山西省二氧化碳捕集利用及封存(CCUS)技術(shù)應(yīng)用選址初探

侯 麗 吳高峰 田晶晶 張彥欣 劉 靜 張 翔 姜加偉 程尚增 裴 鑄 牛亦航

(山西省煤炭地質(zhì)資源環(huán)境調(diào)查院，山西 太原 030006)

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山西省二氧化碳捕集利用及封存(CCUS)技術(shù)應(yīng)用選址初探

侯 麗 吳高峰 田晶晶 張彥欣 劉 靜 張 翔 姜加偉 程尚增 裴 鑄 牛亦航

(山西省煤炭地質(zhì)資源環(huán)境調(diào)查院，山西 太原 030006)

二氧化碳捕集、利用及封存(CCUS)技術(shù)廣泛應(yīng)用于溫室氣體CO2規(guī)模減排，目前國(guó)內(nèi)外已開展大量CCUS技術(shù)示范項(xiàng)目，其現(xiàn)有地質(zhì)封存選址標(biāo)準(zhǔn)存在不統(tǒng)一和量化度不高等問題，這對(duì)于大規(guī)模推廣CCUS項(xiàng)目產(chǎn)生不利影響。山西省擁有豐富的煤炭及煤層氣資源，是適宜開展CO2地質(zhì)封存及驅(qū)替煤層氣(CO2-ECBM)技術(shù)的主要區(qū)域，本文主旨為山西省開展CO2地質(zhì)封存選址及建立CO2地質(zhì)封存標(biāo)準(zhǔn)及政策提供基礎(chǔ)依據(jù)。

二氧化碳捕集；利用及封存；二氧化碳地質(zhì)封存；場(chǎng)地篩選

1 CCUS技術(shù)應(yīng)用

1.1 CCUS技術(shù)應(yīng)用背景

由于全球氣候變暖，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類健康造成了嚴(yán)重的影響。研究表明，CO2排放量約占溫室氣體總量的64%[1]，是導(dǎo)致溫室效應(yīng)的最主要因素。減少CO2排放是控制溫室效應(yīng)的一種有效手段，目前已得到國(guó)際社會(huì)的認(rèn)可。

中國(guó)政府在2015年巴黎國(guó)際氣候大會(huì)上承諾：到2030年CO2排放達(dá)到峰值并爭(zhēng)取盡早達(dá)峰，單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放量比2005年下降60%～65%。因此，我國(guó)面臨的減排任務(wù)十分繁重。山西省是我國(guó)重要的煤炭能源大省，也是我國(guó)重要的煤化工基地，是典型的高碳經(jīng)濟(jì)省份，碳排放總量和份額均居全國(guó)前列，CO2減排勢(shì)在必行。

二氧化碳捕集、封存及利用(CCUS)技術(shù)因具有大規(guī)模的減排CO2的潛力，已成為國(guó)際社會(huì)普遍接受的應(yīng)對(duì)全球氣候變化、控制溫室氣體排放的最有效手段之一。

1.2 CCUS技術(shù)介紹

CCUS技術(shù)利用廢棄油氣田、深部咸水層、不可開采煤層等地下空間封存CO2，發(fā)達(dá)國(guó)家投入大量政策、資金支持CCUS技術(shù)的試驗(yàn)、示范和應(yīng)用研究。CO2地質(zhì)封存技術(shù)是CCUS技術(shù)重要的組成部分，主要指將捕集到的高純度CO2注入到選定的、安全的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體中，通過各種圈閉機(jī)制將CO2永久性地封存在地下。目前CO2地質(zhì)封存與利用主要有以下幾個(gè)方面：將CO2封存于廢棄的或枯竭的油田和氣田、深部未被使用的咸水飽和巖層、深部不可采掘的煤層；利用CO2提高石油采收率(EOR)、提高煤層甲烷回收(ECBM)、增采頁巖氣(ESGR)、溶浸采鈾(EUL)、增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)(EGS)等多方面。

