碳中和約束下新疆塔里木、準(zhǔn)噶爾、吐哈盆地CO2 理論儲(chǔ)存潛力評(píng)估

師慶三

(新疆阿勒泰地區(qū)生態(tài)環(huán)境局，阿勒泰 836500)

2020 年9 月22 日，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上的講話中提出“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”[1]。2020 年12 月12 日，習(xí)近平總書記在氣候雄心峰會(huì)上宣布“到2030 年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005 年下降65%以上”[2]，提出了確切的二氧化碳減排指標(biāo)。因此，迫切需要以安全有效可持續(xù)的方式和速度減少人類活動(dòng)中的CO2排放強(qiáng)度，減緩大氣中CO2濃度的增加趨勢(shì)。二氧化碳捕集、利用與封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)技術(shù)是將點(diǎn)源大規(guī)模排放的CO2進(jìn)行收集，在用于地層深部驅(qū)油、驅(qū)水的同時(shí)，將其長(zhǎng)期封存到深部地層，從而實(shí)現(xiàn)溫室氣體減排。CCUS 被認(rèn)為是最重要的碳中和技術(shù)之一[3]。

新疆地區(qū)擁有巨大的煤炭?jī)?chǔ)量，擁有大量的火力發(fā)電廠、煉油廠、煤化工行業(yè)、水泥行業(yè)和鋼鐵行業(yè)，均為高CO2源。隨著西電東送項(xiàng)目的實(shí)施，未來會(huì)有更多的火力發(fā)電設(shè)施興建，CO2的排放量會(huì)增加，有利于實(shí)施CO2捕集。同時(shí)，新疆地區(qū)幅員遼闊，區(qū)內(nèi)擁有全國最多的儲(chǔ)油盆地:(1)塔里木盆地，位于天山山系與昆侖山系之間，輪廓呈菱形，是全封閉性內(nèi)陸盆地，屬于內(nèi)陸干旱盆地，盆地面積約56×104km2；(2)準(zhǔn)噶爾盆地是中國第二大盆地，位于天山山系與阿爾泰山系之間，大致呈三角形，面積約13×104km2；(3)吐哈盆地，面積約5.35×104km2?？傮w而言，新疆地區(qū)CO2地質(zhì)封存地區(qū)人口較少，封存風(fēng)險(xiǎn)較小，CO2封存潛力巨大已成共識(shí)[4]。但新疆地區(qū)地質(zhì)CO2封存的主要方式有哪些，封存的理論潛力究竟有多少，如何計(jì)算，尚沒有相對(duì)統(tǒng)一的計(jì)算模式下的評(píng)估。本研究利用相對(duì)統(tǒng)一的國際公認(rèn)的方法，對(duì)新疆地區(qū)三大盆地的CO2封存理論潛力進(jìn)行了評(píng)估，可為新疆乃至全國碳中和的碳匯途徑提供對(duì)比參考。

1 CO2 地質(zhì)儲(chǔ)存潛力的評(píng)估類型

對(duì)二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力進(jìn)行分類可以用McCabe(1998)提出的資源金字塔模型，根據(jù)評(píng)估的目的不同可分為四類:理論儲(chǔ)存潛力容量、有效儲(chǔ)存容量、實(shí)際儲(chǔ)存容量和匹配儲(chǔ)存容量。(1)理論儲(chǔ)存潛力容量是理論最大上限值，但是在實(shí)際情況下由于儲(chǔ)層條件、技術(shù)、政策措施和經(jīng)濟(jì)方面的限制將阻礙理論儲(chǔ)存能力的完全使用，因此該儲(chǔ)能評(píng)估值并不完全準(zhǔn)確。(2)有效儲(chǔ)存容量是從技術(shù)層面(包括地質(zhì)和工程因素)上考慮了儲(chǔ)層性質(zhì)(包括滲透率、孔隙度和非均質(zhì)性等)、儲(chǔ)層封閉性、儲(chǔ)存深度、儲(chǔ)層壓力系統(tǒng)及孔隙體積等因素影響的儲(chǔ)存量，它是理論儲(chǔ)存量的子集。(3)實(shí)際儲(chǔ)存容量表示考慮到技術(shù)、法律及政策、基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)條件等因素影響的儲(chǔ)存量，它是有效儲(chǔ)存量的子集。(4)匹配儲(chǔ)存容量表示考慮到二氧化碳注入能力和供給能力等因素影響的儲(chǔ)存量，它是實(shí)際儲(chǔ)存量的子集，這種儲(chǔ)存量相當(dāng)于礦業(yè)資源評(píng)價(jià)中的可采儲(chǔ)量。本次僅計(jì)算理論儲(chǔ)存潛力容量[5]。

