华北平原CO2地下埋存潜力研究

以CO2地质埋存的观点开展华北平原CO2埋存地质学研究,通过对主要地质要素的分析,阐述冀中坳陷的地质背景和构造演化,提出在华北平原具有3层区域性的CO2封盖-储存结构: 即顶层馆陶组-明化镇组组合,中层古近系多次湖盆演化形成的储盖组合以及底层古潜山碳酸盐岩储层,并且对它们的岩石性质、圈闭类型与水文地质特征进行较详细的论述,同时讨论了埋存地区的构造稳定性,初步评估冀中坳陷CO2埋存潜力,建议将冀中坳陷列为CO2地下封存的试验候选区。     

中国CO2地质埋存条件分析及有关建议

化石燃料燃烧产生的温室气体导致全球气候变暖是人类共同面临的重大环境问题.本文提出减排大气CO2含量最为现实和有效的对策是采取CO2地质埋存技术.在总结国际CO2地质埋存研究成果的基础上,全面分析了中国适宜CO2埋存的地质条件和潜在的埋存区域.初步估算,中国CO2地下贮存总容量约为14548×108t.建议近期加强中国CO2埋存地质条件调查和相关重大科技问题的研究.     

盐水层温室气体地质埋存机理及潜力计算方法评价

针对盐水层CO2地质埋存评价要求,提出了盐水层CO2埋存机理以及埋存潜力计算方法。CO2在盐水层中的埋存机理包括水力圈闭、残余气圈闭、溶解埋存和矿物埋存等4种基本方式。水力圈闭是CO2向上运动到达致密隔层受到遮挡后,在地质体中聚集,形成CO2气相埋存;残余气圈闭是由于驱替和吸吮相渗滞后现象存在,部分CO2以残余气形式被圈闭;溶解埋存是CO2溶解在水中,与水中的钙、镁、铁等离子发生反应生成碳酸盐矿物,实现CO2圈闭;矿物埋存是CO2与储层岩石发生缓慢的化学反应,形成碳酸盐矿物或HCO3-实现CO2封存。各种埋存方式随埋存时间不同,发挥的作用不一样,埋存安全性级别各不相同。埋存潜力只由残余气圈闭和溶解圈闭两部分构成。在此基础上,提出了埋存潜力计算公式及参数确定方法。埋存机理及潜力计算方法的提出为盐水层目标区CO2地质埋存评价提供了方法基础。     

黑龙江林甸地区深部咸水层CO2地质储存条件与潜力评估

CO₂地质储存是减少碳排放、缓解温室效应的有效措施。经地热勘探与综合研究,黑龙江林甸地区埋藏深度940～2062 m的中生代白垩系泉头组三四段、青山口组和姚家组砂岩层状地层中蕴含丰富的咸水,溶解性总固体可达2000～9000 mg/L,孔隙发育较好,水流速缓慢,其上盖层以白垩系嫩江组、四方台组、明水组的层状泥质岩为主,厚度为800～1300 m,未被主要断裂带穿透,封闭良好,决定了其可以作为储存CO₂的良好地质储体。同时,大庆市紧邻林甸地区,化工企业众多,碳源集中且充足,规模大,距离短,为研究区的CO₂地质储存提供了有利条件。因林甸地区油气资源匮乏,缺少石油井,本次工作首次利用地热勘探井,根据CO₂地质储存技术机理,采用国际权威潜力评估公式,开展了深部咸水层CO₂地质储存的潜力评估。结果表明,其深部咸水层CO₂理论储存量为478.91×108 t,有效储存量为11.49×108 t,储存潜力较大,未来可作为大庆、齐齐哈尔等邻近城市减碳的地质储存场所。此项工作的开展,为林甸地区下一步实施CO₂地质储存适宜性评价、目标靶区筛选和场地选址及示范工程建设提供了技术支撑。     

