趙玉龍，楊勃，曹成，張烈輝，周翔，黃晨直，芮祎鳴，李金龍

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川 成都 610500；2.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；3.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院，四川 成都 610213；4.中國石油吉林油田公司勘探開發(fā)研究院，吉林 松原 138000）

IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會）在全球變暖1.5 ℃的報告中指出[1]，要有效應(yīng)對氣候變化，溫度控制目標(biāo)必須從2 ℃調(diào)整到1.5 ℃，CCUS（CO2捕集利用與封存）是保證溫控目標(biāo)的重要支撐技術(shù)，是減少碳排放、緩解全球氣候變化的重要方法，也是中國實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵性技術(shù)之一。

碳封存是CCUS 技術(shù)最后一步，適合地質(zhì)封存的地點主要有枯竭油氣藏、鹽水層、深海地質(zhì)構(gòu)造、不適宜開采煤層等[2]，其中鹽水層封存在所有封存類型中占據(jù)主導(dǎo)位置，且分布廣泛，存在著適于封存的大型圈閉構(gòu)造，封存量占比約98%，是較為理想的封存場所[3]。近年在“雙碳”政策指引下，鹽水層封存逐步受到重視，但仍缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識，且中國尚未建立包括CO2封存潛力評價與選址指標(biāo)體系在內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，亟需對此進(jìn)行梳理分析。

對鹽水層CO2地質(zhì)封存機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)分析，并且總結(jié)梳理了不同封存機(jī)理的潛力計算方法，提出了合理可行的封存潛力評估方法，并通過總結(jié)歸納國內(nèi)外鹽水層封存評價指標(biāo)體系，建立了適用于中國鹽水層CO2封存的適宜性評價指標(biāo)體系。

1 鹽水層CO2封存機(jī)理及封存潛力

鹽水層封存是將CO2封存到地下800 m 以下的鹽水層中，CO2的臨界溫度為31.1 ℃，臨界壓力為7.38 MPa，在地層條件下以超臨界狀態(tài)存在[2]。超臨界CO2在浮力作用下聚集在蓋層底部，逐步充滿整個儲層空間，部分溶解在地層水中與離子、礦物等反應(yīng)最終實現(xiàn)長期封存。鹽水層的封存機(jī)理中構(gòu)造封存和殘余氣封存屬于物理封存，溶解封存和礦物封存屬于化學(xué)封存，穩(wěn)定性更強(qiáng)，作用時間相對更晚。

1.1 構(gòu)造封存

1.1.1 構(gòu)造封存機(jī)理

構(gòu)造封存是在地層條件下，超臨界CO2密度低于水，在浮力和水動力的作用下朝各個方向運移，受到蓋層的遮擋大量聚集，形成一個相對獨立和封閉的圈閉，以連續(xù)體的形態(tài)封存于儲層中，其機(jī)理類似于油氣藏圈閉[4?5]。

構(gòu)造封存主要分為閉合構(gòu)造封存和開放構(gòu)造封存（圖1）。閉合構(gòu)造能夠有效限制儲層中CO2各方向的運移，封存風(fēng)險低，但注入的CO2和地層水接觸面積小，溶解速度慢。開放構(gòu)造CO2與地層水接觸面積大，有利于溶解，但風(fēng)險更高，且前期對封存地點的勘探工作量較大，后期需大范圍監(jiān)測、確認(rèn)可能的氣體泄露路徑，降低封存風(fēng)險。

1.1.2 構(gòu)造封存量計算

1992年，KOIDE等[7]提出基于面積法評估鹽水層封存潛力，假設(shè)鹽水層閉合構(gòu)造，計算面積是地下面積投影到地面上的面積，歐盟委員會后來沿用了該方法。該方法參數(shù)少且易獲得，但準(zhǔn)確性不高，計算公式為：

式中：ms為構(gòu)造封存有效封存量，單位kg；Fac為覆蓋系數(shù)，取50%；Sf為封存系數(shù)，取200 kg/m3；A為儲層面積，單位m2；H為儲層厚度，單位m。

