鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组CO2封存的地质条件研究

孙玉景，周立发，焦尊生

(1.西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069；2.怀俄明大学 能源学院,美国 怀俄明州 拉勒米 82071)

以CO2为主的温室气体的大量排放引发的全球气候变暖已成为人类必须面对的严峻挑战,而CO2地质封存是诞生于21世纪，实现碳减排的一项突破性技术,尤其是深部咸水层CO2封存,具备极大的封存潜力,成为国内外专家学者研究的热点[1-7]。CO2地质封存首先要求所选择的地下封存层满足一定的基本地质条件:有效的储层空间、致密完整的盖层岩石、稳定的水文地质环境、稳定的区域构造地质背景和内外动力环境等是CO2地质封存箱应满足的条件[8];构造背景和构造样式、盆地面积和沉积深度、水文地质、地热条件、断裂活动、储层非均质性、岩石特性、封闭能力、有效孔隙度、储层厚度是影响碳封存长期稳定性的重要方面[9];有效的储层空间、盖层条件、区域构造背景、水文地质条件是二氧化碳地质封存选址的通用标准[10];储层性质、盖层性质、储层流体性质是深部咸水层CO2地质封存需要考虑的3方面[11]。从不同研究者对CO2地质封存所需条件的研究来看，认识基本一致,主要集中在基本物理条件、储层条件、盖层条件和水文地质条件等方面。

鄂尔多斯盆地是中国陆地上非常重要的能源存储和接替基地。盆地内所属各省和自治区，充分利用其煤炭资源的优势,燃煤发电和煤化工产业得到了飞速发展,但同时也造成这些省(区)成为中国目前和未来CO2排放量较大的省(区)之一。因此,在鄂尔多斯盆地有效地推行和实施CO2地质封存技术,不仅能保证着中国能源的安全,更有利于中国工业活动CO2排放总量的大规模减少,从而推动国民经济逐步转向低碳发展。

基于以上对CO2封存和鄂尔多斯盆地碳排放的调研,结合马家沟组的地质特征与CO2封存的具体要求,本文对马家沟组CO2封存的基本地质条件作了详细研究。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地是典型的多旋回克拉通盆地,是中国陆地上结构最稳定、构造最简单、断裂最不发育的盆地,这种地质条件决定了它是中国陆上实施CO2地质封存最有利和最安全的地区之一。鄂尔多斯盆地的地理位置处于华北地台的西部,在晚加里东运动的影响下,华北地块整体大幅抬升为陆地,一亿多年的沉积间断造成鄂尔多斯盆地缺失了中奥陶世至早石炭世的沉积,在长期的风化剥蚀淋滤作用下,奥陶系马家沟组顶部的马六段仅在局部地区残存[12-13]。马家沟组主要分布在鄂尔多斯盆地的中东部地区,构造带上属于陕北斜坡,勘探至今,已有多口井钻遇马家沟组(见图1)。陕北斜坡是鄂尔多斯盆地内部6个一级构造单元中的主体部分,而且是面积最大的构造单元,整体上向西倾斜,但地层倾角极小,不到1度。陕北斜坡内部断层和褶皱均不发育,构造十分稳定,因此可以肯定的是，马家沟组处于一个稳定的构造环境之下。

图1 鄂尔多斯盆地构造分区图Fig.1 Tectonic zoning of Ordos Basin

在奥陶纪马家沟期,鄂尔多斯盆地一共经历了3次不同规模的海进海退旋回,海进海退交替出现：海退期是马一期、马三期和马五期,海进期是马二期、马四期和马六期。其中，马五期是最大的海退时期,因陆表海受海平面升降的影响较大,纵向上形成了“碳酸盐岩与蒸发岩”的交替沉积[14-15]。总体上讲， 马家沟组仍然以碳酸盐岩沉积为主, 尤其是白云岩, 同时夹蒸发岩沉积(见图2)。 马家沟组沉积厚度巨大[16], 马六段厚度177～380 m,仅分布于盆地的西缘和南缘；马五段厚度30.4～388.3 m,马四段厚度50～280 m,马三段厚度50～150 m,马二段厚度50～90 m,马一段厚度9.0～131.7 m,马五段相对其他各段来说沉积厚度较大。

