中国年封存量百万吨级CO2地质封存选址策略

王紫剑，唐 玄,2，荆铁亚，游铭心，张金川,2，李 振，周 娟

(1.中国地质大学(北京) 能源学院，北京 100083；2.自然资源部 页岩气战略评价重点实验室，北京 100083；3.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 102209)

0 引 言

目前CO2封存的方式主要有地质封存、海洋封存、矿石碳化、工业利用、生态封存等，其中海洋封存具有应用潜力，但该方案涉及技术经济、环境影响等一系列复杂的问题有待解决，故目前尚处于探索阶段；矿石碳化及工业利用由于耗能高、封存时间短等因素发展潜力并不乐观[1]。因此CO2地质封存 (Carbon Geology Storage，CGS) 技术被视为一种直接、有效的减排手段，将原本排放到大气中的CO2转移到地下储层进行封闭，从而达到减少CO2向大气中排放的目的[2-4]。国内外CO2地质封存选址分为三类：在短期内因为缺少经济效益而不能用于开采和开发的深煤层[5]，已衰竭或者废弃的石油和天然气藏，以及不含饮用水的深部咸水层[6-7]。目前多个国家已经相继展开了CO2地质封存项目的试验，主要还是集中在美国、加拿大、澳大利亚和欧洲多个国家[8]，这些国家目前都已实现了CO2年封存量达百万吨级的工业化。但对于年封存量百万吨级的CO2封存选址不单要考虑地层特点，还要综合考虑圈闭的类型、盖层的性质、地层的可注入性以及碳源运输的经济效益等，这些因素对年封存量百万吨级的选址及地质封存的实现至关重要，但目前国内外没有依据圈闭类型为封存量每年百万吨级CO2地质封存选址或对各类型圈闭的地质因素提出相应的指标。相比国外，中国的CO2地质封存项目起步较晚，封存量以每年十万吨级CO2地质封存项目为主。2011年，神华CO2封存项目向鄂尔多斯盆地咸水层中注入CO2(10万吨/年)，该项目是国内第一个咸水层地质封存实验项目[8-10]；随后吉林油田、延长油田和中原油田都相继建成CO2地质封存项目，在实现CO2地质封存的同时提高油田采出率[8, 11-12]。我国目前年封存量百万吨级规模的地质封存技术尚不成熟，缺少百万吨级CO2地质封存项目相关的选址、封存和监测经验[8]。因此，本文在针对世界上15个代表性的百万吨级CO2地质封存工业化项目成功案例调研基础上，按照封存场地圈闭地质类型划分了构造型圈闭(背斜型、断层型和裂缝型)和岩性型圈闭(砂岩型和碳酸盐岩型)两大类。明确不同类型圈闭CO2地质封存选址的参数类型与范围，从储层规模、储层物性、盖层地质特征和水动力条件等角度，指出了不同类型圈闭的CO2地质封存选址原则和标准，提出了规模性、注入性、安全性和经济性4大指标，为中国年封存量百万吨级CO2封存提供选址依据。

1 CO2地质封存圈闭类型划分及典型案例分析

进入20世纪以来，CO2地质封存项目受到越来越多国家的重视。截至2020年，全球共有20个年封存量百万吨级CO2地质封存项目，其中美国和加拿大执行的项目居多(图1)。1996年挪威主导的Sleipner项目是世界上第一个商业规模的地质封存项目，将CO2封存在深部咸水层(100万t/a)；2000年，美国与加拿大合作在 Weyburn 油田注入 Great Plain Synfuels Plant 和 SaskPower 电厂捕集的CO2，在提高濒临枯竭油田采油率同时，累计封存CO2达2600多万吨；2016年在澳大利亚进行的Gorgon项目是迄今为止预封存量最大的项目(1亿t)；2020年加拿大主导的Alberta Trunk项目是迄今为止最新的CO2年封存量百万吨级封存项目(140万t/a)。

图1 全球年封存量百万吨级CO2地质封存项目分布(底图据文献[13])Fig.1 Distribution of large-scale CO2 geological storage projects in the world(base map after ref. [13])

1.1 CO2地质封存圈闭类型划分

CO2在地质封存中可以封存在衰竭油气田、不可采的煤层和深部咸水层中[14]。理论上所有油气储层都可以成为CO2封存潜在的选址对象。本文借鉴石油与天然气地质学圈闭类型划分方案，将CO2地质封存空间从地质角度划分为两个大类：构造型圈闭和岩性型圈闭(表1)。构造型圈闭分为背斜型、断层型和裂缝型，岩性型圈闭分为砂岩型和碳酸盐岩型。本文统计了数据较为齐全的世界上15个年封存量百万吨级CO2地质封存工业化项目选址的相关地质数据，其中背斜型圈闭最适宜年封存量百万吨级CO2地质封存，但是裂缝型和断层型圈闭满足特定条件也可被选址封存CO2；相比于碳酸盐岩型圈闭，国外大部分项目选址在稳定性较高的砂岩型圈闭中。