US?DOE（美國能源部）采用容積法評估碳封存量[8]，該方法假設(shè)CO2注入后替換儲層內(nèi)所有孔隙體積，精度更高，其計算公式為：

式中：φ為鹽水層孔隙度，單位%；ρCO2為地層條件下CO2密度，單位kg/m3；E為有效封存系數(shù)。

式（2）中有效封存系數(shù)E反映了理想條件下有效封存量與理論封存量的比值，用于矯正計算參數(shù)與實際參數(shù)之間的誤差。受儲層地質(zhì)特征、封存機(jī)理、地層溫度壓力等因素影響，其中地層壓力和封存時間影響最大[9]。中國沉積盆地地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，對于具體區(qū)域和場地尺度的封存潛力評估有必要開展相應(yīng)數(shù)值模擬和室內(nèi)實驗研究，確定相對精準(zhǔn)、可靠的封存系數(shù)。

CSLF（碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇）在容積法的基礎(chǔ)上提出封存潛力由構(gòu)造封存、殘余氣封存、溶解封存構(gòu)成[10]，對封存潛力的評估更為準(zhǔn)確，被廣泛應(yīng)用。其中構(gòu)造封存量公式為：

式中：Vt為鹽水層構(gòu)造封存圈閉體積，單位m3；Sw為鹽水層的殘余水飽和度，單位%。

基于DOE 方法，刁玉杰等[11]和師慶三[12]對四川盆地、新疆吐哈盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地的理論封存量進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)在不同沉積盆地中，相比油氣藏和煤層，鹽水層均具有最大的封存潛力。李琦等[13]考慮沉積盆地類型的復(fù)雜性將中國主要沉積盆地分為3 類，利用DOE 公式計算得到了25 個主要沉積盆地鹽水層的有效封存量。

基于構(gòu)造封存機(jī)理的潛力評估方法涉及參數(shù)少，計算簡便，但該方法得到的封存量是一個整體概念，不同學(xué)者對同一目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行潛力評估時，考慮到參數(shù)選取過程中的各種因素影響，最終結(jié)果會有很大差異，如刁玉杰等[11]和李琦等[13]評估四川盆地鹽水層的封存量分別為154.20×108t、90.72×108t，兩者相差41.17%。此外，該方法未考慮目標(biāo)儲層的具體物性，如有效孔隙度、有效厚度及非均質(zhì)性的影響[14]，且沒有包含CO2在水中的溶解，只能大概反映鹽水層的封存潛力，具有一定參考價值，但準(zhǔn)確性較低。

1.2 殘余氣封存

1.2.1 殘余氣封存機(jī)理

CO2注入到地層后不斷運移，在羽流前緣驅(qū)替孔隙中的水，逐漸從構(gòu)造封存圈閉的連續(xù)體分離，部分CO2由于潤濕性差異以及毛管力作用不能通過瓶頸狀的孔隙，將以殘余氣形式封存[4]。殘余氣封存是一種較為穩(wěn)定的物理封存方式，作用時間尺度從注入開始持續(xù)幾十年，與構(gòu)造封存相比安全性更高，同時受地層溫度壓力、孔滲特征、潤濕性等因素影響。該機(jī)理主要發(fā)生在微觀尺度上，若將這種機(jī)理擴(kuò)展到幾十米厚、幾千米寬的儲層中，其封存量非常可觀。

1.2.2 殘余氣封存量計算

根據(jù)CSLF 提出的計算方法[10]，殘余氣封存量計算式如下：

式中：mr為殘余氣封存理論封存量，單位kg；ΔVt為殘余氣封存體積，單位m3；SCO2為殘余氣飽和度，單位%。

殘余氣封存體積隨時間不斷變化，隨CO2的擴(kuò)散和運移而增加。因此，對該封存方式的潛力評估應(yīng)基于某一時間點。諸多學(xué)者通過實驗測定殘余氣飽和度，對殘余氣封存規(guī)律進(jìn)行研究[15?16]，但對其整體的定量評價研究較少，一般通過數(shù)值模擬對封存量進(jìn)行評估。當(dāng)CO2通過儲層巖石，且地層水重新滲入被CO2占據(jù)的孔隙空間時，殘余氣封存機(jī)理才發(fā)揮作用，故常與溶解封存同時出現(xiàn)，對目標(biāo)鹽水層評估封存潛力時應(yīng)將殘余氣封存和溶解封存結(jié)合起來考慮。

