馬永法，周學(xué)軍，董俊領(lǐng)，詹 濤，王 旭，劉 玲，劉 玉，劉 艷，何 蘭，李 昌，史珍珍

（1.黑龍江省生態(tài)地質(zhì)調(diào)查研究院, 黑龍江 哈爾濱 150030；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院, 湖北 武漢 430074）

由溫室氣體（CO2、CH4、N2O、HFCs、PFCs、SF6等）濃度升高引起的全球氣候變化問(wèn)題已經(jīng)引起了全球的廣泛關(guān)注。其中，CO2是引發(fā)溫室效應(yīng)的主要因素，其作用占全部溫室氣體的60%以上[1]。CO2減排是緩解溫室效應(yīng)的必要措施。歐美國(guó)家及日本的經(jīng)驗(yàn)表明，地質(zhì)儲(chǔ)存是處置CO2的有效途徑之一[2-4]?？捎糜贑O2地質(zhì)儲(chǔ)存的場(chǎng)地主要有沉積盆地內(nèi)的咸水層、枯竭油氣田和無(wú)商業(yè)開(kāi)采價(jià)值的深部煤層等[5-9]。其中，咸水層儲(chǔ)量較大，經(jīng)預(yù)測(cè)在我國(guó)可占到全部地質(zhì)儲(chǔ)存量的98.64%[10]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)沉積盆地內(nèi)的深部咸水層、油氣田和深部煤層 CO2地質(zhì)儲(chǔ)存的研究，尤其是儲(chǔ)存潛力的評(píng)估已經(jīng)取得了一些成果[11-26]。其中，國(guó)外比較典型的深部咸水層CO2地質(zhì)儲(chǔ)存量的評(píng)估方法與深部煤層的計(jì)算方法相近，分別是碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇（CSLF）計(jì)算方法[10,23]、美國(guó)能源部（USDOE）計(jì)算方法[14]、歐盟計(jì)算方法[17]、ECOFYS 和TNONING 計(jì)算方法[26]，并應(yīng)用到了實(shí)際評(píng)估中。從國(guó)內(nèi)典型案例來(lái)看，有研究者利用溶解度法計(jì)算了我國(guó)24 個(gè)主要沉積盆地的深部咸水層理論CO2儲(chǔ)存量[14]。通過(guò)開(kāi)展我國(guó)CO2地質(zhì)儲(chǔ)存適宜性評(píng)價(jià)與示范工程，前人采用CSLF 計(jì)算方法對(duì)我國(guó)主要沉積盆地深部咸水層的CO2區(qū)域級(jí)與盆地級(jí)的儲(chǔ)存量進(jìn)行了計(jì)算[10]。有學(xué)者考慮了我國(guó)沉積盆地含水系統(tǒng)的差異，將25個(gè)主要沉積盆地劃分為三種類(lèi)型含水系統(tǒng)，分別建立模型后利用溶解度法計(jì)算得到CO2儲(chǔ)存量[19]。針對(duì)鄂爾多斯盆地咸水層CO2儲(chǔ)存潛力，研究者采用 CSLF計(jì)算方法估算了其CO2有效地質(zhì)儲(chǔ)存量[23]?；谠?匯匹配方法，前人對(duì)蘇北—南黃海盆地CO2地質(zhì)儲(chǔ)存量進(jìn)行了評(píng)估[24]。但以上研究，多數(shù)限于區(qū)域級(jí)和盆地級(jí)的儲(chǔ)存潛力評(píng)估，對(duì)于次盆地級(jí)的研究較少，尤其是利用地?zé)峥碧骄畬?duì)屬于CO2地質(zhì)儲(chǔ)存較適宜區(qū)、適宜性評(píng)價(jià)重點(diǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)的松遼盆地[10]，尚未開(kāi)展其次盆地級(jí)且缺少石油勘探資料的林甸地區(qū)儲(chǔ)存地質(zhì)條件分析與潛力評(píng)估研究。

