CO2地質(zhì)封存國(guó)內(nèi)外研究概況與應(yīng)用

臧雅瓊，高振記，鐘偉

1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083

2.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012

由于對(duì)化石燃料的過(guò)度依賴，以CO2為主的溫室氣體大量排放引起的全球變暖正日益威脅著人類生存環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?！堵?lián)合國(guó)氣候變化框架公約》是世界上第一個(gè)為全面控制CO2等溫室氣體排放，以應(yīng)對(duì)全球氣候變暖給人類經(jīng)濟(jì)和社會(huì)帶來(lái)不利影響的國(guó)際公約，也是國(guó)際社會(huì)在應(yīng)對(duì)全球氣候變化問(wèn)題上進(jìn)行國(guó)際合作的一個(gè)基本框架［1］。2011年11月28日—12月9日，聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約第17次締約方會(huì)議在南非德班召開(kāi)，中國(guó)作為CO2排放第二大國(guó)，在國(guó)際氣候談判中的壓力越來(lái)越大，控制溫室氣體排放任務(wù)艱巨。中國(guó)還是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，人口眾多、氣候條件復(fù)雜、生態(tài)環(huán)境脆弱，易受氣候變化的影響，并且在未來(lái)幾十年中，我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)短期內(nèi)難以根本改變，控制溫室氣體排放的難度很大，任務(wù)艱巨［2］。因此，尋求一種既能減緩溫室氣體的排放而又不阻礙經(jīng)濟(jì)發(fā)展的方法勢(shì)在必行。

CO2地質(zhì)封存是近年來(lái)國(guó)際上興起的一種溫室氣體封存技術(shù)。該技術(shù)利用地下適合的地質(zhì)體進(jìn)行CO2深部封存，可以很好地將溫室氣體封存在地殼中，同時(shí)對(duì)地表生態(tài)環(huán)境影響很小，具有較高的安全性和可行性。此外，把碳捕獲和地質(zhì)封存相結(jié)合，對(duì)我國(guó)能源系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有深遠(yuǎn)影響。但關(guān)于碳捕獲和碳封存(carbon capture and storage，CCS)技術(shù)應(yīng)用的具體部門還有待結(jié)合捕獲規(guī)模和捕獲成本進(jìn)行進(jìn)一步的研究，并應(yīng)將這些具體部門納入整個(gè)能源系統(tǒng)中，從而可以更加系統(tǒng)地分析該技術(shù)引入的作用和影響［3］。

1 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目進(jìn)展

早在20世紀(jì)70年代初，美國(guó)就開(kāi)展了注入CO2提高石油采收率(enhanced oil recovery，EOR)項(xiàng)目。除美國(guó)外，世界上許多發(fā)達(dá)或發(fā)展中國(guó)家也開(kāi)展了將CO2注入油氣田、煤層或咸水層以達(dá)到永久儲(chǔ)存目的的項(xiàng)目。據(jù)澳大利亞GCCSI(Global CCS Institute)的統(tǒng)計(jì)，截至2011年10月4日，全世界共有74個(gè)大型項(xiàng)目，其中有8個(gè)大型項(xiàng)目正在運(yùn)行中，6 個(gè)項(xiàng)目在建(表 1)［4-8］。

表1 正在運(yùn)行與在建的大型綜合碳封存項(xiàng)目［4］Table 1 Large-scale integrated projects in the operate and execute stages

具有較大規(guī)模和影響力的CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目包括:Sleipner項(xiàng)目，CO2被注入北海海底以下900 m深處的咸水飽和砂層中，迄今尚未檢測(cè)到任何泄露，證明將 CO2儲(chǔ)存在咸水層中是可行的［9-10］;Weyburn項(xiàng)目，利用注入CO2提高石油采收率(EOR項(xiàng)目)，迄今為止已有70萬(wàn)t CO2被灌入油田，證明了油田的天然地質(zhì)結(jié)構(gòu)非常適合長(zhǎng)期封存加拿大邊界大壩(Boundary Dam)項(xiàng)目，是世界上第二個(gè)在發(fā)電行業(yè)進(jìn)行的大規(guī)模碳捕集工程;伊利諾伊工業(yè)碳捕集與封存(ICCS)項(xiàng)目，是美國(guó)第一個(gè)在深部咸水層封存CO2的項(xiàng)目。

