安徽省二氧化碳地质储存潜力评价

杨章贤，汪定圣，董迎春

（安徽省地质环境监测总站，安徽合肥230001）

1 概述

二氧化碳地质储存技术(Carbon Dioxide Geologi⁃cal Storage，CGS)，是将从能源活动及工业生产集中排放源中(如发电厂、钢铁厂等)分离得到的二氧化碳进行一定的工艺处理后注入到地下深处具有封闭条件的地层中储存起来。该技术的目的就是把二氧化碳储存与地下深部构造之中，具有储存容量大、储存时间长、可利用成熟技术等特点，是二氧化碳捕集与封存技术中最重要的技术之一。安徽省分布有31个中新生代陆相沉积盆地、7个煤田、2个油气田，是储存二氧化碳良好的地下空间，针对沉积盆地、不可采煤层、枯竭油气田评价安徽省二氧化碳地质储存潜力，可为安徽省发展低碳经济、实施节能减排提供地质依据，开辟了新的减排途径。

2 二氧化碳地质储存条件

二氧化碳的地质储存需要有一个储存空间大、地质构造封闭、稳定安全的地质条件，以达到有效储存及储存的安全保证，因此该技术对地质构造及区域地壳稳定性有着严格要求。

2.1 储层深度

二氧化碳地质储存过程中常需要在超临界压力下将其注入，要求其流动性好、密度大。根据二氧化碳物理性质研究显示，超临界二氧化碳的临界点为31.1℃，7.38MPa。一般而言，需要在地表800m以下才能达到上述温度及压力，考虑安全因素，二氧化碳储层的深度需在地表以下1000m处，以保证注入的二氧化碳完全呈现超临界状态的高密度流体。

2.2 储层空间

二氧化碳地质储存要求储层岩石要有较高的孔隙度及有效的渗透率，具备流体储存和流通空间，方便二氧化碳注入过程中在储层中的运移。储层岩石中都会发育有孔隙、裂隙、溶洞以及其它缝隙等，这些缝隙构成的深部空间都可以有效进行二氧化碳地质储存，且相互连通的空隙通道，使二氧化碳流体能够在储层当中进行运移，充满整个地质储层，从而达到最大的二氧化碳地质储存量。

2.3 地质构造

二氧化碳地质储存地质体必须是一个圈闭的地质构造，圈闭条件的构成可以是地层向山弯曲成背斜圈闭，也可以是储层沿上倾方向与非渗透层以断层相接的断层圈闭，还可以是储层沿上倾方向被非渗透层不整合覆盖的地层圈闭。二氧化碳由于超临界状态时密度比水小，注入到地质储层后会沿着缝隙向上渗透，因此，二氧化碳储层上部必须存在严密的盖层，防止其泄露或者发生次生环境事件。

综合上述二氧化碳地质储存的深度、空间、构造条件，适合二氧化碳地质储存的圈闭空间有深部咸水含水层、不可采的煤层、枯竭的油气田等。

3 评价原则、方法及数据来源

3.1 估算单元概化与基本估算原则

（1）仅估算理论储存量，以单个盆地、油气田、煤田为估算单元，储、盖层地质结构模型仅为粗略概化。

（2）对深部咸水含水层的理论储存量估算，主要为10个安徽省中新生代陆相沉积盆地深度800～3500m范围内的储层。

（3）将油气田作为单独的估算单元，主要为合肥油田和天长油田，并假设均已开采枯竭。

（4）将煤田作为单独的估算单元，主要为淮北煤田和淮南煤田，估算深度为1200～2000km。

（5）储层的估算参数均取储层范围所得数据的平均值。

3.2 估算方法

（1）深部咸水层理论储存量估算方法。CO2深部咸水层储存最终将溶解到深部咸水层中的地层水中，其理论储存量可视为原始地层水达到CO2饱和时所能溶解的CO2量，可用下式计算：