經(jīng)過(guò)地質(zhì)部門(mén)數(shù)十年的地?zé)峥碧?、研究[27-29]，現(xiàn)已探明林甸地區(qū)埋藏深度在940～2 062 m 的中生代白堊系泉頭組三四段、青山口組和姚家組砂巖層狀地層中蘊(yùn)含有豐富的咸水，溶解性總固體可達(dá)2 000～9 000 mg/L，且在白堊系上統(tǒng)姚家組地層之上沉積了嫩江組、四方臺(tái)組、明水組，巖性以層狀泥質(zhì)巖為主，厚度在800～1 300 m，可以較好封閉CO2，是良好蓋層。同時(shí)，林甸地區(qū)緊鄰大慶市，作為中國(guó)最大的石油工業(yè)基地，大慶市石化工業(yè)發(fā)達(dá)，化工企業(yè)眾多，碳源集中且充足，規(guī)模大，距離短，為研究區(qū)的CO2地質(zhì)儲(chǔ)存提供了有利條件。本次工作以林甸地區(qū)深部咸水層為研究對(duì)象，通過(guò)野外調(diào)查與搜集整理相關(guān)地質(zhì)資料，進(jìn)行綜合研究，根據(jù)CO2地質(zhì)儲(chǔ)存條件，深入分析該地區(qū)的儲(chǔ)蓋層、斷層、地下水動(dòng)力特征，在判斷其具備儲(chǔ)存條件的基礎(chǔ)上，利用國(guó)際權(quán)威潛力評(píng)估公式，計(jì)算基于林甸地區(qū)的主要4 個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元CO2地質(zhì)儲(chǔ)存量，并對(duì)該地區(qū)深部咸水層CO2地質(zhì)儲(chǔ)存潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)，為下一步開(kāi)展適宜性評(píng)價(jià)、目標(biāo)靶區(qū)篩選及場(chǎng)地選址與示范工程建設(shè)提供技術(shù)支撐，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)低碳減排與碳中和目標(biāo)具有重要的探索意義。

1 研究區(qū)概況

林甸地區(qū)處于松花江—遼河平原北部，地貌類(lèi)型為低平原，地勢(shì)平坦，東北略高，西南偏低，海拔143～160 m。春季干旱多風(fēng)，夏季高溫多雨，秋季降溫急劇，冬季寒冷干燥，四季分明，年平均氣溫3.3 °C，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候。

按照大地構(gòu)造分級(jí)，研究區(qū)呈中部隆起、兩側(cè)凹陷，主要分屬4 個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，北部為北部?jī)A沒(méi)區(qū)的烏裕爾凹陷、克山依龍背斜帶，南部為中央凹陷區(qū)的齊家古龍凹陷、黑魚(yú)泡凹陷（圖1）。根據(jù)以往地?zé)峒笆豌@孔資料[27]，研究區(qū)的地層層序自上而下分別為：第四系，巖性以松散黏土、砂為主；古近系，巖性以泥巖、砂礫巖為主；白堊系，巖性以泥巖、砂巖為主；侏羅系，巖性以砂礫巖為主；石炭～二疊系為基底，被印支期和燕山期花崗巖侵入，巖性以淺變質(zhì)巖為主（圖2）。

圖1 林甸地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Regional geological map of the Lindian area

圖2 林甸地區(qū)CO2 地質(zhì)儲(chǔ)存垂向儲(chǔ)蓋組合Fig.2 Vertical combination of reservoir and caprock of CO2 geological storage in the Lindian area

2 儲(chǔ)存原理與機(jī)制

2.1 儲(chǔ)存原理

當(dāng)CO2處于壓力高于7.38 MPa、溫度高于31.1 °C條件下時(shí)，即進(jìn)入超臨界狀態(tài)。超臨界CO2是一種高密度流體，具有較好的流動(dòng)性，在物理特性上兼有氣體和液體的雙重特性，即密度高，近于液體；黏度小，與氣體相似，流動(dòng)性遠(yuǎn)大于液體；擴(kuò)散系數(shù)大，近于氣體，為液體的10～100 倍。CO2地質(zhì)儲(chǔ)存原理是將其封存于深部地層中，達(dá)到超臨界狀態(tài)后，利用其物性特點(diǎn)，通過(guò)物理與化學(xué)過(guò)程儲(chǔ)存，在有限的空間內(nèi)達(dá)到最大的儲(chǔ)存量，更有效地儲(chǔ)存于地質(zhì)體中。

