開展二氧化碳地質(zhì)儲存，實現(xiàn)深度減排

■ 張超宇/李勝濤/楊豐田/張森琦/李旭峰

（1.中國國土資源經(jīng)濟研究院，北京 101149；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定071051；3. 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所工程地質(zhì)力學重點實驗室，北京 100029.）

開展二氧化碳地質(zhì)儲存，實現(xiàn)深度減排

■ 張超宇1/李勝濤2/楊豐田3/張森琦2/李旭峰2

（1.中國國土資源經(jīng)濟研究院，北京 101149；2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定071051；3. 中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所工程地質(zhì)力學重點實驗室，北京 100029.）

二氧化碳地質(zhì)儲存是實現(xiàn)二氧化碳深度減排的安全、經(jīng)濟、有效的措施之一。適合地質(zhì)儲存的地質(zhì)體有深部咸水層、油氣藏和不可采煤層。目前，二氧化碳地質(zhì)儲存研究在世界上方興未艾，我國地質(zhì)儲存相關(guān)項目也已啟動，為二氧化碳地質(zhì)儲存技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。開展二氧化碳的地質(zhì)儲存，將為我國以煤炭為主的能源消費結(jié)構(gòu)的維持和調(diào)整提供保障。

地質(zhì)儲存，二氧化碳，深度減排，咸水層

二氧化碳排放問題， 由于其對人類以及整個地球環(huán)境系統(tǒng)可能產(chǎn)生的危害， 已經(jīng)引起世界各國的廣泛關(guān)注。二氧化碳是引起溫室效應的主要溫室氣體，在全球變暖問題中扮演著重要的角色[1]。如何降低空氣中的二氧化碳含量成為遏制溫室效應和全球變暖，倡導低碳生活的核心問題。

我國是二氧化碳排放的大國之一。環(huán)球能源網(wǎng)根據(jù)碳監(jiān)測行動（CARMA）網(wǎng)站提供的數(shù)據(jù)，對全球各國的CO2排放量進行了比較排行， 按總排放量計算， 我國高居世界第2位（表1）。

1997年在日本京都召開的聯(lián)合國氣候變化框架公約大會通過了《京都協(xié)議書》，京都協(xié)議提出了發(fā)達國家減少排放的指標。但是，由于大部分國家都以化石燃料作為主要能源，二氧化碳的減排直接影響到一個時期國民經(jīng)濟的發(fā)展。因此， 圍繞二氧化碳的減排問題成為國際政治和外交談判中涉及國家經(jīng)濟發(fā)展的重大問題[1—3]。開展二氧化碳減排研究不僅成為技術(shù)領(lǐng)域的重要問題，也成為爭取國際話語權(quán)的重要政治問題。

2 二氧化碳的地質(zhì)儲存

20世紀70年代有人提出，利用二氧化碳地質(zhì)儲存技術(shù)作為減少人類活動造成的二氧化碳排放的措施，但在20世紀90年代以前，只有少量研究。直到20世紀90年代以來，部分學者和研究組進行了大量具體的二氧化碳地質(zhì)儲存研究。以艾伯塔（Alberta）研究院為主，加拿大在1993-1995年以艾伯塔盆地為背景，通過計算機模擬分析了二氧化碳在含水層的流動、擴散及其與礦物的化學反應過程，明確了二氧化碳的存儲機理。1999-2000年期間，在艾伯塔的Fenn-Big河谷地區(qū)還開展了利用二氧化碳提高煤層氣回采率的試驗研究項目。研究證明了這種方法在理論上的可行性[4]。

二氧化碳地質(zhì)儲存是指將二氧化碳從工業(yè)或相關(guān)能源的集中排放源中分離出來（捕獲），輸送到經(jīng)過選擇的地點并注入地下深部適宜的地層中，通過物理、化學等作用將其安全可靠地儲存于地下，且長期與大氣隔絕的過程?？捎糜诙趸嫉刭|(zhì)儲存的場地有：廢棄或無商業(yè)開采價值的油氣田；沉積盆地內(nèi)的深部咸水含水層；開采的油氣田(提高油氣采收率) ；無商業(yè)開采價值的深部煤層(加強煤層中天然氣的回收)。

