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截至2022年12月，70多个国家或地区制定了净零目标，覆盖全球排放量约76%。中国作为世界上最大的二氧化碳 (CO2) 排放国，在经济高度依赖化石能源的情景下，CCUS技术的出现可以极大减轻中国在应对气候变化问题时对经济所带来的冲击。作为碳减排领域的重要技术，CCUS技术被定位为“可实现化石能源大规模低碳利用的战略储备技术”[1]。CO2驱提高石油采收率技术 (CO2-EOR) 作为为数不多能够实现CO2封存同时获得经济效益的CCUS技术，虽然在中国已经达到商业化应用阶段，但成本过高是捕集和分离CO2面临的现实困难[2]。考虑碳中和目标的约束，尤其是在强调CCUS全产业链集成示范和产业集群化的背景下，CCUS全产业链中关键的源汇匹配研究显得尤为重要和迫切。
鄂尔多斯盆地是我国最大的产油气盆地，也是重要的能源化工基地，既有化工行业尾气排放产生的大量CO2“源”，又有适合封存的油藏可作为“汇”。盆地构造简单、断裂不发育，有利于封存的稳定性，是国内实施 CCUS 项目的理想场所之一[3]。位于鄂尔多斯盆地的延长油田已经开展了30×104 t级CCUS全流程项目示范，通过示范项目开展积累了丰富的经验。但是，目前对盆地的封存适宜性评价多集中在对典型示范区开展的评价，评价方法也多以层次分析法等主观性判断为主，指标权重确定往往更具主观性，同时缺乏对盆地油藏大规模潜在封存“汇”即油藏或开发区块的评价筛选，不利于开展大规模集群化CCUS项目部署。
本研究以延长油田为典型案例研究，通过参考国内外CO2驱油筛选标准，选择表征地质特征和油藏特征的有效孔隙度、渗透率、油藏温度、地层压力等9个指标建立评价指标体系，采用熵值法确定指标权重，充分结合指标原始数据信息，有效揭示各评价指标的区分度，使得权重分配更具客观性，从而提高了评估结果的可信度。熵值法与TOPSIS法结合使用，可以比较各封存区块与理想解和负理想解的距离，精确反映157个封区块之间的封存适宜性差异。采用体积法评估不同区块的理论封存潜力，筛选高封存适宜性、满足排放总量要求的优先开发区块，以期为国内类似油田的油藏筛选评价提供决策参考。
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延长油田所在的鄂尔多斯盆地，面积约25×104 km2，拥有极为丰富的油气资源，是我国陆上第二大沉积盆地，属于华北克拉通盆地的次一级构造单元，是一个整体稳定沉降、坳陷迁移扭动明显的大型多旋回克拉通盆地，其油气资源主要分布于陕北斜坡，其含油层主要分布在三叠系延长组与侏罗系延安组，其平均孔隙度为12%~15%，平均渗透率为0.1×10−3~0.5×10−3 µm2，主要储层为长8、长6、长4+5及长2油层组，整体为低孔、低渗储层[4-5]。
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延长油田主力区块普遍存在低渗透、低压力现象，难以实现1次混相驱油。为此，将延长油田油藏按照适合非混相驱进行指标筛选，结合油藏物性特征及油田开发现状，通过参考国内外CO2驱油筛选标准和延长油田资料情况[6-9]，选择表征油藏地质特征和原油特征的有效孔隙度、渗透率、储层深度、储层厚度、含油饱和度、原始地层温度、油藏温度、原油黏度、原油密度等9个指标，对油藏非混相驱油适宜性进行综合评价。指标的参考值如下。
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1) 熵权法。指标权重确定方法主要有主观赋权法、客观赋权法。主观赋权法以层次分析法为代表，层次分析法是一种基于主观专家经验判断，将决策问题进行层次化分解，构建层次结构模型，利用专家判断和对比判断确定各层次之间的权重，其本质是1种主观赋权思想。目前对盆地的封存适宜性评价多集中在对典型示范区开展的评价，评价方法也多以层次分析法等主观性判断为主，其主要原因在于封存区块精细化数据可获得性较差，难以通过定量化方法确定指标权重。客观赋权法是以熵权法为代表，熵权法根据各指标观测值所提供的信息大小来确定指标权重。熵值法适用于指标之间关系较为简单、权重差异较大的决策问题，尤其是在缺乏专家判断或专家判断不可靠的情况下。因此，对比层次分析法，熵值法指标权重值确定具有较高的可信度和精确度，是常用的评价方法[10-13]。尽管熵值法的基本原理并不复杂，但在实际应用中，熵值法对数据的要求较高，需要对各个因素进行准确的量化和评估，涉及多种指标因素、多维复杂数据，其计算过程相对比较繁琐和复杂。
本文数据主要为企业通过地震、测井及室内分析化验等多种地质和地球物理手段获得，并经过实际生产验证和多批次数据质控，具有较高的可靠性和准确性。因此，在评价指标数量有限、数据来源准确、指标权重客观的前提下，优先采用熵值法进行指标权重赋值确定。具体步骤如下：