1.2 典型案例分析

1.2.1 背斜型圈闭

迄今为止世界上进行的CO2地质封存项目中，背斜型圈闭是百万吨级CO2地质封存的首选，如挪威在1996年起执行的Sleipner项目和阿尔及利亚的In Salah项目等。一方面背斜型圈闭构造较为简单，能够稳定且长期封存CO2；另一方面背斜型圈闭是油气探勘的重点区域，该类型圈闭井位多、数据全，被认为是CO2封存中理想的储集空间。

挪威Sleipner项目是世界上第一个深部咸水层百万吨级CO2地质封存项目，该项目选址在背斜型圈闭(图2)。其储层(Utsira)本身具有较高的孔、渗条件(孔隙度达到35%～40%，波动范围小；平均渗透率为2 D,1 D=1 μm2)，有足量的地下空间储集CO2(预计共注入2 000万t)；Utsira储层不受大型断层和裂缝的影响，地质条件稳定，内部的泥岩夹层构成的低渗透隔板，可以显著抑制CO2羽流向上逸散。储层上方近200 m厚的低渗(水平渗透率为0.001 mD，垂向渗透率为0.000 4 mD,1 mD=10-3μm2)页岩盖层(Nordland)具有很好的封存能力，储、盖层之间巨大的渗透率差值致使CO2极难突破毛管排驱压力而泄漏[17-19]。

图2 挪威Sleipner项目CO2封存场地地质模式(底图据文献[18])Fig.2 Geological concept model of the CO2 storage site of the Sleipner project in Norway(base map after ref. [18])

1.2.2 断层型圈闭

将CO2封存在断层型圈闭中存在较大的风险和安全隐患。由于断层特征在空间上的多变及具有不均质性，盖层对断层型圈闭的封堵性是最关键的考虑指标。盖层不仅要求厚度足够大，而且岩性应该是极低渗的岩石。当选址为断层型圈闭封存CO2时，要对断层的稳定性和封闭性进行详细研究，放弃贯穿储、盖的断层，起到封盖作用的断层可以作为选址区域。此外，只发育在储层内部的断层，其盖层本身不受断层影响的断层型圈闭也可选址为年封存量百万吨级CO2封存场所。针对于断层型圈闭前期CO2的运移模拟以及后期的监测是必不可少的，以确保长期有效地封存CO2。

巴西Petrobras项目是巴西第一个年封存量百万吨级CO2封存项目[24]，该项目选址在Buracica油田的断层型圈闭中(图3)。该圈闭的地质特点是断层本身作为储层的侧面封盖作用，地层较为破碎，具有多套的储层和盖层且储层和盖层交替分布。Sergi 层作为主注入封存层位，具有较好的孔、渗、饱条件，平均孔隙度约为22%，平均初始含水饱和度约为24%，平均渗透率为570 mD。与Sergi 层直接接触的是主力盖层Itaparica 1层，是厚度为18m的页岩盖层，平均渗透率在0.000 3 mD以下。在主力储层之上存在两个备用储层，分别是位于Sergi层顶部上方约18 m处6 m厚的Arenito B层和位于Arenito B层顶部上方约30 m处6 m厚的gua Grande层，两套备用储层的岩性都是砂岩，都可能储存从下方Sergi储层迁移来的CO2。在备用储层Arenito B层之上的是盖层Itaparica 2层，与Itaparica 1层的岩性和渗透率相同，但Itaparica 2层的厚度达到30 m；与备用储层gua Grande层直接接触的盖层是Taua层，厚度为30 m，平均渗透率为0.000 36 mD；在Taua层之上分别是由厚泥质沉积与灰岩和浊积砂岩互层的Candeias层以及由页岩、粉砂岩、砂岩和钙质砂岩填充的Taquipe层，均作为防止CO2向上逸散的盖层[22-24]。

图3 巴西Petrobras Santos项目CO2封存场地地质模式(底图据文献[24])Fig.3 Geological model of the CO2 storage site of the Petrobras Santos project in Brazil(base map after ref. [24])

