ＣＯ２地質(zhì)處置探析

郭　晨　孫嬌鵬　趙　凱　蔡　圖　戎虎仁

[摘要]CO2地質(zhì)處置作為一種新興的、有效的處置方法,將闡述其概念,分析其機(jī)制,并探討進(jìn)行CO2地質(zhì)處置的理想場(chǎng)所和可行方案,以期能為CO2地質(zhì)處置在我國(guó)的深入開展和應(yīng)用提供一些觀點(diǎn)和見解。

[關(guān)鍵詞]CO2 地質(zhì)處置 溫室效應(yīng) 儲(chǔ)存場(chǎng)所

中圖分類號(hào):O69文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):167-17597(2009)0910004-01

一、前言

CO2作為一種溫室氣體,對(duì)氣候的影響近年來逐年增加?？萍嫉耐伙w猛進(jìn),全球的工業(yè)化、城市化的腳步不斷加深、加快,在提高人類生活質(zhì)量,社會(huì)便捷程度的同時(shí),也導(dǎo)致了巨額的能源消費(fèi),進(jìn)而導(dǎo)致以CO2為主的溫室氣體無節(jié)制的排放,引發(fā)了一場(chǎng)全球范圍內(nèi)的溫室效應(yīng)危機(jī)。如何有效緩解溫室效應(yīng)是在二十一世紀(jì)擺在全人類面前的重大課題。

二、CO2地質(zhì)處置機(jī)制分析

接受CO2注入的地質(zhì)體可看作一種圈閉裝置,在具體的地質(zhì)體中,并不是只有一種圈閉裝置,而是多種圈閉共同起作用,只不過有主次之分。地層圈閉作為蓋層覆蓋在巖石上保存CO2。蓋層構(gòu)成了一個(gè)連續(xù)初步的封閉,確保CO2不跑到地面。在構(gòu)造圈閉中,不滲透巖層被地質(zhì)巖層中障礙物或者轉(zhuǎn)折層代替用來原地保存CO2。還有CO2儲(chǔ)存巖石一般被另一個(gè)厚的不滲透的巖層從表面分離,稱為第二封閉。構(gòu)造圈閉和地層圈閉屬于物理機(jī)制的處置措施。若是將CO2注入到含水層中,過多的CO2將溶解在水中,即所謂的溶解圈閉。溶解圈閉形成了一種稠密流體,它可能滲入到存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)底部。依賴巖石結(jié)構(gòu),溶解的CO2可能與周圍的巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成穩(wěn)定的礦物,稱之為礦物圈閉,它是一種最安全的CO2存儲(chǔ)形式。溶解圈閉和礦物圈閉屬于化學(xué)機(jī)制的處置方法,相比于物理機(jī)制,它們是一種更有效更安全的處置方法,但其形成是一個(gè)更為緩慢的過程,也更難被人所觀察、控制。

三、適宜CO2地質(zhì)處置場(chǎng)所探討

(一)枯竭油氣田

將CO2注入枯竭油氣田,在對(duì)CO2進(jìn)行有效地質(zhì)處置的同時(shí),可進(jìn)一步提高油氣產(chǎn)量,使油氣田得以充分開發(fā)。石油、天然氣等能源礦產(chǎn)在油氣田中成功存儲(chǔ)幾百萬(wàn)年甚至更長(zhǎng),由于油氣勘探的需要,對(duì)地下的地質(zhì)構(gòu)造已有了較深刻認(rèn)識(shí),并且油氣工業(yè)已經(jīng)廣泛建立并使用了流體地下活動(dòng)精確的電腦模型。所有這些都可以應(yīng)用到CO2在枯竭油氣田的地質(zhì)處置,為其提供理論依據(jù)。

枯竭的油氣藏對(duì)于埋存CO2有如下優(yōu)勢(shì):埋存CO2開發(fā)成本低;儲(chǔ)層證實(shí)是圈閉,已埋存油氣幾百萬(wàn)年。儲(chǔ)層地質(zhì)特征清楚;部分原有油氣生產(chǎn)裝置可用于注入CO2;許多油田用常規(guī)方法采油,注入CO2可提高采收率10%～15%。這是已被證實(shí)的技術(shù),稱為CO2驅(qū)提高石油采收率技術(shù)(CO2-EOR)。CO2驅(qū)油分混相驅(qū)油及非混相驅(qū)油。

(二)深層不可采煤層

深層不可開采的煤層是未來CO2處置的重要場(chǎng)所。氣體分子通過擴(kuò)散從割理進(jìn)入微孔隙中,并在煤基孔隙表面被吸附。煤對(duì)許多氣體具有吸附作用,研究表明,在眾多氣體中,煤層對(duì)CO2具有的優(yōu)勢(shì)吸附性能很明顯,特別是煤層對(duì)CO2吸附明顯的高于對(duì)CH4吸附量。隨著煤的變質(zhì)程度增加,煤層對(duì)氣體的吸附能力也成倍增加,因此,注入到地下深處煤層中的CO2將主要以吸附態(tài)而保持下去,從而達(dá)到封存目的。