2.2 儲(chǔ)存機(jī)制

林甸地區(qū)無(wú)油氣資源，因此，本文研究對(duì)象是深部咸水層，其主要有構(gòu)造地層儲(chǔ)存、殘余氣體儲(chǔ)存、溶解儲(chǔ)存與礦物儲(chǔ)存4 種機(jī)理。在沉積盆地內(nèi)，水力學(xué)俘獲是咸水層儲(chǔ)存CO2的主要機(jī)理，其不是單純的物理或化學(xué)過(guò)程，而是上述4 種機(jī)理的綜合過(guò)程。在注入CO2的過(guò)程中，一部分CO2因?yàn)楦×ι仙胶畬禹敳?，受到頂部隔水層的阻擋，在壓力作用下由頂部向兩?cè)流動(dòng)。此時(shí)，一部分CO2因?yàn)闅庖合嘟缑鎻埩Φ淖饔帽婚L(zhǎng)久地滯留在巖石顆粒的孔隙中。當(dāng)大量的CO2通過(guò)多孔介質(zhì)體的時(shí)候，通常是以球滴狀被隔離在巖石孔隙中間的，該方式稱(chēng)為殘余氣儲(chǔ)存，且孔隙度越大，孔隙越發(fā)育，通過(guò)巖石的CO2量越多，束縛在巖石孔隙中的CO2也就越多。如果含水層中有小的地質(zhì)圈閉，則CO2將在此匯聚，形成構(gòu)造地層儲(chǔ)存。隨著CO2與地層水接觸，逐漸被其溶解，相當(dāng)于溶解儲(chǔ)存，其溶解作用發(fā)生的程度主要取決于是否存在具有高滲透性的巨厚儲(chǔ)層，且隨儲(chǔ)層環(huán)境溫度、壓力和礦化度變化而變化。同時(shí)，CO2通過(guò)擴(kuò)散、轉(zhuǎn)變與彌散等過(guò)程以溶解相的形式運(yùn)移，與周?chē)牡V物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，礦物儲(chǔ)存就開(kāi)始起作用。在以上過(guò)程中，構(gòu)造地層與殘余氣體儲(chǔ)存屬于物理儲(chǔ)存機(jī)制，溶解與礦物儲(chǔ)存屬于化學(xué)儲(chǔ)存機(jī)制。

研究區(qū)的儲(chǔ)層巖石孔隙度最大可達(dá)31.5%，孔隙十分發(fā)育，較適于殘余氣體儲(chǔ)存；儲(chǔ)層巖石滲透率最大可達(dá)1 440×10-3μm2，厚度最大可達(dá)209.6 m，壓力最大不超過(guò)23 MPa，溫度平均約60 °C，溶解性總固體可達(dá)2 000～9 000 mg/L，較適于溶解儲(chǔ)存。另外，礦物儲(chǔ)存的發(fā)生需要較長(zhǎng)時(shí)間，礦物反應(yīng)速率小于CO2溶解速率，而且礦物儲(chǔ)存是在溶解儲(chǔ)存的基礎(chǔ)上發(fā)生的，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為溶解儲(chǔ)存包含了礦物儲(chǔ)存[30]。研究中因小的構(gòu)造圈閉暫時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確確定，且在實(shí)際儲(chǔ)存過(guò)程中由于水動(dòng)力作用，構(gòu)造地層儲(chǔ)存的CO2在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可認(rèn)為完全溶解在咸水中，構(gòu)造地層儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化為溶解儲(chǔ)存[30]。因此，在實(shí)際計(jì)算時(shí)，咸水層儲(chǔ)存潛力可認(rèn)為只由殘余氣體儲(chǔ)存和溶解儲(chǔ)存兩部分構(gòu)成。

