郭 慶，孫 衛(wèi)，余小雷，阮正中

(1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室，陜西西安 710069;2.西北大學地質(zhì)學系，陜西西安 710069;3.東方地球物理勘探公司研究院長慶分院，陜西西安 710021)

CO2封存三維地震實驗區(qū)地質(zhì)條件評價

郭 慶1，2，3，孫 衛(wèi)1，2，余小雷3，阮正中3

(1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室，陜西西安 710069;2.西北大學地質(zhì)學系，陜西西安 710069;3.東方地球物理勘探公司研究院長慶分院，陜西西安 710021)

根據(jù)地質(zhì)要求在伊盟地區(qū)初選CO2封存地以及對其一定范圍內(nèi)的地質(zhì)基本條件，綜合應(yīng)用地震、地質(zhì)、測井資料進行綜合評價。重點評價地層發(fā)育的地質(zhì)特征，確定地層500 m以下至3 000 m以上儲蓋層的組合情況、分布區(qū)域和位置及厚度、地質(zhì)構(gòu)造特征如厚度、特點等，對儲蓋層巖石的孔隙度、滲透率等做初步預測，為開展CO2封存提出封存目的層的選擇建議，利用區(qū)域勘探井的相關(guān)資料對建議層位進行評價，評價結(jié)果表明研究區(qū)內(nèi)石盒子組和石千峰組兩套區(qū)域性層系具有較好封存條件。

CO2封存;三維地震;儲層預測

CO2封存是指將大型排放源產(chǎn)生的CO2捕獲、壓縮后運輸?shù)竭x定地點長期封存，而不是釋放到大氣中?，F(xiàn)已發(fā)展出多種封存方式，包括注入到一定深度的地質(zhì)構(gòu)造、注入深海，或者通過工業(yè)流程將其凝固在無機碳酸鹽之中［1－3］。某些工業(yè)流程也可在生產(chǎn)過程中利用和存儲少量被捕獲的CO2。CO2地質(zhì)埋存過程主要包括3個要素:從發(fā)電廠或者工業(yè)生產(chǎn)過程中回收CO2;將CO2運送到埋存場地;CO2注入與埋存［4－5］。其中的很多技術(shù)在現(xiàn)有工業(yè)以及石油、天然氣開采等行業(yè)中已經(jīng)存在，因此，對CO2封存的地質(zhì)背景調(diào)查，摸清地質(zhì)條件，是我們開展CO2地質(zhì)埋存研究工作至關(guān)重要的一步［6－7］。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

三維區(qū)塊位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，布連與陳家村境內(nèi)。施工面積約 175.193 km2，滿覆蓋面積 54.375 km2，見圖1。

圖1 鄂爾多斯三維區(qū)地震勘探工區(qū)位置圖

研究區(qū)構(gòu)造位置屬于鄂爾多斯盆地伊盟隆起一級構(gòu)造單元，位于伊盟隆起南斜坡，現(xiàn)今構(gòu)造總體表現(xiàn)為東高西低、北高南低的構(gòu)造特征，地層傾角一般為1°～2°，梯度變化小，在西傾單斜的背景上發(fā)育一系列寬緩的小幅度鼻狀隆起構(gòu)造。本區(qū)發(fā)育的地層從上至下依次有第四系，侏羅系安定組、直羅組、延安組，三疊系延長組、和尚溝組、劉家溝組，二疊系石千峰組、石盒子組、山西組，石炭系太原組、本溪組，奧陶系馬家溝組。

2 頂部封閉與斷層封閉評價

2.1 蓋層性質(zhì)

二疊系石盒子組中上部泥巖是上古生界的區(qū)域蓋層，是一套泥質(zhì)巖和粉砂質(zhì)巖為主的湖相沉積，具有分布面積廣、單層厚度大的特點，上古生界氣藏的分布受這一區(qū)域性蓋層的控制。其次二疊系石千峰組中上部泥巖也是僅次于上石盒子組的另一套區(qū)域性蓋層［8－10］。

除以上兩套區(qū)域性蓋層外，同時在山西、石盒子組內(nèi)部廣泛發(fā)育的三角洲平原分流河間洼地、沼澤相的泥質(zhì)巖單層厚度一般為 5 ～20 m，可作為直接蓋層或側(cè)向遮擋［8，11－12］。

2.1.1 石盒子組中上部泥巖厚度及分布特征

從地震預測的石盒子組中上部泥巖厚度分布圖來看，在研究區(qū)內(nèi)大面積連片分布，其中在研究區(qū)中東部厚度較大，厚度100～150 m，在研究區(qū)西北部存在一相對薄值區(qū)，厚度僅80～100 m。

