咸水层CO2地质封存地下利用空间评估方法研究

刁玉杰， 马鑫， 李旭峰， 张成龙， 刘廷

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

0 引言

CO2地质封存技术是我国实现2060年碳中和目标的重要支撑技术，也是开发利用深部地下空间的新兴技术之一。沉积盆地深部咸水层分布广泛、封存潜力巨大，被认为是实施碳封存的主力储集场所[1-2]。咸水层CO2地质封存本质上相当于寻找或营造一个地下“人工气藏”，无论是CO2的直接占用，还是从封存工程安全性考虑，都需要占用深部地下空间。澳大利亚《CO2地质封存的环境指南》、欧盟《碳捕获与封存指令》、美国《CO2封存许可法案》和《CO2地质封存井的地下灌注控制联邦法案》，以及加拿大阿尔伯达省《碳捕集与封存法律修正案》等法律法规，均将地下空间所有权、使用权的审批和监管作为一项重要内容，其目的也是科学利用深部地下空间以实施CO2地质封存，同时避免其他石油、煤炭等矿权开发冲突，保障地下封存库的安全性。

国际上针对CO2地质封存深部地下利用空间的评估主要集中在地下CO2羽流分布方面，几乎所有的工业或示范工程都将CO2羽流分布作为监测重点，包括挪威北海Sleipner项目[3-5]和以监测研究为目的的澳大利亚CO2CRC Otway示范项目[6-7]等。

本文以国内第一个深部咸水层CO2地质封存工程——国家能源集团鄂尔多斯碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage, CCS)示范项目(又称神华CCS示范项目)为实例，结合已经提出的CO2地质封存地下利用空间评估概念模型[8]，以及鄂尔多斯CCS示范项目场地表征及CO2地下运移监测预测最新认识[9]，开展深部咸水层CO2地质封存地下利用空间评估方法研究，以期为碳封存项目地下利用空间核准与管理政策制定提供参考。

1 咸水层CO2地质封存机理

CO2地质封存的科学原理是利用CO2具有的超临界特点，即当温度高于31.1 ℃、压力高于7.38 MPa时，CO2进入超临界状态，能够在相同的空间内封存更多的CO2。碳封存领导人论坛认为，咸水层CO2地质封存机理主要包括物理捕获和化学捕获两类。物理捕获包括构造地层静态捕获、束缚气捕获和水动力捕获，化学捕获包括溶解捕获和矿化捕获[1]。需要认识到的是，物理捕获机理占主要作用，控制着溶解捕获和矿化捕获的作用范围。

2 评估模型与方法学

2.1 概念模型

咸水层CO2地质封存深部地下利用空间范围评估涉及3个重要边界，即综合考虑CO2羽流、扰动边界和经济因素确定的“三级边界”[8](图1)。为规范CO2地质封存项目地下利用空间审核及登记备案，建议在扰动边界确定的基础上，将其投影到平面上，以经纬度1′×1′划分的区块为基本单位确定地下空间； 垂向深度上建议精确到米。

图1 封存工程地下利用空间评估概念模型垂向示意[8]

2.2 CO2羽流的探测与预测

美国环保署(Environmental Proteetion Agency,EPA)《Underground Injection Control (UIC)-Class VI》要求使用“直接”方法监测注入区是否有压力升高(例如压力波前缘监测)，以及间接地球物理方法监测CO2羽流的范围(表1)。这些方法与国际上已有的咸水层CO2地质封存工业或示范工程的技术方法基本一致。

表1 EPA确定CO2羽流和相关压力波前缘位置要求和建议

2.3 扰动边界

扰动边界是指CO2封存活动可能引起地层流体压力扰动的空间范围，一般认为是现状技术水平下可探测的压力波前缘。美国环保署(EPA)建议，CO2羽流和压力波前跟踪可以直接监测的最高精度为0.7 psi(约为0.005 MPa)，考虑到我国目前井下压力传感器的平均精度，建议为3 psi(约为0.02 MPa)。刁玉杰等[8]建议借助直接或间接地球物理技术监测储层中CO2羽流运移范围，利用数值模拟技术尽可能分析压力变化特征，预测停止注入某个时刻、某个模拟监测点增加的压力差，进而提出这个时刻3 psi的扰动边界近似最优的扰动边界。

2.4 综合评估方法

CO2地质封存工程地下利用空间评估，即在CO2羽流确定基础上，从安全性和经济性角度出发，进一步确定扰动边界和地下利用空间边界，以供政府管理部门审核及登记备案。评估主要包括以下几项：