1.2 我國(guó)CO2地質(zhì)封存研究現(xiàn)狀

中澳CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目研究2009年報(bào)告［12］指出，目前在中國(guó)的一些先行試驗(yàn)盆地開(kāi)展了關(guān)于CO2地質(zhì)封存的研究，這些地點(diǎn)包括松遼盆地、沁水盆地、渤海灣盆地、遼河油田等。研究?jī)?nèi)容主要包括三個(gè)方面:1)封存潛力的評(píng)估;2)封存的安全性評(píng)估;3)封存帶來(lái)的影響(包括對(duì)周圍環(huán)境及健康等)評(píng)估。

國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)和高校(如浙江大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)等)開(kāi)展CCS研究已有10年以上的歷史［13］。我國(guó)目前開(kāi)展的主要是CO2-EOR項(xiàng)目，大陸上大型含油氣盆地開(kāi)發(fā)和地質(zhì)認(rèn)識(shí)程度高，資料豐富，且大都進(jìn)行過(guò)驅(qū)油試驗(yàn)，可作為CO2地質(zhì)封存的潛在場(chǎng)所。此外，山西的沁水盆地開(kāi)展了注入CO2提高煤層甲烷采收率(enhanced coal bed methane recovery，ECBM)項(xiàng)目［14］。

目前國(guó)內(nèi)主要研究性項(xiàng)目有:1)國(guó)家基礎(chǔ)性研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目，提高石油采收率的地質(zhì)封存(2006—2011年)。該項(xiàng)目開(kāi)展關(guān)于碳的地質(zhì)封存和EOR地質(zhì)、物理及化學(xué)問(wèn)題的基礎(chǔ)研究，研究EOR非線性流機(jī)制問(wèn)題以及碳捕獲與抗腐蝕問(wèn)題［15］。2)國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目，碳捕獲與碳封存(2008—2010年)。該項(xiàng)目主要開(kāi)展捕獲CO2先進(jìn)技術(shù)以及深部咸水層碳封存的研究［16］。

目前國(guó)內(nèi)主要示范項(xiàng)目有:1)華能集團(tuán)的綠色發(fā)電(GreenGen)合資項(xiàng)目;2)由西安熱工研究院(TPRI)與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)合作開(kāi)展的燃燒后捕獲(PCC)示范項(xiàng)目［17］;3)中國(guó)石油化工有限公司(中國(guó)石化)CO2-EOR項(xiàng)目，該項(xiàng)目目前以0.04 Mt/a的速度向勝利油田注入CO2，并計(jì)劃將注入速度提升到1 Mt/a;4)中國(guó)石油天然氣股份有限公司(中國(guó)石油)吉林油田項(xiàng)目，從2009年起，中國(guó)石油以0.12 Mt/a的速度向吉林油田注入CO2;5)神華集團(tuán)在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市開(kāi)展的CO2注入項(xiàng)目，該項(xiàng)目中CO2以0.1 Mt/a的速度注入咸水構(gòu)造中［4］。

2 CO2地質(zhì)封存主要介質(zhì)及其特征

劉佳等［18］認(rèn)為，CO2的埋存機(jī)理有結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存、殘留物儲(chǔ)存、溶解儲(chǔ)存和礦物儲(chǔ)存。郭晨等［19］指出，CO2埋存的地質(zhì)體可以看作一種圈閉裝置，地層圈閉、構(gòu)造圈閉屬于物理機(jī)制，溶解圈閉、礦物圈閉屬于化學(xué)機(jī)制，化學(xué)機(jī)制優(yōu)于物理機(jī)制，但過(guò)程緩慢。總體來(lái)說(shuō)，CO2的封存機(jī)制分為物理機(jī)制和化學(xué)機(jī)制，物理機(jī)制主要依靠地質(zhì)構(gòu)造通過(guò)物理方法封存CO2，化學(xué)機(jī)制主要通過(guò)溶解、礦化、吸附等方法封存CO2。在CO2封存過(guò)程中，兩種機(jī)制常共存，但在時(shí)間和空間尺度上有主次之分。

適合CO2封存的場(chǎng)所主要有:深部不可采煤層、深部咸水層、枯竭的油氣藏、深海等(圖1)［20］。深海埋存在理論上潛力巨大，但目前仍處于理論研究和模擬階段，在技術(shù)可行性和對(duì)海洋生物的影響上還需要更進(jìn)一步的研究。筆者主要探討CO2地質(zhì)封存介質(zhì)——深部不可采煤層、深部咸水層和枯竭油氣藏的特點(diǎn)及封存技術(shù)。

