Evaluation of suitability of CO2 geologic storage in deep saline aquifers in Lindian area of Songliao Basin
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摘要:
二氧化碳（CO2）地质封存是当前技术条件下缓解温室效应最直接、最有效的措施之一。黑龙江省林甸地区广泛分布深部咸水层，盖层条件良好，具备CO2地质封存的地质条件，且封存潜力巨大，但因缺乏石油勘探资料，以往尚未进行高精度的适宜性评价。文章以松辽盆地林甸地区为研究对象，紧密结合其地质、经济、环境等实际情况，本着客观、全面、重点、兼容、可行的原则，从封存安全适宜性、封存潜力适宜性、社会经济适宜性3个指标层，分解出11个指标亚层与32个评价指标，划分了5个评价等级，建立了适用于研究区的深部咸水层CO2地质封存适宜性评价体系。在此评价体系基础上，充分利用地热勘探井的数据，基于层次分析法开展研究区各主要二级构造单元乌裕尔凹陷、克山—依龙背斜、黑鱼泡凹陷、齐家—古龙凹陷深部咸水层CO2地质封存适宜性的模糊数学综合评价。结果表明，研究区4个二级构造单元均具备地壳稳定性较好，盖层以多套、厚度大且连续稳定的泥质岩为主，储层为孔隙度大、渗透性好的多套碎屑岩，不易发生地质灾害等条件，均较适宜进行CO2地质封存，其中以黑鱼泡凹陷最佳。此项工作的开展，为该地区实施封存场地选址与封存工程示范提供了科学、直接的依据。
Abstract:Carbon dioxide (CO2) geological storage is one of the most direct and effective measures to alleviate the greenhouse effect under the current technical conditions. Deep saline aquifers and cap beds are widely distributed in Lindian, Heilongjiang Province, offering favorable geological conditions and great potential for CO2 geological storage. However, due to the lack of oil exploration data, the high accuracy suitability evaluation has not been carried out. This study, in close alignment with the geological, economic, environmental, and other conditions, established a suitability evaluation system for CO2 geological storage. Following the principles of objectivity, comprehensiveness, focus, compatibility, and feasibility, the study decomposed 11 sub-layers of indicators and 32 evaluation indicators from the three index layers of storage safety suitability, storage potential suitability, and storage social and economic suitability, divided 5 evaluation levels. The evaluation system was applied to the deep saline aquifers of the Wuyuer Depression, Keshan−Yilong Anticline, Heiyupao Depression, and Qijia−Gulong Depression using data from geothermal exploration wells and the Analytic Hierarchy Process for a comprehensive fuzzy mathematical evaluation. The results show that the four secondary tectonic units in the study area exhibit good crustal stability. The cover layer is dominated by multiple sets of large thickness and continuous stability of argillite, while the reservoirs are all multiple sets of clastic rocks with large porosity and good permeability. These regions are not prone to geological hazards and are all suitable for CO2 geological storage, with the Heiyupao Depression being the most suitable. This study provides a scientific basis for the implementation of site selection and demonstration projects in this area.