2.1.2 石千峰組中上部泥巖厚度及分布特征

從地震預測的石千峰組中上部泥巖厚度分布圖來看，在研究區(qū)的分布呈薄、厚相間的分布格局，連片性不如石盒子組中上部泥巖，厚度僅 30 ～140 m［13－16］。

2.2 蓋層封閉能力

微滲漏是天然氣通過蓋層散失的重要方式之一。不同孔徑的蓋層，油氣發(fā)生滲漏的臨界高度差異極大，常溫常壓下具有毛細管孔隙的蓋層天然氣發(fā)生滲漏的最大臨界高度比具有超毛細管孔隙的蓋層大 2 508 倍［9，11，17］。儲層中游離相的天然氣要想通過蓋層發(fā)生滲濾散失，必須驅(qū)替掉蓋層孔隙中的地層水，游離相天然氣驅(qū)替蓋層孔隙水所需要的最低壓力被稱之為蓋層的排替壓力。當儲層內(nèi)天然氣剩余壓力(氣層壓力與同深度的靜水壓力差)大于蓋層的排替壓力時，蓋層孔隙水被驅(qū)動，天然氣可通過蓋層滲濾散失，否則，天然氣不可能以游離相形式通過蓋層漏失。據(jù)此，判斷蓋層是否存在微滲漏就變得非常簡單，只要測得蓋層的排替壓力和儲層內(nèi)氣藏的剩余壓力，比較之后便可對微滲漏的可能性作出正確判斷。

2.3 斷層剖面分析

研究區(qū)地處鄂爾多斯盆地伊盟隆起一級構(gòu)造單元內(nèi)，本區(qū)自古生代以來一直處于隆起狀態(tài)，中元古代以來的各時代地層由南向北逐漸變薄、尖滅。工區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造樣式簡單，主體以小斷距的逆斷層為主，根據(jù)斷距的大小和可靠程度分為以下3類:

Ⅰ類(可靠):同相軸明顯錯開，斷距25 m以上;

Ⅱ類(較可靠):同相軸微小錯動，斷距15～20 m;

Ⅲ類(可疑):同相軸扭曲或振幅變?nèi)?，斷?0～15 m。

斷裂走向以近南－北向為主，工區(qū)北部發(fā)育有近東－西向斷裂，延伸距離一般為(0.4～5)km，縱向切割地層范圍小，大多斷穿1－2個層位;斷距較小，一般為(5～36)m，平均斷距為12 m。工區(qū)中部發(fā)育有小范圍的對沖逆斷層組合形式，在平面上變現(xiàn)為局部的斷凹;其主要形成于海西構(gòu)造期，初步認為其成因是由于受到向西北方向擠壓作用的影響。

2.4 斷層封閉性與運移路徑

斷層的封堵性分兩個方面:一是沿斷面的垂向封閉性，二是穿越斷層面的側(cè)向封堵性。斷層的垂向封閉性取決于斷面的緊閉程度，在斷層兩盤為泥巖與泥巖層相接觸的情況下，由于泥巖層具有塑性的特點，在地層靜壓力或構(gòu)造應(yīng)力的作用下易使斷層愈合，故斷層在泥巖－泥巖接觸段一般垂向上是封閉的，由于石盒子和石千峰中上部80～140 m厚的泥巖作為區(qū)域性蓋層，而該區(qū)斷層平均斷距為12 m，可見斷層的封閉性較好。

3 儲層品質(zhì)與性能評價

3.1 儲層巖性特征

研究區(qū)上古生界主要目的層(石千峰、石盒子、山西組)砂巖雜基含量高，礦物成份成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度普遍低，物性差(平均孔隙度 ＜8%，平均滲透率 ＜0.5×10－3μm2)，基本上是一套低孔、低滲致密型儲集體，在大面積的低滲背景上存在相對高孔滲區(qū)。優(yōu)質(zhì)儲層的形成主要受構(gòu)造演化、沉積環(huán)境、石英含量、成巖作用等因素所控制。

優(yōu)質(zhì)儲層指的是物性條件優(yōu)越，具有較大的儲集空間和較好的連通性的儲層。對于伊盟地區(qū)上古生界砂巖儲集體而言，三角洲主分流河道儲集體，石英砂巖含量最高，在河道的側(cè)翼及其河間洼地石英含量明顯降低，主要以巖屑質(zhì)石英砂巖和巖屑砂巖為主，石英砂巖的分布區(qū)域就是優(yōu)質(zhì)儲層的分布區(qū)。