①指标标准化处理。选取157个封存区块即9个评价指标，包括原油密度、原油黏度、含油饱和度、渗透率、孔隙度、地层压力、储层深度、储层厚度、原始地层温度等。xij为第i个评价区块的第j个评价指标的数值。其中i=1, 2, …, 157；j=1, 2, …, 9。第i个评价区块的第j个评价指标标准化Pij计算如式(1)。
式中：xij为第i个评价区块的第j个评价指标的数值；Pij为标准化后的第i个评价区块的第j个评价指标。
②求各指标的信息熵ej。信息熵ej计算公式如式(2)。
式中，
$ k \gt 0，k=\dfrac{1}{\mathrm{ln}(n)}，{e}_{j}\ge 0 $ 。如果$ {\rho }_{\text{ij}}=0 $ ，则定义$ \underset{{\mathrm{p}}_{\text{ij}}\to 0}{\mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}}{\mathrm{p}}_{\text{ij}}\mathrm{ln}{\mathrm{p}}_{\text{ij}}\text{=0} $ 。ej为各评价指标的信息熵。③确定指标权重
$ {\mathrm{\beta }}_{k} $ 。根据各评价指标的信息熵为e1, e2, žžž, e，信息熵计算各评价指标权重$ {\mathrm{\beta }}_{k} $ 如式(3)。根据指标变异性大小确定客观权重，熵值越小，指标变异度越大，信息混乱程度越低，其权重也越大。原油密度 (β1) 、原油黏度 (β2) 、含油饱和度 (β3) 、渗透率 (β4) 、孔隙度 (β5) 、地层压力 (β6) 、储层深度 (β7) 、储层厚度 (β8) 、原始地层温度 (β9) 指标权重作为TOPSIS法区块评价筛选的关键信息输入。
2) TOPSIS法。TOPSIS法称为逼近于理想解的排序方法，是有限方案多目标决策的综合评价方法之一。其基本思想为对归一化后的原始数据矩阵，确定出理想中的最佳方案和最差方案。通过求出各被评方案与最佳方案和最差方案之间的距离，得出该方案与最佳方案的接近程度，并以此作为评价各被评对象优劣的依据。TOPSIS法对各个指标因素的权重设置比较敏感，权重设置不合理，可能会导致结果的偏差。因此，采用熵值TOPSIS法对延长油田开发区块进行驱油适应性评价，一方面熵值法可以弥补TOPSIS法在指标权重确定方面的局限，另一方面TOPSIS法同时考虑多个指标因素对决策结果的影响，并通过定量化的方式全面评估各个备选区块的适宜性，减少了主观性的影响，提高了决策的客观性[12-13]。TOPSIS法具体步骤如下：
①设有m个目标 (有限个评价区块目标) ，n个评价指标属性，对其中第i个目标的第j个评价属性评价为xij，则初始判断矩阵V为式(4)。
式中：xij为第i个评价区块的第j个评价指标的数值；V为初始判断矩阵。
②由于各个指标的量纲可能不同，需要对决策矩阵V进行归一化处理V′，如式(5)所示。
式中：
$ {{x}'}_{ij}=\frac{{x}_{ij}}{\sqrt{{\displaystyle {\sum }_{k-1}^{n}{x}^{2}{}_{ij}}}}\text{ }；i=1,2\dots m\text{ }，j=1,2\dots \text{n}. $ ；$ {x}'_{ij}{x}'_{ij} $ 为第i个评价区块的第j个评价指标的归一化数值；V′为归一化判断矩阵。③根据熵权法获取信息权重矩阵B，形成加权判断矩阵如式(6)。
式中：Z为加权判断矩阵；B为信息权重矩阵；第i个目标第j个评价属性的权重为wn；fmn为第i个目标第j个评价属性的加权判断指标。
④根据加权判断矩阵获取评估目标的正负理想解，如式(7)、(8)。
式中：
$ {J}^{\mathrm{*}} $ 为效益型指标；$ {J}' $ 为成本型指标；$ {{f}}_{j}^{\mathrm{*}} $ 为加权判断矩阵获取评估目标的正理想解；$ {f}'_{j} $ 为加权判断矩阵获取评估目标的负理想解。⑤计算各目标值与理想值之间的欧氏距离。
目标值与正理想解距离如式(9)。
式中：
$ {{S}}_{i}^{*} $ 为目标值与正理想解的距离；$ {{f}}_{j}^{*} $ 为加权判断矩阵获取评估目标的正理想解。目标值与负理想解距离如式(10)。
式中：
$ {{S}}_{i}^{\text{'}} $ 为目标值与负理想解的距离；$ {{f}}'_{j} $ 为加权判断矩阵获取评估目标的负理想解。⑥计算各个评价目标的相对贴近度如式(11)。
式中：