图2 马家沟组地层-岩性综合柱状图Fig.2 Stratigraphic and lithologic column of Majiagou Formation

2 封存地质条件

2.1 基本物理条件

CO2地质封存的基本物理条件主要是指对应的封存层系上的顶面埋深、地温、地层压力等[17]。地层埋深至少需要大于800 m,才能够保证CO2进入超临界状态(7.38 MPa以上的压力和31.1℃之上的温度)。研究表明,鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组顶面埋深在1 900～4 500 m,平均埋深约3 200 m;顶面压力24～37 MPa,平均压力30.5 MPa;顶面温度66～136℃,平均温度101℃。这说明马家沟组的现代地下压力场属于正常压力系统,温度场属于中低温系统,能够使CO2处于超临界状态,这为CO2的有效注入和封存提供了合适的地温和地压条件。

2.2 储层条件

2.2.1 岩石类型及特征 岩石类型及特征的研究是CO2封存层研究的第一步。碳酸盐岩(石灰岩、白云岩)和蒸发岩(膏岩、盐岩)是鄂尔多斯盆地马家沟组主要的岩石类型(见图3),其中白云岩是数量最多的岩石类型,广泛发育于盆地中东部地区。“白云岩问题”是沉积学领域和碳酸盐岩领域经久不衰的一个学术问题,白云岩作为碳酸盐岩中的一大类岩石,相比其他各类岩石,具备优越的储集能力。除了野外观察,一些研究者借助实验室内先进的仪器设备和检测方法，已对马家沟组白云岩的地化特征进行了不同角度的研究,尤其是对上部马五段进行了深入研究(主要集中在X衍射分析、微量元素分析、阴极发光特征分析、稀土元素分析、C，O，Sr同位素分析、包裹体均一温度分析6方面[18-23])。各种检测方法均证明:马家沟组白云岩经历了不同的成岩环境;马家沟组白云岩大概有3种成因,即准同生白云岩、埋藏白云岩及少量热液白云岩[18-23]。马家沟组白云岩以结晶白云岩为主导,过渡类型的白云岩较少,颗粒白云岩最少。在岩心观察和薄片鉴定的基础上,结合不同晶粒结构的特征,可进一步将马家沟组的结晶白云岩细分为多种类型,按照晶粒由小到大的顺序,主要是泥晶、细粉晶、中晶等[24]。

A 泥晶云质灰岩,晶粒大小均匀,陕250井,3 574.28 m,马五13,铸体薄片(-);B 泥晶白云岩,发育较多核膜,在中上部分有方解石交代破坏,陕136井,3 782.2 m,马五12,铸体薄片(-);C 粉晶白云岩,莲1井,3 350.99 m,马五42,铸体薄片(-);D 条带状硬石膏岩,陕108井,3 070.5 m,马五33;E 角砾屑白云岩,陕248井,3 307.8 m,马五11;F 云质灰岩中的铝土质泥岩填积,陕250井,3 539.8 m,马六 图3 马家沟组主要岩石类型照片Fig.3 The main rock types of Majiagou formation

2.2.2 成岩作用 关于碳酸盐岩储层的形成机制,国内外学者已取得统一认识:碳酸盐岩储层的形成,不同于碎屑岩,主要储集空间不是原生孔隙,而是成岩作用改造过程中产生的次生孔隙。成岩作用对鄂尔多斯盆地马家沟组马五段上部岩溶储层和其他层段白云岩储层的早期形成、中期发展以及后期演化有着举足轻重的影响。因此，成岩作用是马家沟CO2地质封存必不可少的研究内容。

