盐水层CO2封存潜力评价及适应性评价方法研究进展

赵玉龙，杨勃，曹成，张烈辉，周翔，黄晨直，芮祎鸣，李金龙

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610500；2.西南石油大学，四川 成都 610500；3.中国石油西南油气田公司天然气研究院，四川 成都 610213；4.中国石油吉林油田公司勘探开发研究院，吉林 松原 138000）

IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）在全球变暖1.5 ℃的报告中指出[1]，要有效应对气候变化，温度控制目标必须从2 ℃调整到1.5 ℃，CCUS（CO2捕集利用与封存）是保证温控目标的重要支撑技术，是减少碳排放、缓解全球气候变化的重要方法，也是中国实现碳中和的关键性技术之一。

碳封存是CCUS 技术最后一步，适合地质封存的地点主要有枯竭油气藏、盐水层、深海地质构造、不适宜开采煤层等[2]，其中盐水层封存在所有封存类型中占据主导位置，且分布广泛，存在着适于封存的大型圈闭构造，封存量占比约98%，是较为理想的封存场所[3]。近年在“双碳”政策指引下，盐水层封存逐步受到重视，但仍缺乏系统性认识，且中国尚未建立包括CO2封存潜力评价与选址指标体系在内的相关标准规范，亟需对此进行梳理分析。

对盐水层CO2地质封存机理进行了系统分析，并且总结梳理了不同封存机理的潜力计算方法，提出了合理可行的封存潜力评估方法，并通过总结归纳国内外盐水层封存评价指标体系，建立了适用于中国盐水层CO2封存的适宜性评价指标体系。

1 盐水层CO2封存机理及封存潜力

盐水层封存是将CO2封存到地下800 m 以下的盐水层中，CO2的临界温度为31.1 ℃，临界压力为7.38 MPa，在地层条件下以超临界状态存在[2]。超临界CO2在浮力作用下聚集在盖层底部，逐步充满整个储层空间，部分溶解在地层水中与离子、矿物等反应最终实现长期封存。盐水层的封存机理中构造封存和残余气封存属于物理封存，溶解封存和矿物封存属于化学封存，稳定性更强，作用时间相对更晚。

1.1 构造封存

1.1.1 构造封存机理

构造封存是在地层条件下，超临界CO2密度低于水，在浮力和水动力的作用下朝各个方向运移，受到盖层的遮挡大量聚集，形成一个相对独立和封闭的圈闭，以连续体的形态封存于储层中，其机理类似于油气藏圈闭[4−5]。

构造封存主要分为闭合构造封存和开放构造封存（图1）。闭合构造能够有效限制储层中CO2各方向的运移，封存风险低，但注入的CO2和地层水接触面积小，溶解速度慢。开放构造CO2与地层水接触面积大，有利于溶解，但风险更高，且前期对封存地点的勘探工作量较大，后期需大范围监测、确认可能的气体泄露路径，降低封存风险。

1.1.2 构造封存量计算

1992年，KOIDE等[7]提出基于面积法评估盐水层封存潜力，假设盐水层闭合构造，计算面积是地下面积投影到地面上的面积，欧盟委员会后来沿用了该方法。该方法参数少且易获得，但准确性不高，计算公式为：

式中：ms为构造封存有效封存量，单位kg；Fac为覆盖系数，取50%；Sf为封存系数，取200 kg/m3；A为储层面积，单位m2；H为储层厚度，单位m。

US−DOE（美国能源部）采用容积法评估碳封存量[8]，该方法假设CO2注入后替换储层内所有孔隙体积，精度更高，其计算公式为：

式中：φ为盐水层孔隙度，单位%；ρCO2为地层条件下CO2密度，单位kg/m3；E为有效封存系数。

式（2）中有效封存系数E反映了理想条件下有效封存量与理论封存量的比值，用于矫正计算参数与实际参数之间的误差。受储层地质特征、封存机理、地层温度压力等因素影响，其中地层压力和封存时间影响最大[9]。中国沉积盆地地质构造复杂，对于具体区域和场地尺度的封存潜力评估有必要开展相应数值模拟和室内实验研究，确定相对精准、可靠的封存系数。

