CO2地質(zhì)封存環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
——以沁水煤田沁縣封存區(qū)為例

文_田晶晶 山西省煤炭地質(zhì)資源環(huán)境調(diào)查院

1 山西省CO2地質(zhì)封存區(qū)的選定

CO2封存場(chǎng)址的選擇是CO2地質(zhì)封存成功與否的關(guān)鍵因素。主要考慮因素：①CO2封存量；②儲(chǔ)集層可灌注性；③CO2封存有效性；④地面場(chǎng)址適合性；⑤其他天然資源。

根據(jù)山西省煤層氣資源特點(diǎn)及開發(fā)現(xiàn)狀，結(jié)合CO2地質(zhì)封存選址因素，確定山西省CO2地質(zhì)封存區(qū)的選區(qū)原則：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≥1500m以深的煤炭資源遠(yuǎn)景區(qū)；③煤層氣開發(fā)的封存區(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。并從封存安全性、有效性和經(jīng)濟(jì)成本上講，CO2地質(zhì)封存的首選區(qū)除應(yīng)符合法律要求并被公眾所認(rèn)可接受外，綜合考慮以上幾方面的因素，選擇沁水煤田的沁縣規(guī)劃區(qū)為理想的CO2地質(zhì)封存首選區(qū)。

2 沁縣封存區(qū)CO2地質(zhì)封存環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

2.1 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)目標(biāo)

根據(jù)本項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)工作等級(jí)的劃分及所在區(qū)域環(huán)境情況，確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重點(diǎn)保護(hù)目標(biāo)為封存區(qū)范圍內(nèi)的人口集中居住區(qū)和社會(huì)關(guān)注區(qū)，主要為位于封存區(qū)西北部的古城鎮(zhèn)、漳源鎮(zhèn)、牛寺鎮(zhèn)，東北部的石北、郝北鎮(zhèn)，東南部的次村、亭鎮(zhèn)、新店鎮(zhèn)等18個(gè)村鎮(zhèn)及水源保護(hù)區(qū)（濁漳河源頭自然保護(hù)區(qū)）。

2.2 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源的識(shí)別

本項(xiàng)目的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別：一是從項(xiàng)目所涉及的原料、輔料和產(chǎn)品入手，了解這些化學(xué)物質(zhì)的潛在危險(xiǎn)性，包括閃點(diǎn)、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、自燃點(diǎn)、爆炸極限、危險(xiǎn)分類和毒性分類等；二是從生產(chǎn)工藝過程和設(shè)計(jì)方案入手，了解項(xiàng)目的裝置組成和相應(yīng)的配套、輔助設(shè)施，了解各裝置的重要生產(chǎn)設(shè)備及其工藝參數(shù)、物料數(shù)量，分析各裝置的重點(diǎn)部位、薄弱環(huán)節(jié)和事故排放的潛在因素。

2.2.1 風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)確定

本項(xiàng)目涉及到的主要原材料及中間產(chǎn)品中屬于風(fēng)險(xiǎn)物質(zhì)的是煤層氣和CO2，煤層氣成分主要是甲烷、CO2和氮。

煤層氣主要由甲烷組成，其性質(zhì)與純甲烷相似，屬“單純窒息性”氣體，高濃度時(shí)因缺氧而引起窒息。若發(fā)生泄漏等情況，可對(duì)環(huán)境造成污染，危害人群健康。同時(shí)，煤層氣燃燒不充分則會(huì)產(chǎn)生一氧化碳而導(dǎo)致中毒，煤層氣具有火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)，泄漏后遇明火可導(dǎo)致火災(zāi)爆炸。

CO2屬窒息性氣體，容器損漏時(shí)，該液體能迅速蒸發(fā)造成空氣中CO2過飽和，在密閉容器中可致人窒息死亡。正常情況下不燃，但在日光暴曬下，或搬運(yùn)時(shí)猛烈摔甩，或者遇高熱，容器內(nèi)壓增大，有開裂和爆炸的危險(xiǎn)。外部過多的CO2將阻礙人體對(duì)氧氣的吸收，長(zhǎng)時(shí)間的缺氧會(huì)引起窒息死亡。

