，张 超1，郑长远2，3

1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051 2.青海省水文地质工程地质环境地质调查院，西宁 810008
3.青海省水文地质及地热地质重点实验室，西宁 810008

在沉积盆地三级构造单元CO2地质储存潜力与适宜性评价得出的“适宜CO2地质储存”区域的基础上，借鉴国外已有的选址流程和方法，结合我国的地质条件和技术方法水平，提出了深部咸水层CO2地质储存目标靶区筛选评价指标体系，包括安全性、储存规模、场地地面环境条件和经济适宜性四大评价指标层以及44个具体评价指标，并将层次分析法和多因子逐层叠加法等评价方法应用于目标靶区筛选。通过鄂尔多斯盆地和河套盆地3处典型目标靶区适宜性评价的实例，证明了该评价指标体系在目标靶区筛选过程中具有较好的可操作性和推广应用价值。

二氧化碳地质储存；目标靶区；选址；场地描述；关键指标；地质安全性；储存规模

0 前言

深部咸水层CO2地质储存地质目标靶区（以下简称“目标靶区”），是指在沉积盆地三级构造单元潜力与适宜性评价结果得出的“适宜CO2地质储存”区域的基础上，应用经验的、数学的（如层次分析法）和计算机技术（如多因子逐层叠加法）等评价方法，依据安全性、储层条件、场地地面环境条件和经济适宜性4大评价指标层确定的，可作为下一阶段进行场地选址勘查的有利构造或地区。

目标靶区筛选与评价具有承上启下的作用：一方面，“目标靶区”是全国盆地级二氧化碳地质储存潜力与适宜性评价得出的，有进一步开展选址研究价值的地区；另一方面，“目标靶区”是CO2地质储存工程选址的起点和主要依据［1］。

现阶段，因世界主要国家选址出发点和盆地地质研究程度的差异，部分国家或学者强调盆地尺度的选址评价。如Bachu［2］提出了一套包括15个指标的盆地级别评价指标体系，并对加拿大的主要沉积盆地进行了评价。澳大利亚地球科学局面向盆地级别的评价筛选出了20项指标，据此将澳大利亚适宜储存CO2的盆地进行排序［3］。部分则强调工程选址与场地表征。如国际能源署（IEA）2009年发布的《CCS场地表征标准》，以及挪威的《CO2地质储存选址、场地和项目核准指南》［4］。我国一方面加速开展盆地级潜力与适宜性评价，即规划选址；另一方面在地质条件较好的地区，通过工程选址已建立起 CO2地质储存示范工程［5－7］。

尽管国外CO2地质储存场地选址通常包括2～3个阶段，即初步筛选、场地选择和场地初步描述，我国也提出了适宜中国地质特点的选址阶段［8］，但从规划选址的盆地级评价到工程选址之间的“桥梁”——目标靶区筛选评价技术方法问题尚未得到合理解决。因此，开展CO2地质储存目标靶区筛选与评价技术方法研究，形成严谨的、可操作性强的目标靶区适宜性评价技术方法体系是十分必要的。

1 选址流程与目标靶区筛选

1.1 CO2地质储存选址流程

美国能源部国家能源实验室制定的CO2封存选址指南——《深部地质构造CO2封存的场地初筛、选择和最初表征最佳实践》［9］，提出了选择CO2地质封存适宜场地的筛选方法，这个方法的图解表示见图1。其筛选过程首先是根据一个潜在的子区，确定选址区域并制作一个合格场地优先级列表［9］，其中的场地筛选与我国CO2地质储存潜力与适宜性评价阶段划分与评价方法不同。

图1 通过勘察阶段的“工程场地成熟阶段”图示［9］Fig.1 Graphical representation of “project site maturation”through the exploration phase

在充分考虑到中国沉积盆地的复杂性、活动断裂与地震等地质安全性、CO2地质储存地质条件的特殊性与苛刻性等因素的基础上，借鉴碳封存领导人论坛（CSLF）和国内外相关研究成果，特别是中国地下水、油气资源、固体矿产等循序渐进、分阶段勘查开发的基本原则，将中国CO2地质储存潜力与适宜性评价工作划分为5大阶段［5，8］。第一阶段为区域级预测潜力评价阶段，第二阶段为盆地级推定潜力评价阶段，第三阶段为目标靶区级控制潜力评价阶段，第四阶段为场地级基础储存量评价阶段，第五阶段为灌注级工程储存量评价阶段。按评价精度由低到高，依次分成CO2地质储存潜力与适宜性评价E、D、C、B、A级（表1）。