CSLF（碳封存领导人论坛）在容积法的基础上提出封存潜力由构造封存、残余气封存、溶解封存构成[10]，对封存潜力的评估更为准确，被广泛应用。其中构造封存量公式为：

式中：Vt为盐水层构造封存圈闭体积，单位m3；Sw为盐水层的残余水饱和度，单位%。

基于DOE 方法，刁玉杰等[11]和师庆三[12]对四川盆地、新疆吐哈盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地的理论封存量进行了评估，发现在不同沉积盆地中，相比油气藏和煤层，盐水层均具有最大的封存潜力。李琦等[13]考虑沉积盆地类型的复杂性将中国主要沉积盆地分为3 类，利用DOE 公式计算得到了25 个主要沉积盆地盐水层的有效封存量。

基于构造封存机理的潜力评估方法涉及参数少，计算简便，但该方法得到的封存量是一个整体概念，不同学者对同一目标区域进行潜力评估时，考虑到参数选取过程中的各种因素影响，最终结果会有很大差异，如刁玉杰等[11]和李琦等[13]评估四川盆地盐水层的封存量分别为154.20×108t、90.72×108t，两者相差41.17%。此外，该方法未考虑目标储层的具体物性，如有效孔隙度、有效厚度及非均质性的影响[14]，且没有包含CO2在水中的溶解，只能大概反映盐水层的封存潜力，具有一定参考价值，但准确性较低。

1.2 残余气封存

1.2.1 残余气封存机理

CO2注入到地层后不断运移，在羽流前缘驱替孔隙中的水，逐渐从构造封存圈闭的连续体分离，部分CO2由于润湿性差异以及毛管力作用不能通过瓶颈状的孔隙，将以残余气形式封存[4]。残余气封存是一种较为稳定的物理封存方式，作用时间尺度从注入开始持续几十年，与构造封存相比安全性更高，同时受地层温度压力、孔渗特征、润湿性等因素影响。该机理主要发生在微观尺度上，若将这种机理扩展到几十米厚、几千米宽的储层中，其封存量非常可观。

1.2.2 残余气封存量计算

根据CSLF 提出的计算方法[10]，残余气封存量计算式如下：

式中：mr为残余气封存理论封存量，单位kg；ΔVt为残余气封存体积，单位m3；SCO2为残余气饱和度，单位%。

残余气封存体积随时间不断变化，随CO2的扩散和运移而增加。因此，对该封存方式的潜力评估应基于某一时间点。诸多学者通过实验测定残余气饱和度，对残余气封存规律进行研究[15−16]，但对其整体的定量评价研究较少，一般通过数值模拟对封存量进行评估。当CO2通过储层岩石，且地层水重新渗入被CO2占据的孔隙空间时，残余气封存机理才发挥作用，故常与溶解封存同时出现，对目标盐水层评估封存潜力时应将残余气封存和溶解封存结合起来考虑。

1.3 溶解封存

1.3.1 溶解封存机理

CO2注入盐水层后溶解在地层水中发生对流和扩散，水解生成的HCO−3、CO2−3和地层水中Ca2+、Mg2+等离子反应生成稳定碳酸盐沉淀，实现溶解封存[17]。以Ca2+为例：

CO2注入盐水层后始终与地层水接触发生溶解封存，作用时间为几百年至几千年，属于一种比较稳定的化学封存方式，安全性仅次于矿物封存。

1.3.2 溶解封存量计算

在进行碳封存之前，地层原本有一部分无机碳溶解在水中，即初始含碳量，但由于地层水在地表条件下会不断析出气体，初始含碳量难以确定。BACHU 等[18]的研究表明，在不考虑盐水层初始含碳量的情况下，计算的封存量稍微偏大1.3 %，基本可忽略。

