二氧化碳地質(zhì)儲存潛力評價綜述

楊文慧，師慶三

（新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830000）

二氧化碳地質(zhì)儲存潛力評價綜述

楊文慧*，師慶三

（新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830000）

借鑒國外CO2地質(zhì)儲存潛力與適宜性評價工作程序，在充分考慮復(fù)雜的地質(zhì)背景、CO2地質(zhì)儲存研究現(xiàn)狀等因素的基礎(chǔ)上，討論了地質(zhì)封存，深部咸水層、枯竭油（氣）田、玄武巖含水層、深部煤層封存技術(shù)選型、儲存容量和試驗與模擬技術(shù)等研究現(xiàn)狀，以及我國二氧化碳地質(zhì)儲存面臨的問題進(jìn)行了討論。

二氧化碳；地質(zhì)儲存；潛力評價

1　概述

人類的工業(yè)化快速發(fā)展是導(dǎo)致大氣中CO2濃度增加的主要原因。國際能源署估計，到2030年，化石燃料將占能源發(fā)電的30%，這使得CCUS技術(shù)成為全球能源低碳化的一個重要工具。國際能源署、歐盟和聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會指出，到2050年為遏制全球氣溫上升，碳減排目標(biāo)的1/5都要靠CCUS技術(shù)來實現(xiàn)［1］。如果人類不采取減排措施，全球的平均氣溫升幅很可能將超過2℃，這將會導(dǎo)致全球氣候發(fā)生災(zāi)難性和不可逆轉(zhuǎn)的破壞。因此，采取減緩氣候變化的措施勢在必行，其核心是減少二氧化碳的排放［2］。

2　地質(zhì)儲存條件

二氧化碳地質(zhì)儲存（Carbon Dioxide Geological Storage，CGS），是將從集中排放源中（發(fā)電廠、鋼鐵廠等）分離得到的二氧化碳，注入到地下深處具有適當(dāng)封閉條件的地層中隔離起來。該技術(shù)的目的就是把二氧化碳?xì)w還原位——地下深部，具有儲存容量大、埋存時間長、可利用成熟技術(shù)等特點，是二氧化碳捕集與封存技術(shù)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

要實現(xiàn)CO2地下永久埋存需要滿足一定的地質(zhì)條件：埋存空間的大小和有效性，埋存體及周邊地層和構(gòu)造的穩(wěn)定性、蓋層或隔水層的封閉性以及合理的水文和流體運移系統(tǒng)。以達(dá)到一定量的儲存效果和防止次生災(zāi)害，因此該技術(shù)對地質(zhì)儲存體有嚴(yán)格的條件要求［3］。此外，還需要盡可能少的潛在的滲漏風(fēng)險以及比較完善的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等。

二氧化碳在地下埋存有3種基本形式：（1）分子狀態(tài)，二氧化碳被注入儲層后，在浮力作用下，上升至蓋層之下，并逐漸擴(kuò)散形成二氧化碳儲層；（2）溶解狀態(tài)，隨時間的推移，二氧化碳逐漸溶解于地層水中，溶解的速度由二氧化碳與地層水接觸的表面積控制。國外模擬研究表明，在25年時間里，將有大約10%～25%的二氧化碳溶解于水中，而完全溶解則需要幾千年的時間［2］。溶解后的二氧化碳以溶解態(tài)的方式通過分子擴(kuò)散、分散和對流進(jìn)行運移，極低的地層水運移速率確保了二氧化碳在地層中的長期（地質(zhì)時間尺度）封存；（3）化合物狀態(tài)，注入的二氧化碳在地層溫度、壓力下，與地層礦物發(fā)生反應(yīng)生成化合物，從而得到封存。模擬研究表明，大部分的二氧化碳是以分子狀態(tài)（自由氣）儲存在巖石孔隙中，有可能封存上萬年［2］。

3　全國CO2地質(zhì)儲存潛力與適宜性評價研究階段劃分

全國CO2地質(zhì)儲存地質(zhì)工作是一個分階段、循序漸進(jìn)式的專業(yè)技術(shù)工作，在充分考慮我國復(fù)雜的地質(zhì)背景、CO2地質(zhì)儲存研究現(xiàn)狀等因素的基礎(chǔ)上，將全國CO2地質(zhì)儲存潛力與適宜性評價工作劃分為5個階段：第一階段為區(qū)域級預(yù)測潛力評價階段，第二階段為盆地級推定潛力評價階段，第三階段為目標(biāo)區(qū)級控制潛力評價階段，第四階段為場地級基礎(chǔ)儲存量評價階段，第五階段為灌注級工程儲存量評價階段。按評價精度由低到高，依次分稱CO2地質(zhì)儲存潛力與適宜性評價E、D、C、B、A級（表1）。

4　地質(zhì)封存技術(shù)

表1　中國CO2地質(zhì)儲存潛力與適宜性評價地質(zhì)工作階段劃分及各階段工作的目的與任務(wù)

