CO2地質(zhì)儲存研究現(xiàn)狀與啟示

葛秀珍 崔秀凌 范基姣

(1.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;2.湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三O一大隊，湖南長沙410114)

CO2地質(zhì)儲存研究歷時尚短，但是，它對于世界各國的意義重大，由于其特殊的復(fù)雜性和可能引發(fā)的安全和環(huán)境風(fēng)險問題，人們已經(jīng)意識到制定系列法律、法規(guī)以規(guī)避風(fēng)險，是推廣CO2地質(zhì)儲存技術(shù)前必須加以謹慎解決的問題［1］。無論國外、國內(nèi)，已有的法律、法規(guī)同CO2地質(zhì)儲存發(fā)展的需要都存在一定的差距。到目前為止，歐盟、美國、澳大利亞、挪威等國家和地區(qū)已經(jīng)在制定專門的CO2地質(zhì)儲存法律、法規(guī)方面做出了嘗試，我國在這一方面僅剛剛起步［2］。

1 國外選址方法

近十年來，美國、澳大利亞、英國、法國、德國、挪威和荷蘭等發(fā)達國家相繼發(fā)布了CO2地質(zhì)儲存選址方法研究不斷趨于成熟。最近，美加兩國的科學(xué)家正在聯(lián)合制定CO2地質(zhì)儲存的國家標(biāo)準(zhǔn)。一般而言，CO2地質(zhì)儲存場地選址通常包括2至3個階段，即初步篩選、場地選擇和場地初步鑒定。各國的研究在選址階段劃分上雖略有不同，但實質(zhì)內(nèi)容極其相似。不管劃分為幾個選址階段，其實質(zhì)問題主要是解決儲存量、儲蓋層屬性、安全評估、成本，以及場地地質(zhì)特征、地球化學(xué)和巖土力學(xué)評價、風(fēng)險評估、監(jiān)測、運輸?shù)认嚓P(guān)問題。

在場地屬性表征與評價方法上，多是根據(jù)選定的指標(biāo)按權(quán)重賦值評價。在CO2儲存選址評價因子研究上，通常認為最重要的因子包括4個方面即儲存容量、可灌注性、長期運行的安全風(fēng)險和經(jīng)濟性。在CO2地質(zhì)儲存目標(biāo)儲層研究方面，各國不約而同地指向3種類型目標(biāo)儲層，即已經(jīng)枯竭和即將枯竭的油氣藏儲層、深部咸水層儲層和因技術(shù)或經(jīng)濟原因而棄采的深部煤層儲層。其中，油氣藏儲層儲存CO2的研究，旨在實現(xiàn)CO2儲存與石油增采的雙贏［2］。

使用CO2提高石油采收率(CO2－EOR)已有近40年的研究歷史。加拿大Weyburn油田是目前世界上將CO2地質(zhì)儲存與提高石油采收率相結(jié)合比較成功的實例。Weyburn油田位于加拿大Saskatchewan省Williston盆地中北部，面積約180km2，原油儲量約14×108t。Weyburn油田CO2-EOR項目是加拿大能源公司的商業(yè)項目，2000年9月，在19井陣中首先進行注入CO2提高石油采收率的方案，初期注氣量為每天269×104m3。目前的注氣量為每天339×104m3。其中，每天有71×104m3的CO2通過生產(chǎn)井進行再循環(huán)。該項目通過把加壓的CO2氣體注入到油田儲層中提高了石油采收率，通過綜合監(jiān)測，查明了CO2注入儲層后的運移規(guī)律，從而為建立長期、安全的CO2地質(zhì)儲存技術(shù)提供了一個成功的范例。盡管CO2－EOR的初衷并不是為了儲存CO2，但是CO2－EOR的成功實施間接證明已經(jīng)枯竭和即將枯竭的油田是很好的CO2地質(zhì)儲存場地，而且在技術(shù)和經(jīng)濟上都是可行的［3］。

由英國石油公司(33%)、阿爾及利亞國家石油公司(35%)和挪威國家石油公司(32%)合資而成的In Salah Gas公司，從2004年開始在阿爾及利亞Krechba油田進行了注CO2提高天然氣采收率(CO2-EGR)項目，這是世界上第一個大規(guī)模將CO2儲存于天然氣藏中的項目。預(yù)計在設(shè)計年限內(nèi)，累計CO2地質(zhì)儲存量可達到0.17×108t。該工程由4個生產(chǎn)井和3個灌注井組成，通過1.5km的水平井將CO2灌注至背斜構(gòu)造中滲透率只有約0.5×10－3tμm2的砂巖儲層內(nèi)［4］。這一滲透率水平的砂巖儲層在歐洲、北美和中國大陸都分布得相當(dāng)廣泛。

