CO2地質(zhì)封存技術(shù)與封存潛力評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展

曹 龍，邊利恒

(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069;2.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，陜西 韓城 715400)

二氧化碳捕獲和封存(CCS)是指把二氧化碳從工業(yè)或相關(guān)能源的源分離出來，輸送到一個(gè)封存地點(diǎn)，并且長期與大氣隔絕的一個(gè)過程。目前國際上主要研究CO2封存包括三種儲(chǔ)存形式，海洋中的存儲(chǔ)、CO2在深層地質(zhì)體中的封存以及在地表利用礦物碳酸化來固定CO2。CO2地質(zhì)封存是最具潛力的儲(chǔ)存技術(shù)，目前國際上(1兆噸 CO2/年或以上量級(jí)的CO2封存項(xiàng)目包括:北海的斯萊普內(nèi)(Sleipner)、加拿大的韋本(Weyburn)和阿爾及利亞薩拉赫(Salah)項(xiàng)目。它們每年捕獲約3～4兆噸 CO2并封存在地質(zhì)構(gòu)造中，否則將會(huì)釋放到大氣中(表1)。由此看來，CO2的地質(zhì)封存在未來幾十年在世界范圍內(nèi)有著較大容量的儲(chǔ)存潛力。

1 地質(zhì)封存技術(shù)

CO2地質(zhì)封存技術(shù)主要是指將捕集到的高純度CO2注入到選定的、安全的地質(zhì)構(gòu)造中，通過各種圈閉機(jī)制將CO2永久性地封存在地下。如上面所述，所涉及的埋存的場所主要應(yīng)選擇在枯竭的油氣藏(Depleted and gas reservoirs)以及提高原油采收率、深部的鹽水儲(chǔ)層(Deepsaline reservoirs)、不能開采的煤層(Unnable eoalseams)和深海(oeean storage)等(PICC，2005)。

1.1 煤層中的 CO2封存技術(shù)

不可采的薄煤層、埋藏超過終采線的深部煤層和構(gòu)造破壞嚴(yán)重的煤層，都可成為CO2封存的潛在的地質(zhì)構(gòu)造。當(dāng)CO2注入到煤層后，會(huì)在煤層孔隙中擴(kuò)散，由于煤體表面對(duì)CO2的吸附能力大約是對(duì)甲烷吸附能力的兩倍，注入的 CO2可有效地替換甲烷，使吸附狀態(tài)的甲烷轉(zhuǎn)變成游離狀態(tài)，從而提高煤層氣的產(chǎn)量，這種技術(shù)被稱為注CO2提高煤層甲烷采收率(enhanced coalbed methane，ECBM)技術(shù)。因此，煤層埋存地點(diǎn)的選擇應(yīng)考慮將來煤礦資源的充分利用。

1.2 EOR提高原油采收率封存技術(shù)

利用CO2提高原油采收率(enhanced oil recovery，EOR)是石油行業(yè)一項(xiàng)成熟的技術(shù)。注入的CO2溶于原油后，使原油的體積膨脹、黏度降低，更易于向生產(chǎn)井方向流動(dòng)，部分CO2會(huì)隨地層流體產(chǎn)出，但可以通過分離后循環(huán)注入到油藏中，而大部分CO2則會(huì)占據(jù)采出流體原來所占據(jù)的孔隙體積，溶解于殘余油和地層水中。油田經(jīng)驗(yàn)表明，大約40%原始注入的CO2會(huì)在生產(chǎn)井中產(chǎn)出，如果不考慮CO2在生產(chǎn)井中突破后的分離和回注，CO2的存儲(chǔ)效率大約有60%。隨著CO2地質(zhì)埋存技術(shù)的興起，CO2—EOR也成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。

表1 目前國際上已經(jīng)開展的一些CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目(據(jù)IPCC報(bào)告，2005)

1.3 深部鹽水層的 CO2封存技術(shù)

深部鹽水層作為CO2的封存場可避免淺層淡水被CO2所污染。所用于CO2埋存的深部鹽水層(saline aquifer for CO2storage)一般由碳酸鹽巖或砂巖構(gòu)成，孔隙中充滿鹽水，孔隙度要足夠大，且具有較高滲透率，以便 CO2的注入和滲流。注入的CO2可通過構(gòu)造圈閉、殘余飽和度圈閉、溶解圈閉及礦物圈閉等形式封存在鹽水層中。鹽水層埋深應(yīng)在800 m以上，注入的CO2可在地層條件下達(dá)到超臨界狀態(tài)，密度約為水的50%～80%，可有效地利用孔隙體積。用于埋存的鹽水層要具有良好的蓋層和隔層，與淡水層隔離，且不能存在明顯導(dǎo)致CO2泄露的斷層和裂縫，從而保證埋存的安全(NOH M，LAKE LW，2009)。

