0 引言

全球气候变化是人类面临的共同挑战，已经由科学问题演变为国际社会普遍关注的全球性经济和政治问题。2013年联合国政府间气候变化专门委员会(intergovernmental panel on climate change,IPCC) 第五次评估报告认为，气候变化归因于人类活动所排放的温室气体的可能性超过了95%^[1]。我国华东和东部沿海地区分布有大量的火电、水泥和炼油等CO₂排放源^[2]，但由于距离陆域大中型沉积盆地较远^[3]，限制了规模化的深部咸水层CO₂地质储存工程选址。

国际上第一个商业CO₂地质储存项目——挪威北海Sleipner项目，已成功灌注了约1 000×10⁴ t CO₂，是目前最成功的CO₂地质储存工程，也验证了实施海洋深部咸水层CO₂地质储存的可行性和优越性。尽管国内外许多机构^[4-5]和学者^[6-9]就CO₂地质储存选址的原则和方法取得了大量的认识，但其大多局限于盆地尺度和陆域地区。另外，如何在我国地质资料缺乏、跨行业和部门的管理背景下，开展海洋CO₂地质储存区域尺度向场地尺度过渡的选址研究，仍然存在较大的挑战。

我国东南沿海典型的大型电厂——玉环电厂是由华能国际电力股份有限公司开发、建设的全资电厂，位于浙江省台州市玉环岛大麦屿开发区，地理位置见图 1。电厂现有4台1 000 MW超超临界机组，并拟建设3期2台1 000 MW超超临界机组。因此，在近海陆域无大中型沉积盆地的地质背景下，开展海域CO₂地质储存选址具有重要的示范意义。

本文从CO₂地质储存的技术经济角度出发，研究了以玉环电厂为中心、半径200 km范围内的海域沉积盆地，其主要涵盖东海陆架盆地的二级构造单元瓯江凹陷。瓯江凹陷总体呈NE—SW向展布，可划分为椒江凹陷、丽水西次凹、丽水东次凹、丽水南次凹以及灵峰构造带等构造单元^[10-11]。凹陷周边和内部的主断裂主要有丽西东断裂、丽南东断裂、丽东东断裂、椒江东断裂和椒江西断裂。瓯江凹陷自晚白垩世以来，经历了多期构造运动，盆地差异沉降非常显著，主要经历了晚白垩世—古新世裂陷阶段、始新世坳陷阶段、晚始新世—渐新世抬升阶段及新近纪—第四纪区域沉降阶段^[10]。

1 场地选址思路与适宜性评估方法 1.1 场地选址原则

欲实现深部咸水层CO₂地质储存必须满足CO₂以超临界流体态的形式储存于地下，即理论储存深度必须大于800 m^[4]。CO₂应地质储存相当于营造一个地下人工气藏，储存库既有可灌注性良好的储层，又有稳固的盖层；且区域地质构造稳定，地震、火山活动和活动断裂不发育，无贯通性的盖层裂缝、断裂和废弃井等地质缺陷风险因素，能够确保CO₂安全地质储存1 000 a以上；同时灌注场地地面工程不受地表不良地质作用影响，源汇匹配合理，成本相对较低，并符合当地政治经济规划、相关法律政策和环境保护目标要求^{[5, 8, 12]}。