總的來說，砂巖組分對儲集性能的影響較大，石英砂巖的物性好，同時，少量的微裂縫對改善儲集性能有一定的影響。巖屑砂巖與長石巖屑砂巖由于剛性組分的減少，雜基含量的增多，使得孔隙度、滲透率大幅度降低，造成儲集性能變差。

3.2 儲層展布特征

研究區(qū)內(nèi)砂體的展布形態(tài)，分布范圍和厚度變化趨勢基本上受沉積相帶的控制。由于在地震分辨率范圍內(nèi)所預測的砂體厚度是多期沉積環(huán)境中單砂體的總和，例如不是某一期河道所致，而是多期疊加的效應(yīng)，因此，以下對砂體厚度的描述中用“砂帶”，而不用“河道”一詞。

3.2.1 山西組儲層分布特征

早二疊世初期，海水退出盆地，開始了以河流相為主的陸相碎屑巖沉積。在北部物源供應(yīng)豐富以及北高南低的地形差異影響下，河流注入明顯，在區(qū)內(nèi)形成了一套以沖積平原為主的沉積體系。其上發(fā)育河道(主河道和分流河道)和河道間沼澤為主要特征。砂巖分布于沖積平原的主河道和分流河道之中，其展布特征為:研究區(qū)西部砂帶較厚，厚度15～25 m，規(guī)模較大;研究區(qū)東部砂帶規(guī)模和厚度較小，厚度5～15 m。

3.2.2 石盒子組底部儲層分布特征

盒8期在構(gòu)造活動、氣候變化，沉積物供給等諸方向都處在一個重要的調(diào)整變化和轉(zhuǎn)折的初期。由于北部物源區(qū)繼續(xù)抬升，古地形仍是南低北高，河床坡降向南逐漸減小，物源供應(yīng)充足，河流作用增強，由于特定的構(gòu)造沉積背景具有“滿盆河流滿盆砂”的特征，河流分布很復雜，垂向上河道疊復穩(wěn)定性遠不如石炭紀海進期和山西高位期那種沼澤平原的河道穩(wěn)定，河道遷移頻繁，洪泛事件又增加了河流改道的隨意性和隨機性。

石盒子組底部盒8砂體的分布特點是連片性強，研究區(qū)東西部厚度大，厚度在20～35 m之間，研究區(qū)中部存在一個薄值區(qū)，厚度在10～15 m之間。

3.2.3 石千峰組底部儲層分布特征

石千峰組為陸相紅色碎屑巖系，屬沖積平原相沉積。石千峰組底部千5段砂體的分布特點是連片性強，研究區(qū)西北部和東南部厚度大，厚度在20～35 m之間，研究區(qū)東北部存在一個薄值區(qū)，厚度在10～15 m之間。

3.2.4 馬家溝組馬三鹽巖分布特征

利用疊前反演預測的馬家溝組馬三鹽巖分布圖來，本研究區(qū)馬三鹽巖僅在研究區(qū)中東部局部發(fā)育，厚度10～30 m，研究區(qū)西部不發(fā)育，厚度5～10 m，從研究區(qū)北部H3井鉆井巖性剖面來，該區(qū)馬三鹽巖基本為薄互層，單層厚度5～10 m。

3.3 儲層孔隙系統(tǒng)

3.3.1 山西組中下部物性特征

從地震預測的山西組中下部平均孔隙度分布圖來看，平均孔隙度為1%～9%，其中研究區(qū)中部存在一個相對高值條帶，平均孔隙度為6% ～9%，其次為研究區(qū)東部，平均孔隙度為5% ～8%，研究區(qū)西部為低值區(qū)，平均孔隙度為1% ～5%。

山西組中下部砂巖平均滲透率0.1～0.4 Md，其分布規(guī)律與平均孔隙度具有很好的相關(guān)性，既滲透率與孔隙度成正相關(guān)關(guān)系。

3.3.2 石盒子組底部物性特征

從地震預測的石盒子組底部盒8段平均孔隙度分布圖來看，平均孔隙度為2% ～8.5%，其中研究區(qū)西部和東部各存在一個相對高值條帶，平均孔隙度為6% ～8.5%，研究區(qū)中部為低值區(qū)，平均孔隙度為2% ～5%。

石盒子組底部盒8段砂巖平均滲透率0.1～0.38 mD，其分布規(guī)律與平均孔隙度具有很好的相關(guān)性，既滲透率與孔隙度成正相關(guān)關(guān)系。

3.3.3 石千峰組底部物性特征

從地震預測的石千峰組底部平均孔隙度分布圖來看，平均孔隙度為2%～7%，其中研究區(qū)中部存在一個相對高值條帶，平均孔隙度為5% ～7%，研究區(qū)西部和東部各存在一低值區(qū)，平均孔隙度為2% ～4%。