圖1 CO2埋存場(chǎng)所示意Fig.1 Figure of CO2 storage sites

2.1 深部不可采煤層

煤系地層中存在著大量因技術(shù)原因或經(jīng)濟(jì)原因廢棄的煤層，這些不可采煤層是可用于CO2地質(zhì)封存的潛在地質(zhì)構(gòu)造。由于煤層的表面有大量孔隙，CO2注入煤層后以分子狀態(tài)被吸附在煤層表面，從而達(dá)到封存目的。研究表明，煤層對(duì)CO2的吸附能力是CH4的2倍，CO2注入煤層后可以有效地替代CH4，從而提高煤層氣的產(chǎn)量，工業(yè)上稱為注入CO2提高煤層甲烷采收率(CO2-ECBM)技術(shù)。使用該技術(shù)不僅達(dá)到了儲(chǔ)存CO2的目的，同時(shí)也增加了經(jīng)濟(jì)效益［21］。

2.2 深部咸水層

深部咸水層的水一般不能作為飲用水，且分布廣泛，封存潛力巨大，因此咸水層是良好的埋存CO2的地質(zhì)體。注入咸水層的CO2溶解于咸水中，并且與周圍巖石礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到永久封存的目的。該封存方法還要求咸水層有低滲透率的蓋層，以確保CO2能在咸水層中長(zhǎng)期封存［22］。

2.3 枯竭油氣藏

枯竭的油氣藏具有良好的圈閉構(gòu)造，地質(zhì)條件上十分適合CO2封存。同時(shí)，由于油氣勘探、開(kāi)采過(guò)程中積累了豐富的地質(zhì)資料，為CO2油氣藏封存研究及應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)，油氣藏是未來(lái)碳封存的一個(gè)重要場(chǎng)所。CO2注入油氣藏可以迫使殘余油氣溢出，提加石油采收率，工業(yè)上稱為注入CO2提高石油采收率(CO2-EOR)技術(shù)。這是一種成熟的技術(shù)，可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，且在石油行業(yè)廣泛使用。

2.4 CO2地質(zhì)埋存方式比較

深部不可采煤層具有很大的存儲(chǔ)潛力，注入CO2后可以替換出甲烷，提高經(jīng)濟(jì)效益。但整個(gè)過(guò)程復(fù)雜，CO2注入能力低，經(jīng)驗(yàn)較缺乏。深部咸水層封存CO2操作過(guò)程簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)量大，但是沒(méi)有額外的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，難于推廣，長(zhǎng)期存儲(chǔ)CO2的安全性還沒(méi)有被大量的項(xiàng)目明確證實(shí)，經(jīng)驗(yàn)還不夠豐富。枯竭的油氣田存儲(chǔ)CO2技術(shù)成熟，實(shí)際應(yīng)用中長(zhǎng)期封存的安全性也已證明，并且具有額外的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，但枯竭油氣田CO2封存操作過(guò)程較復(fù)雜，技術(shù)要求較高。

3 我國(guó)CO2地質(zhì)封存潛力簡(jiǎn)析

我國(guó)沉積盆地廣闊，沉積厚度大，油氣勘探盆地有500多個(gè)，沉積巖面積約670萬(wàn)km2，深部咸水層、油氣田等都可作為CO2封存的地質(zhì)構(gòu)造，地質(zhì)條件優(yōu)越。

在咸水層中，CO2的儲(chǔ)量是指能夠溶解于咸水層中的最大CO2量，即咸水層中CO2達(dá)到飽和時(shí)的溶解量［23］。利用該定義，李小春等［24］計(jì)算了我國(guó)深部咸水層的CO2封存量。在收集地質(zhì)、水文地質(zhì)和石油勘探等資料的基礎(chǔ)上，將中國(guó)大陸地區(qū)24個(gè)主要沉積盆地劃為70個(gè)封存分區(qū)，利用溶解度法，計(jì)算了各封存分區(qū)地下1～3 km深度內(nèi)咸水層的CO2封存量，并進(jìn)行了中國(guó)深部咸水層CO2封存優(yōu)先區(qū)域選擇研究。初步評(píng)價(jià)結(jié)果表明，中國(guó)咸水層CO2封存量達(dá)144 Gt。