3 儲(chǔ)存地質(zhì)條件

深部咸水層在儲(chǔ)存CO2時(shí)必須保證其以超臨界狀態(tài)存在，才能保持穩(wěn)定性和安全性，因此其頂部應(yīng)至少在 800 m 以下；咸水層的巖石要有一定的孔隙度和滲透率，將有效的儲(chǔ)存空間連通起來(lái)，方便CO2運(yùn)移，達(dá)到最大限度的儲(chǔ)存；咸水層必須與飲用水源隔離，上部蓋有隔水層，防止CO2逸出，確保其長(zhǎng)期儲(chǔ)存[31]；儲(chǔ)存CO2的巖層應(yīng)較穩(wěn)定，斷裂帶不會(huì)導(dǎo)致CO2泄漏[32]；咸水層的水循環(huán)越慢，越適宜儲(chǔ)存CO2。

3.1 儲(chǔ)蓋層特征

根據(jù)勘探資料[27-29]，研究區(qū)內(nèi)主要咸水層由下至上為中生代白堊系泉頭組三四段、青山口組和姚家組地層，埋藏深度在940～2 062 m，砂巖較厚，孔隙度和滲透率較好（表1），其呈層狀分布于整個(gè)林甸地區(qū)。姚家組—青山口組厚度為395～539 m，咸水層厚122～244 m，由姚家組二三段，姚家組一段，青山口組二三段，青山口組一段組成。其中，青山口組二三段砂體沉積較厚，單層厚度較大，是林甸地區(qū)的主力咸水層。泉頭組在林甸地區(qū)呈層狀廣泛分布，頂板埋深1 200～2 100 m。泉頭組三四段地層總厚度240～310 m，咸水層厚16～89 m。林甸地區(qū)的嫩江組、四方臺(tái)組、明水組，巖性以泥質(zhì)巖為主（圖2），夾薄層砂巖，厚800～1 300 m，其在姚家組地層之上，呈層狀分布于整個(gè)林甸地區(qū)，對(duì)CO2封閉和蓄積起到了較好的作用，是良好蓋層。

表1 林甸地區(qū)CO2 地質(zhì)儲(chǔ)存主要儲(chǔ)層厚度、孔隙度與滲透率Table 1 Statistical table of thickness, porosity and permeability of main reservoirs of CO2 geological storage in the Lindian area

3.2 斷層特征

研究區(qū)斷裂比較發(fā)育[27]，主要有3 條較大的斷裂，分別為黑魚(yú)泡凹陷西部邊界斷層、林甸斷裂、林甸東斷裂（圖3）。

圖3 林甸地區(qū)斷裂分布圖（據(jù)文獻(xiàn)[27]修改）Fig.3 Fault occurrence map of the Lindian area(modified from [27] )

3.2.1 黑魚(yú)泡凹陷西部邊界斷層（H13）

該斷裂位于林甸地區(qū)東南部黑魚(yú)泡凹陷西部邊緣，從上地幔斷至T3 層（泉頭組底面），為殼斷裂。此斷裂由下向上延伸至泉頭組的底面，距CO2儲(chǔ)存目的層最底層（泉頭組三四段）較遠(yuǎn)，尤其是距蓋層最底面（嫩江組）更遠(yuǎn)，不會(huì)對(duì)CO2儲(chǔ)存產(chǎn)生影響。

3.2.2 林甸斷裂（L1）

該斷裂位于烏裕爾凹陷內(nèi)，研究區(qū)范圍內(nèi)長(zhǎng)約40 km，屬于殼斷裂，其從上地幔延伸至嫩江組三段底面。該斷裂帶在T1 層（嫩江組底面）、T2 層（青山口組底面）與T3 層最大的斷距分別為115，90，110 m。在T4 層（登婁庫(kù)組底面）最大的斷距為50 m，影響不到其上的泉頭組儲(chǔ)層。在T5 層（侏羅系底面）最大的水平斷距為3 000 m，垂向斷距為2 995 m。在T6 層（嫩江組三段底面）最大的斷距為80 m。L1 未穿透嫩江組蓋層，不存在CO2泄漏風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，姚家組、青山口組和泉頭組咸水層三個(gè)CO2儲(chǔ)存目的層連通，方便CO2運(yùn)移，利于CO2儲(chǔ)存。