山西省擁有豐富的煤炭資源及煤層氣資源，由于煤炭及煤層氣資源利用技術(shù)相對(duì)落后，煤層氣采收率低，CO2等溫室氣體排放量巨大。CO2地質(zhì)封存及驅(qū)替煤層氣(CO2-ECBM)技術(shù)，可以把CO2長(zhǎng)期封存于深部煤層中，同時(shí)提高深部煤層氣開發(fā)井的采收率，獲得高效清潔的煤層氣資源。山西省深部煤層處置CO2的潛力巨大，是CO2-ECBM技術(shù)開發(fā)應(yīng)用的主要地區(qū)[2-3]。

1.3 CO2-ECBM技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

CO2-ECBM技術(shù)是一種新興的CO2減排技術(shù)，該技術(shù)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了煤層氣產(chǎn)量的提高和CO2的埋藏。近年來，國(guó)內(nèi)外CO2-ECBM產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。

美國(guó)Coal-seq項(xiàng)目是世界上第一個(gè)也是迄今為止規(guī)模最大的CO2-ECBM現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)項(xiàng)目[4]。該項(xiàng)目研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煤層氣產(chǎn)氣量增加了150%，采收率達(dá)95%。該項(xiàng)目共封存CO2277kt。加拿大由ARC領(lǐng)導(dǎo)的“煤層氣可持續(xù)發(fā)展計(jì)劃”始于1997年，目前已完成了4個(gè)微型先導(dǎo)性試驗(yàn)。波蘭TNO領(lǐng)導(dǎo)的CO2-ECBM技術(shù)研究項(xiàng)目于2001年開展，實(shí)施了兩口井的實(shí)驗(yàn)。歐盟(EU)自2001年開始Recopol項(xiàng)目[5]。歐洲第一個(gè)在煤層中封存CO2的先導(dǎo)性試驗(yàn)示范項(xiàng)目，試驗(yàn)地點(diǎn)位于波蘭，持續(xù)注CO2760t。目前，正在進(jìn)行注入后的運(yùn)移和封存監(jiān)測(cè)研究。日本2004-2005年在北海道開展了CO2驅(qū)替煤層氣現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[6]。

我國(guó)中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司在山西沁水盆地南部成功實(shí)施了一口單井CO2-ECBM微型先導(dǎo)性試驗(yàn)。該項(xiàng)目證明在煤層中注入CO2可以提高煤層氣的產(chǎn)量[7]。

2 山西省開展CO2-ECBM技術(shù)可選區(qū)域

2.1 區(qū)域選擇依據(jù)

依據(jù)Bachu[8]提出的單級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)的盆地級(jí)選址評(píng)價(jià)方法，對(duì)多個(gè)盆地或盆地的不同區(qū)域進(jìn)行盆地特征、儲(chǔ)層特征以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)等因素的研究、排序和篩選。在盆地級(jí)別上進(jìn)行評(píng)估，大尺度評(píng)估一個(gè)沉積盆地封存CO2潛能的優(yōu)劣，確定沉積盆地的適宜性；而后在此基礎(chǔ)上對(duì)具體的封存場(chǎng)地進(jìn)行更為詳盡的挑選。沉積盆地中埋藏單元深度>800m；儲(chǔ)蓋層結(jié)合完整，蓋層密閉性好；沉積盆地地層壓力<靜液壓；處于地震不活躍地帶，理想沉積盆地為克拉通盆地、前陸盆地；不存在明顯斷層結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)設(shè)施完善；場(chǎng)地距CO2排放源在經(jīng)濟(jì)距離內(nèi)、地勢(shì)及氣候復(fù)雜度適宜、避開人口密集區(qū)等條件都是需要考慮的。

山西省CO2地質(zhì)封存區(qū)的選定是一項(xiàng)涉及中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略的重要工作。主要涉及以下幾個(gè)方面：一是我省CO2地質(zhì)封存可用結(jié)構(gòu)體的分布區(qū)域；二是我省中長(zhǎng)期煤炭化工、鋼鐵電力、建材水泥這些CO2排放源的發(fā)展規(guī)劃和分布區(qū)域；三是中長(zhǎng)期煤炭生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃和現(xiàn)階段煤炭地質(zhì)勘查、煤層氣開發(fā)的《規(guī)范》和相關(guān)產(chǎn)業(yè)政策；四是具有較好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