1.2.3 裂缝型圈闭

裂缝构造对于CO2封存是一把“双刃剑”。一方面裂缝被认为是CO2的潜在逸出通道，可能会破坏特定储存地点的封储能力；另一方面裂缝本身也可以作为CO2运移的通道和封存空间。目前世界上年封存量百万吨级CO2封存选址在裂缝构造的案例相对较少。裂缝型储层非均质性极强，从基质到裂缝带，渗透率相差很大。裂缝型圈闭对注入井的要求较高，注入压力要超过最小地应力和抗拉强度；而且注入井的方向要垂直裂缝带的延展方向，这样就会发生水力压裂并在储层内产生原裂缝带方向的拉伸裂缝，有利于CO2的迁移和从该方向注入的多余孔隙压力的消散[50]。由于裂缝型圈闭存在一定的不稳定性且注入井水力压裂产生新的裂缝可能会影响原生的裂缝带，因此选址裂缝型圈闭还要考虑圈闭的侧面封堵作用以及对裂缝型圈闭进行裂缝动态评价。所以前期CO2的运移模拟以及后期的监测是必不可少的，确保能长期有效地封存CO2。

法国的Lacq项目是法国第一个CO2地质封存项目，为年封存量十万吨级CO2封存项目，选址在Lacq盆地的Rousse枯竭气田裂缝型圈闭中(图4)。CO2封存的层位是4 500 m深、厚度为120 m的Mano层中，该层为白云质储层，基质孔隙度为2%～4%，受裂缝的影响渗透率为5 mD；Mano储集层受边界断层的封闭作用， Albo Aptian层黏土作为侧盖层，顶部盖层是近800 m厚的泥灰岩、页岩和泥岩互层的Flysh层[25-26]。

1.2.4 砂岩尖灭型圈闭

国外年封存量百万吨级CO2地质封存项目中，多数选址在砂岩型圈闭中，一方面是由于国外的砂岩储层物性较好，不仅有足够的地下储集空间封存百万吨级CO2，而且地层的注入性难度较低；另一方面砂岩型圈闭多数是油气聚集的场所，在项目初期进行注入CO2驱替地层中难以开采的原油提高原油采收率(CO2—EOR)，在项目后期注入CO2实现碳封存的目的。国外CO2封存砂岩圈闭一般都是发育在海相砂岩地层。砂体以滨海砂岩(Illinois-Mt. Simon Sandstone)、潮坪(Quest-BCS)、浊积砂岩(Gorgon-Dupuy)等海相砂岩为主，往往在平面上分布稳定、面积广大、储集性优越(孔隙度在15%以上，很多可以高达35%；渗透率几十到几百mD)，岩石成分和结构成熟度高、胶结物少[51]，一般埋深在2 000～3 000 m之间，以一套砂岩居多，但是也存在如美国密西西比Kemper项目白垩纪多套砂岩共同封存的情况[36]。

图4 法国Lacq项目CO2封存场地地质模式(底图据文献[25])Fig.4 Geological model map of the CO2 storage site of the Lacq project in France(base map after ref. [25])

图5 澳大利亚Gorgon项目CO2封存场地地质模式(底图据文献[29])Fig.5 Geological model of the CO2 storage site of the Gorgon project in Australia(base map after ref. [29])

澳大利亚Gorgon项目是澳大利亚在2009年执行的世界上最大的CO2地质封存项目，该项目选址在巴罗岛斜坡背景下砂岩尖灭型圈闭Dupuy层储层中(图5)，地层深度在2 000～2 500 m之间，总厚度为200～500 m。该地层具有中等孔隙度(约22%)，渗透率为30～100 mD。Dupuy层顶部的巴罗群页岩(BBGS)是直接且主要的盖层单元。Dupuy层被分为4个主要岩石单元，分别是Basal Dupuy层、 Lower Dupuy层、Upper Massive Sand层和 Upper Dupuy层。Basal Dupuy层岩性是菱铁矿胶结的细粒至中粒砂岩，储层物性普遍较差，不是CO2注入目标层。Lower Dupuy层主要是细粒砂岩和粉砂岩，为CO2封存目标层。巴罗岛北部地区主要为砂岩(砂地比高达90%)，南部地区为页岩粉砂岩。Upper Massive Sand层主要是细粒到中粒的块状砂岩，也是CO2的注入目标层，向上岩石颗粒不断变细；Upper Massive Sand层顶部的粉砂岩被认为是阻止CO2向上逸散的重要挡板。Upper Dupuy地层岩性主要为粉砂岩，夹少量砂岩透镜体，不作为CO2注入目标层，它在Dupuy顶部形成屏障，阻止CO2向上逸散。紧邻 Dupuy层上方的是 Basal Barrow Group页岩层，它是位于 Barrow Delta 层底部的三角洲页岩单元，存在于巴罗岛上向下穿透至 Dupuy层顶部的每一口井中，因此被认为是区域性广泛且连续的屏障[27-29]。