該斷裂帶在T2 層伴生有24 條小斷層，斷距最大可達(dá)190m，延伸長(zhǎng)度最大可達(dá)11 km，連通泉頭組三四段和青山口組咸水層兩個(gè)CO2儲(chǔ)存目的層，方便CO2運(yùn)移，有利于CO2儲(chǔ)存。在T3 層伴生有8 條小斷層，斷距最大可達(dá)70 m，其延伸長(zhǎng)度在5～10 km，向上無(wú)法錯(cuò)斷CO2儲(chǔ)存目的層最底層（泉頭組三四段），不會(huì)對(duì)CO2儲(chǔ)存產(chǎn)生影響。

3.2.3 林甸東斷裂（L2）

該斷裂位于克山依龍背斜帶和黑魚(yú)泡凹陷內(nèi)，屬于殼斷裂，垂向斷距在750～2 955 m 之間，水平斷距在1.7～6.8 km 之間。該斷裂錯(cuò)斷了侏羅系底面以下地層，但延伸不到CO2儲(chǔ)存目的層最底層（泉頭組三四段），距蓋層最底層（嫩江組）較遠(yuǎn)，不會(huì)對(duì)CO2儲(chǔ)存產(chǎn)生影響。L1 在T5 層的最大垂向斷距可達(dá)2 995 m，為該地區(qū)垂向斷距之最。據(jù)林甸地區(qū)干熱巖鉆探最新成果，該鉆孔鉆至4 000 m 終孔，剛剛穿透白堊系，到達(dá)侏羅系。因此，林甸地區(qū)深大斷裂垂向延伸可能的最頂部也在距地面約1 000 m 以下到達(dá)嫩江組，受嫩江組之上巨厚的泥質(zhì)巖隔水層阻斷，不會(huì)連通咸水層和上部含水層，也不會(huì)導(dǎo)致CO2逸出。同時(shí)，L1 有效連通了姚家組、青山口組和泉頭組咸水層三個(gè)CO2儲(chǔ)存目的層的儲(chǔ)存空間，方便CO2運(yùn)移，有利于CO2儲(chǔ)存。

3.3 地下水動(dòng)力條件

松嫩盆地中央深、四周淺，因泄水區(qū)不十分明顯，地下水流速緩慢。經(jīng)研究[27]，因地勢(shì)相對(duì)較高，濱洲鐵路線(xiàn)以北的北安至海倫一線(xiàn)為該地區(qū)姚家組—青山口組含水層的供水區(qū)，地下水動(dòng)力較強(qiáng)，水的實(shí)際流速最大可達(dá)50 cm/a；嫩江流域和通肯河流域?yàn)橐医M—青山口組含水層的水排泄區(qū)；依安、拜泉、明水等地區(qū)為姚家組—青山口組含水層的水交替過(guò)渡區(qū)，地下水動(dòng)力相對(duì)較弱，水的實(shí)際流速最大可達(dá)20 cm/a；林甸地區(qū)為姚家組—青山口組深部咸水層的水交替作用停滯區(qū)，研究區(qū)內(nèi)的烏裕爾凹陷、克山—依龍背斜、黑魚(yú)泡凹陷、齊家—古龍凹陷4 個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元基本在停滯區(qū)內(nèi)，地下水動(dòng)力很弱，流速十分緩慢（圖4），適合儲(chǔ)存CO2。

圖4 濱北地區(qū)姚家組—青山口組水文地質(zhì)圖[27]Fig.4 Hydrogeological map of the Yaojia Formation -Qingshankou Formation in the Binbei area[27]