假設(shè)地下深部的煤層具有良好的滲透性，且這些煤層以后不可能被開采，那么，該煤層也可用于CO2地質(zhì)儲存。向某些不可開采的深部煤層中灌注CO2，利用CO2在煤表面的被吸附能力是CH4(甲烷)的2倍的特點來驅(qū)替吸附在煤層中的煤層氣，可以在實現(xiàn)CO2地質(zhì)儲存的同時，達到提高煤層氣采收率(CO2-ECBM)的目的［5］。目前，在煤層中儲存CO2并提高CH4生產(chǎn)的方案仍處在示范階段。另外，如果把CO2灌注到較淺的煤層里，首先驅(qū)替出淺部煤層中的CH4，既可以充分開采利用淺部煤層中的煤層氣，同時又可以有效地避免發(fā)生煤礦瓦斯爆炸的危險。但在采掘這些煤的過程中，煤層吸附的CO2又會重新釋放到大氣環(huán)境中，還是無法達到減少溫室氣體排放的目的。

根據(jù)國內(nèi)外科學(xué)家的研究［6］，在所有可能的CO2地質(zhì)儲存選項中，深部咸水層CO2地質(zhì)儲存在全球具有最大的規(guī)模潛力。挪威國家石油公司的北海Sleipner項目是世界上第一個商業(yè)規(guī)模的CO2深部咸水層儲存項目，而且這是一個離挪威海岸約250km的離岸CCS項目。在咸水層中，Sleipner天然氣田每年可以儲存大約100×104t的CO2。自1996年以來，該儲存場地還沒有發(fā)現(xiàn)過任何CO2泄漏的現(xiàn)象，其成功的運行已證明深部咸水層CO2地質(zhì)儲存在技術(shù)上是可行的［2］。

深部咸水層CO2地質(zhì)儲存和沉積盆地的研究有著非常密切的關(guān)系，這在發(fā)達的工業(yè)化國家已經(jīng)有很長的研究歷史，可追溯到20世紀(jì)70年代，90年代以后得以迅速發(fā)展，隨著以氣候變化為核心的全球環(huán)境問題日益嚴峻，目前，世界各國對CCS或者CCUS(CO2的捕集、利用和儲存)表現(xiàn)出極大的關(guān)注。美國、歐盟、挪威、日本、澳大利亞和加拿大等都制訂了相應(yīng)的規(guī)劃，開展CCS/CCUS技術(shù)的理念、試驗、示范及應(yīng)用研究［11］。其中，挪威針對CCS中的儲存環(huán)節(jié)，提出了一個頗為全面的關(guān)于CO2地質(zhì)儲存場地選擇和資格鑒定的指南［12］。另外美國的科研規(guī)劃、組織實施較為周密完善，并制訂了詳細的技術(shù)路線圖，而日本的研究規(guī)劃考慮地震與活斷層最為縝密［7］。

加拿大科學(xué)家Bachu認為，評價一個沉積盆地的CO2地質(zhì)儲存潛力時必須考慮幾個標(biāo)準(zhǔn)，即它們所處的構(gòu)造背景和地質(zhì)特征、盆地地?zé)崽卣?、地下水的水動力特征、盆地的油氣潛力和成熟度、基礎(chǔ)設(shè)施和交通等經(jīng)濟因素，以及社會政治條件。如果考慮上述條件和氣候條件、交通便利性、基礎(chǔ)設(shè)施以及CO2捕獲和灌注成本，適宜CO2地質(zhì)儲存的沉積盆地的范圍將會顯著地減少。

Bachu在借鑒高放射性核廢料儲存評價格條件的基礎(chǔ)上，從區(qū)域構(gòu)造、盆地幾何形態(tài)、地質(zhì)條件和油氣潛力等方面，提出了盆地級別的CO2地質(zhì)儲存適宜性系統(tǒng)化評估體系。該體系包括15個評價指標(biāo)，每個指標(biāo)在體系中賦予明確的權(quán)重，通過對每個指標(biāo)賦予不同的權(quán)值(5個不同的權(quán)值選擇)來為不同的盆地進行打分，從而確定評價盆地的適宜性和潛力。在15個評價指標(biāo)中，只有板塊構(gòu)造和地質(zhì)特征與盆地的力學(xué)穩(wěn)地性緊密相關(guān)。這個評價方法非常靈活而且易于計算，因為它允許同時變化各指標(biāo)在體系中的權(quán)重(相對重要性)和每個指標(biāo)的具體賦予的權(quán)值(絕對重要性)，而且所有的運算都是簡單的多項式操作。Bachu根據(jù)加拿大Alberta盆地的實踐應(yīng)用驗證了該評價體系的可行性［9］。

澳大利亞地球科學(xué)局(Geoscience Australia)在Bachu提出的CO2地質(zhì)儲存潛力與適宜性評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，面向盆地級別的評價篩選出了20項指標(biāo)，據(jù)此將澳大利亞適宜儲存CO2的盆地進行排序并編制了相關(guān)圖集，但未研究過大比例尺場地級別的評價指標(biāo)［8］(Rick Causebrook’s Talk at CAGS 2010)。CO2CRC于2008年發(fā)布的《CO2儲存項目儲存容量估計、選址與鑒定》(Storage Capacity Estimation，Site Selection and Characterization for CO2Storage Projects)報告中的選址方法使用了Gibson-Poole推薦的二氧化碳地質(zhì)儲存的場地鑒定工作流程的修正版評價技巧研究了澳大利亞Gippsland盆地灌注CO2過程中斷層的再激活可能性［10］。