因此，海洋CO₂地质储存场地选址总体与陆域类似，应该满足以下4个条件：1) 储存量大；2) 安全；3) 经济；4) 符合当地海洋发展战略和经济规划等。

1.2 场地选址思路

深部咸水层CO₂地质储存选址必须遵循“地下决定地上，地下顾及地上”的基本原则，即按照“地下有利储盖层圈定→地质安全性分析→经济适宜性分析”的步骤来依次开展：

1) 在分析研究区地质构造、沉积环境与沉积相、地层岩性及物性特征等基础上，划分目标储盖层，并初步确定出地下有利储存空间投影到地面的“目标靶区”。

2) 开展“目标靶区”的地质安全性和经济适宜性条件分析，从而为场地适宜性筛选评估奠定基础。

3) 在“目标靶区”CO₂地质储存条件研究的基础上，利用基于GIS的多源信息叠加评估技术，开展场地筛选、潜力与适宜性评估，进而推荐出适宜场地。

1.3 适宜性评估方法 1.3.1 基于GIS的多源信息叠加评估技术

运用多源信息叠加方法进行CO₂地质储存场地的选址研究^[13]，即以GIS的基本功能为工具，在系统分析CO₂地质储存影响因素的基础上，每个因素编制一张专题信息图。每张专题图生成一个信息存储层，经编辑后，先做单因素分析，然后再进行各主要控制因素的配准复合处理，形成一个复合叠加的新的信息存储层。在此基础上，构建场地选址适宜性评估模型，开展场地适宜性评估，进而筛选出适宜的场地。

1.3.2 适宜性评估数学模型

对优选出的目标靶区采用500 m×500 m的格网化GIS处理，首先对每个单因素编制的专题信息图进行关键因素一票否决，即剔除因不符合CO₂地质储存的单因子标准的网格单元；然后开展GIS空间分析和评估，采用公式为

式中：P为评估单元CO₂地质储存适宜性综合评分值；n为评估因子的总数；P_i为第i个评估指标的给定指数；A_i为第i个评估指标的权重。

单个指标适宜性分级：“好”赋值9分；“一般”赋值5分；“差”赋值1分；

评估结果适宜性分级：“适宜”分值范围7≤P≤9；“较适宜”5≤P＜7；“较不适宜”3≤P＜5；“不适宜”1≤P＜3。

1.3.3 适宜性评估指标体系构建

在综合考虑深部咸水层CO₂地质储存机理和瓯江凹陷地质条件的基础上，构建出综合储集条件、地质安全性条件和社会经济条件的场地选址指标体系，见表 1。各层次指标的权重采用层次分析法^[14]确定。

2 研究区地质条件与目标靶区优选

海洋咸水层CO₂地质储存即是以盆地内的沉积地层为研究对象，在现有资料支持下，深入分析研究区地质构造、沉积相、地层岩性及物性特征，从而科学地划分目标储盖层，优选出目标靶区。

2.1 储盖层地质分析

瓯江凹陷中、新生代沉积厚度达9 000 m，基底为中生代喷出岩、侵入岩与中元古代变质岩，发育上白垩统至第四系，缺失上始新统及渐新统。凹陷内新生界地层由老至新依次为：古新统月桂峰组(E₁y)、灵峰组(E₂l)、明月峰组(E₂m)，始新统瓯江组(E₂o)、平湖组(E₂p)，新近系玉泉组(N₁y)、柳浪组(N₁l)、三潭组(N₂s) 和第四系东海群(Qd)。

2.1.1 上白垩统石门潭组(K₂s)

类比邻区浙江金衢盆地，瓯江凹陷石门潭组顶部可能为“红层”或安山岩夹泥岩^[16]。若为红层，岩性为棕红、棕紫、深棕色泥岩与灰白色泥质粉砂岩、粉砂岩、细砂岩、含砾粗砂岩互层；砂岩平均孔隙度7.7%～25.3%，渗透率11.4×10^-3～259.8×10^-3 μm²，具有一定的储集条件，但非均质性较大^[17]、勘探程度较低。若为安山岩夹泥岩，不具备储集条件，而且具一定的封盖能力。

2.1.2 古近系(E)

古新统在瓯江凹陷研究程度较高，也是东海陆架盆地西部坳陷带油气生成、储集的勘探目标层系。

2.1.2.1 沉积环境与沉积相

1) 早古新世

在早古新世月桂峰组沉积期，瓯江凹陷的沉积范围较小。丽水西次凹与椒江凹陷相连为一个沉积单元，总体上呈滨—浅湖沉积，闽浙隆起区物源供给充足；丽水西次凹和椒江凹陷西部斜坡地形坡度较缓，发育4个小—中等规模三角洲—浅湖—半深湖沉积体系；丽水东次凹为一个独立的沉积单元，由雁荡低凸起向西形成小规模扇三角洲—浅湖—半深湖沉积体系，凹陷边缘及灵峰构造带周缘为滨湖沉积^[18-19]。