1.2.5 碳酸盐岩型圈闭

世界上年封存量为百万吨级CO2封存选址在碳酸盐岩型圈闭的案例也不少，比较典型的案例是加拿大的Fort Nelson, Weyburn和美国的Michigan项目。碳酸盐岩型圈闭相对浅一点，埋深一般在1 300～2 500 m之间，如加拿大在2009年执行的Fort Nelson项目和美国在2013年执行的Michigan项目[43, 49]。碳酸盐岩型圈闭为有利的CO2封存场地，一方面是因为碳酸盐岩生物礁的面积足够大，能够作为年封存量百万吨级CO2封存的储集空间；另一方面碳酸盐岩矿物如方解石、白云石等容易与CO2剧烈反应生成钙、镁质矿物，在溶解封存的同时实现矿化封存CO2。另外，致密碳酸盐岩如硬石膏岩性稳定且具有较强的封闭性，能够作为优质盖层阻止CO2的逸散。但是碳酸盐岩型圈闭的非均质性较强，其岩性、物性差异大，单层厚度较薄，相较于砂岩型圈闭注入难度较大，由于碳酸盐岩矿物与CO2的反应，圈闭的注入点比较关键，对于注入井位置的精确性要求较高。若要将年封存量为百万吨级CO2封存在碳酸盐岩型圈闭中，前期的选址工作极为重要，既要充分了解碳酸盐岩圈闭中的储层、盖层岩性，又要在实验室进行CO2-水-岩反应试验及相关模拟。

加拿大Weyburn项目是加拿大在2001年实施的一个碳酸盐岩层CO2-EOR和封存项目。该项目选址在Weyburn油田地下1 450 m深的Midale岩层中Midale层(图6)，其厚度约30 m，分为两个单元，下部石灰岩“溶洞”(8～22 m)和上部白云岩“泥灰岩”(2～12 m)。泥灰岩层M0、M1、M3为高孔隙度(平均26%)高渗透率(平均10 mD)的主力储层。溶洞层V1的特征是低孔隙度(平均10%)和低渗透率(平均1 mD)；V2-V6的孔隙度较低(平均15%)，但渗透率较高(平均50 mD)。Midale储层之上的盖层共分为3套，其中Midale Evaporite层为主力盖层，由厚度为2～11 m的低渗透硬石膏组成，孔隙度为0.3%～8%，渗透率为10-4～10-6mD；Ratcliff层直接与Midale Evaporite层接触，由白云岩和蒸发岩组成，厚度为2～20 m；Lower Watrous层是最厚达到65 m的不透水含水页岩层，平均孔隙度为4%，平均渗透率为0.8 mD[44-47]。

2 年封存量为百万吨级CO2封存选址因素、原则及标准

2.1 年封存量百万吨级CO2工程项目特点

与封存量十万吨级项目相比，年封存量百万吨级项目不仅是在封存量级上的增加，对封存空间的规模性、注入性、安全性和经济性都提出新的更高的要求(表2)。主力盖层之上是否有缓冲盖层，盖层本身的连续性和安全性是实现百万吨级地质封存重要的因素；年封存量百万吨级项目长期注入CO2可能会面临地下压力过载，是否采用多层统注以及抽取地下水资源是百万吨级项目需要后续考虑的问题[52]；此外，CO2对管道的耐腐蚀性要求更高；年注入百万吨级CO2的项目在地层失稳风险和泄漏风险上必然更大且后期监测期限更长，更应建立完善的井-地-空监测系统。

表2 年封存量十万吨级与百万吨级项目划分指标

2.2 年封存量为百万吨级CO2封存考虑因素和原则

CO2地质封存要考虑4个方面的因素：地质因素、工程因素、安全因素和经济因素。大规模(年封存量百万吨级)CO2封存不仅在地质规模上与小规模封存存在差异，长时间多批次地注入CO2对储集层的物性、以及封存大规模CO2对盖层的封存能力和封存区域的稳定性都提出了较高的要求；而且在目前CO2地质封存项目高额成本的条件下，项目的资金投入也是实施大规模CO2封存的必要前提。简单归纳，年封存量百万吨级CO2封存考虑的因素和原则为四个字：“大(Big)、通(Permeable)、保(Preserved)、值(Value)”(BPPV)。

(1)地质因素要考虑区域地质情况、稳定情况，封存圈闭类型、大小，储层类型、厚度、孔隙度、岩石类型等。针对年封存量百万吨级CO2封存场地，足够大的圈闭储集空间是极为重要的，圈闭深度在1 000 m以上以确保CO2处于稳定的超临界状态，更有利于年封存量百万吨级CO2的封存[53]。