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Key words:
- CO2 /
- geological storage /
- suitability evaluation /
- Lindian area
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表 1 林甸地区CO2地质封存主要储层厚度、孔隙度、渗透率统计
Table 1. Statistical thickness, porosity, and permeability of main reservoirs of CO2 geological storage in Lindian area
地 层 厚度/m 孔隙度/% 渗透率/（10−3 μm2） 组 段 姚家组 二、三段 3.4～33.2 7.5～31.5 2.4～ 1440.0 一段 2.2～32.6 12.0～28.0 11.3～544.0 青山
口组二、三段 90.5～209.6 8.2～29.2 11.0～426.0 一段 1.8～30.5 9.8～27.8 2.1～95.3 泉头组 四段 4.0～57.2 8.8～25.9 0.8～82.0 三段 5.1～57.3 10.1～21.8 3.1～79.8 
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表 2 二氧化碳地质封存适宜度分级标准
Table 2. Classification standard of suitability for CO2 geological storage
指标层 指标亚层 评价指标 适宜 较适宜 一般适宜 较不适宜 不适宜 封存
安全
适宜性区域地壳
稳定性地震动峰值加速度（αmax）/g αmax<0.05 αmax=0.05 0.05<αmax≤0.10 0.10<αmax≤0.20 αmax>0.20 历史地震震级（Ms） 历史地震围空区 Ms≤5.5 5.5< Ms≤6.0 6.0< Ms≤7.5 Ms >7.5 活动断裂的发育状况 远离活动断裂带
（>25 km），无活动
断裂通过远离活动断裂带
（≤25 km），无活动断裂通过有新近纪断裂通过，但断裂在全新世活动不明显 有活动断裂通过，但活动断裂规模较小、活动较弱 位于大的活动断裂带上或活动断裂带的交汇处，断裂活动强烈 区域盖层
特征盖层断裂的发育状况 无断层和断裂 有限的断层和裂缝 中等断层中等裂缝 次大断层次大裂缝 大断层大裂缝 主力盖层的埋深（d）/m 800≤d< 1200 1200 ≤d<1700 1700 ≤d<3500 d≥ 3500 d<800 盖层的岩性 膏岩、泥岩、
钙质泥岩含砂泥岩、
含粉砂泥岩粉砂质泥岩、
砂质泥岩泥质粉砂岩、
泥质砂岩裂缝发育的灰岩、
粗碎屑砂岩盖层的数量 多套 多套 一套 一套 无 主力盖层的单层厚度
（Hg）/mHg>100 100≥Hg>50 50≥Hg>30 30≥Hg>10 Hg≤10 盖层分布的连续性 连续，稳定 较连续，较稳定 连续性中等，较稳定 连续性较差，
较不稳定连续性差，不稳定 盖层渗透率（Kg）/（10−3 μm2） Kg< 0.0001 0.0001 ≤Kg<0.001 00.001 0≤Kg<0.010 0 0.010 0≤Kg<0.100 0 Kg≥0.100 0 水文地质条件 水动力作用 水力封闭作用 水力封堵作用 水力封堵作用 水力运移逸散作用 水力运移逸散作用 不良地质作用 地质灾害易发性 不易发 低易发 一般易发 中易发 高易发 是否在采矿的塌陷区、
地面的沉降区否 否，但可能存在
影响否，但可能存在
一定影响否，但可能存在
较大影响是 是否位于江河湖泊、水库
最高的水位线或洪泛区否 否，但可能存在
影响否，但可能存在
一定影响否，但可能存在
较大影响是 封存
潜力
适宜性构造单元规模 构造单元的面积（S）/ km2 S≥ 5000 1000 ≤S<5000 500≤S< 1000 200≤S<500 S<200 沉积地层厚度（Hj）/ m Hj≥ 3500 2500 ≤Hj<3500 1600 ≤Hj<2500 800≤Hj< 1600 Hj<800 地热资源规模（Mr）/ MW Mr≥200 50≤Mr<200 10≤Mr<50 1≤Mr<10 Mr<1 区域储层特征 储层的岩性 碎屑岩 碎屑岩、
碳酸盐岩混合碳酸盐岩 岩浆岩、变质岩、