$ {{C}}_{i}^{*} $ 为各个目标的贴近度，用于对目标进行排序，形成决策依据。本研究综合熵权法与TOPSIS评价模型，对延长油田开发油气区块的封存适宜性进行评价，该方法基于信息熵原理，通过指标的变异程度来确定权重，反映了指标的离散程度和信息量，克服了传统TOPSIS法在确定评价指标权重因子时易受主观因素的影响，评价方法更具客观性。
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目前油藏地质封存潜力评价方法主要包括体积法、封存机理表征法、压缩系数法、无因次参数分析法、动态模拟法等[14-16]。最为普遍的方法是体积法，碳收集领导人论坛 (CSLF) 、美国能源部 (DOE) 、国际能源署温室气体研究与开发计划机构 (IEAGHG) 、美国地调局 (USGS) 等均采用该方法进行评价[17-19]。这类评价方法是借鉴油气行业资源及储量评价方法，假设CO2注入后替换储层内所有孔隙体积，精度更高，主要考虑地质因素进行静态封存量评价，其封存量大小主要取决于有效封存系数[20-23]，其计算公式为
式中：PEOR为油藏CO2封存潜力，单位为kg；OOIP为探明地质资源量，单位为kg；
$ {\rho }_{\mathrm{o}\mathrm{i}\mathrm{l}} $ 为地面标准状态 (20 ℃，0.1 MPa) 下的原油密度，单位为kg·m−3；Boil为原油体积系数，是指原油在地下的体积 (即地层油体积) 与其在地面脱气后的体积之比，大于1；$ {\rho }_{\mathrm{c}{\mathrm{o}}_{2}} $ 为储层中CO2的密度，单位为kg·m−3；EEOR为CO2驱油效率，无量纲，反映了通过注入CO2驱替石油并可由CO2填充的储层孔隙体积所占石油原始储层总孔隙的比例，可根据现场经验或数值模拟得出。 -
利用熵值TOPSIS法对延长石油12个油田157个开发区块进行非混相驱适宜性评价。熵值TOPSIS法给出各评价指标权重，油藏埋深、孔隙度、原始地层压力、原始地层温度、有效厚度、渗透率、地面原油粘度、地面原油密度、原始含油饱和度的权重分别为0.13、0.06、0.20、0.07、0.13、0.03、0.06、0.18、0.12。延长油田各区块非混相驱适宜性评价指标区间值见表2。
根据熵值TOPSIS法评价结果，将延长油田油气藏非混相驱适宜性分为3个等级 (图2) ：评价值≥0.80是区块非混相驱的适宜度较高，驱油效果好，为高适宜性区块，共46个区块；评价值介于0.55~0.80的区块适宜度中等，驱油效果受油藏地质条件、储层物性等影响变化明显，为中适宜性区块，共90个区块；评价值小于0.28的区块驱油效果相对较差，为低适宜性区块，共21个区块。西部区域封存区块大部分被划分为“高适宜”。当前延长石油已经建成的2个CO2驱油封存先导试验区，分别位于靖边采油厂乔家洼区块和吴起采油厂油沟区块，建成了吴起采油厂白豹示范项目和杏子川采油厂化子坪示范项目，适宜性高区块主要分布于志丹、靖边、吴起、杏子川等采油厂，其地质条件和油藏条件与示范项目相近，以定边采油厂为例，平均孔隙度为12%，平均渗透率为6.6×10−3 μm2，油藏埋深平均为约1 800 m，地层有效厚度为7.2 m，具备非混相驱有利条件，应作为未来CCUS部署的重点方向。
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对适宜度分类为“高适宜”和“中适宜”的136个区块，采用体积法计算其封存潜力。通过计算，延长油田适合非混相驱的136个区块有效封存潜力可达19.8×108 t，涉及地质储量30.2×108 t (图3) 。其中46个 “高适宜”区块的理论封存量达到11.1×108 t，占总理论封存量的56%，涉及地质储量15.2×108 t。理论封存量最高的区块是西部的河川区块，达到0.7×108 t，其次是志丹采油厂旦八区0.6×108 t。理论封存量大于3 000×104 t的24个区块几乎都在“高适宜”、“中适宜”范围内，且其中88%的区块在西部油区。
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定义适宜性评分大于0.85以上的区块为优先开发区块，共计14个区块，理论封存总量达到3.64×108 t (图4) ，通过部署CCUS项目，能够满足未来陕西延长石油 (集团) 有限责任公司CO2减排需求。当前，延长油田股份有限公司CO2排放较高的企业主要为旗下的煤化工企业，其中陕西延长石油延安能源化工有限责任公司、陕西延长中煤榆林能源化工有限公司和陕西延长石油榆林煤化有限公司生产过程中产生了高浓度CO2的尾气，浓度高达98%，捕集规模可达到500×104 t。目前该部分CO2仅有30×104 t捕集后用于延长油田驱油封存，其余均排放到大气中，对该部分高纯度CO2加以回收利用既可实现CO2减排又带来经济效益，因此延长油田正开展大规模CCUS项目规划。本研究通过对区块进行适宜性评价和封存潜力估算，可为延长未来大规模CCUS项目在进行封存场地遴选、源汇匹配规划等决策部署提供参考，优先选择高适宜的区块作为CO2封存的“汇”。