(2)工程因素要考虑注入能力和注入方式。注入能力受控于地层岩性、储层连通性好、高渗透率和相对较低的孔隙压力。年封存量百万吨级CO2封存需要进行长期高强度的CO2注入，而且要保证大规模CO2的注入对地层的压力、抬升等因素在可控的范围内；注入方式因不同的圈闭类型而定，断层型和裂缝型圈闭要考虑注入井对地层封存稳定性影响，碳酸盐岩型圈闭要考虑注入后CO2与储层矿物反应从而影响后续的注入性，单储层封存能力有限的前提下可以考虑多层统注的手段实现年封存量百万吨级CO2封存目标。

(3)安全因素需要考虑盖层对储层CO2封存的密闭性和注入工程对地层本身的稳定性，摒弃地震高发区域；盖层不仅要求厚度大、连续有效且最好存在多套连续稳定的缓冲盖层，岩性要求保持长时间对CO2的化学惰性。注入工程不能触发地震，尤其是注入井周围的地层稳定性和钻井管柱的有效性，针对断层的稳定性和裂缝的活跃性要有完善的长期监控和预防泄露处理方案。年封存量百万吨级CO2地质封存项目对周边环境潜在风险大，所以安全性极为重要，要求地质条件稳定，把不确定性尽量降低，提高对各种风险的管理能力。

(4)经济因素包括源汇距离、封存气体性质与井筒管道材料、后期监控方案等。CO2注入量大，尽量就近封存，或者需要考虑专门的CO2集输管线。因此，经济性是年封存量百万吨级CO2地质封存项目成功与否的重要指标。

总体而言，依据国外年封存量百万吨级CO2封存案例，年封存量百万吨级CO2封存的地质选址需要考虑地质圈闭的规模性、可注入性、安全性和经济性(BPPV)。规模性指CO2封存储量要大(Big)；可注入性指储层物性要好，孔隙度和渗透率尽量高(Permeable)；安全性指选择必须尽量远离构造活跃区和人口密集区，盖层厚度大，分布连续、物性致密、封堵性好(Preserved)；经济性指必须要考虑经济成本，需要考虑源汇距离、能源使用及采用的技术经济成本要有竞争力(Value)。

2.3 CO2地质封存选址标准

本文在全面分析国外CO2地质封存年封存量百万吨级项目适宜性影响因素的基础上，建立不同类型圈闭选址封存条件参数(表3)。背斜型圈闭是CO2地质封存年封存量百万吨级的项目首选；断层型圈闭需要对断层稳定性进行评价，明确适宜断层的注入井打井方式，不可考虑贯穿储、盖的断层，断层型圈闭更多选址在只发育在储层内部且作为圈闭封盖的一部分，盖层本身不受断层影响的圈闭；裂缝型圈闭针对裂缝进行动态评价，重点分析注入井是否产生新的裂缝以及对原生裂缝的影响，考虑到裂缝本身的各向异性，侧面封堵作用对裂缝型圈闭是极为必要的，选址在只发育在储层的裂缝、盖层本身不发育裂缝的裂缝型圈闭；砂岩型圈闭由于具有较好的孔渗条件是封存百万吨级CO2首选的岩性型圈闭；碳酸盐岩型圈闭的非均质性较强，岩性、物性差异大，单层厚度较薄，注入性影响较大，并且碳酸盐岩本身能够与CO2发生矿化反应，因此选址碳酸盐岩型圈闭时注入点较为关键，硬石膏的密闭性较强，是碳酸盐岩型圈闭中盖层的首要选址岩性。

本文还提出了适宜年封存量百万吨级CO2地质封存评估指标体系[54]，从规模性、可注入性、安全性和经济性(BPPV)4个一级指标、9个二级指标和22个三级指标为中国年封存量百万吨级CO2封存提供选址依据(表4)。

2.3.1 规模性

目前开展的CO2地质封存项目主要以咸水层封存和CO2-EOR项目为主。现今全世界CO2封存场地中背斜型圈闭类型占比是最多的(表2)，背斜一般构造比较简单，往往也具有良好的物性条件，CO2羽流运移容易预测。由于断层型圈闭和裂缝型圈闭地质条件比较复杂，储层空间非均质性较强，所以选址断层型圈闭和裂缝型圈闭时既要考虑封存地层本身的安全性又要完善CO2长期监测系统。砂岩型圈闭和碳酸盐岩型圈闭都可作为年封存量百万吨级CO2封存选址的岩性型圈闭，但是目前已进行的CO2地质封存项目来看，绝大多数都选址在砂岩型圈闭；目前也有试验将CO2封存到玄武岩中，例如Carb-fix和Iceland项目，但目前封存规模较小，仍处于初级阶段[2]。

