二氧化碳地質(zhì)封存機(jī)理及泄漏監(jiān)測(cè)

范卜凡 紀(jì)佑軍 王力龍

（西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500）

0 引言

自21世紀(jì)以來，隨著工業(yè)水平的發(fā)展，人類生產(chǎn)生活所產(chǎn)生的有害氣體不斷增加，這其中就包含了加劇全球“溫室效應(yīng)”的CO2氣體。為了減少“溫室效應(yīng)”給自然生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)帶來的影響，降低CO2的排放迫在眉睫[1]。CO2地質(zhì)封存是目前公認(rèn)的減少CO2排量最有效的措施，受到了各國(guó)政府與學(xué)者的高度重視[2]。據(jù)國(guó)際能源總署（IEA）統(tǒng)計(jì)，到2050年CO2地質(zhì)封存將為全球CO2的減排計(jì)劃做出19%的巨大貢獻(xiàn)[3]。但是，CO2地質(zhì)封存在降低CO2排量的同時(shí)也容易引發(fā)CO2泄漏、地層變形、誘發(fā)地震等地質(zhì)災(zāi)害。因此，本文首先對(duì)世界CO2 地質(zhì)封存的概況進(jìn)行了調(diào)查，總結(jié)分析了目前該類項(xiàng)目的主要特點(diǎn)；其次，針對(duì)氣體封存過程的泄漏模式與機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)對(duì)未來進(jìn)行CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目的泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供指導(dǎo)方向。

1 CO2 地質(zhì)封存概況

“CO2捕獲與封存”基本原理是將化石燃料產(chǎn)生的CO2在進(jìn)入大氣之前將其捕獲，通過管道運(yùn)輸將超臨界狀態(tài)CO2運(yùn)移到合適的埋藏點(diǎn)進(jìn)行封存。在CO2地質(zhì)封存中，歐美國(guó)家起步較早，并開展了一系列封存項(xiàng)目，在所有封存項(xiàng)目中，封存規(guī)模最大的是Weyburn項(xiàng)目和In Salah項(xiàng)目。Weyburn是目前世界上CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目中年注入量最大的項(xiàng)目，每年將封存接近300萬噸CO2, In Salah項(xiàng)目的年封存量也超過100萬噸。我國(guó)CO2地質(zhì)封存潛力巨大，可以容納的CO2地質(zhì)封存總量達(dá)到15000億噸。

通過對(duì)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)實(shí)施的CO2封存項(xiàng)目進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段的CO2封存項(xiàng)目主要具備以下特點(diǎn)：

①從封存規(guī)模上來看，依據(jù)二氧化碳年注入量可劃分為工業(yè)級(jí)二氧化碳封存和實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模二氧化碳封存。

②從封存目的來看，提高油氣的采收率占據(jù)主要地位。

③從地區(qū)上來看，超60%的項(xiàng)目都集中在歐洲和北美。

④從封存位置來看，大部分都在瀕臨枯竭的油氣藏進(jìn)行。

2 封存機(jī)理

2.1 適合封存的場(chǎng)所

二氧化碳地質(zhì)封存的儲(chǔ)層主要有3 個(gè)：枯竭油氣藏、深部咸水層和深部煤層。

①枯竭油氣藏：CO2地質(zhì)封存作為一項(xiàng)長(zhǎng)期性工程，需要花費(fèi)大量的人力和物力，為了保證一次性封存盡可能多的CO2，CO2的封存空間應(yīng)當(dāng)足夠大，而枯竭油氣藏恰好能夠提供這樣的空間。

②深部咸水層：咸水層不具備商業(yè)開采價(jià)值同時(shí)豐富的金屬陽離子可以讓大量的CO2以碳酸鹽沉淀的形式永久封存。

③深部煤層：煤對(duì)CO2的吸附作用大約是對(duì)CH4的2倍，當(dāng)CO2注入深部煤層時(shí)，CH4將從煤層的孔隙中被置換出來，CO2將被吸附在煤層的孔隙中。