CSLF 采用忽略初始含碳量的方式直接利用溶解度计算封存量[10]：

简化后：

式（8）—式（9）中：mb为溶解封存理论封存量，单位kg；ρs为饱和CO2后的密度，单位kg/m3；ρi为地层水初始密度，单位kg/m3；为饱和CO2后的CO2质量分数，单位%；为地层水初始的CO2质量分数，单位%；RCO2为地层水的CO2溶解度，单位mol/kg；MCO2为CO2摩尔质量，取0.044 kg/mol。

李小春等[19]在CSLF 简化公式基础上，提出了考虑实际面积和厚度的潜力评价公式，见式（10），并且计算出中国主要沉积盆地盐水层的有效封存量为1.435 05×1011t。

式中：Gb为溶解封存有效封存量，单位kg；a为封存实际面积占总面积的比例，取经验值0.01；η为封存实际厚度占总厚度的比例，取经验值0.1。

项力等[20]和杨章贤等[21]先后采用CSLF简化公式对安徽盆地盐水层的理论封存潜力进行了计算，最终得出安徽盆地的封存量分别为886.31×108t、886.86×108t，评估结果相差不大。

以上方法均利用了CO2溶解度计算溶解封存量，溶解度是决定溶解封存量的关键参数，主要受储层温度和压力、地层水矿化度以及pH值等因素影响，在低温、高压及低矿化度环境中溶解度较高[22]，一般根据DUAN等模型确定取值[23]。溶解封存潜力评估除了忽略初始含碳量，还要确保地层水饱和CO2后不会再有矿物溶解或析出，事实上，考虑到储层的非均质性，储层不可能完全被饱和，所以该方法计算精度不高。

1.4 矿物封存

1.4.1 矿物封存机理

矿物封存是CO2溶解到水中形成弱酸溶液后，与岩石中富含钙、镁的矿物反应生成沉淀，经历长时间后转化为稳定的碳酸盐矿物，实现永久性碳封存[4]，主要受地层岩石矿物和流体之间的化学反应影响。地层矿物种类主要包括碳酸盐类、硅酸盐类及石英（基本不发生反应）等，在封存过程中CO2与矿物发生溶解、氧化还原等反应，导致矿物类型和含量不断变化，既会产生矿物沉淀，又会发生矿物溶解，严重影响储层孔隙结构。CO2与不同岩石矿物的反应式[24−25]见表1。

表1 CO2与不同岩石矿物的反应式Table 1 Chemical reaction formulas between CO2 and different rock minerals

与其他封存机理相比，矿物封存所需时间更长，安全性得到了提高。由于最终生成稳定固体沉淀，矿物封存目前被认为是最安全可靠的封存方式。CO2注入后便开始发生矿物封存，但反应速度缓慢，通常是项目考虑的次要部分。由于储层具有非均质性，矿物种类繁多，当CO2注入特定岩石（如玄武岩）中，可使大部分CO2在封存期间迅速矿化，封存量不容忽视。

1.4.2 矿物封存量计算

由于复杂性强、时间尺度大以及影响因素众多，目前关于矿物封存量的计算公式很少，准确评价矿物封存潜力尚需深入研究。不少学者通过室内实验或数值模拟对地层中的主要矿物封存量进行研究，XU 等[26]通过TOUGHREACT 假设原生矿物完全溶蚀，计算出了不同矿物的最大封存量。李万伦等[27]针对玄武岩CO2封存总结了其封存机理及影响因素，发现该封存方法安全性强且具有永久性。DING等[28]假设一年内矿物封存的速率保持不变，提出在不同时间点对以年为单位进行封存潜力评估：