4 林甸地區(qū)深部咸水層CO2 地質(zhì)儲(chǔ)存潛力

根據(jù)深部咸水層CO2地質(zhì)儲(chǔ)存條件，深入分析林甸地區(qū)的儲(chǔ)蓋層、斷層、地下水動(dòng)力特征，結(jié)果表明該地區(qū)具備CO2地質(zhì)儲(chǔ)存的條件，可開(kāi)展儲(chǔ)存潛力評(píng)估工作。

4.1 儲(chǔ)存量計(jì)算方法

基于目前深部咸水層中CO2地質(zhì)儲(chǔ)存量的4 種主要計(jì)算方法，研究認(rèn)為，CSLF 的計(jì)算方法根據(jù)儲(chǔ)存機(jī)理的不同將深部咸水層中CO2儲(chǔ)存量主要分為構(gòu)造地層儲(chǔ)存、殘余氣體儲(chǔ)存、溶解儲(chǔ)存三類(lèi)，評(píng)估結(jié)果更為準(zhǔn)確[23]。

CSLF 在評(píng)價(jià)深部咸水層CO2儲(chǔ)存量時(shí)，提出用資源金字塔這一概念來(lái)形象地表述，將CO2地質(zhì)儲(chǔ)存潛力分為理論儲(chǔ)存潛力、有效儲(chǔ)存潛力、實(shí)際儲(chǔ)存潛力、可匹配儲(chǔ)存潛力四個(gè)層級(jí)，其存在相互關(guān)聯(lián)和逐級(jí)遞進(jìn)的關(guān)系。

本文在計(jì)算時(shí)，咸水層儲(chǔ)存潛力可認(rèn)為只由殘余氣體儲(chǔ)存和溶解儲(chǔ)存兩部分構(gòu)成。

（1）殘余氣儲(chǔ)存的理論儲(chǔ)存量

式中：MCO2r—CO2在深部咸水層中殘余氣體儲(chǔ)存的理論儲(chǔ)存量/（106t）；

ΔVtrap—原先被CO2飽和然后被水浸入的巖石體積，該參數(shù)可理解為評(píng)價(jià)單元內(nèi)整個(gè)深部咸水層的體積/（106m3）；

A—儲(chǔ)層的面積/km2；

H—儲(chǔ)層的有效厚度/m；

φ—儲(chǔ)層巖石的孔隙度/%；

SCO2r—液流逆流后被圈閉的CO2的飽和度/%；

播種后，分別記載各品種的出苗期，并在出苗后觀察統(tǒng)計(jì)各生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)勢(shì)、病蟲(chóng)害發(fā)生情況和倒伏情況；在大麥成熟后，每小區(qū)隨機(jī)抽選10株進(jìn)行考種，測(cè)量并記載其株高、穗長(zhǎng)、小穗數(shù)、穗粒數(shù)等性狀，同時(shí)將每個(gè)小區(qū)分開(kāi)，單收、單脫、單計(jì)產(chǎn)，并折算產(chǎn)量。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2003和SPSS統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析處理。

ρCO2r—在地層條件下CO2的密度/（kg·m-3）。

（2）溶解儲(chǔ)存的理論儲(chǔ)存量

式中：MCO2d—CO2在深部咸水層中溶解儲(chǔ)存的理論儲(chǔ)存量/（106t）；

ρs—地層水被CO2飽和時(shí)的平均密度/（kg·m-3）；

ρi—初始地層水的平均密度/（kg·m-3）；

—原始CO2占地層水的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%。

SCO2—CO2在地層水中的溶解度/（mol·kg-1）；

MCO2—CO2的摩爾質(zhì)量，0.044 kg/mol。

根據(jù)加拿大Alberta 盆地咸水層溶解儲(chǔ)量的結(jié)果，不考慮現(xiàn)狀地層水含碳量的情況時(shí)，計(jì)算值偏大，但誤差僅為1.3%[33]。本次研究的咸水層的水化學(xué)資料絕大多數(shù)僅限于主要離子，難以確定其含碳量，此處忽略地層水含碳量，直接利用溶解度計(jì)算。