地質(zhì)封存技術(shù)是直接把CO2注入地下適當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造并使其永久封存的技術(shù)。目前，適于注入CO2的地質(zhì)構(gòu)造包括深部咸水層構(gòu)造、枯竭油氣田、玄武巖含水層、深部煤層。其封存機(jī)理為儲層的物理和地球化學(xué)俘獲機(jī)理［4］，具體包括物理隔離作用、水力學(xué)機(jī)理、化學(xué)捕獲機(jī)制等3個方面［5］。

深部咸水層構(gòu)造為富含高濃度鹽水的沉積巖，由于其地下水礦化度較大，不適合作為飲用水，卻是封存CO2的有利場所。二氧化碳在水中有一定的溶解度，而且可以與鹽水、圍巖發(fā)生反應(yīng)，增加埋存量。為了減少在鹽水體中埋存二氧化碳的不確定性，還需要做很多的工作，包括礦場實驗、動態(tài)模擬以及監(jiān)測。美國有不少相關(guān)研究項目正在進(jìn)行中，主要包括以下內(nèi)容：試驗場所地質(zhì)評估、基于地震及鉆井的儲層和蓋層評價、注入和監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、風(fēng)險評價、經(jīng)濟(jì)性評價。一般來說，CO2在深部咸水層構(gòu)造的封存深度至少應(yīng)在800m以下，以確保CO2處于超臨界狀態(tài)（其密度大約為500～800kg/m3），這種狀態(tài)既有效利用了地下封存空間，又改善了封存的安全性［6］。

油氣藏本身具有良好的封閉性，可以長時間封閉油氣，因此注入二氧化碳后，泄露的風(fēng)險最小。油氣藏已具備生產(chǎn)井和注入井，投資也較小。利用注入氣體提高油氣采收率已有很長時間。注入二氧化碳提高油氣藏采收率的機(jī)理已基本清楚：降低原油粘度、改善油水流度比、使原油膨脹、萃取和汽化原油中的輕質(zhì)烴、混相效應(yīng)、分子擴(kuò)散作用、降低界面張力、提高滲透率、溶解氣驅(qū)等［7］。美國擁有充足的二氧化碳?xì)獠?，開展了大量的注入二氧化碳提高采收率的項目，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。由美國國家實驗室、教育機(jī)構(gòu)、石油公司聯(lián)合實施的GEO-SEQ項目就是其中之一［7］，其研究內(nèi)容有4個：費用優(yōu)化、動態(tài)監(jiān)測技術(shù)、特性評估模型、容量評價，其目標(biāo)是得到既高效埋存二氧化碳又提高油氣藏采收率的方法。

玄武巖是地球上最活躍的巖石類型之一，富含Ca、Fe、Mg等二價金屬離子，易與CO2的反應(yīng)生成穩(wěn)定的碳酸鹽礦物。當(dāng)把CO2注入玄武巖含水層時，CO2溶解在地下水中，地下水pH值下降，大量的化學(xué)耦合反應(yīng)隨之發(fā)生，玄武巖開始溶解。而玄武巖的溶解過程不僅使地下水的酸性得到中和，同時生成穩(wěn)定的碳酸鹽礦物沉淀，從而實現(xiàn)永久封存CO2。玄武巖的封存機(jī)理使得CO2封存工程潛在的健康、安全以及環(huán)境風(fēng)險降到最低。目前，只有冰島和美國有小型示范項目［6］。

煤層表面可以吸附注入的二氧化碳，不僅保存了二氧化碳而且可以置換出煤層中的甲烷，由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益也是巨大的。由于煤層具有較大的內(nèi)表面積，與等效體積的天然氣藏相比，煤層可以儲存幾倍的二氧化碳［2］。目前，在全球范圍內(nèi)，注入二氧化碳強(qiáng)化開采煤層甲烷的實驗項目僅有幾例，實驗結(jié)果表明該項目具有巨大的潛力。研究人員正試圖建立數(shù)學(xué)模型來描述煤層的吸附現(xiàn)象，然后綜合利用數(shù)學(xué)模型和實驗進(jìn)行煤層動態(tài)模擬，評價注入二氧化碳或煙道氣強(qiáng)化甲烷生產(chǎn)的潛力，下一步將引入計算機(jī)模擬來評估其經(jīng)濟(jì)及技術(shù)可行性［2］。

5　地質(zhì)埋存潛力評價

國外已經(jīng)開展了有關(guān)二氧化碳在地質(zhì)儲層中埋存潛力的研究［2］，但研究方法和準(zhǔn)確程度有很大差異。有的只是粗略地估計全球范圍內(nèi)大致的埋存量，有的試圖詳細(xì)計算盆地或勘探級別目標(biāo)區(qū)的儲存容量。開展此項研究的主要目的之一是為了得到埋存量的一個大致的范圍，并以此為依據(jù)進(jìn)行政策性的指導(dǎo)。