1.3 溶解封存

1.3.1 溶解封存機(jī)理

CO2注入鹽水層后溶解在地層水中發(fā)生對流和擴(kuò)散，水解生成的HCO?3、CO2?3和地層水中Ca2+、Mg2+等離子反應(yīng)生成穩(wěn)定碳酸鹽沉淀，實現(xiàn)溶解封存[17]。以Ca2+為例：

CO2注入鹽水層后始終與地層水接觸發(fā)生溶解封存，作用時間為幾百年至幾千年，屬于一種比較穩(wěn)定的化學(xué)封存方式，安全性僅次于礦物封存。

1.3.2 溶解封存量計算

在進(jìn)行碳封存之前，地層原本有一部分無機(jī)碳溶解在水中，即初始含碳量，但由于地層水在地表條件下會不斷析出氣體，初始含碳量難以確定。BACHU 等[18]的研究表明，在不考慮鹽水層初始含碳量的情況下，計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計算封存量[10]：

簡化后：

式（8）—式（9）中：mb為溶解封存理論封存量，單位kg；ρs為飽和CO2后的密度，單位kg/m3；ρi為地層水初始密度，單位kg/m3；為飽和CO2后的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，單位%；為地層水初始的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)，單位%；RCO2為地層水的CO2溶解度，單位mol/kg；MCO2為CO2摩爾質(zhì)量，取0.044 kg/mol。

李小春等[19]在CSLF 簡化公式基礎(chǔ)上，提出了考慮實際面積和厚度的潛力評價公式，見式（10），并且計算出中國主要沉積盆地鹽水層的有效封存量為1.435 05×1011t。

式中：Gb為溶解封存有效封存量，單位kg；a為封存實際面積占總面積的比例，取經(jīng)驗值0.01；η為封存實際厚度占總厚度的比例，取經(jīng)驗值0.1。

項力等[20]和楊章賢等[21]先后采用CSLF簡化公式對安徽盆地鹽水層的理論封存潛力進(jìn)行了計算，最終得出安徽盆地的封存量分別為886.31×108t、886.86×108t，評估結(jié)果相差不大。

以上方法均利用了CO2溶解度計算溶解封存量，溶解度是決定溶解封存量的關(guān)鍵參數(shù)，主要受儲層溫度和壓力、地層水礦化度以及pH值等因素影響，在低溫、高壓及低礦化度環(huán)境中溶解度較高[22]，一般根據(jù)DUAN等模型確定取值[23]。溶解封存潛力評估除了忽略初始含碳量，還要確保地層水飽和CO2后不會再有礦物溶解或析出，事實上，考慮到儲層的非均質(zhì)性，儲層不可能完全被飽和，所以該方法計算精度不高。

1.4 礦物封存

1.4.1 礦物封存機(jī)理

礦物封存是CO2溶解到水中形成弱酸溶液后，與巖石中富含鈣、鎂的礦物反應(yīng)生成沉淀，經(jīng)歷長時間后轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的碳酸鹽礦物，實現(xiàn)永久性碳封存[4]，主要受地層巖石礦物和流體之間的化學(xué)反應(yīng)影響。地層礦物種類主要包括碳酸鹽類、硅酸鹽類及石英（基本不發(fā)生反應(yīng)）等，在封存過程中CO2與礦物發(fā)生溶解、氧化還原等反應(yīng)，導(dǎo)致礦物類型和含量不斷變化，既會產(chǎn)生礦物沉淀，又會發(fā)生礦物溶解，嚴(yán)重影響儲層孔隙結(jié)構(gòu)。CO2與不同巖石礦物的反應(yīng)式[24?25]見表1。

表1 CO2與不同巖石礦物的反應(yīng)式Table 1 Chemical reaction formulas between CO2 and different rock minerals

與其他封存機(jī)理相比，礦物封存所需時間更長，安全性得到了提高。由于最終生成穩(wěn)定固體沉淀，礦物封存目前被認(rèn)為是最安全可靠的封存方式。CO2注入后便開始發(fā)生礦物封存，但反應(yīng)速度緩慢，通常是項目考慮的次要部分。由于儲層具有非均質(zhì)性，礦物種類繁多，當(dāng)CO2注入特定巖石（如玄武巖）中，可使大部分CO2在封存期間迅速礦化，封存量不容忽視。