（3）深部咸水層中CO2儲(chǔ)存的總潛力

①理論儲(chǔ)存量

式中：MCO2ts—儲(chǔ)存總潛力的理論儲(chǔ)存量/（106t）。

②有效儲(chǔ)存量

式中：MCO2es—儲(chǔ)存總潛力的有效儲(chǔ)存量/（106t）；

E—有效封存系數(shù)。

CSLF 所提出的深部咸水層構(gòu)造地層圈閉機(jī)理的計(jì)算方法與USDOE 所應(yīng)用的計(jì)算方法相似，其提出的有效封存系數(shù)僅適合于構(gòu)造地層儲(chǔ)存機(jī)理計(jì)算。USDOE 采用的方法以有效封存系數(shù)E反映CO2占據(jù)整個(gè)孔隙體積的比例，利用蒙特卡羅模擬可以得到深部咸水層置信區(qū)間在15%～85%時(shí)，E的取值范圍為4%～15%；置信區(qū)間為50%時(shí)，E的平均值為0.024。在數(shù)學(xué)模擬過(guò)程中所考慮的幾個(gè)因素，對(duì)于其他封存機(jī)理有效封存系數(shù)的取值也有借鑒意義[23]。因此，本文E也取值0.024。

4.2 CO2 儲(chǔ)存量

依據(jù)地質(zhì)構(gòu)造分區(qū)情況（圖1），將研究區(qū)劃分為烏裕爾凹陷計(jì)算區(qū)、克山—依龍背斜計(jì)算區(qū)、黑魚(yú)泡凹陷計(jì)算區(qū)、齊家—古龍凹陷計(jì)算區(qū)，其面積分別為1 215，597，1 404，345 km2。分別計(jì)算四個(gè)構(gòu)造區(qū)的姚家組二三段、姚家組一段、青山口組二三段、青山口組一段、泉頭組四段、泉頭組三段六個(gè)咸水層的儲(chǔ)存量，采用地?zé)徙@孔數(shù)據(jù)繪出的各個(gè)儲(chǔ)層的地層溫度、壓力等值線(xiàn)（圖5、圖6），采用地?zé)徙@孔的水樣數(shù)據(jù)繪出的各個(gè)儲(chǔ)層混合水的溶解性總固體等值線(xiàn)圖（圖7），計(jì)算參數(shù)均為各個(gè)儲(chǔ)層的平均值（表2），其中儲(chǔ)層厚度和巖石的孔隙度來(lái)自20 口地?zé)徙@孔的測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，初始地層水的密度采用陳瑞軍等[34]的公式經(jīng)高程校正后計(jì)算得出，液流逆流后被圈閉的CO2飽和度由Holtz[35]的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出，CO2在地層水中的溶解度采用Duan 等[36]和于立松等[37]的溶解度理論預(yù)測(cè)模型計(jì)算得出，儲(chǔ)層中CO2的密度由張川如等[38]的CO2密度數(shù)據(jù)表進(jìn)行內(nèi)插求值得出。經(jīng)計(jì)算，烏裕爾凹陷深部咸水層CO2理論儲(chǔ)存量為168.28×108t，有效儲(chǔ)存量為4.04×108t；克山—依龍背斜的理論儲(chǔ)存量為100.30×108t，有效儲(chǔ)存量為2.41×108t；黑魚(yú)泡凹陷的理論儲(chǔ)存量為161.09×108t，有效儲(chǔ)存量為3.86×108t；齊家—古龍凹陷的理論儲(chǔ)存量為49.24×108t，有效儲(chǔ)存量為1.18×108t；整個(gè)林甸地區(qū)深部咸水層CO2理論儲(chǔ)存量合計(jì)為478.91×108t，有效儲(chǔ)存量為11.49×108t，儲(chǔ)存潛力較大（表3），較適于CO2地質(zhì)儲(chǔ)存，與羅偉等[39]、宋鐵軍等[40]得出的關(guān)于本次研究的4 個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元的結(jié)論基本一致，為后續(xù)開(kāi)展適宜性評(píng)價(jià)和目標(biāo)靶區(qū)的篩選奠定了基礎(chǔ)。