对于CO2地质储存选址研究而言，第一、二、三阶段为规划选址阶段；第四阶段即工程选址阶段（图2），开始于沉积盆地各三级构造单元CO2地质储存目标靶区评价所筛选出的3处以上比选场地（图3）。通过对各比选场地相关资料全面搜集、遥感选址调查、现场实地综合地质调查、地球物理勘探等工作，获取各类评价参数，详细评价这些比选场地，选择出优选场地，最终评价推荐出当地公众、政府和业主可接受的工程选定场地。

表1 中国CO2地质储存潜力与适宜性评价地质工作阶段划分Table 1 Geological session divided of potential and suitability assessment of CO2geological storage in China

1.2 目标靶区的筛选

本文将适宜CO2地质储存的三级构造单元称为CO2地质储存选址远景区。在此基础上，进一步通过区域地质、水文地质及环境地质、油气地质、物探和钻探资料搜集，以及实地遥感解译和路线综合地质调查，基本掌握了储盖层组合、沉积相变化、物性参数及其空间展布与地质构造模式，本着“地下决定地上，地下顾及地上”的原则［7］，经综合分析，选定出区域地壳稳定、盖层封闭及封堵性好、储层可实现规模化注入性、满足CO2地质储存条件的有利构造或地区，被称为CO2地质储存目标靶区。

由于目标靶区是CO2地质储存场地选址的基础，因此在目标靶区筛选时，同样应坚持如下原则：1）安全性原则；2）目标储层具有可储存CO230a以上、有效储存量大的原则；3）经济原则；4）符合一般建设项目环境保护选址条件，不受外部不良地质因素影响的原则［9－10］。

图2 中国二氧化碳地质储存选址流程图Fig.2 Flowchart of site selection of CO2geological storage in China

图3 CO2地质储存目标靶区筛选过程示意图Fig.3 CO2geological storage target area classification and relationship diagram

由表1和图2看出，目标靶区是工程选址的基础，如果缺乏深入、细致的资料二次开发利用和实地调查评价，随着勘探程度与深度的增加，一旦得出不可选的结论将造成时间和经济的浪费。因此，目标靶区的筛选与评价是选址工作极其重要的环节。

2 目标靶区评价指标体系的建立

本着CO2地质储存选址“安全性第一，既经济又技术和环境友好”等原则，可从地质安全性、储存规模、社会环境风险和经济适宜性4个方面建立具有层次分析结构的评价指标体系（表2）。

2.1 地质安全性评价指标层

地质安全性评价指标层包括区域地壳稳定性、盖层封闭性特征、可能的CO2泄漏通道和水文地质条件4个评价指标亚层，15个评价指标（表3）。

1）区域地壳稳定性：包括地震动峰值加速度、目标靶区地震安全性和及其周边25km为半径范围内是否有活动断层3个指标评价。

2）盖层封闭性：主要由主力盖层的埋深、盖层岩性、主力盖层单层厚度、盖层分布的连续性、渗透率、主力盖层之上的二次截留能力和盖层封气指数7个评价指标组成。

3）可能的CO2泄漏通道：主要包括场地及其周边是否有废弃井、断裂和裂缝的发育情况和现有技术条件下未被发现的断裂3个评价指标亚层。

4）水文地质条件：作为有利于CO2地质储存和可能导致CO2泄漏的水文地质条件评价指标亚层主要选取水动力作用和深部咸水层水头状态2个指标进行评价。

2.2 储存规模指标层

储存规模评价指标层包括储层特征、储层物性参数、地热地质特征和储层储存前景4个评价指标亚层，13个评价指标（表4）。

1）储层特征：储层特征评价指标亚层包括储集岩的岩性、主力储层的厚度、有效储层长宽比、层间非均质性、储层压力系数和地层水矿化度6个评价指标。

2）储层物性参数：理想的储层至少具备完整性和密封性良好的盖层，储层具有较高的可注入性和足够的储存容量2个条件。

3）地热地质特征：主要选取地温梯度、地热流值和地表温度3个评价指标。

4）储层储存前景：选取有效储存量和使用年限2个评价指标。评价的理念是有效储存量越大、使用年限越长越好。

表2 CO2地质储存目标靶区评价指标构成Table 2 Indexes of target evaluation for CO2geological storage