南海西部盐水层CO2埋存潜力评估

南海西部东方1-1、崖城13-1和乐东等气田具有CO2含量高的特点,每年从生产出的天然气中分离出大量的CO2。为了减少CO2在大气中的排放,考虑在莺歌海地区选择合适的盐水层埋存体,拟进行CO2地质埋存示范工程。根据CO2在盐水层中的各种埋存机理,并考虑盐水层构造特征对CO2运移分布的影响,提出了一种较为准确的CO2埋存潜力评估方法,并利用此方法对筛选出的5个备选盐水层进行了评估。评估结果表明,各盐水层埋存潜力巨大,都远远大于示范工程期限内预计的CO2埋存总量,并可将这些盐水层作为将来海南省及临近广东省人为CO2的埋存场所。南海西部东方1-1、崖城13-1和乐东等气田具有CO2含量高的特点,每年从生产出的天然气中分离出大量的CO2。为了减少CO2在大气中的排放,考虑在莺歌海地区选择合适的盐水层埋存体,拟进行CO2地质埋存示范工程。根据CO2在盐水层中的各种埋存机理,并考虑盐水层构造特征对CO2运移分布的影响,提出了一种较为准确的CO2埋存潜力评估方法,并利用此方法对筛选出的5个备选盐水层进行了评估。评估结果表明,各盐水层埋存潜力巨大,都远远大于示范工程期限内预计的CO2埋存总量,并可将这些盐水层作为将来海南省及临近广东省人为CO2的埋存场所。     

CO2的地质埋存与资源化利用进展

把CO2注入油气藏、煤层提高油气采收率的方法(CO2-EOR、CO2-EGR、CO2-ECBM),因其在提高石油、天然气和煤层气采收率的同时,又能使一部分CO2永久地埋存于地下,实现油气增产和CO2减排的双赢效果,而成为当今CO2减排最具潜力的现实选择.CO2-EOR(Enhanced Oil Recovery)方法适用于油田开发晚期,通过把CO2注入到比较稳定的油藏,一般可提高油藏采收率达10%～15%;另外把CO2注入到气田中,实施CO2-EGR(Enhanced Gas Recovery).一方面,接近枯竭的气田在没有地层水入侵之前具有巨大的埋存能力,为CO2提供巨大的埋存空间;另一方面注入CO2后,使地层重新增压保持储层中原始的压力,可以保持储层的完整性和安全性.同时,原有的油气圈闭可作为良好的埋存箱能有效地阻止CO2泄漏,使部分CO2能永久地埋存于地下.此外,也可以把CO2注入到煤层中,实施CO2-ECBM(Enhanced Coalbed Methane Recovery),利用煤层对CO2和煤层气(主要为甲烷)吸附能力的差异,实现CO2排替CH4,提高CH4的采收率.     

中国西北地区超基性岩封存CO2潜力研究

超基性岩可通过碳酸盐化生成稳定的碳酸盐矿物,它是一种以地球化学手段有效且永久封存CO2的矿物。在自然界中矿物封存CO2可通过风化作用自发发生,人工干预能进一步提升碳酸盐化反应效率,促进工业化进程。笔者基于最新1∶100万西北地质图及数据库,试图对西北地区分布的超基性岩的封存潜力进行理论评估。结果表明,西北地区超基性岩封存CO2量可达963.23亿t,其中新疆超基性岩CO2封存量最大,可达613.52亿t,占西北地区总封存量的63.69%。西北地区超基性岩封存CO2量大致相当于全国2021年CO2排放量的10倍,在完全释放其固碳潜力的情况下,初步静态估算可封存全国CO2排放量约10年。因此,西北地区超基性岩封存CO2潜力巨大。未来,应针对单个超基性岩体收集已有大比例尺精细基础地质调查数据,并补充性开展调查及研究工作,进一步圈定CO2地质封存的有利靶区,促进超基性岩封存CO2的地质解决方案成为未来碳中和目标在西北地区落地实现的最优方案之一。     

国内外CO2地质封存潜力评价方法研究现状

碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage,CCS)技术作为缓解全球气候变暖、减少CO2排放的有效路径之一,其潜力评估至关重要。目前CCS技术主要包括CO2强化石油(天然气)开采封存技术、CO2驱替煤层气封存技术以及咸水层CO2封存技术3类。各类封存技术利用了不同的封存机制,其潜力评估方法也略有差别。油气藏封存和咸水层封存主要利用了构造圈闭储存、束缚空间储存、溶解储存、矿化储存等封存机制,煤层气封存主要利用了吸附封存机制。国内外学者和机构针对各类封存技术提出了相应的计算方法,依据其计算原理可归纳为4类: 物质平衡封存量计算法、有效容积封存量计算法、溶解机制封存量计算法以及考虑多种捕获机制的综合封存量计算法。通过对各类经典方法及其计算原理进行综述,剖析潜力封存量计算方法的内涵原理和应用场景,分析了CO2地质封存潜力评价方法在实际应用中面临的问题,有助于提升我国的CCS潜力评价质量。     