式中：MCO2td——CO2在深部咸水层中溶解储存的理论计算量，106t；

A——深部咸水层的面积，km2；

H——深部咸水层的平均厚度，m；

ϕ——深部咸水层岩石的平均孔隙度，%；

ρs——地层水被CO2饱和时的平均密度，kg/m3；

ρi——初始的地层水的平均密度，kg/m3；

——地层水被CO2饱和时的CO2占地层水中的平均质量分数，%；

——原始CO2占地层水中的平均质量分数，%；

——CO2在地层水溶解度，mol/kg；

——CO2的摩尔质量，0.044kg/mol。

（2）油田理论储存量估算方法。我省目前尚未有枯竭的油气田，所以首先作如下基本假设：即所有油气田在充分开发后成为枯竭的油气田再用于储存CO2，而不考虑现有阶段油气田的开发程度。因此应用已枯竭油气藏储存量估算方法。该方法基本的假设条件为CO2注入到衰竭油藏中直到储层压力恢复到原始储层压力，即油气的采出所让出的空间都用于CO2的储存，可用下式计算：

式中：MCO2to——CO2在油藏中理论储存量，106t；

ρCO2r——CO2在油藏条件下的密度，kg/m3；

N——原油的储量，109m3；

ER——原油的采收率，%；

Bo——原油的体积系数，m3/m3；

A——油藏面积，km2；

h——油藏的厚度，m；

ϕ——油藏孔隙度，%；

Sw——油藏束缚水饱和度，%。

上述两公式分别适用于不同的数据获取情况。前者适用于已经获得油藏原油储量数据情况；后者适用于未知油藏原油储量，但可以通过油藏面积、厚度、孔隙度和束缚水饱和度等参数计算油藏原油储量。

（3）煤田理论储存量估算方法。煤田理论储存量估算可被认为是气体已被煤层吸附的情况下，煤层中的理论储存量。用下式计算：

式中：MCO2tc——CO2在不能开采的煤层中的理论储存量，106t；

ρCO2s——CO2在标准条件的密度，t/m3，通常为1.977kg/m3；

IGIP——煤层中原始气体（甲烷气体）地质储量，106m3。

（4）安徽省二氧化碳地质储存潜力汇总。安徽省二氧化碳地质储存潜力总和：

式中：Mco2(总)——安徽省二氧化碳地质储存理论储存总量，108t；

Mco2td(总)——安徽省二氧化碳深部咸水层理论储存总量，108t；

Mco2to(总)——安徽省二氧化碳油田理论储存总量，108t；

Mco2tc(总)——安徽省二氧化碳煤田理论储存总量，108t。

3.3 估算参数取值及来源

（1）估算对参数的空间变异性不做要求，以单个盆地储层参数的平均值作为整个盆地的参数值开展计算，不做细化处理。

（2）结合储层的平均压力和温度，利用二氧化碳密度与压力、温度的函数关系来确定盆地储层的二氧化碳密度。

（3）根据储层深度的压力、温度以及盐度的平均值，然后通过查表法、Duan和Sun模型计算溶解度。

（4）深部咸水层的空间体积通过储层在盆地内分布面积和厚度估算求得。储层在盆地内的分布面积，首先分析可作为储层的沉积地层分布范围，作为储层的基本分布面积，对储层的面积延展不祥的构造单元，取储存单元总面积的1%；储层厚度通过分析盆地的地层岩性及其他相关资料估算地层中可作为储层的厚度,或取沉积深度平均值的10%计。

（5）孔隙度根据所搜集到的估算单元范围内的平均孔隙度代替。

（6）油气和煤层气的地质储量是反映油气田和煤田中可用于CO2储层空间大小的理论量，主要通过搜集油气和煤炭部门的资料直接获得，参考《安徽省油气资源评价》、《安徽省煤炭资源图集》、《安徽省石油地质基本特征及含油气远景评价的初步探讨》及《两淮煤田煤层气抽采利用初步评价报告》。

（7）油气采收率主要是选择通过区域的采收率平均值作为近似值使用，参考《新一轮全国油气资源评价系列丛书》之《全国石油天然气资源评价》、《全国煤层气资源评价》。

4 安徽省二氧化碳地质储存潜力估算

4.1 盆地咸水含水层二氧化碳地质储存潜力评价

综合各盆地深部咸水含水层的分布面积、厚度，储存平均孔隙度，初始地层水的平均密度，二氧化碳在地层水溶解度及二氧化碳的摩尔质量等参数的取值，进行了我省盆地咸水含水层二氧化碳地质储存潜力估算。可以得到各盆地深部咸水层中二氧化碳地质储存潜力，计算参数和计算结果见表1，并绘制各盆地咸水层二氧化碳地质储存潜力柱状图，结果见图1。从图1和表1中可以看出，安徽省深部咸水层二氧化碳总地质储存潜力为886.86×108t。其中合肥盆地储存潜力最大，占全省深部咸水层总储存量的33.19%；其次为阜阳盆地，占深部咸水层总储存量26.83%。