从统计数据(表3)来看，年封存量百万吨级CO2封存选址的圈闭规模应在1 000 km2以上，为CO2的封存和运移提供了空间保障。封存空间一般埋深在1 000～3 000 m之间，太浅的情况下温度压力太低，CO2的相态不稳定，不利于封存，且容易散失；太深了可能地层压力太高，储层致密程度高、注入压力大，经济成本高。考虑到我国对于深层油气藏的定义，一般将超过4 500 m定义为深层，将CO2封存适宜深度定为1 000～4 500 m。

从储层厚度来看，砂岩储层厚度可以从一二十米到几百米，储层厚度从In Salah的20 m，到加拿大Quest的潮坪砂岩储层44 m，再到Gorgan厚达200～500 m的储层，说明储层厚度不一定很大；如果主力储层厚度较薄可以考虑多套备用储层的方法；断层型圈闭和裂缝型圈闭由于存在一定的不稳定性，选址要求圈闭埋深较深、储层厚度较厚(表3)。

2.3.2 可注入性

国外很多CO2封存项目都选址于海相砂岩环境，其空间分布稳定、成分和结构成熟度高、分选磨圆度高、容易发育优质储层，一般孔隙度都比较高，至少在10%以上，属于优质储层；流动水饱和度在较低的情况下，既保证了CO2在深部咸水层中的溶解封存，又防止CO2随着地层水的运移而逸散(表3)[55]。除了孔隙度、渗透率、流动水饱和度这类静态表征指标，也要注意CO2在注入过程中造成储层伤害而导致渗透率和注入效率降低，因此在CO2注入过程中需要监测储层孔隙结构和渗透率的动态变化。与其他岩性相比较而言，砂岩的均质性较好。碳酸盐岩储层物性变化比较大，渗透率一般都在5 mD至上百个mD，选址碳酸盐岩型圈闭时着重考虑储层和盖层矿物与CO2反应对后续注入性的影响。断层型和裂缝型圈闭由于储层非均质性极强，注入性比较难以预测，注入工程挑战性很高。选址断层型圈闭时，注入井的方式要因地质条件而变化，避免工程作业影响断层的稳定性；选址裂缝型圈闭时，注入井的方向要垂直裂缝带的延展方向，这样就会发生水力压裂并在储层内产生原裂缝带方向的拉伸裂缝，有利于CO2的迁移和从该方向注入的多余孔隙压力的消散[50]。

表3 不同类型圈闭CO2封存选址评价参数

2.3.3 安全性

地质安全性是评价CO2地质封存可行性的关键指标，包括盖层地质特征、水动力条件和地震活动性。选址年封存量为百万吨级CO2封存区域地壳的稳定性是长期有效封存CO2的基本要求。地震动峰值加速度是确定地震烈度的依据，其值越小越有利于CO2的地质储存，活动断裂的蠕滑可使与活动断裂衔接的裂隙网络系统贯通，进而破坏岩层的连续性，使区域性盖层的封闭性能整体变差，应选址在历史地震围空区域并且地震动峰值加速度要<0.15 g，地震动峰值加速度越大，越不利于CO2地质储存；在选址时应摒弃地震活动水平高，距活动断裂25 km内的储集空间[56](表4)。

盖层岩性一般为泥岩、页岩和致密砂岩，或者硬石膏蒸发岩类。盖层渗透率都非常低，从0.000 1 mD到0.001 mD的范围(表3)。但在不同方向(垂向和横向)上渗透率存在数量级的差异，而且往往横向渗透率要高得多，可能成为CO2横向运移的通道，因此盖层评价还需要考虑其各向异性和岩石力学特征。如表2和表3所示，一般大规模CO2封存场地盖层厚度都很大，厚度绝对值往往都在几十米以上，甚至上千米，而且盖层总厚度往往超过储层总厚度(盖/储>1，甚至超过100)。另外，纵向上主盖层之上最好存在多套或高质量的缓冲盖层，多套盖层叠置为CO2向地面的逸散形成多道封锁线。圈闭中的水动力条件可能会破坏储层中CO2的封存，因此在选址时应考虑水动力对储层是有封堵作用，且水力压力为负压-低压的地层。另外，还要考虑地下条件时CO2多处于超临界状态，对钻井管柱腐蚀较为严重。对于有较多钻井的封存空间，CO2对管柱容易造成腐蚀而泄露，因此CO2腐蚀性评价是影响CO2地质封存安全性的关键因素[57]。人口密度和土地利用情况也是考虑CO2封存选址的必要因素，人口密度越低，越适宜CO2地质储存；土地利用程度越高，越不适宜CO2地质储存[56]。