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1) 利用熵权TOPSIS法对延长油田157个开发区块进行了非混相驱油适宜性进行评价，将延长油田开发区块分为“高适宜”、“中适宜”和“低适宜”3个等级，等级为“高适宜”、“中适宜”区块适合非混相驱油。结合延长油田CCUS示范项目的开展情况，熵权TOPSIS法进行封存区块适宜性评价更具有科学性，研究结果为油田开展封存项目选区和大规模CCUS部署提供了理论支撑和依据。
2) 通过开展CO2地质封存潜力评价，136个“高适宜”、“中适宜”封存区块的封存潜力达到19.8×108 t，涉及探明石油储量达到30.2×108 t。
3) 延长油田CO2驱油的46个“高适宜”区块分布在西部区域的志丹、靖边、吴起、定边，杏子川等采油厂，其中纸坊区、梁镇区、化子坪区等优先开发区块理论封存量达到3.64×108 t，因此未来在进行大规模CCUS工程部署时，可优先考虑此类高适宜性油藏。
基于熵权TOPSIS法的延长石油CO2地质封存潜力评价
Evaluation of geological storage potential of Yanchang Oilfield based on entropy weight TOPSIS method
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摘要: 针对目前大规模二氧化碳 (CO2) 驱油封存 (CO2-EOR) 项目面临的封存场地适宜性评价方法主观、指标单一的问题，提出一种基于熵权TOPSIS法的适用于大规模CCUS驱油封存场地筛选的评价方法。选取岩石物理特性、油藏地质条件、原油化学组成等多个关键因素作为评价指标，通过加入熵权降低TOPSIS法主观性，对延长油田的157个开发区块驱油封存适宜性进行分级评价。结果显示：延长油田油气藏非混相驱适宜性分为3个适宜性等级，其中“高适宜”、“中适宜”封存区块占比达到87%，大部分区块位于油田西部、南部。封存潜力评估表明，46个“高适宜”区块理论封存量达到11.1×108 t，占总理论封存量的56%，涉及地质储量15.2×108 t。理论封存量最高的区块为河川区块，达到6 800×104 t，其次是志丹采油厂旦八区6 048×104 t。建议延长石油大规模CCUS项目优先选择适宜性评分大于0.85的14个区块，其理论封存量达到3.64×108 t。研究结果可为油田开展大规模CCUS项目的封存区块优选提供方法参考。Abstract: A method based on entropy weight TOPSIS is proposed to evaluate the suitability of storage sites for large-scale carbon dioxide oil recovery and storage (CO2-EOR) projects, which is usually evaluated with subjective and single-indicator method. This method is suitable for screening oil recovery and storage sites of large-scale CCUS project. Multiple key factors such as rock physical properties, reservoir geological conditions, and chemical composition of crude oil were selected as evaluation indicators. Through adding entropy weight to reduce the subjectivity of TOPSIS method, the suitability of oil recovery and storage in 157 development blocks of Yanchang Oilfield was graded and evaluated. The results showed that the immiscible oil displacement suitability of oil and gas reservoirs in