石千峰組底部砂巖平均滲透率0.02～0.28 mD，其分布規(guī)律與平均孔隙度具有很好的相關(guān)性，既滲透率與孔隙度成正相關(guān)關(guān)系。

4 圈閉類型評價

研究區(qū)周邊的天然氣勘探證明，該區(qū)的圈閉主要是巖性圈閉，構(gòu)造圈閉不占主要地位。上古生界砂體的分布格局自北而南展布，在東西方向上形成相對獨立的沉積相帶分布區(qū)，其間形成了泥巖為主的泛濫盆地沉積物。對于研究區(qū)東高西低的構(gòu)造形態(tài)，其南北向分布的泥質(zhì)沉積自然形成了砂體帶上部的遮擋封堵，形成了不同的巖性圈閉分布區(qū)帶。

研究區(qū)周邊的天然氣勘探表明，氣藏主要受近北西—南東向展布的三角洲前緣水下分流河道砂體的控制，其與上傾分流間灣泥巖相間分布，形成具一定分布規(guī)模的砂巖巖性圈閉氣藏。同一支分流河道砂體的含氣性及氣層分布與構(gòu)造部位高低、局部發(fā)育的鼻狀構(gòu)造關(guān)系不大，也就是說氣藏基本不受局部構(gòu)造控制。該區(qū)氣藏只是在發(fā)育規(guī)模較小的分支砂體或其局部低洼地帶含有少量地層滯留水，不同時期砂體其間被泥巖封隔，形成水動力相互獨立的封閉單元，因此地層水分布范圍有限。地層水基本不受局部構(gòu)造的控制，主要聚集于單個連通砂體的下傾尾端(西南方向)或局部低洼地帶，其成因主要為未完全排替和蒸發(fā)逸失的殘余地層水(地層滯留水)。

5 優(yōu)選有利封存區(qū)

綜合考慮斷層、構(gòu)造、儲層、蓋層、儲蓋組合等因素，并參照研究區(qū)周邊已知井鉆探結(jié)果，綜合評價了有利的CO2封存區(qū)見圖2。

圖2 鄂爾多斯三維區(qū)石盒子組盒8段綜合評價圖

綜合評價石盒子組有利封存區(qū)5個，面積最小1.7 km2，面積最大8.0 km2，總面積19.1 km2，該區(qū)屬于河流相沉積，地震預測的是多個單砂體的累計厚度，因此，對于單砂體而言，由于橫向上的相變，是不會大面積連通的。

綜合評價石千峰組有利封存區(qū)4個，面積最小3.2 km2，面積最大6.4 km2，總面積20.6 km2，該區(qū)屬于河流相沉積，地震預測的是多個單砂體的累計厚度，因此，對于單砂體而言，由于橫向上的相變，是不會大面積連通的。

在綜合評價的基礎(chǔ)上，考慮斷層、構(gòu)造、儲層、蓋層、儲蓋組合等因素，結(jié)合常規(guī)剖面、反演剖面特征優(yōu)選注入井位。

6 結(jié)論與建議

1)落實了主要目的層斷裂與構(gòu)造，從斷層解釋成果來看，發(fā)現(xiàn)了可靠的Ⅰ類斷層很少，而且分布在研究區(qū)的邊緣，較可靠的Ⅱ類斷層也較少，而且斷距和平面上的展部規(guī)模均不大，雖然解釋的Ⅲ類可疑斷層數(shù)量相對較多，原因是為了保證CO2封存的安全性考慮，對于研究區(qū)保存條件影響不大。

2)通過該區(qū)三維地震資料綜合解釋，對目的層段的儲層砂體厚度、膏鹽層厚度、空間展布范圍、儲層物性進行了預測，如實施CO2封存，建議注入層首選石盒子組底部盒8儲層，其次為石千峰組底部千5、山西組中下部儲層，另外，馬三膏鹽層可以備選層段，但相對厚度小，夾層多，埋藏深。

3)預測了蓋層厚度，從預測結(jié)果來看，在研究區(qū)內(nèi)石盒子組和石千峰組兩套區(qū)域性蓋層均相對較為發(fā)育。

4)綜合評價認為三維區(qū)內(nèi)局部地區(qū)存在有利的CO2封存區(qū)，具備一定的封存潛力。

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P618.130.2

B

1004－1184(2013)01－0131－03

2012－11－09

郭慶(1982－)，男，河南鄭州人，在讀博士研究生，主攻方向:油氣田地質(zhì)與開發(fā)。