松辽盆地咸含水层埋存CO2储存容量初步估算

沉积盆地深部存在体积巨大的咸含水层,是很好的埋存CO2的地质储体。可靠合理的估计CO2储存容量是选择场址的重要前提。目前国际上较为通用的评价CO2储存容量是金字塔评价方法。松辽盆地咸含水层岩性以白垩系的嫩江组砂岩和青山口组砂岩为主,空隙发育较好,盖层连续完整且封闭良好,决定了其可以作为储存CO2的地质储体。以松辽盆地为实例,估算了咸含水层CO2理论储存容量大约为6916Gt。     

CO2地质埋存渗漏风险及补救对策

目前,将CO2埋存于地下深部地质构造（如油气藏、煤层、地下含水层及岩溶盐腔）的减排方案能有效地减缓温室效应而备受关注。无论什么储集体,我们都希望CO2在地下埋存的时间越长越好。然而,对于一项具体工程的实施,必然存在一些客观和主观因素造成CO2渗漏,比如废弃井的不完善或不合理处理、地层断裂系统和水动力系统以及地震所造成的渗漏等等。存在渗漏就可能会对周围人和生态环境造成危害。因此,进行CO2地质埋存的风险评估是相当有必要的,是我们能长期有效安全地进行该项减排方案必不可少的基础和保证。本文即想从建立一套完整的风险评估、管理和监测体系的角度并以加拿大Weyburn油田为例,深入分析CO2地质埋存中可能存在的渗漏风险和途径,建立CO2渗漏风险评估机制,并针对具体的渗漏可能性提出相应的补救对策,为全球范围内,尤其对我国刚刚开展CO2地质埋存研究工作提供一些有益的思路。     

深部咸含水层CO2注入下压力抬升与流体迁移的大尺度模拟研究:以松辽盆地为例

地下深部封存CO2已经被公认是人类削减温室气体排放的一条有效而又科学的途径。深部咸含水层CO2地质封存因封存潜力巨大,技术可行,且已有实际的工程运行,因而备受关注。松辽盆地是中国潜在的CO2储存场地之一,选择松辽盆地为大尺度模拟研究对象,选取姚家组砂岩层为储层,选取嫩江组泥岩为盖层,运用TOUGH-MP并行计算代码建立了覆盖整个松辽盆地的三维地质模型,在中央凹陷区开展大尺度CO2注入模拟研究,包括CO2运移、储存、地层压力提升以及储存安全性等问题。模拟结果表明:持续注入100a后形成的CO2羽远小于产生的压力积聚区影响范围。注入产生的压力抬升将在注入停止后迅速消散,不会对区域地层压力和浅层地下水系统产生显著影响。在千年之内注入的CO2将随着时间持续,逐渐溶解于水中,而不会因盖层微弱的渗透性而逃逸。     

Sedimentary Characteristics of the Cretaceous in the Songliao Basin

The rupture of the lithosphere in Late Jurassic brought about the eruption of basaltic magma in the Songliao Basin. The evolution of the basin in Cretaceous progressed through six stages: pre-rift doming, extensional fracturing, fault subsidence, fault downwarping, downwarping and shringkage, resulting in the deposition of terrstrial facies nearly 10,000 m thick. There are different depositional sequences in these stages: the depositional period of the Early Cretaceous Shahezi and Yincheng Formations is the development stage of the down-faulted basin, forming a volcanic rock-alluvial fan-fan delta-lacustrine (intercalated with episodic turbidites)-swamp facies sequences; the period of the Early Cretaceous Dengluku Formation is the transformation stage of fault subsidence into fault downwarping of the basin, forming a sequence mainly of alluvial plain-lacustrine facies; the depositional period of the Early Cretaceous Quantou Formation-Late Cretaceous Nenjiang Formation is the downwarping stage of the basin, forming an alluvial plain-delta-lacustrine facies sequence; the period of the Late Cretaceous Sifangtai Formation-Mingshui Formation is the shringkage stage of the basin, forming again a sequence mainly of alluvial plain-alluvial fan and small relict lacustrine facies. These vertical depositional sequences fully display the sedimentary characteristics of a failed continental rift basin. Many facts indicate that the two large-scale lake invasions, synchronous with the global rise of sea level, which took place in the downwarping stage of the basin development, led to the connection between the lake and sea.     