研究区内有多种建设性成岩作用(有利于孔隙的形成)和破坏性成岩作用(不利于孔隙的形成),尤其是白云石化作用、去膏化作用和与之对应的去白云石化作用、膏化作用,成为了研究区内典型的成岩作用[25]。成岩组构和矿物组合的综合分析表明,研究区内马家沟组在漫长的地质历史时期中，逐渐从海水成岩环境转变到大气淡水成岩环境，最后经历了埋藏成岩环境[16-17]。成岩作用的核心体现在孔隙演化及其模式上:马家沟组的孔隙演化依次经历了早期的原生孔隙形成与减少阶段(准同生期)、中期的次生孔洞缝发育与充填阶段(表生期)、晚期的次生孔洞缝发育与充填阶段(深埋藏期)。表生期和深埋藏期对孔隙的改造具有重要意义,这两个时期形成的晶间孔及晶间溶孔为马家沟组主要的储集空间,而裂缝是相对次要的储集空间[25-27]。

在此,必须着重指出的是研究区所经历的岩溶作用。“风化壳岩溶”的发育是马家沟组适宜进行CO2封存的一大特色。岩溶作用改善了储层的物性,使得封存空间和封存效率得以提高。对鄂尔多斯盆地风化壳岩溶的研究,目前主要集中在4个方面:岩溶古地貌划分、岩溶垂向分带、岩溶储层特征研究、岩溶储层分布与评价[28-34]。研究区岩溶古地貌呈现出以下特点:盆地西边为岩溶高地区,接着过渡到盆地中部为岩溶斜坡区,盆地东边是岩溶盆地区;三级古地貌的划分略有区别,包括台地、残丘、沟谷、阶坪、浅洼、深洼等[28-30]。在盆地中部的岩溶斜坡区,由于岩溶水的水平流动和垂直渗滤十分强烈,和其他区域相比裂缝相对发育,而水平溶洞大多数未充填或半充填,因此岩溶斜坡区是各古地貌单元中最有利的储集区[19]。另外,在地下水动力的作用下,风化壳岩溶也具有垂向分带性,依据不同的划分标准,常常有不同的垂向岩溶分带方案[29-32]。由地表到地下深处,具代表性的“三分方案”是垂直渗流带、水平潜流带和深部缓流带,各带通常具有不同的厚度和岩溶特征[29]。

2.2.3 储层类型及特征 白云岩等岩石的区域分布,不仅奠定了储层发育的物质基础,相比碎屑岩,更是减小了CO2封存在地下之后，CO2-水-岩三者互相反应的程度与影响[35-37]。各类成岩作用对储层不同程度的影响与改造,进一步塑造了研究区广泛分布的孔、洞、缝储集空间。鄂尔多斯盆地马家沟组主要发育了“中东部风化壳溶孔型”和“古隆起东侧白云岩晶间孔型”两类储集体[38]。

由于马家沟组顶部马六段的大面积缺失, 研究区最主要的风化壳岩溶储层分布于马家沟组马五段。岩溶储层主要发育在马家沟组上部马五1—马五4亚段中(上组合),溶蚀孔、洞、缝发育[32-33]。在对岩溶古地貌、岩溶垂向分带、岩溶储层特征的综合研究之后,可进一步明确岩溶储层的纵、横向分布。横向上,岩溶储层主要分布在“潜台”区域;纵向上,最有利的岩溶作用带是中等溶蚀亚带,位于水平潜流带内部[30]。马五5—马五10亚段及马四段中形成了白云岩型储集体,连片性好,在古隆起东侧呈环带状分布[38]。

马家沟组储层埋深约3 150 m～3 765 m,储层厚度大于600 m。以靖边气田为例[39],马家沟组储层孔隙度2.53%～15.2%,平均6.2%;渗透率(0.0126～15.2)×10-3μm2,平均2.63×10-3μm2。总体来说,马家沟组储层岩石类型包括泥质云岩、含膏云岩、灰质云岩等,以含膏泥—细粉晶白云岩为主,次为细晶白云岩；矿物组成以白云石为主,白云石质量分数全部在一半以上,大部分在50%～99%[34]。储集空间以晶间孔、晶间溶孔、膏模孔为主,形成了孔隙型储层,其次是溶蚀缝(见图4)。