表1 安徽省盆地咸水含水层二氧化碳地质储存潜力估算一览表

4.2 不可采煤层二氧化碳地质储存潜力评价

不可采煤层储存二氧化碳的过程，可以简化为煤层气开采的逆过程，其核心机制是二氧化碳吸附及驱替煤层气的动力学过程。因此，不可采煤层二氧化碳地质储存机理实质上主要是关于二氧化碳在煤层孔隙结构中吸附-解吸的作用机理。

据安徽省煤炭资源图集，安徽省有煤田7个，包括淮北煤田、淮南煤田、巢湖煤田、安庆煤田、贵池煤田、芜铜煤田、宣泾煤田，其中两淮煤田煤炭资源约占全省的97.7%，且分布较集中、资料较丰富，其他煤田分布面积小，规模有限，且资料有限，故本文确定淮北煤田和淮南煤田作为二氧化碳地质储存评价估算煤田。

安徽省两淮煤田煤炭资源量大，煤层气储量丰富，是储存二氧化碳理想场所，目前，我省煤炭开采深度已超过1000m（望峰岗煤矿），所以本次估算认为两淮地区深度为1200～2000m的煤层为我省不可采煤层，即采用1200～2000m煤层中煤层气地质储量进行我省不可采煤层二氧化碳地质储存潜力估算。通过计算，得出安徽省不可采煤层二氧化碳总地质储存潜力为6.60×108t，其中淮北煤田不可采煤层二氧化碳地质储存潜力为2.36×108t，淮南煤田不可采煤层二氧化碳地质储存潜力为4.23×108t（表2）。

表2 安徽省不可采煤层二氧化碳地质储存潜力估算一览表

4.3 油田二氧化碳地质储存潜力评价

油藏经过一定时间的开发，在当时技术、经济条件下的限制，有部分原油不能采出，导致油藏失去了开采价值而被废弃，因此，可以利用该油藏储存二氧化碳。鉴于已有资料情况，本文针对我省有资源量预测的较大的合肥油田和天长油田进行二氧化碳地质储存潜力估算。通过计算，得出安徽省油田二氧化碳总地质储存潜力为5.62×108t，其中合肥油田二氧化碳地质储存潜力为3.85×108t，天长煤田二氧化碳地质储存潜力为1.77×108t（表3）。

表3 安徽省油田二氧化碳地质储存潜力估算一览表

4.4 安徽省二氧化碳地质储存潜力估算

通过上述计算，安徽省二氧化碳地质储存潜力为899.08×108t。其中深部咸水含水层二氧化碳地质储存潜力为886.86×108t，占全省二氧化碳地质储存潜力的98.64%；不可采煤层二氧化碳地质储存潜力为6.60×108t，占全省二氧化碳地质储存潜力的0.73%；油田二氧化碳地质储存潜力为5.62×108t，占全省二氧化碳地质储存潜力的0.63%（图2）。

5 结语

安徽省二氧化碳地质储存潜力巨大，可储存二氧化碳899.08×108t。从储存介质来看，以深部咸水含水层储存潜力最大，主要有合肥盆地、阜阳盆地、沿江盆地和宣广盆地。在今后二氧化碳地质储存工程上的研究与探索过程中，可选择我省勘探及研究程度较高的可行盆地进一步深入研究，以盆地一级构造单元为研究对象，圈定一批二氧化碳地质储存目标靶区，尽早开展我省二氧化碳地质储存试点、示范工作。另外，还需加强与煤炭、石油等部门的合作，通过人工地质碳汇模式将二氧化碳进行地质储存，必将产生良好的经济效益、社会效益和环境效益，为我省碳减排工作做出重要贡献。