盐丘等特殊储层无 储层数量 多套 多套 一套 一套 无 储层厚度（Hc）/m Hc≥100 50≤Hc<100 20≤Hc<50 10≤Hc<20 Hc<10 储层砂地比（k）/% k≥60 40≤k<60 20≤k<40 10≤k<20 k<10 储层孔隙度（φ）/% φ≥25 20≤φ<25 10≤φ<20 5≤φ<10 φ<5 储层渗透率（Kc）/（10−3 μm2） Kc≥50 10≤Kc<50 1≤Kc<10 0.1≤Kc<1 Kc<0.1 地层水溶解性总固体（TDS）/（g·L−1） 20≤TDS<25 10≤TDS<20或
25≤TDS<305≤TDS<10或
30≤TDS<402≤TDS<5或40≤TDS<50 TDS<2或TDS≥50 地热地质条件 地热流值（q）/（mW·m−2） 30≤q<50 50≤q<70 70≤q<90 90≤q<150 q>150 地温梯度（Tg）/（°C·km−1） Tg<20，冷盆地 20≤ Tg<30，
次冷盆地30≤Tg<40，
中等40≤Tg<50，
次热盆地Tg≥50，热盆地 地表温度（t）/°C t<2 2≤t<3 3≤t<10 10≤ t <25 t≥25 封存潜力 封存潜力（Mf）/（108 t） Mf≥50 25≤Mf<50 0.5≤Mf<25 0.02≤Mf<0.5 Mf<0.02 社会
经济
适宜性人口密度 人口密度（ρ）/（人·km−2） ρ<25，
极端稀疏区25≤ ρ<50，
绝对稀疏区50≤ρ<100，
相对稀疏区100≤ρ<200，
一般过渡区ρ≥200，
集聚区土地利用
现状土地利用现状 沙漠等未利用
的土地牧草地 林地 耕地、园地 居民点及工矿用地、交通用地、水域（湿地、滩涂） 碳源 碳源密度（ρc）/（104 t·km−2） ρc＞25 10＜ρc≤25 1＜ρc≤10 0.1＜ρc≤1 ρc≤0.1 碳源距离（D）/ km D<10 10≤D<20 20≤D<30 30≤D<40 D≥40
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表 3 林甸地区二级构造单元CO2地质封存适宜性评价指标数据表
Table 3. Evaluation indexes of CO2 geological storage suitability of secondary structural units in Lindian area
评价指标 乌裕儿凹陷 克山—依龙背斜 黑鱼泡凹陷 齐家—古龙凹陷 地震动峰值加速度（αmax）/g 0.05 0.05 0.05 0.05 历史地震震级（Ms） 历史地震围空区 历史地震围空区 历史地震围空区 历史地震围空区 活动断裂的发育状况 无活动断裂通过 无活动断裂通过 无活动断裂通过 无活动断裂通过 盖层断裂的发育状况 有限的断层和裂缝 有限的断层和裂缝 有限的断层和裂缝 有限的断层和裂缝 主力盖层的埋深（d）/m 1251.4 862.0 971.4～ 1523.8 1282.4 盖层的岩性 泥质岩夹薄层砂岩 泥质岩夹薄层砂岩 泥质岩夹薄层砂岩 泥质岩夹薄层砂岩 盖层数量 多套 多套 多套 多套 主力盖层的单层厚度（Hg）/m 283.0 150.8 145.4～290.4 164.8 盖层分布的连续性 较连续 较稳定 较连续 较稳定 较连续 较稳定 较连续 较稳定 盖层渗透率（Kg）/（10−3 μm2） < 0.0001 < 0.0001 < 0.0001 < 0.0001 水动力作用 流动规模短、深度浅、更新快 流动规模短、深度浅、更新快 流动规模长、深度深、更新慢 流动规模长、深度深、更新慢 地质灾害易发性 不易发 不易发 不易发 不易发 是否在采矿的塌陷区、地面的沉降区 否 否 否 否 是否位于江河湖泊、水库最高的水位线或洪泛区 否 否 否 否 构造单元的面积（S）/km2 1215 579 1404 345 沉积地层厚度（Hj）/m 3165 ～3172 2967 ～3156 3758 ～4015 3314 ～3412 地热资源规模（Mr）/MW 339 91 187 77 储层的岩性 碎屑岩 碎屑岩 碎屑岩 碎屑岩 储层数量 多套 多套 多套 多套 储层厚度（Hc）/m 135.2～305.0 192.9～226.8 122.0～307.4 261.8 储层砂地比（k）/% 20.5～22.6 37.2 26.3～32.9 39.4 储层孔隙度（φ）/% 16.3～19.8 18.3～23.3 14.8～23.5 17.5 储层渗透率（Kc）/（10−3 μm2） >10 >10 >10 >10 地层水溶解性总固体（TDS）/（g·L−1） 2.4 3.4 6.3 6.2 地热流值（q）/（mW·m−2） 54.01 54.01 83.32 83.32 地温梯度（Tg）/（°C·km−1） 28.1 28.1 40.3 40.9 地表温度（t）/°C 3.2 3.2 3.2 3.2 封存潜力（Mf）/（108 t） 403.9 240.7 386.6 118.2 人口密度（ρ）/（人·km−2） 0 106 7 13 土地的利用现状 0.21 0.26 0.30 0.22 碳源密度（ρc）/（104 t·km−2） 0 0.35 0 0.01 碳源距离（D）/km 20 15 18 22