表4 CO2地质封存适宜性评估指标体系

实施年封存量百万吨级CO2封存项目，对CO2封存后的监测尤为重要。国外年封存量百万吨级CO2封存案例中将CO2的泄露监测技术分为大气、地表、地下水和封存层4个层次监测技术。地下水和封存层CO2泄露监测技术包括基于压力、电磁性能、热导性能、CO2剩余饱和度等监测方法；地表和大气CO2泄露监测技术包括红外气体分析仪检测技术、激光雷达检测技术、碳稳定同位素监测技术、超光谱成像监测技术等[58-59]。

2.3.4 经济性

对于年封存量为百万吨级CO2封存项目的商业化成功的建设，还需要认真考虑地质因素之外的经济因素，例如捕-运-存的空间距离、运输方式、井位的数量及材料等。由于CO2源的特殊性，选取碳源密度作为区域级经济适宜性评价指标。从经济适宜性角度评价，沉积盆地内碳源密度越高，越有利于CO2地质封存项目的实施(表4)。

3 我国年封存量为百万吨级CO2地质封存选址适宜性评价策略

目前国外百万吨级CO2地质封存选址以海相沉积地层为主，其分布稳定、面积大、物性好，有地质条件优越的地下空间。而中国的地质条件复杂，盆地类型多样，地层发育特征差异大，力学性质复杂，纵向变化大。不同区域的地下结构差异很大，因此需要在不同地质背景下有不同的选址策略。按照中国地质结构的划分，可宏观分成6大区域：东北区、东部区、东南区、中部区、西北区和青藏区。由于东南区地貌以平原、丘陵为主，且人口密度较大，不利于大型CO2地质封存项目的实施。而青藏区位于青藏高原之上，工业不发达，碳排放量很低，实施碳封存工业化难度大，因此不作为本次研究的考虑对象。结合我国大型盆地地质特征，适宜大规模CO2地质封存项目的区域主要为东北部的松辽盆地、东部的渤海湾盆地、中部的鄂尔多斯盆地和四川盆地以及西部的塔里木盆地和准噶尔盆地。松辽盆地是一个陆内坳陷盆地，具有下部断陷上部坳陷性特征[60-61]，其油气资源量丰富，具有构造规模大、砂岩分布广泛等特点，而且地下和地面基础设施较为完善，寻找大型咸水层或者衰竭型油气藏封存场地的潜力大；对难开采的油气藏，注入CO2实现CO2-EOR的可能性高；对枯竭油气藏可以利用油气藏本身的盖、储组合实现CO2地质封存。松辽盆地也是断陷与坳陷双重结构的大型叠合盆地[61-62]，对于年封存量百万吨级CO2地质封存选址，首选断陷湖盆的缓坡带背斜型圈闭，应格外注意断层和裂缝对封存圈闭的影响，具有渗透率低、厚度较厚的主力盖层配多套缓冲盖层的封闭系统是在松辽盆地实施CO2地质封存项目的有利区域。此外，松辽盆地的深层火山岩气藏也可作为年封存量百万吨级CO2地质封存选址，一方面天然气藏本身具有良好的储、封能力，在注入CO2的同时实现对天然气的开采；另一方面CO2本身与玄武岩(基性岩)发生矿化反应变成碳酸盐矿物以达到永久封存的目的[14, 63]。

中部鄂尔多斯盆地是多旋回叠合型内陆盆地，总体上构造简单、地层平缓、断裂不发育，整体呈现为东高西低的区域斜坡构造[64-65]。区域上斜坡砂体分布广、储集性好，盆地内发育多套深部咸水层，例如三叠系刘家沟组及和尚沟组，可实现大规模CO2的封存。临近工业集中区域，碳源丰富、交通便利，因此在鄂尔多斯盆地实施年封存量百万吨级CO2封存的可行性高。除砂岩型圈闭外，盆地中部面积大、构造简单的陕北斜坡内的鼻状构造圈闭也是年封存量百万吨级CO2选址的有利区域；而盆地东缘煤层广泛发育，是重要的煤层气产区，深部不可采煤层构成很好的CO2封存空间[66-68]。

中部四川盆地作为中国南方最大的沉积盆地，天然气资源十分丰富[69]。四川盆地位于我国构造最活跃的青藏高原边缘，断层和地震活动比较频繁，使得CO2封存地质风险相对较高。作为大型CO2封存首选的川中构造区，其基底刚性强度大，抗水平挤压构造变形能力强，区域中盆地的封存和储集条件较好，深部咸水层和枯竭气藏都是主要的地质封存空间[69-71]。枯竭天然气藏具有良好的圈闭条件、气层低压状态，其地质资料丰富、基础设施完善等优势有利于封存量百万吨级CO2。选址时优选充足的地下咸水层资源结合的砂岩型圈闭，但是由于四川盆地边缘地区构造活动强烈，要远离大型断裂带100 km以上。