綜合分析中國主要沉積盆地的相關(guān)地質(zhì)、地層巖性及其物理性質(zhì)、地溫梯度、沉積厚度等資料，采用碳埋存領(lǐng)導(dǎo)人論壇（Carbon Sequestration Leadership Forum，CSLF-T-2007-04）推薦的CO2理論地質(zhì)儲量的計算方法，分別計算主要沉積盆地不同儲存介質(zhì)中的CO2地質(zhì)儲存容量。深部咸水含水層CO2地質(zhì)儲量占總儲量的98.1%；油田CO2地質(zhì)儲量占總儲量的0.4%；天然氣田CO2地質(zhì)儲量占總儲量的1.2%；煤層氣田CO2地質(zhì)儲量占總儲量的0.3%。我國沉積盆地深部咸水含水層為最主要的CO2地質(zhì)儲量場所［7］。盡管深部咸水含水層的理論地質(zhì)儲存容量巨大，但是煤層氣盆地、油氣田由于具有良好的封閉條件、豐富的油氣和煤炭資源、先期開發(fā)程度高和較好的基礎(chǔ)設(shè)施，而且在儲存CO2的同時可以增加油氣資源的開采量，從而降低CO2地質(zhì)儲存的成本。因此，需要對不同介質(zhì)的CO2儲存適宜性進(jìn)行評價。

從表2可以看到，最具有埋存潛力的場所是深部咸水層，可以提供多至5倍于二氧化碳排放量的容積，但不確定性也最大?？萁叩挠蜌獠乜梢蕴峁?5%的容量，煤層的容量最小。表2中的研究數(shù)據(jù)出自20世紀(jì)90年代初期，要得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)仍需進(jìn)一步的研究。

表2　全球不同埋存場所的容量估計［2］

6　結(jié)論

（1）適于注入CO2的地質(zhì)構(gòu)造包括深部咸水層構(gòu)造、枯竭油氣田、玄武巖含水層、深部煤層等各有優(yōu)缺點，實施CO2地下地質(zhì)埋存的減排處理，是減緩溫室效應(yīng)最現(xiàn)實的選擇。

（2）要實現(xiàn)CO2地下永久埋存需要滿足一定的地質(zhì)條件，以達(dá)到一定量的儲存效果和防止次生災(zāi)害。二氧化碳在地下埋存的基本形式包括分子狀態(tài)、溶解狀態(tài)、化合物狀態(tài)，研究表明大部分的二氧化碳是以分子狀態(tài)（自由氣）儲存在巖石孔隙中，有可能封存上萬年。

（3）借鑒國外CO2地質(zhì)儲存潛力與適宜性評價工作程序，綜合分析中國主要沉積盆地的相關(guān)地質(zhì)、地層巖性及其物理性質(zhì)、地溫梯度、沉積厚度等，對于不同的存儲介質(zhì)，如煤、石油、天然氣或咸水，由于其本身物理化學(xué)性質(zhì)存在較大的差異，因此在存儲CO2時，要根據(jù)CO2與存儲介質(zhì)的差異性分類考慮、重點研究。

根據(jù)以上資料分別計算主要沉積盆地不同儲存介質(zhì)中的CO2地質(zhì)儲存容量。最具有埋存潛力的場所是深部咸水層，盡管深部咸水含水層的理論地質(zhì)儲存容量巨大，但是煤層氣盆地、油氣田由于具有良好的封閉條件、豐富的油氣和煤炭資源、先期開發(fā)程度高和較好的基礎(chǔ)設(shè)施，而且在儲存CO2的同時可以增加油氣資源的開采量，從而降低CO2地質(zhì)儲存的成本。

［1］ GUNTIS M.Special Report Chanced Oil Recovery［J］.Oil&Gas Journal，2002，4（15）：63-671.

［2］谷麗冰，李治平，侯秀林.二氧化碳地質(zhì)埋存研究進(jìn)展［J］.地質(zhì)科技情報，2008.

［3］IPCC.Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）Special Report—Carbon Dioxide Capture and Storage［R］.2005.

［4］張鴻翔，李小春，魏寧.二氧化碳捕獲與封存的主要技術(shù)環(huán)節(jié)與問題分析［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，2010.

［5］王建秀，吳遠(yuǎn)斌，于海鵬.二氧化碳封存技術(shù)研究進(jìn)展［J］.地下空間與工程學(xué)報，2013.

［6］劉一江.聚合物和二氧化碳驅(qū)油技術(shù)［M］.北京：中國石化出版社，2001.

［7］范基姣，賈小豐，張森琦，郭建強(qiáng)，金曉琳，刁玉杰，李旭峰，張徽.CO2地質(zhì)儲存潛力與適宜性評價方法及初步評價［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2011.

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A

1004-5716（2016）06-0174-04

2015-06-18

2015-06-19

楊文慧（1984-），女（漢族），山東菏澤人，新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：造山帶、火山巖與成礦。