2.2 封存機(jī)理

CO2地質(zhì)封存有化學(xué)封存和物理封存兩種封存機(jī)理。溶解封存、礦化封存、構(gòu)造封存和殘余封存四種封存方式?；瘜W(xué)封存包括溶解封存和礦化封存，封存動(dòng)力來源于CO2溶于地下水與金屬陽離子的化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)封存能夠讓CO2以固體沉淀的形式永遠(yuǎn)封存在儲(chǔ)層中，因此是最安全的封存方式，但這種封存方式持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，通常需要上百年時(shí)間才能將CO2完全沉淀下來。物理封存包括構(gòu)造封存和殘余封存，封存的動(dòng)力來源于孔隙水壓、浮力驅(qū)動(dòng)、蓋層和背斜圈閉。物理封存能在短時(shí)間內(nèi)將CO2封存在儲(chǔ)層中，但這種封存方式穩(wěn)定性較差，CO2容易沿裂、隙裂縫發(fā)生逃逸。四種封存方式的具體封存過程為

①溶解封存：隨著CO2在孔隙中的擴(kuò)散，CO2濃度將逐步下降，導(dǎo)致部分CO2不再發(fā)生運(yùn)移，而是以溶解態(tài)的形式溶解在地下水中，溶解CO2的地下水將會(huì)生成碳酸。

②礦化封存：生成的碳酸將會(huì)與地下水中的Fe離子、Mg離子、等金屬元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鹽沉淀，這種化學(xué)反應(yīng)將CO2以固體沉淀的形式永久封存在儲(chǔ)層中。

③構(gòu)造封存：在運(yùn)移過程順利的情況下，未溶解于地下水的CO2在自身浮力的作用下向上運(yùn)移到達(dá)上覆蓋層，在上覆致密蓋層的垂直阻擋下被封存下來。

④殘余封存：未溶解在地下水中的CO2在運(yùn)移的過程中可能遇到孔隙很小的地方，受到毛細(xì)管力的作用，這部分CO2將會(huì)被吸附在孔隙中。

3 泄露及監(jiān)測(cè)

3.1 二氧化碳泄漏機(jī)理

引發(fā)CO2泄漏的直接原因是構(gòu)造作用和井壁損壞。

構(gòu)造作用：構(gòu)造作用形成的泄漏通道表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。①裂隙的存在降低了蓋層的連續(xù)性，使儲(chǔ)層的封閉性下降。② CO2的連續(xù)注入導(dǎo)致地層壓力不斷增加，突破了蓋層薄弱部分的承載力，從而誘發(fā)了潛在的裂縫。③諸如地震等地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)可能會(huì)引起斷層活化，導(dǎo)致封存的CO2大規(guī)模外泄。

井壁損壞：注入井壁附近的地層壓力會(huì)隨著CO2的注入而增大，由此導(dǎo)致井壁的機(jī)械疲勞損壞。

3.2 二氧化碳監(jiān)測(cè)

泄漏的CO2會(huì)嚴(yán)重破壞周邊區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。為了防止CO2泄漏事故的發(fā)生，應(yīng)當(dāng)建立起有效的監(jiān)測(cè)機(jī)制。CO2封存項(xiàng)目中的監(jiān)測(cè)主要考慮以下3 個(gè)方面：

① CO2的運(yùn)移流向；

②注入?yún)^(qū)域CO2含量的變化；

③注入?yún)^(qū)域農(nóng)作物的長(zhǎng)勢(shì)；

監(jiān)測(cè)通常分為3 個(gè)階段：①封存前期監(jiān)測(cè)，采集相關(guān)環(huán)境參數(shù)作為原始值。②注入期監(jiān)測(cè)。③封存后期監(jiān)測(cè)。通過采集注入期和封存后期的環(huán)境參數(shù)并與原始值進(jìn)行對(duì)比，判斷CO2是否被有效的封存在儲(chǔ)層中。

近年來，無人機(jī)科技迅速發(fā)展，開始被各個(gè)行業(yè)使用，無人機(jī)遙感技術(shù)被普遍認(rèn)為是新一代遙感技術(shù)。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，擁有無人機(jī)遙感技術(shù)的監(jiān)測(cè)平臺(tái)具備有便攜、監(jiān)測(cè)面積大、智能程度高等優(yōu)點(diǎn)。在機(jī)上對(duì)收集到的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理還可以使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)一步得到提升。

4 結(jié)論

CO2地質(zhì)封存被提出以后，開展了大量的CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目并取的很好的效果。在枯竭油藏中的CO2 封存項(xiàng)目不但有效的封存了CO2還提升了油田后期的采收率。CO2的泄漏會(huì)給生態(tài)環(huán)境帶來惡劣影響，雖然目前發(fā)生的泄漏事故比較少，但CO2封存是一個(gè)長(zhǎng)達(dá)百年的過程，需要在不斷深入研究泄漏機(jī)理的基礎(chǔ)上開展長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)工作。