我省煤層開采現(xiàn)狀：埋深在0～300米煤炭資源已被開采枯竭；300～600米煤炭當(dāng)前正在開采，礦權(quán)設(shè)置已滿；最大深度已達(dá)埋深800米，在煤炭開采層段內(nèi)，不可能實(shí)施CO2封存；埋深800～1200米是當(dāng)前勘查地帶，煤炭資源做為開采后備資源，封存CO2的穩(wěn)定期受到制約；埋深1200～2000米的煤炭資源是遠(yuǎn)景資源，近100年內(nèi)不會(huì)加以開發(fā)，是適合CO2封存的較理想地段。

目前中國(guó)煤礦井的開采深度在1200m以淺。若在1200m以淺的煤層埋存CO2，則煤炭無法繼續(xù)開采，造成巨大的資源浪費(fèi)。Zuber[9]認(rèn)為只有滲透率大于1×10-3μm2的地層才可以進(jìn)行煤層氣開發(fā)，而與其對(duì)應(yīng)的深度極限值為1500m，因此，首先將CO2的埋存深度定為1200～1500m。另外，由于開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，埋藏深度在1500m以深的煤層氣資源可借助壓裂手段提高滲透率，進(jìn)而開發(fā)煤層氣資源；但是煤層氣的勘探進(jìn)展緩慢，2000m以深的資源探明率極低(全國(guó)平均為9‰)，不具有商業(yè)化開發(fā)的潛力。因此，認(rèn)為1500～2000m的煤層氣資源是可開發(fā)利用的。借鑒文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)[10、11]，認(rèn)為埋深1500～2000m的煤層氣無法用常規(guī)方法開采，但可利用CO2-ECBM采收煤層氣和實(shí)現(xiàn)CO2的埋存，因此，CO2埋藏深度為1200～1500m和1500～2000m。

2.2 選區(qū)原則建立

結(jié)合上述幾方面的工作內(nèi)容，確定山西省CO2地質(zhì)封存區(qū)的選區(qū)原則五項(xiàng)，具體內(nèi)容如下：

(1)山西省沉積煤盆地的煤層氣資源相對(duì)富集區(qū)；

(2)煤層埋深≥1200m以深的煤炭資源遠(yuǎn)景區(qū)；

(3)煤層氣開發(fā)的規(guī)存區(qū)；

(4)距離工業(yè)經(jīng)濟(jì)相對(duì)發(fā)達(dá)的CO2排放源相對(duì)較近，便于CO2的捕集、運(yùn)輸和封存，同時(shí)也利于CO2在未來的資源化開發(fā)和利用；

(5)具有較好的安全環(huán)境，距離大中城市相對(duì)較遠(yuǎn)和較為穩(wěn)定的區(qū)域工程地質(zhì)條件。

2.3 山西省開展CO2-ECBM技術(shù)應(yīng)用區(qū)域

山西省分布有大同、寧武、河?xùn)|、太原西山、霍西五大煤田；零星分布的渾源、五臺(tái)、繁峙、平陸、垣曲等若干煤產(chǎn)地。依據(jù)《山西省煤炭資源利用現(xiàn)狀調(diào)查》(2011.9)全山西省查明資源儲(chǔ)量2783.22億t，保有資源儲(chǔ)量2600.29億t，預(yù)測(cè)資源量786.43億t。

山西省煤層氣賦存具有以下“得天獨(dú)厚”優(yōu)勢(shì)：煤層氣資源量豐富，在全國(guó)省區(qū)占優(yōu)勢(shì)。山西省煤層氣資源分布集中于上述五大煤田，2000m以淺的煤層氣資源量為8.31×1012m3。煤層氣開發(fā)地質(zhì)條件總體上優(yōu)于其他省份，埋藏總體較淺，煤體結(jié)構(gòu)完整，煤層可改造性較強(qiáng)，含氣量總體較高。