2 新疆三大盆地理論儲(chǔ)存CO2 方式及計(jì)算方法

理論上講，新疆的三個(gè)主要盆地范圍內(nèi)的盆地儲(chǔ)存CO2方式主要包括:(1)油藏CO2地質(zhì)儲(chǔ)存潛力；(2)氣藏CO2地質(zhì)儲(chǔ)存潛力(3)深部咸水層CO2地質(zhì)儲(chǔ)存潛力；(4)深部煤層CO2地質(zhì)儲(chǔ)存潛力。這幾種儲(chǔ)存模式在美國和歐洲都已有成功的案例。

本次對(duì)新疆三大盆地二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存的潛力評(píng)價(jià)，是在分析新疆地區(qū)三個(gè)主要盆地油氣田儲(chǔ)、蓋層組合的基礎(chǔ)上，對(duì)適宜的儲(chǔ)、蓋層組合系統(tǒng)以及巖層物理性特征等進(jìn)行分析描述，根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算原則和公式進(jìn)行理論儲(chǔ)存潛力容量評(píng)估。本次評(píng)估主要采用碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇和美國能源部推薦的公式。

2.1 衰竭油藏的理論儲(chǔ)存量計(jì)算方法

新疆蘊(yùn)含著豐富的油氣能源，擁有許多大、中、小型油氣田，其地質(zhì)條件基本符合二氧化碳的封存條件。有些油田面臨枯竭，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益很少，但是這些油藏的地質(zhì)條件已經(jīng)被詳細(xì)調(diào)查過，很多都具有封存條件，這樣不僅省去了地質(zhì)調(diào)查成本，而且還能對(duì)枯竭油藏進(jìn)行二次利用。

美國能源部(USDOE，United States Department of Energy)、歐盟(European Commission)及碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇等部門和組織的相關(guān)研究人員對(duì)二氧化碳在已枯竭油藏的理論儲(chǔ)存潛力的計(jì)算方法進(jìn)行了深入研究。本次計(jì)算采用碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇的計(jì)算方法，其基本原理為二氧化碳被注入衰竭油藏中直到儲(chǔ)層壓力恢復(fù)到原始儲(chǔ)層壓力，即油氣采出所讓出的空間都用于二氧化碳的儲(chǔ)存[5－6]。具體計(jì)算公式如下:

式中，MCO2to為二氧化碳在油藏中的理論儲(chǔ)存量，106t；ρCO2r為二氧化碳在油藏條件下的密度，kg/m3；N為原油儲(chǔ)量，109m3；ER為原油采收率，%；Bo為原油體積系數(shù)，m3/m3；Viw為注入油藏的水量，109m3；Vpw為從油藏產(chǎn)出的水量，109m3。

2.2 二氧化碳提高石油采收率理論儲(chǔ)存量計(jì)算方法

美國是采用利用二氧化碳提高采收率技術(shù)最多的國家。美國經(jīng)驗(yàn)表明，所注入的二氧化碳大約有40%的量被采出。美國能源部在利用二氧化碳提高石油采收率時(shí)，油藏中的理論儲(chǔ)存量應(yīng)用以下兩個(gè)方程進(jìn)行計(jì)算[7－8]:

在二氧化碳突破之前:

在二氧化碳突破之后:

式中，MCO2to為二氧化碳在油藏中的理論儲(chǔ)存量，106t；ρCO2r為二氧化碳在油藏條件下的密度，kg/m3；N為原油儲(chǔ)量，109m3；Bo為原油體積系數(shù)，m3/m3；ERBT為二氧化碳突破之前原有的采收率，%；ERHCPV為注入某一烴類孔隙體積(HCPV)二氧化碳時(shí)原有的采收率，%?？紤]到注入水、采出水和溶解儲(chǔ)存問題等，相關(guān)公式均有改進(jìn)。

2.3 二氧化碳在氣藏中儲(chǔ)存潛力的計(jì)算方法

二氧化碳在氣藏中的理論儲(chǔ)存量計(jì)算方法與在油藏中類似，碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇提出，在氣藏中二氧化碳的理論儲(chǔ)存量[8－9]可以用以下公式計(jì)算:

式中，MCO2ts為二氧化碳在氣藏中的理論儲(chǔ)存量，106t；ρCO2r為二氧化碳在地層條件下的密度，kg/m3；G為原始天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量，109m3；ERg為天然氣的采收率，%；FIG為注入氣體分?jǐn)?shù)，無量綱；Ps為地面條件下的壓力，MPa；Ts為地面條件下的溫度，K；Zs為地面條件下的天然氣氣體偏差因子，無量綱；Pr為油藏條件下的壓力，MPa；Tr為油藏條件下的溫度，K；Zr為油藏條件下的天然氣氣體壓縮系數(shù)，無量綱。

2.4 二氧化碳在深部鹽水層中儲(chǔ)存潛力的計(jì)算方法

深部鹽水層構(gòu)造地層儲(chǔ)存中的二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)與在枯竭油氣藏中的儲(chǔ)存技術(shù)十分類似。但通常認(rèn)為，二氧化碳在深部鹽水層中的儲(chǔ)存潛力計(jì)算更加困難，因?yàn)槿藗儗?duì)鹽水層具體信息的了解更加缺乏。鹽水層不像淡水層，它具有非常有限的商業(yè)價(jià)值，所以獲得這些資料要消耗更多經(jīng)費(fèi)和時(shí)間。

國際上有許多國家和組織以及研究人員對(duì)二氧化碳在深部鹽水層中的儲(chǔ)存潛力進(jìn)行了計(jì)算，并提出了許多計(jì)算方法。為保證標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，采用美國能源部的計(jì)算方法[10－11]。

式中，MCO2ts為二氧化碳在深部鹽水層中的理論儲(chǔ)存量，106t；ρCO2r為在地層條件下二氧化碳的密度，kg/m3；A為深部鹽水層所在盆地的面積，km2；H為鹽水層厚度，m；Φ為深部鹽水層掩飾的孔隙度，%。

2.5 二氧化碳在煤層中儲(chǔ)存潛力的計(jì)算方法

二氧化碳在煤層中的儲(chǔ)存主要是通過煤層對(duì)二氧化碳的吸附來實(shí)現(xiàn)的。由于在不同壓力下，煤層對(duì)二氧化碳的吸附量要比煤層氣(甲烷)大得多，所以利用煤層對(duì)二氧化碳和煤層氣吸附能力的差異，實(shí)現(xiàn)二氧化碳排替甲烷，可獲得更多的甲烷。這就是二氧化碳提高煤層氣采收率技術(shù)(CO2—ECBMR)，同時(shí)也封存了二氧化碳。煤層中二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)目前僅處于論證階段的工藝技術(shù)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC，政府間氣候變化專門委員會(huì)，2005)。

碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇認(rèn)為在氣體已被煤層吸附的情況下，煤層中的理論儲(chǔ)存量計(jì)算公式通常為[12－13]:

式中，MCO2tc為二氧化碳在不能開采煤層中的理論埋存量，106t；ρCO2s為二氧化碳在標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度條件下的密度，kg/m3，通常等于1.977t/m3。IGIP為煤層中原始?xì)怏w(甲烷氣體)的地質(zhì)儲(chǔ)量，106m3。