表3 地质安全性评价指标层分级评价表Table 3 Indexes of geological safety

表4 储存规模评价指标层分级评价表Table 4 Indexes of storage reservoir capability

2.3 社会环境风险指标层

社会环境风险评价指标亚层包括社会环境、目标靶区地质环境、所在地区的性质、与饮用水源的关系与安全距离和对作业人员的影响4个评价指标亚层12个评价指标（表5）。

1）社会环境：主要选取人口密度、与居民点的距离和土地利用现状3个指标评价。

2）地质环境：主要选取地质灾害易发性，是否在采矿塌陷区、岩溶塌陷区、地面沉降区、沙漠活动区、火山活动区，是否低于江河湖泊、水库最高水位线或洪泛区3个指标评价。

3）所在地区的性质：CO2地质储存选址应符合国家及地方城乡建设总体规划要求：不应选在城市工农业发展规划区、农业保护区、自然保护区、风景名胜区、文物（考古）保护区、生活饮用水源保护区、供水远景规划区、矿产资源储备区和其他需要特别保护的区域内。选址时还应考虑当地有无国家重点保护植物和植被覆盖率大小，不能额外地清除植被，影响植物固碳。

4）与饮用水源的关系与安全距离：包括盖层上部是否有可供工农业利用的地下水含水层，是否在饮用地下水主要补给区内，距离河流、水库等地表饮用水水源的距离3个评价指标。

2.4 经济适宜性指标层

经济评价指标层包括碳源规模、碳源距离、运输方式和蕴矿状况等4个指标（表6）。

1）碳源规模：碳源规模越大、越集中越好。同时兼顾碳源到目标靶区沿线的地质条件（地壳应力、地震、滑坡、冻胀、地下水分布等）、碳源到目标靶区沿线的自然地理和经济地理情况（包括山脉、河流、湖泊、沙漠、铁路、公路，以及人口分布及生物栖息地分布等）。

2）碳源距离：碳源距离越近，运输CO2的成本就越低，反之成本越高。评价的理念是碳源距离越短越好。

3）运输方式：可供选择的运输方式包括管道运输、驳船运输和罐车运输等。而管道运输在绝大多数情况下，以陆上长距离大规模CO2运输最经济。

4）蕴矿状况：在实施规模化、纯粹以CO2地质储存为目的时，在目标靶区适宜性评价阶段宜妥善处理好与矿产资源开发利用的关系。

表5 社会环境风险评价指标亚层分级评价表Table 5 Indexes of society and environmental conditions

表6 经济适宜性指标层分级评价表Table 6 Indexes of economical evaluation

3 目标靶区评价方法

3.1 层次分析法

层 次 分 析 法 （analytic hierarchy process，AHP），又称多层次权重分析法，是将与评价（决策）有关的元素分解成目标、准则、指标等层次，在此基础上进行定性与定量相结合的评价方法，它通过系统规划和评价将复杂现象和决策思维过程系统化、模型化、数据化。该方法是应用网络系统理论和多目标综合评价方法提出的一种层次权重分析方法［11-14］（图4）。

在目标靶区评价指标的科学化选取后，对各因子层和单要素的权重赋值采用专家评分法和层次分析法综合评判。层次分析法中指标值是由指标之间优越性相互对比得出的相对值，即优越性权值。依据二氧化碳地质储存目标靶区评价指标评价体系，来设计专家打分表，对影响因子重要性相互对比采用1—9标度法，通过相互之间重要性对比，建立重要性成对比较判断矩阵。