松辽盆地北部上白垩统青山口—姚家组沉积相及层序地层界面特征

青山口组和姚家组形成于盆地演化的坳陷期，此时松辽湖盆北部发育富有特色的大型湖泊三角洲沉积，沿湖盆纵向长轴主要出现三角洲—湖相泥岩充填模式，发育三角洲和湖泊两种沉积相类型。从盆地边缘到盆地中心，沉积相由浅水三角洲逐渐变为湖泊沉积。其中青山口组主要发育滨湖、浅湖、半深湖—深湖沉积亚相；姚家组主要发育三角洲平原、三角洲前缘和前三角洲沉积亚相。岩心观察资料显示，研究区泉头组顶部至姚家组顶部共识别出6个沉积层序，相应有7个沉积层序界面，其中一个同时为超层序界面。层序界面附近主要见古土壤、冲刷面、钙质结核、削截等现象，层序界面之上覆盖鲕粒灰岩、生物屑灰岩，并见虫孔构造、黄铁矿等。     

松辽盆地后金沟剖面上白垩统烃源岩氧化还原环境重建

松辽盆地是中国大型陆相湖盆,其上白垩统嫩江组一段（K2n1） 和二段（K2n2） 烃源岩沉积时期的形成环境一直备受争议。文章选取盆地后金沟剖面为研究地区,通过测定和分析烃源岩中的稳定氮同位素等地球化学指标,重建了氧化还原条件。结果表明,后金沟剖面嫩一段（H 层位） 和嫩二段（N2 层位） 具有明显的差异：嫩二段相较嫩一段而言,有机碳（TOC） 值偏高、有机碳同位素（δ13Corg） 值负偏,而且稳定氮同位素（δ15N） 值偏小,一致指示海侵事件发生之后导致嫩二段形成了缺氧环境。结合微量元素比值分析,古生产力参数Ba/Al、Ba/Ca,反映嫩二段具有更高的生产力,这与TOC 的含量变化一致;Mo/Al、V/Cr 等氧化还原参数表明嫩二段沉积时的水体环境还原性更强,这与δ15N 值偏小指示嫩二段形成缺氧环境的结论相符,重建了沉积时期水体的氧化还原环境。研究结果不仅可以预测优质烃源岩的沉积分布,还可以为国内其它湖相页岩沉积环境的研究提供借鉴,为油气勘探提供新的依据。     

松辽盆地后金沟剖面上白垩统烃源岩氧化还原环境重建

松辽盆地是中国大型陆相湖盆，其上白垩统嫩江组一段（K2n1） 和二段（K2n2） 烃源岩沉积时期的形成环境一直备受争议。文章选取盆地后金沟剖面为研究地区，通过测定和分析烃源岩中的稳定氮同位素等地球化学指标，重建了氧化还原条件。结果表明，后金沟剖面嫩一段（H 层位） 和嫩二段（N2 层位） 具有明显的差异：嫩二段相较嫩一段而言，有机碳（TOC） 值偏高、有机碳同位素（δ13Corg） 值负偏，而且稳定氮同位素（δ15N） 值偏小，一致指示海侵事件发生之后导致嫩二段形成了缺氧环境。结合微量元素比值分析，古生产力参数Ba/Al、Ba/Ca，反映嫩二段具有更高的生产力，这与TOC 的含量变化一致；Mo/Al、V/Cr 等氧化还原参数表明嫩二段沉积时的水体环境还原性更强，这与δ15N 值偏小指示嫩二段形成缺氧环境的结论相符，重建了沉积时期水体的氧化还原环境。研究结果不仅可以预测优质烃源岩的沉积分布，还可以为国内其它湖相页岩沉积环境的研究提供借鉴，为油气勘探提供新的依据。     

松辽盆地西南部上白垩统姚家组原生黏土矿物组合特征及其找铀意义

黏土矿物是砂岩型铀矿表生成矿流体水-岩作用的重要产物。本文以岩心光谱扫描为主要技术手段,结合野外地质编录、偏光显微镜、扫描电镜等方法,首次对松辽盆地西南部钱家店铀矿床及远离矿区的88个钻孔超过9 000 m岩心进行了系统的蚀变矿物填图,提取了主要黏土矿物和Fe~(3+)氧化物信息。结果表明,主要产铀层位姚家组原生黏土矿物组合主要是"伊利石+(蒙脱石)伊蒙混层",仅有少量的高岭石、绿泥石,它们与松辽盆地北部具有相似特征,是沉积期古气候的响应。而成矿段中,高岭石含量与铀矿物具有明显正相关性,是成矿流体轨迹的重要指标。原生砂岩的黏土矿物、Fe~(3+)氧化物矿物(化)信息往往呈现成层性或韵律式变化,而经过成矿流体改造的砂岩,其黏土矿物、Fe~(3+)氧化物信息往往呈现"舌状"或"正态曲线状"的突然变化,这些特征可以成为原生砂岩颜色判别和后生成矿流体追踪的重要指标,它们对砂岩型铀矿成矿规律研究与找矿具有重要意义。     