(1)CO2羽流。通过综合直接监测、间接地球物理监测及数值模拟等方法获得。

(2)扰动边界。通过综合直接监测、间接地球物理监测及数值模拟等方法获得。

(3)盖层安全性。通过盖层力学稳定性等综合评估获得。

(4)底板封隔层安全性。尽管CO2与流体的密度差异会驱动CO2向上运移，但从安全性考虑，也应参考盖层安全性开展底板封隔层安全性评估。

(5)断裂封闭性。通过断裂结构探测及封闭性评估等方法获得。

经济性主要影响因素包括以下几项：

(1)储层体积。基于CO2羽流与扰动边界确定的最小储层体积，CCS运营商可以根据经济情况和CO2羽流与压力波前预测扩大储层体积。

(2)盖层体积。综合盖层力学稳定性、经济因素，确定能够保证安全封盖储层且有效利用地下空间的盖层体积； 平面上盖层面积不小于储层面积，垂向上登记利用盖层厚度不小于直接有效盖层厚度。

(3)底板封隔层体积。参考盖层，确定底板封隔层体积。

为规范CO2地质封存项目地下利用空间审核及登记备案，平面上以经纬度1′×1′划分的区块为基本单位区块。

3 鄂尔多斯CCS示范工程案例研究

3.1 CO2羽流监测预测

国家能源集团鄂尔多斯CCS示范工程于2011年5月9日开始实施CO2灌注实验，至2015年4月，成功完成了CO230.2×104t的设计注入目标，持续开展的“地下—地表—大气”监测结果表明，示范工程未发现CO2突破主力盖层并发生泄漏[10-11]。示范工程封存场地部署有1口注入井、2口监测井，其中，中神监1井主要针对储层压力、温度及流量等原位监测，中神监2井主要针对盖层的安全性以及CO2是否泄漏进行监测。同时，示范场地开展了3期时移垂直地震剖面(VSP)监测，以了解CO2羽流特征。

中神监1井在示范工程2011年开始注入后约1个月，监测到CO2羽流； 时移VSP地震监测结果表明，2011—2014年期间平面上各储层中CO2羽流最大运移半径约为600 m。

Diao[9]利用示范工程场地时移VSP地震监测数据以及数值模拟技术，进一步分析了储层中CO2羽流分布特征，并预测了停止注入10 a和20 a后的变化特征(图2)，认为CO2羽流自2014年11月注入25×104t直至关井20 a后(2035年)，平面扩散不大，WN—ES方向半径最大约1 000 m，EN—WS方向半径最大约750 m，且随着井底压力不断趋向平衡，CO2分布饱和度整体降低，并由此推断，至2035年CO2羽流范围基本固定。

(a) 2014年12月 (b) 2015年5月 (c) 2025年5月(10 a) (d) 2035年5月(20 a)

3.2 扰动边界预测

示范工程扰动边界考虑因素包括监测井直接监测结果、时移VSP地震间接监测结果以及数值模拟预测结果,但这些方法因数据的不完整或受监测精度限制，尚不能提出较有说服力的3 psi扰动边界。考虑到鄂尔多斯CCS示范工程深部咸水储层为开放水文地质边界，且场地2015年5月已经封井，在CO2羽流基本稳定的前提下，假设储层压力近乎恢复到注入前的水平，CO2羽流边界可以认为是近似的扰动边界。

3.3 地下利用空间评估

如图3所示，根据CO2羽流预测以及扰动边界的讨论，本文建议以平面上4个1′×1′经纬度范围作为神华CCS示范工程地下利用空间的平面边界。

对于盖层安全性，根据场地钻探及地球物理勘探综合地质分析，以及神华集团已经开展的煤炭开发与CO2地质封存相互影响的数值模拟结果，总体可以认为煤层开采的应力影响主要分布在700 m范围之内， 500 m范围内影响明显，建议以纸坊组顶界(深度约958 m)为地下封存体顶部边界。对于底板封隔层，目前神华CCS示范工程钻探尚未钻穿马家沟组，且已有勘探结果表明，场地内的马家沟组赋存工业级油气流的可能性不大，因此，建议以深度2 800 m为底板封隔层底界(表2)。

表2 示范工程地下利用空间计算参数

4 结论与建议

(1)咸水层CO2地质封存过程中，物理捕获机理占主要作用，控制着溶解捕获和矿化捕获的作用范围，是影响封存工程地下利用空间范围的主要因素。因此，咸水层CO2地质封存地下利用空间评估的首要前提是CO2羽流的监测预测。

(2)咸水层CO2地质封存地下利用空间评估需要从安全性考虑确定扰动边界(即地下封存体保护边界)，建议将储层压力增加3 psi的临界点作为确定依据； 在扰动边界确定的基础上，从有效利用地下空间和经济性考虑，将其平面投影以经纬度1′×1′划分的区块为基本单位确定地下空间； 垂向上建议精确到米。

(3)基于CO2羽流监测预测以及扰动边界分析，建议国家能源集团鄂尔多斯CCS示范项目以平面上4个1′×1′经纬度范围作为地下利用空间平面边界，垂向上，以纸坊组顶界(深约958 m)为地下封存体顶部边界，以深度2 800 m为底板封隔层底界。