2.6 計(jì)算說明

在前述公式中，每一個(gè)公式的參數(shù)又被擴(kuò)展為一個(gè)新的公式，例如公式6 中煤層中原始?xì)怏w(甲烷氣體)地質(zhì)儲(chǔ)量(IGIP)由下式計(jì)算[5，12]:

式中，A為煤層盆地的表面積，km2；H為煤層的累計(jì)厚度，m；nc為煤的密度，t/m3，通常取1.4t/m3；fa為煤中的灰分占煤的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；fm為煤中的水分占煤的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Gc為煤層氣體含量(吸附量)，m3(氣)/t(煤)。

而公式7 中Gc(煤層氣體含量)由Langmuir等溫吸附公式計(jì)算獲得:

式中，VL為L(zhǎng)angmuir 體積，即給定溫度下煤層的最大氣體吸附量，m3/t；PL為L(zhǎng)angmuir 壓力，即最大氣體吸附量時(shí)煤層中的壓力，MPa；P為當(dāng)前煤層中的壓力，MPa。

3 結(jié)果與討論

3.1 新疆三大盆地CO2 地質(zhì)儲(chǔ)存主要參數(shù)

理論上講，新疆的三個(gè)主要盆地范圍內(nèi)的整個(gè)油氣儲(chǔ)層、深部咸水層、深部不可采煤層都可以進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存，公式1～公式5 及參數(shù)擴(kuò)展計(jì)算公式相對(duì)繁雜、參數(shù)眾多，主要通過公開的論文資料和部分內(nèi)部資料數(shù)據(jù)計(jì)算[14－46]。因個(gè)別盆地缺少地層延展、斷層斷裂發(fā)育、礦產(chǎn)開發(fā)利用的詳細(xì)資料，故進(jìn)行了宏觀估算。參見表1。

表1 新疆三大盆地CO2 地質(zhì)封存主要參數(shù)

3.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果主要用于在相同公式、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算下的宏觀對(duì)比分析。計(jì)算、分析得出新疆CO2儲(chǔ)存潛力估算，見表2。

表2 新疆塔里木、準(zhǔn)噶爾、吐哈三大盆地CO2 理論儲(chǔ)存潛力評(píng)估

3.3 討論

以上計(jì)算分析表明，本次計(jì)算評(píng)估偏重于宏觀地分析新疆三大盆地總的CO2理論存儲(chǔ)潛力，這里的理論儲(chǔ)量相當(dāng)于預(yù)測(cè)遠(yuǎn)景儲(chǔ)量。通過計(jì)算三大盆地油藏、氣藏、深部咸水層、深部煤層的CO2理論儲(chǔ)存潛力，在不同盆地和類型中構(gòu)建框架和體系。而與其他研究人員的前期研究相比，由于數(shù)據(jù)資料和計(jì)算公式的不同，結(jié)果有不同程度的差異。例如，庫力孜那(2016)對(duì)吐哈盆地CO2的D 級(jí)預(yù)測(cè)總量為44×108t，僅相當(dāng)于本次理論潛力評(píng)估的十分之一；馮偉(2015)對(duì)塔里木盆地構(gòu)造CO2儲(chǔ)存潛力的評(píng)估值為496.18×108t，偏差約為本次評(píng)估的40%。不同研究人員的評(píng)估等級(jí)不同，類型也不同。因此，本次評(píng)估與其他研究缺乏對(duì)比性。

從表2 看，新疆塔里木、準(zhǔn)噶爾、吐哈三大盆地CO2理論存儲(chǔ)潛力評(píng)估總值為4875.73×108t，其中塔里木盆地為3254.77×108t，占據(jù)了66%。但其周邊CO2源相對(duì)較少，使其作為碳匯的適宜性、匹配性降低。準(zhǔn)噶爾盆地為1166.42×108t，位居第二，占比24%，但是新疆的主要經(jīng)濟(jì)區(qū)域——天山北坡經(jīng)濟(jì)帶位于準(zhǔn)噶爾盆地周邊，具有最好的碳源—碳匯匹配性。吐哈盆地相對(duì)占比10%，周邊也有一些工業(yè)區(qū)，具有一定的匹配性。