在選擇煤層作為CO2地質(zhì)處置時(shí),首先,要充分研究煤層作為CO2處置的儲(chǔ)層特征,如煤層的滲透率、對(duì)CO2的吸附特征和煤層空間展布。煤層的滲透率是影響CO2注入的重要因素,隨埋深增加,煤層的滲透率將逐漸降低,通常有利于CO2注入的煤層滲透率應(yīng)>1mD[1],如果煤層的滲透率過低,勢(shì)必不利于CO2從割理進(jìn)入孔隙,而導(dǎo)致注入失敗或進(jìn)展緩慢;當(dāng)煤層埋深達(dá)1300-1500m,應(yīng)煤層的滲透率過小而可能是煤層氣開采的下限,暗示了該深度可能是CO2地質(zhì)處置的下限。由于煤是一種高分子聚合物,常可與煤中的氣體發(fā)生作用,注入煤層的CO2等被吸附或與地層流體作用而固化,會(huì)大大降低煤層的滲透率,從而阻止CO2進(jìn)一步注入。因此,綜合分析,地下CO2在煤層中地質(zhì)處置深度下限約1000m。其次,是工業(yè)價(jià)值評(píng)估,對(duì)煤層埋深、厚度及其共生礦產(chǎn)等工業(yè)價(jià)值的評(píng)估,往往會(huì)隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展、能源狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件的改變而改變,目前沒有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的煤層,或許不久的將來會(huì)變得具有經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值。因此,在選擇煤層進(jìn)行CO2地質(zhì)處置時(shí),應(yīng)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的工業(yè)評(píng)估眼光;第三,CO2地質(zhì)處置的安全性。位于地下的煤層在漫長(zhǎng)的地質(zhì)作用下,往往形成了各種裂隙或割理構(gòu)造,從而破壞了煤層儲(chǔ)集系統(tǒng),或者地下流體的作用,導(dǎo)致注入煤層中CO2易于逸散,減低了CO2地質(zhì)處置的效率[2]。

(三)深部含鹽水地層

從儲(chǔ)存量而言,地殼深部的含鹽水地層有著巨大的潛力。許多地下含水層可以埋存CO2,這些含水層在較深的地下且含有鹽水,稱為深部鹽水層,故不能作為飲用水。CO2溶解在水中,部分與礦物慢慢發(fā)生反應(yīng),形成碳酸鹽,實(shí)現(xiàn)CO2的永久埋存。[3]適合的含水層還必須有低滲透的蓋層,使CO2的泄漏減少到最低程度。深部含水層的注入技術(shù)與枯竭的油氣藏相同。對(duì)深層含鹽須在以下水地層進(jìn)行CO2地質(zhì)處置主要從以下五方面進(jìn)行工作:(1)評(píng)估CO2在含鹽水層中的處置量;(2)CO2注入的可行性;(3)經(jīng)濟(jì)的CO2注入地選擇;(4)CO2地質(zhì)處置封閉效率;(5)注入地其他自然資源應(yīng)用前景。

(四)深海封存

深海封存就是把C02制成干冰投擲到海洋中,或利用固定的管道或者輪船拖曳管道將CO2泵入1500-3000m左右的深海。目前,CO2存儲(chǔ)潛力最大還是深海封存,估計(jì)可以封存CO2為40GtC。但是大量的高濃度CO2注入到海水中溶解后,會(huì)使海水pH值下降到4.5,對(duì)海水中的浮游動(dòng)物、細(xì)菌及底棲動(dòng)物等海洋生物系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響。為此,須要把CO2注入到3000m以下[4]的深海中,但是這樣就大大增加了封存技術(shù)的難度,封存成本隨之升高。因此,深海封存目前在可行性上還存在制約,需更大的研究力度。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文通過探討CO2地質(zhì)處置機(jī)理,分析了目前研究成果下進(jìn)行CO2地質(zhì)處置的理想場(chǎng)所以及可行方案。由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件等方面原因,CO2的地質(zhì)處置這一技術(shù)的開展在我國(guó)尚處于萌芽階段,科研機(jī)構(gòu)、環(huán)境部門和政府部門應(yīng)達(dá)成共識(shí),加大科研力度,經(jīng)費(fèi)投入,并制定相關(guān)鼓勵(lì)性政策來積極引導(dǎo)CO2地質(zhì)處置的研究和實(shí)施。筆者認(rèn)為,我國(guó)應(yīng)該優(yōu)先開展以下兩方面的研究工作:第一,開展全國(guó)或區(qū)域性的CO2地質(zhì)存儲(chǔ)潛力分析研究;第二,以實(shí)現(xiàn)CO2-EOR和CO2-ECBM為切入點(diǎn),開展CO2地質(zhì)存儲(chǔ)的相關(guān)相研究和實(shí)踐。第三,加強(qiáng)與國(guó)外相關(guān)科研機(jī)構(gòu)的交流、合作,學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)方法、經(jīng)驗(yàn)。相信在各方共同努力下,CO2地質(zhì)處置這一新興技術(shù)一定會(huì)在我國(guó)不斷發(fā)展、應(yīng)用,并為降低我國(guó)CO2的排放量,落實(shí)可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

參考文獻(xiàn):

[1]荷蘭煤層氣開發(fā)應(yīng)用CO2注入技術(shù)的可行性——潛力與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)[A].

[2]Gale J,Fraeund P.Coal-bed methane enhancement with CO2 sequestration worldwide potential[J].Environmental Sciences,2001,8(3):210-217.

[3]劉延鋒、李小春、白冰,中國(guó)CO2煤層儲(chǔ)存容量初步評(píng)價(jià),巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(16):2943-2952.

[4]中國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局,中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒2006[M].北京:中國(guó)統(tǒng)計(jì)出版社,2006.

作者簡(jiǎn)介:

郭晨(1988-),山西省晉城市人,中國(guó)礦業(yè)大學(xué),資源與地球科學(xué)學(xué)院,地質(zhì)工程06-3班,擔(dān)任團(tuán)支部書記。