2 CO2封存潛力及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1 封存量的分級(jí)

CO2在地下構(gòu)造體中的埋存主要通過構(gòu)造空間儲(chǔ)存、束縛空間儲(chǔ)存、溶解儲(chǔ)存和礦化儲(chǔ)存等機(jī)理來實(shí)現(xiàn)，其中最主要的儲(chǔ)存方式是構(gòu)造空間和束縛空間儲(chǔ)存，因此，計(jì)算油藏中二氧化碳理論埋存量的關(guān)鍵是確定油藏中可供給二氧化碳儲(chǔ)存的幾何空間在構(gòu)造空間流體中所溶解的量(圖1)。

圖1 CO2在地下儲(chǔ)存機(jī)理(江懷友，2006)

圖2 CO2封存量分級(jí)圖(Bond L P，2003)

國外學(xué)者將地質(zhì)儲(chǔ)層中CO2封存量分為理論封存量、有效封存量和實(shí)際封存量(Bond L P，2003)。理論封存量表示圈閉系統(tǒng)中所提供給CO2的物理空間極限量;有效封存量表示從實(shí)際地質(zhì)情況以及技術(shù)層面上考慮了儲(chǔ)集層性質(zhì)、儲(chǔ)集層封閉性、埋存深度、儲(chǔ)集層壓力系統(tǒng)及孔隙體積等因素影響的埋存量;實(shí)際封存量表示考慮到當(dāng)前技術(shù)條件、法律及政策、基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)條件等因素影響的埋存量。含油氣儲(chǔ)層中封存CO2是目前國際上最為成熟的技術(shù)，在選擇油藏作為二氧化碳埋存場所時(shí)的封存量平價(jià)主要是確定理論封存量和有效封存量(圖2)。

2.2 封存量的計(jì)算方法

目前二氧化碳在油藏中理論封存量的計(jì)算方法主要是以物質(zhì)平衡方程為基礎(chǔ)建立起來的。其假設(shè)條件是已采出的油氣所讓出的空間都可用于二氧化碳的存儲(chǔ)。國外學(xué)者Bachu S(2004)在大量研究基礎(chǔ)上提出了利用CO2驅(qū)油的封存量計(jì)算公式，該公式包含CO2突破前和突破后兩種狀態(tài)。中國油田大多是采用注水開發(fā)且多含水層，國內(nèi)學(xué)者沈平平(2009)在參考國外的研究基礎(chǔ)上結(jié)合中國油藏開發(fā)特點(diǎn)以及二氧化碳在油藏中的埋存機(jī)理，提出考慮溶解問題的理論埋存量計(jì)算方法。

理論封存量假設(shè)是CO2注入使得地層壓力恢復(fù)到原始?jí)毫顟B(tài)，CO2完全占據(jù)了采出原油的空間，并且部分溶解于地層水以及原油之中，美國多年 CO2驅(qū)采油經(jīng)驗(yàn)表明，注入的CO2約40%被采出，因此基于以上情況，建立 CO2突破前后封存量的計(jì)算公式。

CO2突破之前:

CO2突破之后:

式中:Mt為二氧化碳在油藏中的理論埋存量，106t;ρr為二氧化碳在油藏條件下的密度，kg/m3;ER為原油的采收率，f;A為油藏面積，m2;h為油藏厚度，m;Φ為油藏孔隙度，f;Swi為油藏束縛水飽和度，f;Viw為注入油藏的水量，m3;Vpw為從油藏產(chǎn)出水量，m3;Cws為二氧化碳在水中溶解系數(shù)，f;Cos為二氧化碳在油中溶解系數(shù)，f;ERb為二氧化碳突破之前原油的采收率，f;ERh為注入某一體積二氧化碳時(shí)原油的采收率，f。以上各式計(jì)算中，確定原油采收率是關(guān)鍵，可通過油藏?cái)?shù)值模擬或經(jīng)驗(yàn)公式獲得(沈平平，2009)。

2.3 CO2地質(zhì)封存的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

地質(zhì)儲(chǔ)層中CO2封存滲漏所引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)分為兩大類:全球風(fēng)險(xiǎn)和局部風(fēng)險(xiǎn)。全球風(fēng)險(xiǎn)一般是指部分CO2泄漏到大氣中，釋放出的CO2可能引發(fā)顯著的氣候變化。局部風(fēng)險(xiǎn)是指從封存構(gòu)造中泄漏 CO2，可能對(duì)人類、生態(tài)系統(tǒng)和地下水造成局部災(zāi)害。目前國外經(jīng)驗(yàn)對(duì)造成局部風(fēng)險(xiǎn)主要有以下四種方式:

(1)CO2通過封蓋層的滲漏，主要包括蓋層的破裂產(chǎn)生裂縫以及CO2突破蓋層的毛細(xì)管壓力發(fā)生泄漏。

(2)CO2通過斷裂發(fā)生滲漏，發(fā)生 CO2滲漏的斷裂主要包括未封閉的斷層或者CO2壓力增大驅(qū)使封閉的斷層轉(zhuǎn)為開放。CO2可以通過這些斷層直接滲漏至地表。