式中：mm为矿物封存理论封存量，单位kg；r为矿物溶解速率，单位mol/s；t为封存时间，单位a。

构造封存、残余气封存、溶解封存和矿物封存4种封存机理在安全性、封存量上有很大的区别（图2），随着时间增长，封存机理安全性依次升高。由于与盖层封闭性、完整性及渗透性相关，构造封存安全性最差。在长期封存过程中，往往不是单一封存机理发挥作用，起主导作用的机理不断发生变化[29]。CO2开始注入时，构造封存起主导作用；随着时间增长，残余气封存和溶解封存的作用逐渐变大；伴随时间的进一步推移，矿物封存也开始发挥作用，封存稳定性和安全性随着时间增长不断增长。

图2 封存机理随时间的变化[2]Fig.2 Variation of storage mechanisms over time[2]

在同一时间内4 种封存机理同时存在，盐水层CO2封存潜力是4种封存机理的封存量之和，即：

式中：mCO2为盐水层CO2地质封存潜力，单位kg。

对于开放构造储层，由于存在水动力作用，在长时间尺度范围内，地质构造中圈闭的CO2可认为完全溶解在水中，即构造封存转化为了溶解封存，而矿物封存反应速率远小于CO2溶解速率。故盐水层中CO2封存潜力可认为由残余气封存和溶解封存构成[30−31]，即：

徐威等[32]采用此方法对松辽盆地盐水层的封存潜力进行评估，考虑了储层孔隙度的不确定性得到理论封存量约（4.14～5.72）×1011t，并与巫润建等[33]采用式（3）的计算结果进行对比，证实评估结果具有一定可靠性。张冰等[34]基于此方法估算了鄂尔多斯盆地3个主要一级构造单元的盐水层封存潜力，得到其有效封存量为133.2×108t。李松等[35]通过TOUGH2模拟计算了江汉盆地盐水层的理论封存量，与利用式（13）计算的实际封存量进行对比得到了该盐水层的有效封存系数。基于以上分析，对于具有开放构造和丰富水文地质作用的盐水层，推荐采用残余气封存和溶解封存结合的方法评估封存潜力。

2 盐水层CO2封存适宜性评价方法

2.1 CO2封存潜力分级

根据碳封存适宜性评价的实际需要，CSLF 提出将封存潜力的评估分为理论封存量、有效封存量、实际封存量和匹配封存量，形成了封存潜力金字塔模型。理论封存量为未考虑物理极限、技术水平、经济能力和法律法规等因素制约的最大封存量；有效封存量是考虑了储层物性、封闭性、封存深度等因素影响的封存量；实际封存量表示考虑到当前技术条件、法律及政策、基础设施和经济条件等因素影响的封存量；匹配封存量是根据源汇匹配得到的最终封存量。盐水层CO2封存潜力评估需要确定理论封存量和有效封存量。

盐水层CO2封存潜力适宜性评价的指标以及各指标权重、分析方法目前尚无统一标准，一般根据目标地区地质条件、评估目的等自行制定。在充分考虑中国地质构造复杂性、碳封存条件特殊性等因素，借鉴CSLF 和国内外相关研究成果，中国地质调查局将CO2地质封存潜力与适宜性评价工作划分为国家级、盆地级、目标区级、场地级和灌注级5 个评价阶段，明确了各阶段的目的和任务（表2）。

对于盐水层封存，合适的场所选址是保证封存安全性和经济性的重要基础。目前国内外针对CO2地质封存适宜性的评估开展了大量工作，从研究尺度来看，总体可分为针对盆地、目标区级尺度的封存适宜性评价体系和针对具体场地的筛选和评价方法。

2.1.1 盆地、目标区级尺度封存评价体系

凡是对于文术，自有主张的作家，他所赖以发表和流布自己的主张的手段，倒不在作文心、文则、诗品、诗话，而在出选本。选本可以借古人的文章，寓自己的意见。博览群籍，采其合于自己意见的为一集，一法也，如《文选》是。择取一书，删其不合于自己意见的为一新书，又一法也，如《唐人万首绝句选》是。［16］

