地質(zhì)CO2封存技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與比較

呂升浩

(成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059)

1 全球變暖與碳中和

工業(yè)化和社會經(jīng)濟的發(fā)展給人類帶來極大便利，同時，CO2等溫室氣體的排放導致的全球變暖已嚴重的威脅著人類賴以生存的地球。為了避免溫室效應(yīng)給人類帶來的，如海平面上升、冰川融化、全球氣候異常等問題，各個國家對于碳減排都有了相應(yīng)的決定與措施。2021年，我國國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》明確指出，要持續(xù)鞏固提升碳匯能力[1]，如期實現(xiàn)碳中和目標。CO2的捕集利用與封存(Carbon Capture，Utilization and Storage)就是減少CO2的有力措施。其是指將從大型工廠排放源的CO2捕集處理并進行壓縮，直接加以利用或用管道輸送到地下深處長期或者永久性填埋的地質(zhì)體中[2]。地質(zhì)封存是最有效和最經(jīng)濟的CO2封存技術(shù)。適合CO2儲存的地質(zhì)結(jié)構(gòu)有：油氣田、沉積在盆地內(nèi)的咸水蓄水層，已被廢棄或沒有任何商業(yè)開采價值的煤層，深海等[3-5]。地質(zhì)封存對于現(xiàn)階段CO2儲存是必要的，將CO2儲存于地下深部，可以減少溫室效應(yīng)對人們帶來的危害，改善人類的生存環(huán)境，對人類的未來與發(fā)展有著重要的實際意義。

2 地質(zhì)封存CO2發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 油氣藏封存CO2技術(shù)

油氣藏是封存CO2的一個極佳選擇，是目前最為成熟的封存技術(shù)之一。油氣藏封存CO2一般有兩種情況，一種為枯竭的油氣田封存，是指將CO2以超臨界流體的存在形式直接注入到油氣藏中[5]。油氣田長時間封閉油氣，一般都具有良好的封閉性，數(shù)萬年甚至百萬年里油氣都未泄露表明油氣藏中封存CO2具有很好的安全性與潛力。利用原有的油田技術(shù)設(shè)施也會對降低CO2的儲存成本與再建設(shè)成本，并不需要再勘探減少了人力成本。另一種為CO2驅(qū)油技術(shù)(CO2-EOR技術(shù))，在提取原油或燃氣的過程中，為提高采收率，會將流體注入到下層的油氣藏中。將CO2變?yōu)槌R界流體的形式代替其他流體直接注入到已開采的油氣田中，CO2在高壓條件下驅(qū)動原油的流動，促使原油流向井口，其中CO2儲存于未能開采的原油與地下水體中。這種方式不僅提高了油氣的采收率，也將CO2儲存在了油氣田中。這兩種CO2封存的方式叫做油氣藏封存CO2技術(shù)。

很多國家對油氣藏封存CO2的技術(shù)展開了深入的研究。美國在20世界20年代提出了CO2驅(qū)油項目，自二十世紀七八十年代，CO2驅(qū)油項目日趨成熟。世界上最大的CO2驅(qū)油工程是2000年加拿大Weyburn[7]油田開展的，該工程將美國北達科他州一家燃料廠中捕集到的CO2用于驅(qū)油，在提高采收率的同時也大大減少了當?shù)谻O2的排放。Weyburn油田開發(fā)時間較長，因此對地下儲存CO2認識較為全面。目前Weyburn油田已經(jīng)累汁注入CO2超過150億噸。目前，我國的大慶油田、勝利油田也展開了CO2驅(qū)油項目，該技術(shù)較為成熟且具有較低的經(jīng)濟成本與較高的附加價值，是CO2地質(zhì)儲存的有力方法。

2.2 煤層封存CO2技術(shù)

在煤層附近的焦化廠、發(fā)電廠等會產(chǎn)生大量的CO2氣體，將處理過的氣體通過管道注入到這些不再開采的煤層中。由于煤層對CO2的吸附能力遠大于其他煤層氣體(如甲烷)的吸附能力，煤層氣體在煤的表面發(fā)生脫附，可以大大的提高煤層氣的產(chǎn)出效率，并將CO2封存于煤層中，這種方法稱為CO2-ECBM技術(shù)[8]。利用煤層儲存CO2與油氣藏儲存CO2相似，其都是將碳減排與高效開發(fā)能源資源相結(jié)合，提高能源開采率的同時，并進行了高質(zhì)量的碳儲存。

20世紀90年代，美國提出了注入CO2、N2等氣體來強化開采煤層氣的理論。經(jīng)過三十年的發(fā)展，該技術(shù)已日趨成熟，但與較為成熟的CO2-EOR技術(shù)相比，略顯稚嫩，其技術(shù)難度也較大，且仍有許多待解決的科學問題，如煤層的厚度、臨界參數(shù)、滲透率等。在我國，埋深大于 1000 m 的煤層中煤層氣資源量約為 23×1012m3，占全國煤層氣資源量的61%，開發(fā)潛力巨大，但普遍具有高煤級與低滲透率的特征，直接開發(fā)難度較大。這些因為技術(shù)原因或經(jīng)濟原因而得不到深度開發(fā)利用的煤層，具有極大潛力的儲存CO2的構(gòu)造?，F(xiàn)階段來講，二氧化碳驅(qū)替煤層氣利用目前處于先導試驗階段，2004年中聯(lián)煤組織在沁水-臨汾盆地的柳林和柿莊開展了一系列試注與監(jiān)測研究，為煤層封存CO2邁出了堅實一步。我國是用煤產(chǎn)煤的大國，大力探索煤層儲存的方案，對于我國固碳事業(yè)具有重要的意義。