2 分析與啟示

國外的CCS指南都強調(diào)了與現(xiàn)行法律/法規(guī)的一致性，以及各儲存技術(shù)環(huán)節(jié)的環(huán)境與安全問題。從各個指南的總體內(nèi)容來看，主要包括場地選擇、環(huán)境與安全風(fēng)險評估、運行和監(jiān)測，以及場地關(guān)閉問題等部分。其中，前三個部分是指南的核心內(nèi)容，大部分指南對于場地關(guān)閉和關(guān)閉后條件，以及事故處理方面的內(nèi)容涉及不多。從場地選擇方面來看，大部分指南將初篩、評估、選址等作為重點;從監(jiān)測方面看，挪威提出“監(jiān)測、驗證、計算與報告”(MMV)的監(jiān)測方法;在環(huán)境風(fēng)險評估方面，所有的指南都指出要確定可能的風(fēng)險和不確定性，對風(fēng)險進行評估分級，確定必要的防護措施等。各指南在方法應(yīng)用、技術(shù)范圍以及具體實施的剛?cè)嵝缘确矫娓骶咛攸c。美國的儲存指南偏重于技術(shù)方面的較多，對環(huán)境影響評價的建議較少;歐盟更多地強調(diào)了儲存過程的風(fēng)險評價;英國的CCS儲存指南是針對咸水層儲存的實踐指南;挪威的儲存摜對場地的篩選、評估和選擇，運行和許可審查以及關(guān)閉等方面都進行了詳細地闡述;澳大利亞針對環(huán)境影響評價提出了相對具體可行的評價范圍和措施等。

我國是全球第一大CO2排放國，雖然在CCS方面起步較晚，但是，今后一段時期，由煤炭發(fā)電仍然是我國電力的主要來源，因此，有效解決煤炭發(fā)電而產(chǎn)生的CO2排放問題，是我國未來能源安全和可持續(xù)發(fā)展的一個重要因素，也是實現(xiàn)我國CO2排放目標(biāo)的一個關(guān)鍵因素。如果跟蹤發(fā)達國家的做法和經(jīng)驗，盡快開展好具有中國特色的CO2地質(zhì)儲存研究，是我國未來電力能源發(fā)展/減少外交糾紛和分歧、履行我國承諾的一條重要道路和途徑。

(編輯:李 望)

［1］氣候組織.CCS在中國現(xiàn)狀/挑戰(zhàn)和機遇.http://www.the climategroup.org.cn/publications/2010-07-Carbon_Capture_and_Stouage.pdf.

［2］ Metz et al.，IPCC 2005:IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storgae.Cambridge University Press，Cambridge，UK，P.431.

［3］Brown et al.，2001.Role of Enhanced Oil Recovery in carbon sequestration:The Weyburn Monitoring Project，a case study.Pan Canadian Petroleum Ltd，Calgary，Canada，p.8.;IEA GHG，2006.

［4］Riddiford et al.Monitoring Geological Storage:The In Salah Gas CO2Storage project，seventh International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies，Regina，Canada，2004:1 －6.

［5］Wong et al.Enhanced Coalbed Methane:Micro － Pilot Test at South Qinshui，Shanxi，Chin，Eighth International Conference on Greenhouse Gas Control Techonlogies，Trondheim，Norway，2006:1 －6.

［6］Metz et al，2005;Li et al.，2009.CO2point emission and geological storage capacity in China.Energy Procedia 1，2793 －2800.

［7］Li et al.Numerical simulation on faults activities induced by the injection of CO2in deep saline aquifers，XXIII General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics(IUGG2003)Sapporo，Japan;National Energy Technology Laboratory，2010;OECD/IEA，2010.

［8］Gibson-Poole，et al.2008.Site characterization of a basin － scale CO2geological storage system:Gipposland Basin，Southeast Australia［J］.Environmental Geology，2008，54:1583 －1606.

［9］Bachu S.Screening and ranking of sedimentary basins for sequestration of CO2in geological media in response to climate change［J］.Environmental Geology，2003:44，277 －289.

［10］Van Ruth，et al.Fault reactivation potential during CO2injection in the Gippland Bsin，Australia.Exploration GEOPHYSICS，2006，37:50－59.

［11］(Bachu，S.2008.CO2storage in geological media:Role Means，Status and Barrier to Deployment.Progress In Energy and Combustion Scienec 34，254 －273;Bradshaw，J.Cook，P.，2001.Geological Sequestration of Carbon Dioxide.Environmental Geosciences 8，149 －151;Holloway，2005.Underground sequestration of carbon dioxide － a vible greenhouse gas mitigation option.Energy 30，2318 －2333;IEA GHG，R?D Programme.2007.Building Confidence in Geological Storage of Carbon Dioxide，Cheltenham，UK，p.53;Socolow，R.H.2005.Can we bury global warming?Scientific American 293，49 －55;新エネルギヘ。產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)，2002)

［12］Det Norske Veritas，2009.CO2QUALSTORE:Guidelin for Selection and Qualification of Sites and Projects for Geological of CO2.Det Norske Veritas，Hovik，Norway，p.77.