BACHU[37]在2003年针对CO2地质封存提出了一套包含15 个指标的盆地级封存评价体系，并利用该体系对加拿大的沉积盆地进行了适宜性评价。此后在该评价体系基础上，不断有学者对其进行拓展、延伸，综合考虑地质条件、环境健康、封存安全和经济等因素，形成了一系列封存评价体系。WEI 等[38]在BACHU 的评价体系基础上对其进行细化，根据封存潜力优化、风险最小化、环境限制、经济4个方面对中国大陆盆地封存适宜性进行了初步评估，但在经济方面仅考虑了源汇匹配因素。杨国强等[39]通过模糊综合评价法结合松辽盆地地质条件，对盆地内6个一级构造单元进行了适宜性评价，建立了包含封存条件、封存潜力、安全性和经济性4 个方面及20 个指标的评价指标体系。李甫成等[40]和杨霄翼等[41]均采用AHP（层次分析法）建立了以封存安全性、技术性、社会环境风险和经济条件为准则的评价体系，不过前者的评价体系侧重点在于安全性，后者着重考虑技术因素，使指标权重各有差异。郑长远等[42]根据ArcGIS 系统将封存适宜性信息图和指标评价图两者结合起来，将西宁盆地划分为3类适宜性区域。杨红等[43]除了根据指标体系对鄂尔多斯盆地封存适应性进行评价，还通过实验手段对指标体系中盖层封闭性进一步验证，并基于残余气封存和溶解封存机理对盐水层的封存潜力进行了评估。

2.1.2 具体场地的筛选和评价方法

OLDENBURG[44]基于封存泄露引起的HSE（健康、安全、环境）风险评估提出了SRF（筛选排名结构）方法，适用于场地级封存的早期筛选和排序。RAMíREZ 等[45]提出根据3 个标准（封存容量、封存成本和安全风险）的工程场地筛选和评价方法，对荷兰储层多个适合长期大规模封存地点进行了初步筛选和排序。刁玉杰等[46−47]针对地质封存的安全性因素和储盖层条件，先后建立了相应的封存评价指标体系。针对综合性评价体系，郭建强等[48]提出了多尺度目标逼近的选址方法，将选址程序划分为规划选址和工程选址2 个阶段。孟庆辉等[49]基于模糊数学法建立了地质、环境、经济3 类因素的场地级封存评价体系，并着重考虑了地质因素中储盖层条件，提出将工程场地筛选与评价划分为初次筛选、二次筛选、综合评价、数值模拟和有效封存量评估5 个工作阶段。LYU 等[50]结合地层分析方法和AHP，通过建立两级模糊综合评价数学模型，优选出渤海湾盆地板桥凹陷附近的CO2地质封存适宜性区域，但指标体系仅包含10个指标，实用性不强。

2.2 CO2地质封存适宜性评价指标体系

通过总结归纳近年来国内外的盐水层CO2地质封存适宜性评价体系，基于对《中国二氧化碳地质封存选址指南研究》[51]进行优化和改进，建立适用于盐水层的封存适宜性评价指标体系，为CO2地质封存场地的筛选评估提供科学依据，为开展全国性封存适宜性评价工作提供参考。

2.2.1 评价指标体系的建立

CO2地质封存场地选址受自然地理条件、气候条件、社会经济条件、交通条件以及工程技术条件等诸多因素的影响[52]。因此，从以下4个方面建立了具有层次分析结构的盐水层CO2地质封存适宜性评价体系，使评价体系具有广泛的适用性（表3）。

表3 盐水层CO2地质封存适宜性评价指标体系Table 3 Indicator system for suitability evaluation of CO2 geological sequestration in saline aquifers