图4 层次分析递阶结构模型示意图Fig.4 Analytic hierarchy structure model

专家选取有3个原则：1）必须熟悉并能准确地把握二氧化碳地质储存的现状及演变的趋势，承担了相关内容的科研项目；2）对评价指标有所了解，熟悉层次分析法的原理和计算过程；3）为同行业的学科带头人或学术骨干，且具有高级专业技术职称。

层次分析法给出了一个科学、简易的确定权值的方法，即两两因素比较，确定成对比较的判断矩阵，然后成对比较判断矩阵，进而获得指标优越性权值。确定影响因子层的相对重要性权值，首先要建立影响因子重要性成对比较判断矩阵，然后由判断矩阵确定权值并进行检验。

本次构建各指标层的比较判断矩阵一致性比率均远小于0.1，具有满意的一致性。经初步判断排序，确定影响因子层的重要性由大到小依次为：地质安全性＞储层规模＞社会环境风险＞经济适宜性，权重W1＝（0.521 2，0.341 9，0.097 7，0.039 2）；敏感因子层的重要性排序为：区域地壳稳定性＞储层特性＞盖层封闭性＞储层物性参数＞社会环境＞可能的CO2泄漏通道＞水文地质条件＞储层储存前景＞地热地质特征＞碳源规模＞地质环境＞所在地区的性质＞蕴矿状况＞与饮用水源的关系与距离＞碳源距离 ＞ 运输方式，权重W2＝（0.269 2，0.231 0，0.174 8，0.068 9，0.058 6，0.054 4，0.022 8，0.021 0，0.021 0，0.017 8，0.017 5，0.012 4，0.010 3，0.009 3，0.005 5，0.005 5）。通过整理得到二氧化碳地质储存适宜性评价指标权重排序（表7）。

3.2 多因子空间叠加法

“多因子空间叠加法”的主要原理是采用计算机辅助设计技术，运用区位理论，分析评价区域内每个评价因子的作用分值及其权重，最后根据计算得出的综合分值进行评价。实际操作时将待评价区域按要求划分成多个编号连续的网格，将多个评价因子对区域的影响结果填入网格，再根据不同的评价因子，用不同的系数进行加权计算，得出每个网格多个因子的影响综合结果，最后将影响结果相近的网格根据地域相邻的原则用计算机绘出等值线，组格成区，得出宏观的评价［15］。

具体分析过程为划分网格→选取评价因子→填充基础数据→加权计算→结果评价。即采取等面积划分方法剖分研究区域。每个网格按“弓”字形编码方式进行编号；标注、汇总、计算每个网格环境中的安全性、储层条件、场地地面环境条件和经济适宜性4个方面评价因子，每个因子的评价结果按好、一般、差分为3级，分别赋值为3、2、1，作为评价分级基础。加权计算各网格综合级别，运用计算机绘制出等值线，将综合级别相近的网格连片成区域，结果分值越高越好［16－17］。加权计算公式：综合级别＝安全性×0.4＋储层条件×0.3＋场地地面环境条件×0.2＋经济适宜性×0.1。运用“多因子空间叠加法”进行目标靶区综合条件评价，可以较好地表征出多个因子对评价区域的影响，得出一个较为全面的综合性结果。

4 实例分析

内蒙古自治区碳源分布数量较多，中部河套盆地、鄂尔多斯盆地密度最大，尤其火力热电类型最多，约占全省碳源总数的72.8%，其次为能源化工类型的碳源。选择了鄂尔多斯盆地和河套盆地3处较典型的目标靶区开展评价，以检验评价指标体系的合理性。3处目标靶区分别为鄂尔多斯市伊金霍洛旗布连沟（A）、呼和浩特市托克托县三间房（B）、巴彦淖尔市乌拉特前旗新安（C）（图5）。

4.1 储存条件分析

按目标靶区评价指标体系，并分别从地质安全性、储存规模、社会环境风险、经济适宜性4个方面对3个目标靶区CO2地质储存条件的适宜性进行分析。

4.1.1 地质安全性

伊旗布连沟目标靶区（A）：位于鄂尔多斯伊金霍洛旗北东部；布连沟地区无活动断裂，仅发育少数浅表层次的小规模断层；该地区的地震动峰值加速度为0.05g，基本地震烈度为6度，历史上仅发生过6级以下的小地震，也未有地震灾害记录，其地震活动较弱，反映了新构造运动的褶皱断裂不甚强烈的特点。该地区区域地壳稳定性好。主力盖层为中三叠统纸坊组泥质岩和砂质泥岩，次级盖层为二叠系下石盒子组顶部与石千峰组泥质岩段。盖层孔隙度和渗透率低，具有较好的封盖能力。目标靶区范围内石油勘探程度低，未发现深度大于800m的钻井及废弃井。深部咸水层水头低于地面，水动力条件差，近乎于停滞状态，具水力封闭作用，有利于CO2地质储存。