其中，沁水煤田、河?xùn)|煤田是我省主要的煤炭資源賦存區(qū)，前者位于山西省東南部，是山西省最大的煤田，后者位于山西省西部。其查明保有煤炭資源儲(chǔ)量分別為878.19億t和539.63億t。另有預(yù)測(cè)埋深2000m以淺的潛在煤炭資源量分別為1954.43億t和1304.15億t。沁水煤田和河?xùn)|煤田的煤層氣資源總量占全省總資源量的93.4%。沁水煤田資源量為5.7萬億m3；河?xùn)|煤田資源量為4萬億m3。

按照山西省煤炭資源空間展布情況及地質(zhì)構(gòu)造格局，煤層氣資源分布與煤炭資源分布一致。其中，山西省沁水、河?xùn)|煤田構(gòu)造盆地中煤炭及煤層氣可長(zhǎng)期穩(wěn)定保存，且勘察程度高、礦產(chǎn)資源開發(fā)較好。這兩大煤田是構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域；儲(chǔ)層物性好、空間大；封蓋層物性穩(wěn)定；含有封存所需地質(zhì)圈閉；區(qū)域內(nèi)鉆探資料和施工基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)完善。距離CO2排放源相對(duì)較近，距離人口密集區(qū)域相對(duì)較遠(yuǎn)，有較為穩(wěn)定的工程地質(zhì)條件，具有較好的安全環(huán)境。這些區(qū)域具備CO2-ECBM技術(shù)開展基礎(chǔ)條件。

3 研究結(jié)論

本文以山西省自身的能源結(jié)構(gòu)及利用現(xiàn)狀、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)情況為基礎(chǔ)，得出山西省適宜開展CO2-ECBM技術(shù)的區(qū)域有沁水煤田及河?xùn)|煤田的深層煤賦存區(qū)，并應(yīng)進(jìn)一步開展相關(guān)研究工作。本次成果為山西省乃至中國(guó)現(xiàn)有的CO2地質(zhì)封存示范項(xiàng)目選址工作提供基礎(chǔ)依據(jù)，為大規(guī)模推廣CCUS項(xiàng)目都產(chǎn)生積極影響。

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Site Selection of Carbon Capture，Utilization and Storage Technology Application in Shanxi

HOU Li WU Gaofeng TIAN Jingjing ZHANG Yanxin LIU Jing ZHANG Xiang JIANG Jiawei CHENG Shangzeng PEI Zhu NIU Yihang

(Shanxi Resources and Environment Survey of Coal Geology，Taiyuan Shanxi 03006)

Carbon dioxide capture，utilization and storage (CCUS) technology is widely used in greenhouse gas CO2emission reduction.At present，a large number of CCUS technology demonstration projects have been carried out at home and abroad，and the Problem is existing geological storage site selection standard is not unified and quantitative，which for the large-scale promotion CCUS project adversely affected.Shanxi Province，which is rich in coal and CBM resources，is the main area suitable for CO2geological storage and enhanced coalbed methane (CO2-ECBM) technology，the main purpose of this paper is to site selection for CO2geological sequestration，establish CO2geological storage standards and policies provide the basis for Shanxi and China.

carbon capture；utilization and storage；CO2geological storage；site screening

侯麗，碩士研究生，工程師，從事環(huán)境保護(hù)、碳封存、節(jié)能減排方向的研究

侯麗，碩士研究生，工程師，從事環(huán)境保護(hù)、碳封存、節(jié)能減排方向的研究

X21

A

1673-288X(2016)06-0083-03

項(xiàng)目資助：中國(guó)清潔發(fā)展機(jī)制基金(2014056)

引用文獻(xiàn)格式：侯 麗 等.山西省二氧化碳捕集利用及封存(CCUS)技術(shù)應(yīng)用選址初探[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(6)：83-85.