在大量可行性研究、室內(nèi)實驗研究和計算機模擬研究的基礎(chǔ)上，部分國家實施了一批二氧化碳地質(zhì)儲存實際工程。這些工程的實施既促進了二氧化碳地質(zhì)儲存理論研究，又從技術(shù)和經(jīng)濟上驗證了該技術(shù)的可行性，為其他國家開展二氧化碳地質(zhì)儲存研究和實踐提供了強有力的支持。目前全球已開展或規(guī)劃開展二氧化碳地質(zhì)儲存的主要工程見表2[5]。

二氧化碳地質(zhì)儲存技術(shù)被美國、英國、加拿大、日本等發(fā)達國家認為是21世紀最具潛力的二氧化碳減排措施，開展了二氧化碳地質(zhì)儲存機理研究、潛力評價并實施了工程項目。我國政府也已著手通過國際合作和增加國內(nèi)相關(guān)技術(shù)科研投入，提升二氧化碳地質(zhì)處置技術(shù)的研究水平[6-11]。

3 二氧化碳地質(zhì)儲存技術(shù)

在絕大多數(shù)情況下，在深度大于800米的地下，二氧化碳將呈超臨界狀態(tài)，其密度為0.4-0.6g/ cm3，而非氣態(tài)。把二氧化碳隔離在該深度以下，有利于充分利用地下空間。二氧化碳離開注入井以后，因其密度小于地層水，會被浮力上推直到蓋層（caprock）的底部，形成氣泡。在超臨界二氧化碳-蓋層-孔隙水交界面處存在著毛細管力。毛細管力阻止二氧化碳進入蓋層。只要排斥力大于二氧化碳的壓力，二氧化碳就不能滲入蓋層。這就是地層隔離中重要的水力學機理。

這種技術(shù)已經(jīng)由石油和天然氣工業(yè)開發(fā)出來，并且已經(jīng)證明對于石油和天然氣田以及深部咸水層而言，在特定條件下是經(jīng)濟可行的，其儲存（封存）方案概況如右圖[5]。

二氧化碳地質(zhì)儲存方案概況圖

經(jīng)相關(guān)研究，三種類型的地質(zhì)構(gòu)造可用于二氧化碳的地質(zhì)儲存：石油和天然氣儲層、咸水層和不可開采的煤層。在每種類型中，二氧化碳的地質(zhì)封存都將二氧化碳壓縮液注入地下巖石構(gòu)造中。含流體或曾經(jīng)含流體（如天然氣、石油或鹽水等）的多孔巖石構(gòu)造（如枯竭的油氣儲層）都是潛在的儲存二氧化碳地點。在沿岸和沿海的沉積盆地（充有沉積物的地殼內(nèi)的大規(guī)模天然凹地）中存在合適的封存構(gòu)造。假設煤床有充分的滲透性且這些煤炭以后不可能開采，那么該煤床也可能用于儲存二氧化碳，在煤床中儲存二氧化碳的同時，有希望提高甲烷生產(chǎn)效率。但是對無法開采的煤層而言，這種技術(shù)的可行性尚未經(jīng)過驗證，目前國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)，如中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心等，正在研究這種技術(shù)的可行性。

表2 全球已開展二氧化碳地質(zhì)儲存的工程項目

4 我國開展二氧化碳地質(zhì)儲存的現(xiàn)狀與展望

我國二氧化碳地質(zhì)儲存技術(shù)的研究始于提高石油回采率。目前新疆、大慶、勝利油田都已進行了一定規(guī)模的礦場應用。雖然與歐美等發(fā)達國家已開展的大量可行性研究、室內(nèi)實驗研究、計算機模擬研究、實際工程相比，我國在二氧化碳地質(zhì)儲存科學問題研究上還處于初級階段，但是依然取得了巨大的成績。

2006年5月30日～6月1日在北京召開了以“溫室氣體（二氧化碳）控制技術(shù)及關(guān)鍵問題”為主題的第279次學術(shù)討論會。徐建中院士、費維揚院士、張新時院士和張懿院士擔任了本次會議的執(zhí)行主席。會議就二氧化碳分離方法、能源系統(tǒng)中二氧化碳控制技術(shù)、二氧化碳的固定與利用技術(shù)和生物固碳與碳貿(mào)易等四個中心議題進行了研討。2007年在吉林油田公司啟動了中國石油股份公司重大科技專項“吉林油田含二氧化碳天然氣開發(fā)和二氧化碳埋存及資源綜合利用研究” 項目。中國科技部與英國政府啟動了煤炭利用近零排放合作項目，研發(fā)碳捕集與封存技術(shù)，最終實現(xiàn)煤炭利用過程中幾乎不再向大氣排放二氧化碳的目標。中聯(lián)煤與加拿大公司在山西沁水盆地實施二氧化碳驅(qū)煤層氣試驗已取得了一批理想成果，相關(guān)公司正在積極籌備規(guī)?；_采。國家“973”項目“溫室氣體提高石油采收率的資源化利用及地下埋存” 在利用二氧化碳提高油氣采取率方面做了大量的理論研究和試驗工作。