2.2.2 CO2地質(zhì)封存過程風(fēng)險(xiǎn)源

（1）施工過程

CO2地質(zhì)封存的主要工藝是采用向深部煤層注入CO2，提高煤層的有效滲透率，促進(jìn)CH4的解吸，封存CO2的同時(shí)提高煤層氣采收率。風(fēng)險(xiǎn)事件包括地震事件、鉆井井噴和新鉆井穿透儲(chǔ)層事件等。

儲(chǔ)層壓力會(huì)在CO2注入期間達(dá)到最高，注入結(jié)束后，固定和捕獲CO2的物理和化學(xué)過程開始活躍。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的核心是確定最有可能出現(xiàn)的泄漏事件以及它們的概率。

為了保證將CO2有效地注入至儲(chǔ)集層，鉆井的注入壓力必須大于儲(chǔ)層流體的壓力。但當(dāng)壓力增加到一定程度后，很容易誘發(fā)地層中潛在的微裂縫或裂隙產(chǎn)生。

（2）儲(chǔ)運(yùn)過程

CO2地質(zhì)封存氣體輸送過程有發(fā)生管道事故的可能。管道事故通常是指使氣體從管道內(nèi)釋放并影響正常輸氣的意外事件。當(dāng)出現(xiàn)意外時(shí)，集輸氣管道及場(chǎng)站所屬高壓容器釋放出的氣體可能帶來下列危害：煤層氣若立即著火即產(chǎn)生燃燒熱輻射，在危險(xiǎn)距離內(nèi)的人會(huì)受到熱輻射傷害；煤層氣未立即著火可形成爆炸氣體云團(tuán)，遇火就會(huì)發(fā)生爆炸，若煤層氣及CO2的濃度過高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致泄漏點(diǎn)附近人員窒息。

（3）地質(zhì)封存長(zhǎng)期影響

對(duì)注入井和廢棄井的不封閉處理被認(rèn)為是造成CO2滲漏最主要的途徑之一。隨著勘探開發(fā)的深入，廢棄井的數(shù)量龐大，多數(shù)情況下它們沒有進(jìn)行防滲漏或封閉處理。同時(shí)，隨著鉆井的廢棄，先前使用的一些材料、設(shè)備，如水泥和套管等也被遺棄在井下。

通過對(duì)CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目事故資料的調(diào)查分析，表明在施工、儲(chǔ)運(yùn)、地質(zhì)封存等過程中，煤層氣和CO2有可能發(fā)生泄漏，當(dāng)泄漏數(shù)量較大，達(dá)到在空氣中的爆炸極限或遇明火時(shí)就會(huì)發(fā)生爆炸，給周圍環(huán)境和生產(chǎn)、生活設(shè)施造成嚴(yán)重的破壞，存在一定的安全隱患。

3 沁縣封存區(qū)主要環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素的評(píng)估

3.1 大氣環(huán)境影響預(yù)測(cè)

通過對(duì)CO2地質(zhì)封存過程風(fēng)險(xiǎn)源的識(shí)別，認(rèn)為對(duì)大氣環(huán)境影響主要發(fā)生在施工過程及儲(chǔ)運(yùn)過程中煤層氣及CO2的泄漏。

對(duì)沁縣封存區(qū)各塊段3號(hào)和15號(hào)煤層進(jìn)行CO2注入的數(shù)值模擬研究：對(duì)3號(hào)煤層而言，產(chǎn)氣能力最強(qiáng)的區(qū)塊，1md滲透率下平均產(chǎn)氣量能達(dá)到2900m3/d；產(chǎn)氣量較低的區(qū)塊，0.1md時(shí)平均產(chǎn)氣量分別為155m3/d，1md滲透率下均不到1500m3/d。15號(hào)煤層而言，產(chǎn)氣能力最強(qiáng)的區(qū)塊，1md時(shí)日產(chǎn)氣量達(dá)到3640m3/d；其余區(qū)塊產(chǎn)氣能力基本相近，0.1md時(shí)日產(chǎn)氣量800～2000m3/d，1md時(shí)日產(chǎn)氣量3200～3400 m3/d。