劉延鋒等［25］在以往全國(guó)煤炭資源評(píng)價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上，將全國(guó)分為68個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)，對(duì)全國(guó)埋深300～1500 m內(nèi)的煤層氣資源量進(jìn)行重新評(píng)估，評(píng)估結(jié)果為27610 Gm3。利用CO2-ECBM儲(chǔ)存的CO2量與開(kāi)采煤層氣后煤所能儲(chǔ)存的CO2量之和即為CO2煤層可存儲(chǔ)量。結(jié)果表明，利用CO2-ECBM技術(shù)可使我國(guó)總的煤層氣可采量達(dá)1632 Gm3，可儲(chǔ)存CO2約12 Gt。

天然氣田具有良好的封閉性，儲(chǔ)存CO2后泄漏風(fēng)險(xiǎn)小，且分布廣泛，具有很大的封存潛力。劉延峰等［26］根據(jù)中國(guó)各含油氣盆地天然氣勘探資料和天然氣資源評(píng)估結(jié)果，開(kāi)展了中國(guó)天然氣田CO2封存量評(píng)估工作。結(jié)果表明，中國(guó)主要的天然氣田可以封存CO2約34.5 Gt。隨后指出，我國(guó)天然氣工業(yè)起步晚，產(chǎn)量低，較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)氣田枯竭，且枯竭氣田可能優(yōu)先用于戰(zhàn)略能源儲(chǔ)備。所以，中國(guó)CO2地質(zhì)封存場(chǎng)所應(yīng)優(yōu)先考慮深部咸水層和深部不可采煤層。此外，油田也是CO2地質(zhì)封存的良好場(chǎng)所，封存量的評(píng)估工作國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展，但目前鮮有相關(guān)研究成果公開(kāi)發(fā)表。

4 結(jié)論

近幾年，大型CO2地質(zhì)封存示范項(xiàng)目繼續(xù)集中在北美、歐洲和澳大利亞等地區(qū)進(jìn)行，并有少量的項(xiàng)目計(jì)劃在一些發(fā)展中國(guó)家展開(kāi)。鑒于此，發(fā)展中國(guó)家應(yīng)借鑒發(fā)達(dá)國(guó)家示范項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，發(fā)達(dá)國(guó)家則應(yīng)通過(guò)能力建設(shè)活動(dòng)和合理的項(xiàng)目支持來(lái)幫助發(fā)展中國(guó)家實(shí)現(xiàn)在建CCS項(xiàng)目的順利開(kāi)展。

在封存能力方面，我國(guó)深部咸水層、不可采煤層和天然氣田三種地質(zhì)介質(zhì)的CO2地質(zhì)封存能力總和估算為190.5 Gt，參照澳大利亞碳封存組在《國(guó)家碳排放及封存編圖和基礎(chǔ)設(shè)施計(jì)劃》報(bào)告中采用的CO2注入速率標(biāo)準(zhǔn)(100 Mt/a)計(jì)算，三種地質(zhì)介質(zhì)的CO2封存能力可供我國(guó)存儲(chǔ)CO2約1900年。以上數(shù)據(jù)只是在現(xiàn)有研究結(jié)果和技術(shù)水平條件下粗略估算的，封存能力總和不包含油田及利用其他介質(zhì)和手段的CO2封存量，隨著新的封存盆地不斷發(fā)現(xiàn)及CO2地質(zhì)封存技術(shù)的提高和項(xiàng)目的進(jìn)展，CO2地質(zhì)封存在我國(guó)溫室氣體減排和經(jīng)濟(jì)發(fā)展方面將發(fā)揮更大的作用。

據(jù)IPCC最新一次統(tǒng)計(jì)，中國(guó)CO2年排放量已達(dá)5.06 Gt。我國(guó)在國(guó)際社會(huì)中面臨的溫室氣體減排壓力越來(lái)越大，開(kāi)展CO2地質(zhì)封存對(duì)我國(guó)溫室氣體排放減排意義重大。我國(guó)雖然在CO2地質(zhì)封存技術(shù)研究和項(xiàng)目實(shí)施方面取得了一定的進(jìn)展，但CO2地質(zhì)封存技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用仍與發(fā)達(dá)國(guó)家有一定差距，因此我國(guó)應(yīng)積極開(kāi)展CO2地質(zhì)封存相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用的研究，加強(qiáng)國(guó)際合作，完善相應(yīng)的法律法規(guī)，加強(qiáng)自主創(chuàng)新，為溫室氣體排放問(wèn)題的解決開(kāi)辟新的空間。

［1］卞相珊.從國(guó)際氣候談判看中國(guó)低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型［J］.政法論叢，2011(3):21-27.