A 晶间孔,孔径较大,陕256井,3 454.61 m,马五13,铸体薄片(-);B 硬石膏晶模孔,石英淀出之后为白云石全充填(箭头处),陕250井,3 563.65 m,马五11,铸体薄片(-);C 核膜孔,上部孔隙未充填,陕248井,3 320.43 m,马五12,铸体薄片(-);D 不规则溶孔,部分未充填,部分半充填或全充填,充填物为石英或白云石,陕135井,3 566.69 m,马五11,铸体薄片(-);E 网状微裂缝,部分被方解石充填,陕248井,3 319.55 m,马五12,铸体薄片(-);F 缝合线缝,充填物为暗色泥质,陕130井,3 454.7 m,马五13;G 准同生泥晶白云岩中较小的溶洞、孔(鸟眼构造),为粉-细晶方解石充填。陕250井,3 574.4 m,马五13;H 溶洞(箭头)与溶缝、核膜孔共生,未充填,陕263井,3 702.27 m,马五11 图4 马家沟组储集空间类型照片Fig.4 The reservoir space types of Majiagou formation

除此之外,马家沟组储层还具有不同于其他沉积盆地中白云岩储层的独一无二的特点。马五期是一个标志性的低能沉积环境,水体经常暴露,深度较浅,且海水咸化,因此马五段白云岩中赋存有一定量的蒸发矿物,赋存形式是硬石膏柱状晶和小结核。在岩溶作用的影响下,大量的原生硬石膏柱状晶和小结核溶解,此过程中，小结核周边的围岩裂碎,形成的裂缝有助于改善储层的物性。膏模孔的发育,以及不同规模次生裂缝的产生,在部分地区可形成较好的裂缝-溶孔型储层[40]。

统计结果表明,马家沟组封存层的孔隙度整体较低,<2%的占1.1%,2%～4%的占31.4%,4%～6%的占36.1%,6%～8%的占17.1%,8%～10%的占7.1%,10%～12%的占6.1%, >12%的占1.1%。孔隙度主要分布在2%～8%,平均6.2%,整体上表现为较低的孔隙度值背景上高值区块团块状分布(见图5)。

图5 马家沟组储层孔隙度分布直方图Fig.5 Porosity distribution frequency of Majiagou formation

渗透率也是评价封存能力的主要物性参数之一,其大小影响着地下CO2气体渗流的难易程度。研究表明,马家沟组储层的渗透率表现出极强的非均质性。通过对相关资料的整理分析,作出了研究区渗透率分布频率图(见图6)。 从分布区间来看， 研究区整体上以低渗为主, 低渗区(K<2.51×10-3μm2)占64.3%(见图6)。

图6 马家沟组储层渗透率分布直方图Fig.6 Permeability distribution frequency of Majiagou formation

储层的厚度大小制约着储层发育的纵向规模,储层的孔隙度和渗透率决定着储层发育的总体质量。储层发育的规模和质量共同决定着封存量的大小。岩石特征、成岩作用和储层特征3方面的综合分析表明，马家沟组储层具备了优越的储集能力。

2.3 盖层条件

盖层是决定CO2在地下能否长期封存的重要条件之一[41-43]。现今的鄂尔多斯盆地构造环境稳定,具有多种封盖类型且盖层岩石多种多样。马家沟组地层之上,共有3种不同规模的盖层,分别是区域盖层、区带盖层和局部盖层。鄂尔多斯盆地奥陶系—二叠系地层纵向分布如表1所示,主要反映了马家沟组之上不同时期盖层的分布情况。具体的封盖条件评价如表2所示。区域盖层是指上石盒子组和石千峰组的湖相泥质岩,广泛分布于盆地中东部, 厚度达几百米, 渗透率为10-10μm2,

突破压力在7 MPa以上,封盖性能十分优越。区带盖层主要是指本溪组底部的铝土质泥岩、含砂泥岩,分布稳定,封盖性能好,铝土岩的渗透率在10-7～10-9μm2,突破压力为0.6～5.0 MPa;其上部太原组、山西组暗色泥质岩及煤层,在生排烃高峰期形成的烃浓度封闭作用,也具有良好的封闭能力。局部盖层是指马五段中的膏盐岩以及成岩过程产生的致密岩等,其渗透率一般在1.2×10-6～4.5×10-10μm2,突破压力在0.2～7.0 MPa,也具有一定的封盖性能。上述不同规模封盖层，在纵向上的相互组合和配置,为马家沟组CO2封存提供了良好的封盖条件。