假定氣體的特性是理想氣體，計(jì)算氣體泄漏速度。釋放源強(qiáng)隨風(fēng)速增大有明顯的增大，不穩(wěn)定下的擴(kuò)散大于穩(wěn)定態(tài)。擴(kuò)散后，大氣污染程度在靜小風(fēng)氣象條件下以近距離范圍為主，正常風(fēng)條件下大氣受污染范圍距離相對(duì)較大。泄漏事故發(fā)生后，泄漏物向大氣環(huán)境轉(zhuǎn)移量的大小取決于釋放面積、釋放時(shí)間、物質(zhì)的飽和蒸氣壓以及環(huán)境大氣的氣象條件（風(fēng)速和穩(wěn)定度）。但在總體上，由于所評(píng)價(jià)的物料在毒性上不高，因此擴(kuò)散后影響程度不很嚴(yán)重。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，在正常的設(shè)備維護(hù)條件下，煤層氣泄漏事故出現(xiàn)機(jī)率較小，概率為0.3次/a。

計(jì)算CO2地質(zhì)封存事故風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，不僅要考慮事故發(fā)生的概率，也應(yīng)考慮不利氣象條件出現(xiàn)的概率及下風(fēng)向的人口分布，根據(jù)本工程廠址周圍情況，選擇污染物朝敏感點(diǎn)(濁漳河源頭自然保護(hù)區(qū)和農(nóng)村居民點(diǎn))吹的風(fēng)向?yàn)樽畈焕麣庀髼l件。

3.2 水環(huán)境影響分析

煤層氣輸送過程發(fā)生泄漏事故時(shí)，污染物只要以氣相狀態(tài)擴(kuò)散到環(huán)境空氣中，但在處理泄漏裝置時(shí)，有少量煤層氣會(huì)微溶在噴淋水中，并產(chǎn)生大量的消防污水，這些污水通過廠區(qū)排水管網(wǎng)而進(jìn)入地表水，甚至滲入地下污染濁漳河源頭，因此需要對(duì)其進(jìn)行截流、回收處理。

目前相關(guān)法規(guī)還沒有CO2在地層中擴(kuò)散泄漏計(jì)算的模式，無法對(duì)泄漏的CO2進(jìn)行定量的計(jì)算，只能對(duì)其開展定性描述。長(zhǎng)期儲(chǔ)存的CO2通過未檢測(cè)到的縫隙、破損或是油井逐漸滲漏，在地下淺層CO2濃度升高的影響包括對(duì)于植物及土層動(dòng)物的致命影響和地下水污染。CO2在地層中擴(kuò)散泄漏將導(dǎo)致地下水的酸度增強(qiáng)，影響飲用水水質(zhì)，同時(shí)地下水中相應(yīng)的液態(tài)組分的濃度發(fā)生變化，將對(duì)人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生不利的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目涉及的危險(xiǎn)物質(zhì)主要為煤層氣和CO2，危險(xiǎn)特性為易燃物質(zhì)及爆炸物質(zhì)，根據(jù)危險(xiǎn)物質(zhì)在生產(chǎn)中產(chǎn)生量及生產(chǎn)場(chǎng)所臨時(shí)存儲(chǔ)量情況，以煤層氣作為物質(zhì)最大風(fēng)險(xiǎn)因子。本項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)目標(biāo)主要包括封存區(qū)內(nèi)的農(nóng)村居民點(diǎn)及濁漳河源頭自然保護(hù)區(qū)。潛在的事故風(fēng)險(xiǎn)存在于施工過程、儲(chǔ)運(yùn)過程及地質(zhì)封存的長(zhǎng)期影響。

為防范事故和減少危害，需制定災(zāi)害事故的應(yīng)急預(yù)案。當(dāng)出現(xiàn)事故時(shí)，要采取緊急的工程應(yīng)急措施，如必要，要采取社會(huì)應(yīng)急措施，以控制事故和減少對(duì)環(huán)境造成的危害。