1.4.2 礦物封存量計算

由于復(fù)雜性強(qiáng)、時間尺度大以及影響因素眾多，目前關(guān)于礦物封存量的計算公式很少，準(zhǔn)確評價礦物封存潛力尚需深入研究。不少學(xué)者通過室內(nèi)實驗或數(shù)值模擬對地層中的主要礦物封存量進(jìn)行研究，XU 等[26]通過TOUGHREACT 假設(shè)原生礦物完全溶蝕，計算出了不同礦物的最大封存量。李萬倫等[27]針對玄武巖CO2封存總結(jié)了其封存機(jī)理及影響因素，發(fā)現(xiàn)該封存方法安全性強(qiáng)且具有永久性。DING等[28]假設(shè)一年內(nèi)礦物封存的速率保持不變，提出在不同時間點對以年為單位進(jìn)行封存潛力評估：

式中：mm為礦物封存理論封存量，單位kg；r為礦物溶解速率，單位mol/s；t為封存時間，單位a。

構(gòu)造封存、殘余氣封存、溶解封存和礦物封存4種封存機(jī)理在安全性、封存量上有很大的區(qū)別（圖2），隨著時間增長，封存機(jī)理安全性依次升高。由于與蓋層封閉性、完整性及滲透性相關(guān)，構(gòu)造封存安全性最差。在長期封存過程中，往往不是單一封存機(jī)理發(fā)揮作用，起主導(dǎo)作用的機(jī)理不斷發(fā)生變化[29]。CO2開始注入時，構(gòu)造封存起主導(dǎo)作用；隨著時間增長，殘余氣封存和溶解封存的作用逐漸變大；伴隨時間的進(jìn)一步推移，礦物封存也開始發(fā)揮作用，封存穩(wěn)定性和安全性隨著時間增長不斷增長。

圖2 封存機(jī)理隨時間的變化[2]Fig.2 Variation of storage mechanisms over time[2]

在同一時間內(nèi)4 種封存機(jī)理同時存在，鹽水層CO2封存潛力是4種封存機(jī)理的封存量之和，即：

式中：mCO2為鹽水層CO2地質(zhì)封存潛力，單位kg。

對于開放構(gòu)造儲層，由于存在水動力作用，在長時間尺度范圍內(nèi)，地質(zhì)構(gòu)造中圈閉的CO2可認(rèn)為完全溶解在水中，即構(gòu)造封存轉(zhuǎn)化為了溶解封存，而礦物封存反應(yīng)速率遠(yuǎn)小于CO2溶解速率。故鹽水層中CO2封存潛力可認(rèn)為由殘余氣封存和溶解封存構(gòu)成[30?31]，即：

徐威等[32]采用此方法對松遼盆地鹽水層的封存潛力進(jìn)行評估，考慮了儲層孔隙度的不確定性得到理論封存量約（4.14～5.72）×1011t，并與巫潤建等[33]采用式（3）的計算結(jié)果進(jìn)行對比，證實評估結(jié)果具有一定可靠性。張冰等[34]基于此方法估算了鄂爾多斯盆地3個主要一級構(gòu)造單元的鹽水層封存潛力，得到其有效封存量為133.2×108t。李松等[35]通過TOUGH2模擬計算了江漢盆地鹽水層的理論封存量，與利用式（13）計算的實際封存量進(jìn)行對比得到了該鹽水層的有效封存系數(shù)?；谝陨戏治?，對于具有開放構(gòu)造和豐富水文地質(zhì)作用的鹽水層，推薦采用殘余氣封存和溶解封存結(jié)合的方法評估封存潛力。

2 鹽水層CO2封存適宜性評價方法

2.1 CO2封存潛力分級

根據(jù)碳封存適宜性評價的實際需要，CSLF 提出將封存潛力的評估分為理論封存量、有效封存量、實際封存量和匹配封存量，形成了封存潛力金字塔模型。理論封存量為未考慮物理極限、技術(shù)水平、經(jīng)濟(jì)能力和法律法規(guī)等因素制約的最大封存量；有效封存量是考慮了儲層物性、封閉性、封存深度等因素影響的封存量；實際封存量表示考慮到當(dāng)前技術(shù)條件、法律及政策、基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)條件等因素影響的封存量；匹配封存量是根據(jù)源匯匹配得到的最終封存量。鹽水層CO2封存潛力評估需要確定理論封存量和有效封存量。