［2］中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院新聞辦公室.中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的政策與行動(dòng)白皮書［EB/OL］.北京:中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院新聞 辦 公 室.(2008-10-29)［2012-03-10］.http://www.chinanews.com/gn/news/2008/10-29/1429540.shtml.

［3］劉嘉，李永，劉德順.碳封存技術(shù)的現(xiàn)狀及在中國(guó)應(yīng)用的研究意義［J］.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2009(2):33-35.

［4］Global CCS Institute.The global status of CCS:2011［R/OL］.Canberra， Australia.2011 ［2012-03-11］. http://www.globalccsinstitute.com/publications/global-status-ccs-2011.

［5］HOLLOWAY S.An overview of the underground disposal of carbon dioxide［J］.Energy Convers，1997，38:193-198.

［6］JR FRANKLIN M O.Storage of carbon dioxide in geologic formation［J］.J Petroleum Technology，2004，56(9):90-97.

［7］ALPHEN K V，NOOTHOUT P M，HEKKERT M P，et al.Evaluating the development of carbon capture and storage technologies in the United States［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14:971-986.

［8］ALEX T，ASHOK S.Enhanced gas recovery(EGR)and CO2storage for Alberta gas pools［R］.Alberta:Alberta Research Council Inc，2003.

［9］Statoil.The Sleipner area［EB/OL］.(2010-11-15)［2012-03-11］.http://www.statoil.com/en/OurOperations/ExplorationProd/ncs/sleipner/Pages/default.aspx.

［10］強(qiáng)薇，李義連，文冬光，等.溫室性氣體地質(zhì)處置研究進(jìn)展及其問(wèn)題［J］.地質(zhì)科技情報(bào)，2006，25(2):83-88.

［11］江懷友，沈平平，羅金玲，等.世界二氧化碳埋存技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.中國(guó)能源，2010，32(6):28-32.

［12］CAUSEBROOK R.China Australia geological storage of CO2project［R］.Australia:Geoscience Australia，2009.

［13］張東明，楊晨，周海濱.二氧化碳捕集技術(shù)的最新研究進(jìn)展［J］.環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2010，35(5):7-9.

［14］FU P.Status of and perspectives on CCS in China［R/OL］.Kyoto:Office of Global Environmental Affairs，Ministry of Science and Technology，China.2007［2012-03-12］.http://www.rite.or.jp/English/lab/geological/ccsws2007/3_ping.pdf.

［15］李桂菊，張軍.二氧化碳捕獲與地質(zhì)封存項(xiàng)目進(jìn)展及啟示［J］.中外能源，2011，16(6):12-16.

［16］PetroChina Company Limited.CCS activities and developments in China［EB/OL］.(2007-09-10)［2012-03-12］.http://www.un.org/esa/sustdev/sdissues/energy/op/ccs_egm/presentations_papers/li_ccs_china.pdf.

［17］LIU H W，GALLAGHER K S.Driving carbon capture and storage forward in China［J］.Energy Procedia，2009，1(1):3877-3884.

［18］劉佳，孫雷，孔令新，等.CO2的捕獲與埋存［J］.承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2008，10(3):56-57.

［19］郭晨，孫嬌鵬，趙凱，等.CO2地質(zhì)處置探析［J］.硅谷，2009(17):4-5.

［20］江懷友，沈平平，李相方，等.世界地質(zhì)儲(chǔ)層二氧化碳理論埋存量評(píng)價(jià)技術(shù)研究［J］.中外能源，2008，13(2):93-99.

［21］任韶然，張莉，張亮.CO2地質(zhì)埋存:國(guó)外示范工程及對(duì)中國(guó)的啟示［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，34(1):93-97.

［22］龐忠和，楊峰田，段忠豐.二氧化碳地質(zhì)封存技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望［C］//第二屆廢物地下處置學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，北京:中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)，2008:479-492.

［23］李曉飛，陶茜.我國(guó)二氧化碳儲(chǔ)存地質(zhì)條件分析［J］.環(huán)境科技，2010，23(3):72-75.

［24］李小春，劉延峰，白冰，等.中國(guó)深部咸水含水層CO2儲(chǔ)存優(yōu)先區(qū)域選擇［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25(5):963-968.

［25］劉延峰，李小春，白冰.中國(guó)CO2煤層儲(chǔ)存容量初步評(píng)價(jià)［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(16):2947-2952.

［26］劉延峰，李小春，方志明，等.中國(guó)天然氣田CO2儲(chǔ)存容量初步評(píng)估［J］.巖土力學(xué)，2006，27(12):2278-2281. ?