從類型上看，深部咸水層具有最大的潛力，但其經(jīng)濟(jì)價(jià)值不高，目前不具有開發(fā)優(yōu)勢(shì)。如果能從深部咸水層中提取高價(jià)值礦物資源，則具有CO2儲(chǔ)存的應(yīng)用前景。利用CO2驅(qū)油技術(shù)進(jìn)行CO2儲(chǔ)存的同時(shí)采集油氣藏，是目前技術(shù)上相對(duì)成熟且具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的方法。深部不可采煤層的CO2驅(qū)動(dòng)CH4在理論上具有優(yōu)勢(shì)，但在技術(shù)上還需要進(jìn)行更多的投入。

就目前來說，CO2儲(chǔ)存是規(guī)?；瘻p排最有效的手段之一。但這只是CCUS 中的一個(gè)環(huán)節(jié)，還需要在整體上開發(fā)利用該技術(shù)，實(shí)施優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)部門的CCUS 技術(shù)集成。新疆作為一個(gè)以高碳能源為主的資源依賴型地區(qū)，依托新疆的煤炭、石油和天然氣礦產(chǎn)資源優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但同時(shí)也存在能源消耗量大、人均碳排放量高等問題。隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)、工業(yè)化的加快和人口的不斷增加，能源消費(fèi)和二氧化碳排放量也將會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。作為欠發(fā)達(dá)地區(qū)，無論是為應(yīng)對(duì)氣候變化，還是積極響應(yīng)國家總體發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)勢(shì)在必行。新疆是我國實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重點(diǎn)區(qū)域，中央新疆工作座談會(huì)以來，新疆形成了全面建設(shè)、全面開放、全面發(fā)展的經(jīng)濟(jì)格局，但在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也帶來了生態(tài)環(huán)境問題，CCUS 技術(shù)的出現(xiàn)為新疆解決生態(tài)環(huán)境問題提供了一條切實(shí)可行的途徑。新疆在CCUS 技術(shù)實(shí)施方面具有很大的潛力，碳源、碳匯和運(yùn)輸?shù)葪l件都適宜新疆實(shí)施CCUS 技術(shù)。

從CCUS 技術(shù)的發(fā)展歷史來看，CCUS 整體化、規(guī)?；瘜?shí)施還需要國家的相關(guān)政策配合，需要跨產(chǎn)業(yè)部門的技術(shù)集成與工業(yè)化CCUS 技術(shù)，以及投融資政策、財(cái)稅政策、生態(tài)環(huán)境管理、安全管理等配套政策的支持。

4 結(jié)論

(1)新疆塔里木、準(zhǔn)噶爾、吐哈三大盆地CO2理論存儲(chǔ)潛力評(píng)估總值為4875.73×108t。新疆具有廣闊的碳匯儲(chǔ)存前景，這為在新疆及全國范圍內(nèi)開展碳中和提供了一個(gè)規(guī)?；瘜?shí)施區(qū)域。

(2)從空間匹配性的宏觀分析發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)噶爾盆地是目前最好的碳源—碳匯工程實(shí)施區(qū)域；塔里木盆地儲(chǔ)量最大，具有巨大潛力，但目前其周邊CO2源相對(duì)較少，作為碳匯的匹配性不足。

(3)CO2儲(chǔ)存是規(guī)?；瘻p排最有效的手段之一，但這只是CCUS 中的一個(gè)環(huán)節(jié)，還需要從CCUS 整體上開發(fā)利用該技術(shù)，以降低成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的可能性。

(4)CCUS 的整體化、規(guī)模化實(shí)施還需要國家相關(guān)政策的配合，需要科技投入、試驗(yàn)示范、投融資政策、環(huán)境管理、安全管理等各方面政策的系統(tǒng)協(xié)調(diào)推進(jìn)。