鹽水層CO2封存潛力適宜性評價的指標(biāo)以及各指標(biāo)權(quán)重、分析方法目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一般根據(jù)目標(biāo)地區(qū)地質(zhì)條件、評估目的等自行制定。在充分考慮中國地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜性、碳封存條件特殊性等因素，借鑒CSLF 和國內(nèi)外相關(guān)研究成果，中國地質(zhì)調(diào)查局將CO2地質(zhì)封存潛力與適宜性評價工作劃分為國家級、盆地級、目標(biāo)區(qū)級、場地級和灌注級5 個評價階段，明確了各階段的目的和任務(wù)（表2）。

對于鹽水層封存，合適的場所選址是保證封存安全性和經(jīng)濟(jì)性的重要基礎(chǔ)。目前國內(nèi)外針對CO2地質(zhì)封存適宜性的評估開展了大量工作，從研究尺度來看，總體可分為針對盆地、目標(biāo)區(qū)級尺度的封存適宜性評價體系和針對具體場地的篩選和評價方法。

2.1.1 盆地、目標(biāo)區(qū)級尺度封存評價體系

凡是對于文術(shù)，自有主張的作家，他所賴以發(fā)表和流布自己的主張的手段，倒不在作文心、文則、詩品、詩話，而在出選本。選本可以借古人的文章，寓自己的意見。博覽群籍，采其合于自己意見的為一集，一法也，如《文選》是。擇取一書，刪其不合于自己意見的為一新書，又一法也，如《唐人萬首絕句選》是。［16］

BACHU[37]在2003年針對CO2地質(zhì)封存提出了一套包含15 個指標(biāo)的盆地級封存評價體系，并利用該體系對加拿大的沉積盆地進(jìn)行了適宜性評價。此后在該評價體系基礎(chǔ)上，不斷有學(xué)者對其進(jìn)行拓展、延伸，綜合考慮地質(zhì)條件、環(huán)境健康、封存安全和經(jīng)濟(jì)等因素，形成了一系列封存評價體系。WEI 等[38]在BACHU 的評價體系基礎(chǔ)上對其進(jìn)行細(xì)化，根據(jù)封存潛力優(yōu)化、風(fēng)險最小化、環(huán)境限制、經(jīng)濟(jì)4個方面對中國大陸盆地封存適宜性進(jìn)行了初步評估，但在經(jīng)濟(jì)方面僅考慮了源匯匹配因素。楊國強(qiáng)等[39]通過模糊綜合評價法結(jié)合松遼盆地地質(zhì)條件，對盆地內(nèi)6個一級構(gòu)造單元進(jìn)行了適宜性評價，建立了包含封存條件、封存潛力、安全性和經(jīng)濟(jì)性4 個方面及20 個指標(biāo)的評價指標(biāo)體系。李甫成等[40]和楊霄翼等[41]均采用AHP（層次分析法）建立了以封存安全性、技術(shù)性、社會環(huán)境風(fēng)險和經(jīng)濟(jì)條件為準(zhǔn)則的評價體系，不過前者的評價體系側(cè)重點在于安全性，后者著重考慮技術(shù)因素，使指標(biāo)權(quán)重各有差異。鄭長遠(yuǎn)等[42]根據(jù)ArcGIS 系統(tǒng)將封存適宜性信息圖和指標(biāo)評價圖兩者結(jié)合起來，將西寧盆地劃分為3類適宜性區(qū)域。楊紅等[43]除了根據(jù)指標(biāo)體系對鄂爾多斯盆地封存適應(yīng)性進(jìn)行評價，還通過實驗手段對指標(biāo)體系中蓋層封閉性進(jìn)一步驗證，并基于殘余氣封存和溶解封存機(jī)理對鹽水層的封存潛力進(jìn)行了評估。