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表 4 评价因子标度含义表
Table 4. Meaning of evaluation factor scale
标 度 含 义 1 表示2个因子相比，同等重要 3 表示2个因子相比，前者稍重要 5 表示2个因子相比，前者明显重要 7 表示2个因子相比，前者强烈重要 9 表示2个因子相比，前者极端重要 2、4、6、8 表示1、3、5、7、9相邻判断的中间值 上列值的倒数 表示2个因子相比，后者比前者重要的程度
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表 5 随机一致性指标取值一览表
Table 5. Values of random consistency indicators
阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 取值 0 0 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.46 1.49 1.52 1.54
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表 6 林甸地区CO2地质封存适宜性评价指标权重表
Table 6. Weight of evaluation indexes of CO2 geological storage suitability in Lindian area
指标层 权重 指标亚层 权重 评价指标 权重 封存安全
适宜性0.364 区域地壳稳定性 0.178 地震动峰值加速度 0.020 历史地震震级 0.020 活动断裂的发育状况 0.025 区域盖层特征 0.649 盖层断裂的发育状况 0.026 主力盖层的埋深 0.052 盖层的岩性 0.030 盖层数量 0.024 主力盖层的单层厚度 0.041 盖层分布的连续性 0.033 盖层渗透率 0.030 水文地质条件 0.093 水动力作用 0.034 不良地质作用 0.080 地质灾害易发性 0.014 是否在采矿的塌陷区、地面的沉降区 0.009 是否位于江河湖泊、水库最高的水位线或洪泛区 0.007 封存潜力
适宜性0.455 构造单元规模 0.105 构造单元的面积 0.015 沉积地层厚度 0.015 地热资源规模 0.018 区域储层特征 0.472 储层的岩性 0.024 储层数量 0.026 储层厚度 0.048 储层砂地比 0.030 储层孔隙度 0.040 储层渗透率 0.024 地层水溶解性总固体 0.024 地热地质条件 0.055 地热流值 0.010 地温梯度 0.010 地表温度 0.005 封存潜力 0.367 封存潜力 0.167 社会经济
适宜性0.181 人口密度 0.203 人口密度 0.037 土地利用现状 0.339 土地的利用现状 0.062 碳源 0.458 碳源密度 0.037 碳源距离 0.046
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表 7 林甸地区CO2地质封存适宜性评价模糊数学综合评价向量表
Table 7. Fuzzy comprehensive evaluation vector scale of CO2 geological storage suitability evaluation In the Lindian area
二级构造单元 模糊数学综合评价向量 适宜度 评价结果 乌裕儿凹陷 （ 0.4736 ，0.2519 ，0.1215 ，0.1161 ，0.0370 ）0.702 较适宜 克山—依龙背斜 （ 0.4687 ，0.2537 ，0.1149 ，0.1627 ，0）0.706 较适宜 黑鱼泡凹陷 （ 0.4877 ，0.2673 ，0.1712 ，0.0368 ，0）0.726 较适宜 齐家—古龙凹陷 （ 0.4529 ，0.2413 ，0.1911 ，0.0777 ，0.0370 ）0.699 较适宜
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