除二氧化碳資源化利用研究，我國針對二氧化碳咸水層封存方面的研究項目和工程也已啟動。

2008年，由中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所、大連理工大學、天津地熱勘查開發(fā)設計院和中國科學院武漢巖土力學研究所等單位承擔的科技部863重點項目課題“二氧化碳的封存技術(shù)”立項。課題擬以天津市館陶組咸水層為試驗目的層，綜合運用室內(nèi)實驗、現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬等多種手段，研究CO2/CO2-咸水混合流體的物理化學特性，認識CO2注入地下咸水層后的運移規(guī)律以及環(huán)境效應，通過突破關(guān)鍵技術(shù)，形成適合我國陸相沉積盆地地質(zhì)條件的低成本、實用性CO2封存量評價技術(shù)、安全性評價技術(shù)和環(huán)境效應監(jiān)測技術(shù)。

2010年，由中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心、中國地質(zhì)大學、北京大學、中國神華煤制油化工有限公司、中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所、中國科學院武漢巖土力學研究所等單位承擔的國土資源部二氧化碳地質(zhì)儲存綜合研究項目“我國二氧化碳地質(zhì)儲存調(diào)查”立項。擬對我國二氧化碳地質(zhì)儲存適宜性及潛力進行評價和區(qū)劃，并選定典型地區(qū)開展儲存示范工程；開展我國二氧化碳地質(zhì)儲存基礎(chǔ)理論、技術(shù)方法和法規(guī)政策研究，形成完整的二氧化碳地質(zhì)儲存基本理論體系和場址選擇、儲存能力評價、安全風險評價、環(huán)境影響評價、二氧化碳逃逸監(jiān)測和地理信息系統(tǒng)建設方法體系，為我國二氧化碳地質(zhì)儲存工程提供技術(shù)支撐。

相信不久的將來，隨著大量科研力量和經(jīng)費的投入，我國二氧化碳地質(zhì)儲存也將進入實質(zhì)性生產(chǎn)階段。作為一個負責的大國，我國正以實際行動開展二氧化碳減排研究，倡導低碳生活，為全人類的福祉做出自己的貢獻！

5 政策與建議

（1）我國是二氧化碳的排放大國，應該借鑒西方發(fā)達國家在二氧化碳地質(zhì)儲存研究領(lǐng)域的先進經(jīng)驗。建立國際合作組織，安排技術(shù)人員赴國外進行考察和學術(shù)交流，從而有效評估我國二氧化碳地質(zhì)儲存潛力，確定應用于二氧化碳地質(zhì)儲存的相關(guān)技術(shù)、設施和政策法規(guī)。有助于推動二氧化碳地質(zhì)封存技術(shù)在中國的開展。

（2）積極探索地質(zhì)、陸地以及海洋儲存二氧化碳的安全性能，運用系統(tǒng)優(yōu)化方法，確立一套安全合理的儲存方案。充分利用地質(zhì)、海洋、森林、濕地、城市綠化等多種途徑進行二氧化碳儲存，做到因地制宜，合理儲存。

（3）通過轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、提高能源效率和節(jié)約能源促進低碳經(jīng)濟的發(fā)展。應著重開展太陽能、海洋能、風能、地熱資源和生物質(zhì)能等新能源的開發(fā)和利用。（4）政府可制定能源環(huán)境稅收政策，來提高能源利用效率，減少大氣污染和溫室氣體排放。在新能源的開發(fā)利用方面，政府可以提供資金支持，以政府補貼鼓勵人們使用節(jié)能產(chǎn)品。大力宣傳節(jié)能減排知識，提高人們節(jié)能減排意識。

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F124.5; X37

C

1672-6995（2010）04-0024-03

2010-04-15

張超宇（1981-），男，內(nèi)蒙古赤峰市人，中國國土資源經(jīng)濟研究院研究實習員，工學碩士，主要研究方向環(huán)境經(jīng)濟。