2.1.2 具體場地的篩選和評價方法

OLDENBURG[44]基于封存泄露引起的HSE（健康、安全、環(huán)境）風(fēng)險評估提出了SRF（篩選排名結(jié)構(gòu)）方法，適用于場地級封存的早期篩選和排序。RAMíREZ 等[45]提出根據(jù)3 個標(biāo)準(zhǔn)（封存容量、封存成本和安全風(fēng)險）的工程場地篩選和評價方法，對荷蘭儲層多個適合長期大規(guī)模封存地點進(jìn)行了初步篩選和排序。刁玉杰等[46?47]針對地質(zhì)封存的安全性因素和儲蓋層條件，先后建立了相應(yīng)的封存評價指標(biāo)體系。針對綜合性評價體系，郭建強(qiáng)等[48]提出了多尺度目標(biāo)逼近的選址方法，將選址程序劃分為規(guī)劃選址和工程選址2 個階段。孟慶輝等[49]基于模糊數(shù)學(xué)法建立了地質(zhì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)3 類因素的場地級封存評價體系，并著重考慮了地質(zhì)因素中儲蓋層條件，提出將工程場地篩選與評價劃分為初次篩選、二次篩選、綜合評價、數(shù)值模擬和有效封存量評估5 個工作階段。LYU 等[50]結(jié)合地層分析方法和AHP，通過建立兩級模糊綜合評價數(shù)學(xué)模型，優(yōu)選出渤海灣盆地板橋凹陷附近的CO2地質(zhì)封存適宜性區(qū)域，但指標(biāo)體系僅包含10個指標(biāo)，實用性不強(qiáng)。

2.2 CO2地質(zhì)封存適宜性評價指標(biāo)體系

通過總結(jié)歸納近年來國內(nèi)外的鹽水層CO2地質(zhì)封存適宜性評價體系，基于對《中國二氧化碳地質(zhì)封存選址指南研究》[51]進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，建立適用于鹽水層的封存適宜性評價指標(biāo)體系，為CO2地質(zhì)封存場地的篩選評估提供科學(xué)依據(jù)，為開展全國性封存適宜性評價工作提供參考。

2.2.1 評價指標(biāo)體系的建立

CO2地質(zhì)封存場地選址受自然地理條件、氣候條件、社會經(jīng)濟(jì)條件、交通條件以及工程技術(shù)條件等諸多因素的影響[52]。因此，從以下4個方面建立了具有層次分析結(jié)構(gòu)的鹽水層CO2地質(zhì)封存適宜性評價體系，使評價體系具有廣泛的適用性（表3）。

表3 鹽水層CO2地質(zhì)封存適宜性評價指標(biāo)體系Table 3 Indicator system for suitability evaluation of CO2 geological sequestration in saline aquifers

1）安全性指標(biāo)。CO2注入到鹽水層后可能通過蓋層裂縫、地層斷層、水動力系統(tǒng)等泄露。因此，安全性指標(biāo)包括蓋層封閉性、斷裂條件、地震火山條件和水動力條件等。

3）經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。由于缺少碳稅政策推動，目前在中國開展碳封存需要合理考慮碳源、運輸條件和收益等指標(biāo)，達(dá)到以較少的投資實現(xiàn)封存的目的。

4）社會環(huán)境指標(biāo)。建立適宜性評價指標(biāo)體系必須考慮社會環(huán)境和自然環(huán)境，社會認(rèn)可條件、地理位置等因素會對當(dāng)?shù)亻_展CO2地質(zhì)封存工程產(chǎn)生一定的影響。

2.2.2 指標(biāo)權(quán)重的確定

層次分析法可將經(jīng)驗思維數(shù)量化，檢驗決策者判斷的一致性，有利于實現(xiàn)定量化系統(tǒng)性評價[53?54]。采用層次分析法確定適宜性評價體系中各指標(biāo)的權(quán)重，具體步驟如下：

1）根據(jù)總結(jié)近年來國內(nèi)外的鹽水層CO2封存適宜性評價體系，確定評價體系的4 個指標(biāo)層及30 個評價指標(biāo)，對指標(biāo)體系各指標(biāo)間的關(guān)系進(jìn)行分析，建立系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)。

2）對同一層次上各指標(biāo)對上層次準(zhǔn)則的相對重要性進(jìn)行兩兩比較，賦予對應(yīng)標(biāo)度值，構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣。由于篇幅關(guān)系，僅以評價指標(biāo)層為例，給出判斷矩陣。