表2 烏裕爾凹陷、克山—依龍背斜、黑魚(yú)泡凹陷與齊家—古龍凹陷深部咸水層儲(chǔ)存量計(jì)算參數(shù)Table 2 Storage parameters of deep saline aquifers in the Wuyuer depression, the Keshan-yilong anticline, the Heiyupao depression and the Qijia-gulong depression

表3 林甸地區(qū)深部咸水層CO2 儲(chǔ)存量Table 3 CO2 storage scale of deep saline aquifers in the Lindian area

圖5 林甸地區(qū)深部咸水層CO2 地質(zhì)儲(chǔ)存各儲(chǔ)層地溫等值線(xiàn)圖Fig.5 Maps showing isogeothermal lines of each reservoir for CO2 geological storage in deep saline aquifers in the Lindian area

圖6 林甸地區(qū)深部咸水層CO2 地質(zhì)儲(chǔ)存各儲(chǔ)層壓力等值線(xiàn)圖Fig.6 Pressure contour maps of each reservoir for CO2 geological storage in deep saline aquifers in the Lindian area

圖7 林甸地區(qū)深部咸水層溶解性總固體等值線(xiàn)圖Fig.7 Isoline map of TDS of the deep saline aquifer in the Lindian area

因研究區(qū)的石油探孔很少，本次研究主要是利用在地?zé)豳Y源勘探過(guò)程中已掌握的20 口地?zé)徙@孔數(shù)據(jù)開(kāi)展了林甸地區(qū)深部咸水層CO2地質(zhì)儲(chǔ)存潛力的評(píng)估工作，一些參數(shù)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出，未充分結(jié)合實(shí)際進(jìn)行模擬試驗(yàn)，評(píng)估結(jié)果在精度上還需要提高，但鑒于研究區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，儲(chǔ)蓋層均呈層狀分布，變化不十分明顯，基本能達(dá)到研究目的。在以后的研究工作中，應(yīng)加大資料搜集力度，并充分利用后續(xù)的地?zé)豳Y源勘探數(shù)據(jù)，進(jìn)一步加大鉆孔密度，加強(qiáng)室內(nèi)試驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)值模擬[41]，提高研究精度，更精準(zhǔn)地進(jìn)行儲(chǔ)存潛力評(píng)估。

5 結(jié)論

（1）林甸地區(qū)埋藏深度在940～2 062 m 的中生代白堊系泉頭組三四段、青山口組和姚家組砂巖層狀地層具有較好地孔隙度和滲透率，蘊(yùn)含有豐富的咸水，溶解性總固體可達(dá)2 000～9 000 mg/L，且在白堊系上統(tǒng)姚家組地層之上沉積了嫩江組、四方臺(tái)組、明水組，巖性以層狀泥質(zhì)巖為主，厚度在800～1 300 m，對(duì)CO2封閉起到了較好的作用，是良好蓋層。該地區(qū)主要斷裂帶從上地幔延伸最頂部至嫩江組三段底面，受嫩江組之上巨厚的泥質(zhì)巖隔水層阻斷，不會(huì)連通咸水含水層和上部含水層，也不會(huì)導(dǎo)致CO2逸出。該地區(qū)深部咸水層處在地下水交替作用停滯區(qū)，地下水動(dòng)力很弱，流速十分緩慢。因此，林甸地區(qū)深部的咸水層是CO2地質(zhì)儲(chǔ)存的良好場(chǎng)所。

（2）利用地?zé)峥碧骄⒏鶕?jù)CO2地質(zhì)儲(chǔ)存技術(shù)機(jī)理，運(yùn)用國(guó)際權(quán)威潛力評(píng)估公式，計(jì)算得到林甸地區(qū)深部咸水層CO2理論儲(chǔ)存量為478.91×108t，有效儲(chǔ)存量為11.49×108t，儲(chǔ)存潛力較大，為研究區(qū)開(kāi)展適宜性評(píng)價(jià)、目標(biāo)靶區(qū)篩選和場(chǎng)地選址及示范工程建設(shè)提供了地質(zhì)依據(jù)。