1）安全性指标。CO2注入到盐水层后可能通过盖层裂缝、地层断层、水动力系统等泄露。因此，安全性指标包括盖层封闭性、断裂条件、地震火山条件和水动力条件等。

3）经济性指标。由于缺少碳税政策推动，目前在中国开展碳封存需要合理考虑碳源、运输条件和收益等指标，达到以较少的投资实现封存的目的。

4）社会环境指标。建立适宜性评价指标体系必须考虑社会环境和自然环境，社会认可条件、地理位置等因素会对当地开展CO2地质封存工程产生一定的影响。

2.2.2 指标权重的确定

层次分析法可将经验思维数量化，检验决策者判断的一致性，有利于实现定量化系统性评价[53−54]。采用层次分析法确定适宜性评价体系中各指标的权重，具体步骤如下：

1）根据总结近年来国内外的盐水层CO2封存适宜性评价体系，确定评价体系的4 个指标层及30 个评价指标，对指标体系各指标间的关系进行分析，建立系统的层次结构。

2）对同一层次上各指标对上层次准则的相对重要性进行两两比较，赋予对应标度值，构造两两比较判断矩阵。由于篇幅关系，仅以评价指标层为例，给出判断矩阵。

在指标层中，安全性是盐水层CO2地质封存考虑的首要因素，故安全性相对于技术、经济和社会环境的标度分别为4/3、3、3。经济和社会环境也是必须要考虑的因素，但相对技术性指标处于次要的地位，故指标评价层判断矩阵如表4所示。

表4 指标评价层的判断矩阵Table 4 Judgement matrix of criterion layers

3）根据判断矩阵计算被比较指标的相对权重，并进行一致性检验，若一致性比率PCR<0.1 时，判断矩阵具有满意的一致性，取值合理。若判断矩阵不满足一致性检验，需调整相应指标的标度值。指标评价层的最大特征根λ=4.010 4，一致性比率PCR=0.003 9远小于0.1，满足一致性检验（表5）。

表5 指标评价层的层次分析结果Table 5 AHP results of criterion layers

4）计算各层指标合成权重，并进行排序。不同指标层的判断矩阵一致性比率最大为0.023，远小于0.1，说明求取的权重值合理，最终确定了评价体系指标的合成权重。

在30 个适宜性评价指标中，单位面积推定潜力的相对重要性最高，所占权重为0.077 3，同时出于对封存安全性的考量，水动力作用和盖层分布连续性相对其他指标也比较重要，地表温度的权重最低，仅为0.006 8。

2.2.3 适宜性评价体系

结合BACHU[37]的评价指标体系和文献[55]，将评价指标分为适宜、较适宜、一般、较不适宜和不适宜5个等级，对应分数分别为9、7、5、3和1，并结合相应权重，根据式（14）获取盐水层适宜性评价分数：

式中：P是盐水层封存适宜性评价综合分数；n为评价指标的总数；Pi和Ai分别是第i个评价指标的分值和权重。

最终根据综合评价得分，判断目标盐水层是否适合CO2地质封存，评价标准：P>8 为适宜，8≥P>6 为较适宜，6≥P>4 为一般适宜，4≥P>2 为较不适宜，2≥P为不适宜。

根据文献资料收集整理数据，对鄂尔多斯盆地的CO2封存适宜性进行综合评估，最终得到评价值为7.09，可以发现鄂尔多斯盆地的评价结果是较适宜CO2地质封存的。

3 结论及建议

1）对盐水层CO2地质封存的构造封存、残余气封存、溶解封存、矿物封存4 种封存机理进行了系统阐述，基于封存机理对封存潜力评估方法进行了梳理分析，对于具有开放构造和丰富水文地质作用的盐水层，推荐采用残余气封存和溶解封存结合的方法计算封存量。

2）构建了盐水层CO2地质封存适宜性评价指标体系，概括为安全、技术、经济和社会环境4类评价指标层以及30个评价指标。基于层次分析法得到了各评价指标的权重，为开展全国性的CO2封存适宜性评价工作提供参考。

3）由于中国沉积盆地地质构造复杂，对盐水层CO2封存潜力评估时选取储层参数差异较大，建议针对具体区域和场地尺度开展相应数值模拟和室内实验研究，确定相对精准、可靠的封存系数，为盐水层CO2封存选址提供可靠依据。