在指標(biāo)層中，安全性是鹽水層CO2地質(zhì)封存考慮的首要因素，故安全性相對于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會環(huán)境的標(biāo)度分別為4/3、3、3。經(jīng)濟(jì)和社會環(huán)境也是必須要考慮的因素，但相對技術(shù)性指標(biāo)處于次要的地位，故指標(biāo)評價層判斷矩陣如表4所示。

表4 指標(biāo)評價層的判斷矩陣Table 4 Judgement matrix of criterion layers

3）根據(jù)判斷矩陣計算被比較指標(biāo)的相對權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗，若一致性比率PCR<0.1 時，判斷矩陣具有滿意的一致性，取值合理。若判斷矩陣不滿足一致性檢驗，需調(diào)整相應(yīng)指標(biāo)的標(biāo)度值。指標(biāo)評價層的最大特征根λ=4.010 4，一致性比率PCR=0.003 9遠(yuǎn)小于0.1，滿足一致性檢驗（表5）。

表5 指標(biāo)評價層的層次分析結(jié)果Table 5 AHP results of criterion layers

4）計算各層指標(biāo)合成權(quán)重，并進(jìn)行排序。不同指標(biāo)層的判斷矩陣一致性比率最大為0.023，遠(yuǎn)小于0.1，說明求取的權(quán)重值合理，最終確定了評價體系指標(biāo)的合成權(quán)重。

在30 個適宜性評價指標(biāo)中，單位面積推定潛力的相對重要性最高，所占權(quán)重為0.077 3，同時出于對封存安全性的考量，水動力作用和蓋層分布連續(xù)性相對其他指標(biāo)也比較重要，地表溫度的權(quán)重最低，僅為0.006 8。

2.2.3 適宜性評價體系

結(jié)合BACHU[37]的評價指標(biāo)體系和文獻(xiàn)[55]，將評價指標(biāo)分為適宜、較適宜、一般、較不適宜和不適宜5個等級，對應(yīng)分?jǐn)?shù)分別為9、7、5、3和1，并結(jié)合相應(yīng)權(quán)重，根據(jù)式（14）獲取鹽水層適宜性評價分?jǐn)?shù)：

式中：P是鹽水層封存適宜性評價綜合分?jǐn)?shù)；n為評價指標(biāo)的總數(shù)；Pi和Ai分別是第i個評價指標(biāo)的分值和權(quán)重。

最終根據(jù)綜合評價得分，判斷目標(biāo)鹽水層是否適合CO2地質(zhì)封存，評價標(biāo)準(zhǔn)：P>8 為適宜，8≥P>6 為較適宜，6≥P>4 為一般適宜，4≥P>2 為較不適宜，2≥P為不適宜。

根據(jù)文獻(xiàn)資料收集整理數(shù)據(jù)，對鄂爾多斯盆地的CO2封存適宜性進(jìn)行綜合評估，最終得到評價值為7.09，可以發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地的評價結(jié)果是較適宜CO2地質(zhì)封存的。

3 結(jié)論及建議

1）對鹽水層CO2地質(zhì)封存的構(gòu)造封存、殘余氣封存、溶解封存、礦物封存4 種封存機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)闡述，基于封存機(jī)理對封存潛力評估方法進(jìn)行了梳理分析，對于具有開放構(gòu)造和豐富水文地質(zhì)作用的鹽水層，推薦采用殘余氣封存和溶解封存結(jié)合的方法計算封存量。

2）構(gòu)建了鹽水層CO2地質(zhì)封存適宜性評價指標(biāo)體系，概括為安全、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會環(huán)境4類評價指標(biāo)層以及30個評價指標(biāo)。基于層次分析法得到了各評價指標(biāo)的權(quán)重，為開展全國性的CO2封存適宜性評價工作提供參考。

3）由于中國沉積盆地地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，對鹽水層CO2封存潛力評估時選取儲層參數(shù)差異較大，建議針對具體區(qū)域和場地尺度開展相應(yīng)數(shù)值模擬和室內(nèi)實驗研究，確定相對精準(zhǔn)、可靠的封存系數(shù)，為鹽水層CO2封存選址提供可靠依據(jù)。