2.4 水文地质条件

CO2在注入地下之后,以游离态为主,部分溶解在地下水中,同时可能发生一系列的CO2-水-岩反应,尤其是在碎屑岩地层当中。马家沟组虽然主要沉积碳酸盐岩,仍不可完全忽略此问题。鄂尔多斯盆地中蕴藏着一定规模的咸水层,为盆地内CO2地质封存带来了巨大潜力[44]。靖边气田水的总矿化度为278.45 g/L,密度在1.114～1.118,水型普遍为CaCl2型[27]。中部气田区奥陶系各层段地层水的对比结果表明,马家沟组地层水的总矿化度远远高于其他层段,分布范围大致在130～200 g/L,平均147.12 g/L,且含量最多的是Cl-,其次Ca2+[45]。

对研究区马家沟组200个地层水样品进行分析与测试,结果表明，马家沟组地层水以CaCl2水型为主,平均总矿化度为154.58 g/L,整体属于卤水层,说明地层水封闭条件较好,水文地质条件稳定。其中,卤水样品占样品总数的85.4%,盐水样品占5.7%,咸水样品占2.4%,微咸水样品占1.6%,淡水样品仅占样品总数的4.9%(见图7)。由此可见,马家沟组封存层整体属于卤水层。

表1 鄂尔多斯盆地奥陶系至二叠系地层划分Tab.1 Ordovician-Permian strata distribution in Ordos Basin

对卤水样品进行更详细的分类之后可见,矿化度在50～100 g/L内的样品数占样品总数的16.2%,100～150 g/L占18.1%,150～200 g/L占28.6%,200～250 g/L占22.9%,矿化度>250 g/L范围内的样品数占样品总数的14.2%(见图8),整体属于高矿化度—极高矿化度的卤水层。

由此可见,马家沟组水型是CaCl2型,而且封存层整体属于高矿化度的卤水层。从人类发展对水资源的可持续利用角度评价,马家沟组是鄂尔多斯盆地中最有利于进行二氧化碳封存的地质层位。

3 结论与思索

马家沟组实施CO2封存的基本地质条件主要包括以下4个方面:基本物理条件是CO2封存的前提，储层条件是CO2封存的核心，盖层条件是CO2封存的保障，水文地质条件是CO2封存的关键。

1)马家沟组的地层埋深、正常压力系统和中低温系统为CO2的有效注入和封存提供了合适的基本物理条件;

2)马家沟组的储层条件使其具备储集CO2的空间和能力;

表2 马家沟组CO2储存层的封盖条件评价Tab.2 Cover conditions evaluation of Majiagou formation

图7 马家沟组地层水类型分布直方图Fig.7 Groundwater types of Majiagou formation

图8 马家沟组地层水中卤水矿化度分布直方图Fig.8 Brine salinity distribution of Majiagou formation

3)马家沟组之上不同规模封盖层的相互配置,有效提高了封盖能力,大大减小了后期的泄露风险;

4)马家沟组的卤水层也成为实现CO2封存得天独厚的条件。

鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组非常适宜进行CO2地质封存，是中国大规模开展CO2地质封存的潜在有利区。但是，CO2封存是一个地质与工程相结合的综合性环保问题,在具备封存基本地质条件的基础上,要想真正实现工业化的CO2地质封存,还有许多问题需要做进一步研究。

1)CO2封存机理与实验的研究:包括CO2注入地下之后各种封存机理的探究和储层物性实验、盖层突破压力实验的开展。

2)地质封存影响因素及封存效果的分析:利用地质建模和数值模拟对封存影响因素及封存效果进行深入分析。

3)封存有利区块的优选与评价:根据大量地质资料,尤其是井数据进行有利区封存选址以及注入井与监测井的选择。

4)封存潜力评价:对优选的封存区块进行CO2封存量的评估与计算。

5)泄漏风险评估:通过室内实验、数值模拟、地震监测等手段进行CO2泄漏风险评估。

6)公众认知度的提升和相关法律法规的学习。

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