2) 中—晚古新世

中—晚古新世丽水—椒江凹陷的沉积范围扩大(图 2)，中古新世早期下灵峰组沉积时，整个凹陷具有继承性沉积特征，物源来自闽浙隆起带酸性火山岩源区、雁荡低凸起和灵峰构造带。

3) 始新世

晚古新世晚期至早始新世，丽水—椒江运动使整个凹陷抬升，明月峰组地层遭受剥蚀；早始新世，整个凹陷沉降开始接受新阶段的沉积，凹陷性质由断陷转为坳陷，盆地坳陷过程使凹陷沉降中心东移，如图 3、图 4所示。

2.1.2.2 物性参数

1) 月桂峰组(E₁y)

由2套粗—细—粗复合沉积旋回迭加而成，上旋回的砂岩粒度较下旋回的粗且含量高。下旋回以暗褐色、黑褐色泥岩为主；上旋回为浅灰色、灰色、暗灰色、黑灰色泥岩与浅灰色细—中粒砂岩近等厚互层。

月桂峰组砂岩孔隙度为3.3%～13.1%，平均8.5%；渗透率为0.17×10^-3～0.23×10^-3 μm²，平均0.19×10^-3 μm^2[20]。由于渗透率极低，不适宜作储层^[21]，且中部泥岩层可以作为较好的区域性盖层。

2) 灵峰组(E₂l)

岩性以泥岩、粉砂质泥岩为主，夹薄层浅灰色含钙粉砂岩、细砂岩和少量薄层钙质细砂岩。灵峰组孔隙度为1.64%～9.10%，平均6.89%；渗透率为0.01×10^-3～0.73×10^-3 μm²，平均0.29×10^-3 μm^2[20]；总体为低—特低孔渗特征，不适宜作为CO₂储层。而上部的厚层泥岩又可作为较好的区域性泥岩盖层，厚度约100～600 m，同时可形成烃浓度封闭。

3) 明月峰组(E₂m)

由下细上粗的2个反旋回迭加而成。砂岩由下旋回的粉砂向上渐变为粗砂。下旋回以大段浅灰色、褐灰色泥岩为主；上旋回为浅灰色、灰色、褐灰色与浅灰色、灰白色细—中粒砂岩互层。

明月峰组孔隙度为5.31%～26.10%，平均17.14%；渗透率为0.12×10^-3～24.58×10^-3 μm²，平均11.98×10^-3 μm^2[20]。

因此，明月峰组中部的砂岩层可以作为CO₂储层，且物性条件较好，可作为CO₂储层；下、上旋回下部发育的大段泥岩可作为盖层。如丽水凹陷LS36-1构造天然气成藏即以明月峰组中部砂岩为储层、上覆300 m厚的泥岩作为盖层^[22]。

4) 瓯江组(E₂o)

下部以灰白色细砂岩为主，上部以深灰色泥岩为主，夹细砂岩。丽水凹陷瓯江组平均孔隙度23.7%，中—高孔、高渗^[21]。因此，瓯江组下部砂岩段可以作为CO₂储层；同时，其顶部为一套浅海泥岩沉积，厚度较大且分布稳定^[20]，可作为区域性盖层。

5) 平湖组(E₂p)

以灰绿色灰色泥岩和粉砂岩为主的滨海相沉积物，厚度大且分布稳定，整体可作为CO₂地质储存盖层。

2.2 目标靶区优选 2.2.1 储盖组合

由于油气勘探的针对性，石门潭组层位划分及其岩性有待进一步明晰；已有LS36-1-1井钻探结果表明，新近系底界为952 m，位于丽水西次凹。从深部咸水层CO₂地质储存的理论深度800～1 000 m考虑，不宜在新近系选择储盖层。

根据古近系储盖层地质分析，初步推断出丽水—椒江凹陷主要有两套较好的CO₂地质储存储层(图 5)，即明月峰组中部砂岩段和瓯江组下部砂岩段；上覆的瓯江组上部泥岩段和平湖组泥岩可以作为较好的区域性盖层。