(3)通過人工井發(fā)生滲漏，在固結(jié)不好的油氣井中，CO2通過油氣井滲漏至地面。

(4)CO2通過側(cè)向運(yùn)移的滲透，主要是 CO2溶解于含水層中，通過側(cè)向運(yùn)移，CO2運(yùn)移至高的構(gòu)造位置，慢慢遷移至地表以及大氣中。

因此，早期的地質(zhì)評(píng)估手段以及可能的滲漏途徑做出評(píng)估分析是減少風(fēng)險(xiǎn)的重要途徑。同時(shí)補(bǔ)救措施是CO2發(fā)生泄漏以后所立即要采取的行動(dòng)(圖3)?，F(xiàn)有的監(jiān)測(cè)方法需要更多的經(jīng)驗(yàn)來確定檢測(cè)層面和分辨率。一旦檢測(cè)到滲漏，就應(yīng)立即使用補(bǔ)救技術(shù)來阻止或控制滲漏。根據(jù)滲漏的類型，可采取的補(bǔ)救技術(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)油氣井維修技術(shù)或者通過把滲漏阻擋在一個(gè)淺的地下水蓄水層內(nèi)，以從中提取 CO2。也有把CO2從土壤和地下水中提取的技術(shù)，但成本有可能高。需要經(jīng)驗(yàn)來證明其實(shí)用性，并確定這些技術(shù)的成本，以便用于CO2的封存。

圖3 CO2潛在的泄漏途徑及補(bǔ)救措施(IPCC，2005)

3 結(jié)語

中國含油氣盆地眾多，幾乎每個(gè)含油氣盆地都含油多套含油層系，這些含油氣圈閉形成油氣藏并保存至今，已經(jīng)可以證明為進(jìn)行CO2地質(zhì)封存的有利場所。首先，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定，無大規(guī)模的構(gòu)造活動(dòng)以及斷裂，從根源上排除了 CO2通過大規(guī)模構(gòu)造活動(dòng)或者斷裂發(fā)生泄漏的可能。其次，油氣藏的存在證明具有良好的儲(chǔ)蓋層組合，是CO2封存的有利的封閉場所。再次，開發(fā)中的含油氣層系，井網(wǎng)完善，在勘探開發(fā)過程中積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)以及地質(zhì)資料，對(duì)儲(chǔ)層地質(zhì)條件已經(jīng)有了較深入認(rèn)識(shí)，便于快速展開封存體的地質(zhì)綜合分析，對(duì)儲(chǔ)存潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)。此外，在開發(fā)中后期的油氣田的油氣儲(chǔ)層實(shí)施CO2地質(zhì)封存既可以減少碳排放也可以利用CO2驅(qū)提高原油采收率，增加經(jīng)濟(jì)效益。因此，中國作為世界碳排放大國，雖然 CO2封存技術(shù)起步較晚，但封存潛力巨大?，F(xiàn)階段需要加強(qiáng)國際合作、借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn)來發(fā)展適合國內(nèi)的地質(zhì)封存技術(shù)，尤其對(duì)油氣層的CO2封存技術(shù)進(jìn)行關(guān)注，并且建立科學(xué)體系的泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及補(bǔ)救機(jī)制，以便更好地承擔(dān)相應(yīng)的國際義務(wù)，控制溫室效應(yīng)。

[1]孫樞.CO2地下封存的地質(zhì)學(xué)問題及其對(duì)減緩氣候變化的意義[J].中國基礎(chǔ)科學(xué).2006.

[2]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):93-98.

[3]沈平平，廖新維，劉慶杰等.二氧化碳在油藏中埋存量計(jì)算方法[J].石油勘探與開發(fā).2009，36(2):216-220.

[4]加拿大 Weyburn油田 CO2地質(zhì)封存[R].2005.內(nèi)部資料.

[5]IPCC.Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage[R].2005.

[9]周蒂.CO2的地質(zhì)存儲(chǔ)—地質(zhì)學(xué)的新課題[J].地球科學(xué)進(jìn)展.2005，15(7):782-787.

[6]任韶然，張 莉，張 亮.CO2地質(zhì)埋存:國外示范工程及其對(duì)中國的啟示[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2010，34(1):94-98.

[7]Bond L P.L Applications of carbon dioxide in enhanced oil recovery.Energy Conversion and Management.Journal of Canadian Petroleum Technology，2003，33(2):579-586.

[8]Doughty C，Pmuss K，ShfBen SOIL，Hovorka S D，Knox P R.Capacity investigation of brine-bearing sands of the Frio For-mation for geologic storage of CO2Journal of Oil and Gas，2000，12(9):11-15.