Yanchang Oilfield was divided into three suitability levels, with “high suitability” and “medium suitability” sealing blocks accounting for 87%, and most of the blocks were located in the western and southern blocks. The assessment of CO2 storage potential showed that the theoretical storage capacity of 46 “highly suitable” blocks reached 11.1×108 t, accounting for 56% of the total theoretical storage capacity, involving geological reserves of 15.2×108 t. The block with the highest theoretical storage capacity was the Hechuan block, reaching
6800 ×104 t, followed by the Danba block of Zhidan Oil Production Plant with6048 ×104 t. It was recommended to prioritize the selection of 14 blocks with a suitability score greater than 0.85 and a theoretical storage capacity of 3.64×108 t as the preferred storage blocks for the large-scale CCUS projects of Yanchang Oilfield. The research results can provide methodological references for the optimal selection of storage blocks for large-scale CCUS projects in oil fields. -
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图 2 延长油田不同开发区域油藏区块封存适宜性综合评价得分
Figure 2. Comprehensive evaluation scores of storage suitability of reservoir blocks in different development areas of Yanchang Oilfield
图 3 “高适宜”、“中适宜”油藏封存区块CO2封存潜力评价
Figure 3. Evaluation of CO2 storage potential in high-suitable and medium-suitable reservoir storage blocks
图 4 优先开发区块CO2封存量和涉及石油地质储量
Figure 4. CO2 storage capacity and involving oil geological reserves of priority development block
表 1 延长油田油藏非混相驱适宜性评价指标
Table 1. Suitability evaluation indicators for immiscible oil displacement of reservoirs in Yanchang Oilfield
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表 2 延长油田157个区块非混相驱评价指标区间
Table 2. Immiscible -oil-displacement evaluation index intervals for 157 blocks in Yanchang Oilfield
原油密度/
(g·cm−³)原油黏度/
(mPa·s)含油饱和度/
%渗透率/
md孔隙度/
%地层
压力/MPa油藏
埋深/m有效
厚度/m原始地层
温度/℃0.70~0.88 1.67~17.07 23.44 0.23~91.42 7.40~20.98 0.71~19.40 100~2 600 3.48~24.60 21~82.31
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