托克托县三间房目标靶区（B）：位于河套盆地南东部，托克托县城之北。该目标靶区紧邻磴口—黄河区域性活动断裂和阴山活动性地震断裂带，区域地壳稳定性、断层封闭性与地质安全性较差。盖层为第四系、上新统泥岩、粉砂质泥岩，分布广，尽管孔隙度小、渗透率低，但成岩程度低，封闭性一般。深部咸水层水头高，与地面相近，靶区周边个别地区出现自流井，对CO2地质储存安全性不利。

表7 评价指标权重排序Table 7 Weights of evaluation indexes

图5 目标靶区地理位置图Fig.5 Targets location

乌拉特前旗新安目标靶区（C）：位于河套盆地南东部。断裂构造发育，紧邻磴口—黄河区域性活动断裂和阴山活动性地震断裂带，区域地壳稳定性、断层封闭性与地质安全性较差。盖层主要为上新统泥岩、粉砂质泥岩，成岩程度低，封闭性一般。深部咸水层水头高，与地面相近，对CO2地质储存安全性不利。

4.1.2 储存规模

A区：目标储层为奥陶系、二叠系和三叠系的砂岩和碳酸盐岩。该地区砂岩储层平均孔隙度为9%～15%，渗透率为（2～19）×10－3μm2，物性条件一般；碳酸盐岩储层为马家沟组海相白云岩，平均孔隙度为6%～11%，渗透率为（0.3～3.7）×10－3μm2，物性条件较差。主力储层厚度较大，砂体连续性好，储层压力一般。平均100km2范围内的有效储存量约960×104t，对于30×104t/a的储存规模使用年限大于30a。

B区：目标储层为渐新统砂岩和下白垩统砂岩。该地区砂岩储层为盆地边缘发育河流、三角洲、冲积扇相砂体，岩性粗，物性好，孔隙度21%～40%，渗透率（100～2 000）×10－3μm2，储层物性好。主力储层厚度较大，砂体连续性好，储层压力一般。平均100km2范围内的有效储存量约980×104t，对于30×104t/a的储存规模使用年限大于30a。

C区：目标储层为渐新统砂岩。该地区砂岩储层平均孔隙率18%～25%，平均渗透率为0.274～0.302μm2，最大可达2.03μm2，物性条件好。主力储层厚度大，砂体连续性好，储层压力一般。平均100km2范围内的有效储存量约2 740×104t，对于30×104t/a的储存规模使用年限大于30a。

4.1.3 社会环境风险

A区：主要存在采煤塌陷和伴生的地裂缝地质灾害，但影响深度局限于400m以浅，现状条件下对CO2地质储存影响小，危害小。目标靶区与国家及地方城乡建设总体规划要求无冲突，无国家重点保护植物，植被覆盖较低。该目标靶区对当地的饮用水可能会存在一定影响，但影响不大。人口密度相对较大，不利于CO2地质储存。

B区：土壤盐渍化比较严重，但对于CO2地质储存没有影响，地质灾害条件良好。目标靶区与国家及地方城乡建设总体规划要求无冲突，无国家重点保护植物，植被覆盖较低。该目标靶区对当地的饮用水可能会存在一定影响，但影响不大。人口密度相对较大，不利于CO2地质储存。

C区：东南部为乌拉山的西端，地形切割强烈，沟谷发育，时有崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害发生。目标靶区与国家及地方城乡建设总体规划要求无冲突，无国家重点保护植物，植被覆盖较低。该目标靶区对当地的饮用水可能会存在一定影响，但影响不大。人口密度相对较大，不利于CO2地质储存。