2.2.2 目标靶区优选

在储盖层地质分析的基础上，综合地震剖面、钻孔、沉积相等资料分析可知，瓯江凹陷储盖层发育较好，并大致推测出A、B、C三个优选目标靶区，如图 6所示。

A区主要分布在丽水西次凹。同时分布有明月峰组和瓯江组两套储层的有利储存相带，其中A₁同时有两套储层，A₂仅发育瓯江组储层。

B区位于丽水西次凹的西北部，总体可根据明月峰组和瓯江组两套储层的有利相带分布划分为B₁、B₂和B₃三部分，其中B₁区主要为明月峰组储层，B₃为瓯江组储层，B₂同时发育两套储层。

C区位于椒江凹陷，仅发育明月峰组储层。

3 地质安全性 3.1 历史地震

地震不仅会给海底工程造成直接破坏，而且可能会诱发滑坡、浊流、沙土液化，从而造成更大的危害。瓯江凹陷无历史地震记录，且地震烈度小于或等于Ⅵ度^[23]，活动性弱，有利于CO₂地质储存。

3.2 活动断裂

叶银灿等^[24]认为渔山—久米是一条NW向断续延伸的活动断层，横贯于东海中南部海域。东段活动较强，沿断层带有很多历史中强震，甚至强震发生，但西段活动性不明显。由于该断层活动段距离目标靶区较远，西段也在25 km外，整体影响程度较小。

邓起东^[25]推测闽浙沿海断裂为活动断裂。但龙井运动时，这些断层进一步活动，到晚第四纪时已停止活动^[23]。另外，结合该区的地震活动性可以推测，东海北东向断裂活动性差。

因此，本次筛选出的优选出的目标靶区整体受已知活动断裂影响可能性较小，活动断裂的距离均大于25 km。

3.3 海底地质灾害

在储盖层有利预测区内潜在地质灾害主要包括古三角洲、浅层气两种，但易发性低，其他地质灾害不发育^[23]，有利于CO₂地质储存工程。

4 经济适宜性 4.1 石油天然气资源

瓯江凹陷是东海陆架盆地油气勘探的重要凹陷，是寻找优质天然气藏、油藏远景区的重要地区，CO₂地质储存选址时应避开这些地区。油气显示主要层位是下古新统，中生界地层及基岩潜山也见不同级别的油气，油气显示较好，获得6口商业性油气流探井^{[21, 26]}。

4.2 天然CO₂气藏

李国玉等^[27]认为，瓯江凹陷大断裂发育，火山岩活动广泛，天然气中富含CO₂，可能会影响油气的质量。对于CO₂地质储存，也应尽量规避火山岩分布区，避开可能的幔源成因CO₂气藏。

4.3 异常高压

丽水凹陷异常压力属于顶封滞排型异常压力系统，超压带压力梯度明显不一致，纵向上超压带可划分为封隔层超压带、压力过渡带和超高压带三个异常压力带^[22]。瓯江凹陷泥岩的异常高压开始发育于明月峰组下部，高压带顶部存在明显的封隔层^[20]。例如丽水凹陷TSL36-1-1井(丽水西次凹) 泥岩超压开始出现的深度为2 400 m，而AZX26-1-1(丽水东次凹) 井泥岩开始出现超压的深度则为2 700 m。

因此，这些油气和天然CO₂气藏均在CO₂目标储层之下，理论上不影响CO₂地质储存;但在工程选址阶段应予以回避，避免压覆油气等矿产资源引起矿权纠纷。

5 潜力与适宜性评估 5.1 目标储层潜力评估 5.1.1 潜力评估方法

借鉴碳封存领导人论坛^[28]提出的计算方法，本文计算了目标储层束缚气储存和溶解储存两种机理储存潜力。由于束缚气机理和溶解机理在CO₂储存过程中同时作用，过程十分复杂，本次计算仅考虑理想状态下，储层孔隙中一部分空间用于束缚CO₂，另一部分用于溶解CO₂。