Selection of coals of different maturities for CO2 Storage by modelling of CH4 and CO2 adsorption isotherms

CO₂ injection in unmineable coal seams could be one interesting option for both storage and methane recovery processes. The objective of this study is to compare and model pure gas sorption isotherms (CO₂ and CH₄) for well-characterised coals of different maturities to determine the most suitable coal for CO₂ storage. Carbon dioxide and methane adsorption on several coals have been investigated using a gravimetric adsorption method. The experiments were carried out using both CO₂ and CH₄ pure gases at 25 °C from 0.1 to 5 MPa (1 to 50 bar). The experimental results were fitted using Temkin's approach but also with the corrected Langmuir's and the corrected Tóth's equations. The two last approaches are more accurate from a thermodynamical point of view, and have the advantage of taking into account the fact that experimental data (isotherms) correspond to excess adsorption capacities. These approaches allow better quantification of the adsorbed gas. Determined CO₂ adsorption capacities are from 0.5 to 2 mmol/g of dry coal. Modelling provides also the affinity parameters of the two gases for the different coals. We have shown these parameters determined with adsorption models could be used for classification and first selection of coals for CO₂ storage. The affinity ratio ranges from a value close to 1 for immature coals to 41 for high rank coals like anthracites. This ratio allows selecting coals having high CO₂ adsorption capacities. In our case, the modelling study of a significant number of coals from various ranks shows that anthracites seem to have the highest CO₂ storage capacities. Our study provides high quality affinity parameters and values of CO₂ and CH₄ adsorption capacities on various coals for the future modelling of CO₂ injection in coal seams.     

松辽盆地含CO_2火山岩气藏的形成和分布

松辽盆地特有的深部构造背景和裂谷演化特征,造成盆地内含CO_2火山岩气藏的形成和富集。松辽裂谷盆地中新生代火山岩浆活动发育,总体上具有多期喷发、分布广泛和储集条件良好的特点。火山活动以中心式喷发为主,主要发育中基性-酸性火山岩,发育流纹岩、凝灰岩等多种岩石类型,爆发相和溢流相2种火山岩相。中生代火山岩在盆地内分布广泛,营域组构成深层有利储层,新生代火山岩在盆地外围出露较多,而在盆内出露较少。盆地高含量的二氧化碳为无机幔源成因,由青山口期和新生代幔源岩浆脱气形成。含CO_2火山岩气藏的形成主要受深部构造背景、深大断裂和中新生代火山岩控制。已发现含CO_2火山岩气藏主要分布于古中央隆起带及其两侧断陷的营城组火山岩中,具有点状、带状分布,局部富集的特点。根据主控因素分析,预测了5个CO_2富集区带。     

松辽盆地中央坳陷滨北地区上白垩统青山口组沉积相与沉积演化

通过岩心和测井资料分析,系统地研究了松辽盆地中央坳陷滨北地区上白垩统青山口组的沉积特征;采用单因素分析多因素综合作图法,编制出了研究区上白垩统青山口组各亚段的砂岩含量、暗色泥岩含量和紫红色泥岩含量等单因素图件,在此基础上做出沉积相图,深入分析了研究区沉积演化规律。研究表明,青山口组主要发育三角洲和湖泊2种沉积相,进一步分为三角洲平原、三角洲前缘、滨浅湖和半深湖-深湖4种沉积亚相。从研究区边缘到中心,沉积相类型由三角洲平原亚相渐变为三角洲前缘、滨浅湖和半深湖-深湖亚相;自下而上由半深湖-深湖亚相逐渐变为滨浅湖、三角洲前缘、三角洲平原亚相。青山口组沉积时期可划分为青山口组沉积早期、青山口组沉积中期和青山口组沉积晚期。不同时期、不同构造单元的沉积特征表现各异,从青山口组沉积早期到青山口组沉积晚期,研究区湖盆发育总体表现出规模由大到小的特点。