4.1.4 经济适宜性

A区：当地的煤化工企业可提供充足的碳源。主要矿产资源为浅表部侏罗系延安组赋存的煤炭资源，CO2地质储存对矿产资源开发不造成影响。

B区：托克托电厂是重要的碳源，2013年发电量约为280亿kW·h，具备充足的碳源。该地区没有矿产资源的开采，不会造成矿产压覆。

C区：乌拉山电厂是地区重要碳源，2013年发电量约为28亿kW·h，，具备充足的碳源。该地区没有重要矿产资源的开采，不会造成矿产压覆。

4.2 评价结果

依据以上的分析，对3个目标靶区的评价指标进行打分，并通过层析分析法进行综合评定，评价结果见表8。

在3处目标靶区中，伊旗布连沟目标靶区CO2地质储存条件最好，托克托三间房目标靶区次之，乌拉特新安目标靶区最差，故可将伊旗布连沟目标靶区作为CO2地质储存工程优选场地和进一步开展工程场地选址的专项调查区。

表8 目标靶区适宜性评价结果Table 8 Evaluation results of targets

表8（续）

5 结语

本文对深部咸水层CO2地质储存地质目标靶区进行了定义，提出了深部咸水层CO2地质储存目标靶区筛选的指标体系，包括安全性、储层条件、场地地面环境条件和经济适宜性4大评价指标层以及47个具体评价指标，并结合已有的CO2地质储存或相关领域的工程实践系统地探索了评价分级标准；还提出将层次分析法和多因子空间叠加法两种评价方法应用于目标靶区选址过程，并推荐了评价指标的权重，具有较好的借鉴价值；通过对3处目标靶区CO2地质储存条件评价的实例，证明了该评价指标体系在目标靶区筛选过程中具有较好的可操作性和推广应用价值。所提出的评价指标体系还处于探索阶段，具体评价指标及其权重的确定与应用，仍需结合实际的地质条件、选址目的、社会经济发展以及技术水平做适当调整。

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Method of Target Area Selection of CO2Geological Storage in China

Jia Xiaofeng1，Zhang Yang1，Zhang Hui1，Diao Yujie1，Li Xufeng1，Fan Jijiao1，Zhangchao1，Zheng Changyuan2，3

1.CenterforHydrogeologyandEnvironmentalGeologySurvey，ChinaGeologicalSurvey，Baoding071051，Hebei，China
2.QinghaiInstituteofHydrogeologyandEngineeringGeologyandEnvironmentalGeology，Xining810008，China
3.QinghaiKeyLaboratoryofHydrogeologicalandGeothermalGeological，Xining810008，China

On the basic of third-grade tectonic units potential and suitability evaluation results of suitable for carbon dioxide geological storage，learning from siting processes and methods，combining with geological conditions and technical methods level of China，we bring forward that the target scale can be determined by the four major evaluation index as layers of safety，reservoir scale，the ground environment conditions and economic suitability and 44detailed indexes.The authors still bring forward that evaluation methods，such as the analytic hierarchy process and multi-factors space superposition assessment methods，can be used in the process of selecting target.The authors evaluated the suitability of three typical targets in Ordos basin and Hetao basin，confirming this evaluation index system has better maneuverability and application value in selecting target.

book=1315,ebook=242

CO2geological storage；target area；site selection；site description；key indicators；geological safty；storage scale

10.13278/j.cnki.jjuese.201404210

P66

A

贾小丰，张杨，张徽，等.中国二氧化碳地质储存目标靶区筛选技术方法.吉林大学学报：地球科学版，2014，44（4）：1314-1326.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404210.

Jia Xiaofeng，Zhang Yang，Zhang Hui，et al.Method of Target Area Selection of CO2Geological Storage in China.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1314-1326.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404210.

2013-09-03

中国地质调查局国土资源大调查项目（12120113006500）；国土资源部公益性行业科研专项（201211063）；中澳二氧化碳地质封存国际合作项目（2013-12）；青海省科学技术应用基础研究项目（2013-Z-708）

贾小丰（1982—，男，工程师，硕士，主要从事水文地质调查和二氧化碳地质储存研究，E-mail：jiaxiaofengdaxia＠163.com。