计算公式如下：

式中：m_CO2tr为束缚气储存CO₂的潜力理论值，10⁶ t；ΔV_trap为被CO₂饱和然后被水浸入的岩石体积，10⁶ m³，可理解为咸水层的体积；φ为岩石平均孔隙度，%；S_CO2t为地层水逆流后被圈闭的CO₂的饱和度，%；ρ_CO2r为储层条件下的CO₂密度，kg/m³；m_CO2td为溶解储存CO₂的潜力理论值，10⁶ t；A为咸水层的面积，km²；H为咸水层的平均厚度，m；ρ_i为初始地层水的平均密度，kg/m³；R_CO2为CO₂在地层水中的溶解度，mol/kg；M_CO2为CO₂的摩尔质量，0.044 kg/mol；m_CO2es为咸水层中储存CO₂的潜力有效值，10⁶ t；C为有效系数，无量纲，本次计算取值0.024^[29]。

5.1.2 潜力评估

潜力评估结果(表 2、表 3) 表明：明月峰组储层束缚气储存潜力为931.19×10⁶ t，溶解储存潜力为90.28×10⁶ t，总潜力为1 021.47×10⁶ t，单位面积储存潜力为26.51×10⁴ t/km²；瓯江组储层束缚气机理储存潜力为796.28×10⁶ t，溶解机理储存潜力为128.92×10⁶ t，总潜力为815.2×10⁶ t，单位面积储存潜力为24.08×10⁴ t/km²。

5.2 场地选址适宜性评估

根据已构建的场地筛选适宜性评估指标体系和评估方法，以目标靶区为研究对象，运用ArcGIS软件开展适宜性多源信息叠合空间分析。

5.2.1 评估指标基本信息表

在上述CO₂地质储存储集条件、地质安全性和经济适宜性分析的基础上，根据适宜性评估指标体系，对各个指标进行详细描述，见表 4。

5.2.2 适宜性评估结果分析

1) 储集条件适宜性

综合储层的岩性、厚度、沉积相、孔隙度和渗透率五个关键评估指标开展适宜性评估后认为，瓯江组和明月峰组两套储层的CO₂地质储存特征整体为较适宜—适宜。其中，三角洲平原相决定了适宜性空间分布差异。

而综合储层地质特征和单位面积储存潜力结果评估后认为，优选出的目标靶区的储集条件整体较适宜CO₂地质储存。

2) 地质安全性条件适宜性

瓯江组上部盖层和平湖组盖层封盖地质特征适宜性差别较大，主要原因是滨浅海相泥岩盖层相对三角洲相封盖能力要好。

综合盖层、地震烈度、海域地质灾害、断裂系统和距活动断裂距离五个评估指标评估后认为，地质安全性整体为较适宜—适宜。

3) 经济适宜性条件适宜性

优选出的目标靶区海水深度整体在50～150 m范围内，但碳源距离相对较远；因此，CO₂地质储存经济适宜性一般，较适宜面积较小。

4) 适宜性综合评估结果

综合CO₂地质储存的储集条件、地质安全性条件、经济适宜性条件及其影响因素，开展GIS综合评估得出，目标靶区整体较适宜(图 7)，各评估网格取值差别不大。

尽管目标靶区整体较适宜，但综合储盖层地质特征适宜性评估图和单位面积储存潜力，图 7中具有两套储层、单位面积封存潜力达50.59×10⁴ t/km²的Ⅰ、Ⅱ区可优先开展进一步的调查研究工作。

6 结论与建议

1) 本文以华能玉环电厂为实例，在海洋CO₂地质储存选址原则与思路分析基础上，提出了CO₂地质储存场地选址GIS多源信息叠加评估方法，并构建了综合储集条件、地质安全性和经济适宜性条件的综合评估指标体系。

2) 在瓯江凹陷CO₂地质储存条件分析的基础上，初步确定了有利储盖层及其平面分布目标靶区。利用碳封存领导人论坛计算公式，开展了区域性储层明月峰组和瓯江组CO₂地质储存潜力评估，其单位面积储存潜力分别为26.51×10⁴ t/km²和24.08×10⁴ t/km²。

3) 通过GIS多源信息叠加评估，在丽水西次凹内筛选出两处较好的场地。两处场地均具有两套区域性储层，储集条件较适宜，总储存潜力8.36×10⁸ t，单位储存潜力50.59×10⁴ t/km²；地质安全性为较适宜—适宜，区域盖层封盖性好；且总体处于丽水西次凹，据玉环岛距离不超过150 km。