渤海湾盆地周边毗邻我国东部工业发达的区域，碳源条件充足，CO2就近封存需求大。渤海湾盆地是隆坳相间、多个断陷组成的裂陷盆地，断层发育、断层相关圈闭多，选址时优先考虑盆地中盖层发育稳定、分布范围广、厚度大的区域。断层活动性评价是CO2地质封存选址的关键要素[72-74]。由于断块油气藏常常规模有限，对于年封存量百万吨级的CO2的封存，需要探索多断块联合封存技术。另外，渤海湾盆地广泛发育玄武岩，为CO2快速矿化封存提供了有利途径[75]。

西部新疆塔里木盆地是大型叠合型盆地，虽然工业不是很发达，但是盆地面积大，咸水层多，圈闭类型多、体积大。其下古生界为克拉通盆地，广泛发育碳酸盐岩地层和油气藏。盆地边缘构造为中新生代发育形成的前陆盆地，构造应力强、地层压力高、CO2注入难度大，但盆地中央古隆起斜坡可以成为有效的封存场地[76-77]。塔里木盆地的天然气资源量大，优先选址在中央隆起区域内砂岩型圈闭中。塔里木盆地地理位置偏僻，碳源少，因此完善长距离CO2运输管道对西部盆地作为碳封存基地至关重要。

西部准噶尔盆地大致呈三角形，整体表现为“周边挤压、中部稳定”的特点。准噶尔盆地边缘构造运动较为强烈，中部稳定的陆梁隆起和中央坳陷适宜封存百万吨级CO2。陆梁隆起和中央坳陷主要发育受基岩隆起控制的背斜型圈闭，岩性主要以砂砾岩为主，侏罗系八道湾组、三工河组、西山窑组等可作为CO2地质封存的储层。侏罗系和白垩系泥岩盖层分布面积广，厚度相对大，有着较高的封存稳定性[78-80]。根据气源规模和运输情况的考虑，准噶尔盆地的气源非常集中，实施CO2-EOR技术可行性高，完善乌鲁木齐、昌吉、石河子等地CO2源与枯竭油气藏之间碳运输管线，可确保长期稳定运、存CO2。

另外，一些中小型盆地，虽然规模较小，但是发育良好的储盖组合和优质盖层，具备良好的CO2封存条件，例如内蒙古海拉尔盆地贝尔凹陷[81-82]。

4 结 论

(1)从圈闭类型角度将CO2封存场地划分为构造型圈闭(背斜型、断层型和裂缝型)和岩性型圈闭(砂岩型和碳酸盐岩型)两大类。大型背斜型圈闭是最为理想的CO2封存空间；高孔渗的岩性圈闭是选址常见类型；裂缝型圈闭也可以成为有效的封存空间，但储集空间非均质性较强，需要进行详细评价。

(2)年封存量为百万吨级CO2地质封存选址遵循 “大(Big)、通(Permeable)、保(Preserved)、值(Value)”4原则(BPPV)，即“规模性、注入性、安全性和经济性”四性指标。规模性指CO2封存储量要大(B)；注入性指储层物性要好、孔隙度和渗透率尽量高(P)；安全性指选择必须尽量远离构造活跃区和人口密集区，盖层厚度大，分布连续、物性致密、封堵性好(P)；经济性指必须要考虑经济成本，需要考虑源汇距离、能源使用及采用的技术经济成本要有竞争力(V)。明确了年封存量百万吨级CO2地质封存选址原则及参数标准。

(3)中国适宜实施百万吨级CO2封存选址的区域主要为东北区、东部区、中部区和西北区。我国盆地多、特点差异大，不同区域需要考虑采取不同CO2的封存策略。中部区的鄂尔多斯盆地和东北区的松辽盆地等大型坳陷型盆地，由于其构造规模大、砂体分布广、大规模背斜和岩性圈闭发育，寻找大型整装深层咸水层或者衰竭型油气藏封存场地的潜力大；对东部区的渤海湾盆地及近海断陷型盆地，由于断层发育、断层相关圈闭多、单圈闭容量较小，封存有效性受断层影响大，需要采取圈闭群综合评价与断层活动性动态评价相结合的策略；对西部区叠合盆地，盆地边缘构造冲断带一般构造应力强、地层压力高、CO2注入难度大，但盆地中央古隆起斜坡可以成为有效的封存场地，因此对西部盆地需要采取分区分带分层评价策略。