2.3 深部咸水封存CO2技術(shù)

深部咸水是指賦存于地下深處，且礦化程度極高的地下水，含水層的深度一般大于 1000 m 。從工廠排放的CO2經(jīng)過處理后通過鹽井管道排放到深部的地下咸水中封存起來。CO2在水中的溶解度隨環(huán)境溫度、壓力和鹽度的不同而變化，深部的壓力、溫度以及較高的鹽度保證了CO2能夠很好的溶解于深部咸水中。當CO2在儲集巖孔隙中運移并與水體接觸時就會溶解在其中，即發(fā)生溶解儲存；當CO2溶解于鹵水中變成碳酸根離子與碳酸氫根離子，其與水中的Ca2+、Mg2+、Ba2+等陽離子發(fā)生反應(yīng)，生成了碳酸鹽沉淀，發(fā)生礦物儲存。CO2最終以礦物的形式被固定下來。

咸水儲存CO2的技術(shù)較為成熟，且簡單，由于其能夠?qū)O2變成碳酸鹽的形式沉淀下來，故其封存時間達百萬年甚至更久，可以避免CO2泄露的問題，被認為是封存CO2的一個極佳途徑。2010年，我國鄂爾多斯盆地咸水層封存計劃啟動，這是我國首個實現(xiàn)咸水CO2封存的項目。在我國其他地區(qū)如渤海灣盆地，塔里木盆地地下深部也具有很多礦化度很高的咸水但開采價值不高，故咸水封存具有極高的潛力與應(yīng)用前景。

2.4 海洋封存CO2

海洋是自然界中最大的碳庫，在地球碳循環(huán)的尺度上，大氣中的CO2相對于海洋中的碳總量來講是微不足道的，目前大氣中有80%的CO2被海洋所吸收。通過人工將CO2封存到海洋中是非常有潛力的方法。海洋封存CO2的方法很多，也很復雜，其中最主要的方式有三種：海洋水柱封存，海洋沉積物封存以及生物封存[9-10]。海洋水柱封存是指利用船舶與管道直接將CO2注入到海水中，當水深在 1000～2500 m 的區(qū)域，在壓力的作用下，CO2能很好地溶解于水中。這個深度為CO2的臨界深度，CO2不易上浮到大氣之中。當水深大于 2500 m 時，CO2變?yōu)橐簯B(tài)且密度遠遠大于海水，CO2下沉在低洼處聚集形成特殊的“碳湖”。海洋沉積物封存是指在低溫高壓的深海環(huán)境下，CO2會形成一種晶狀水合物，這種狀態(tài)下CO2溶解速率小，減少海底沉積物孔隙度與滲透率，阻止CO2向上擴散，從而達到封存CO2的目的。生物封存是指將海洋中投放營養(yǎng)素來增加浮游生物的數(shù)量，浮游生物通過光合作用，將CO2由無機形式轉(zhuǎn)為有機碳形式，從而使得大氣中的CO2減少，實現(xiàn)CO2的封存。

海洋封存CO2雖然有著巨大的前景，但其仍存在著許多問題。相較于陸地封存來說，海洋封存CO2往往意味著更高昂的成本，例如，運輸CO2的成本以及海洋施工的難度都對其發(fā)展帶來了不小的難度。更大的問題是生態(tài)問題，無論以任何方式的封存方法，其都會伴隨著泄露問題的存在，泄露的CO2導致海洋的pH變低，從而對海洋生物的多樣性以及生存帶來嚴重影響。我國有著漫長的海岸線以及沿海工業(yè)設(shè)施，海洋封存雖然有許多的問題，但是其巨大封存潛力依舊被人們所重視，海洋封存CO2依舊任重而道遠。

3 幾種封存方式的比較

3.1 封存潛力

全球范圍內(nèi)，海洋是最大的碳庫，封存CO2的潛力巨大。全球陸上理論封存容量為(6～42)萬億噸，其中深部咸水層容量占到了陸地封存容量的98%，其他方式只占到封存容量的2%。我國地質(zhì)封存潛力約為(1.21～4.13)萬億噸[6]。

3.2 泄露風險

對于CO2封存，最大的風險與問題便是CO2的泄露。CO2在地質(zhì)體中的穩(wěn)定程度直接影響到CO2封存的前景。如果CO2出現(xiàn)大規(guī)模的泄露，直接影響到全球生物的命運與未來。對于咸水封存與礦物封存來說，其最大的優(yōu)勢在于能夠直接將CO2轉(zhuǎn)化為固體的形式封存下來，時間可達百萬年甚至更久。油氣田儲存則是將CO2以超臨界流體的方式注入到地層深部，能維持百年或千年以上的穩(wěn)定，隨著時間的推移，仍有一定的泄露風險。海洋封存中，CO2的泄露更易于發(fā)生，并直接會影響到附近的生態(tài)環(huán)境。

3.3 封存成本

CO2封存成本極大。除前期勘探鉆井等成本外，鋪設(shè)與維護管道的成本極高。此外，封存CO2的同時很難有額外的經(jīng)濟回報，造成企業(yè)的動力不足。油氣藏封存與煤層儲存都可將油氣開發(fā)與封存CO2結(jié)合起來，既在固碳的同時，又增加了油氣開發(fā)的采收率。礦物封存的過程中，亦可實現(xiàn)附加產(chǎn)品如碳酸鈣、碳酸鎂的產(chǎn)生，但離商業(yè)化還有很長的距離。咸水層與海洋很難有附加的經(jīng)濟價值，造成固碳成本居高不下，必須有政府與相關(guān)部門的支持。隨著科學技術(shù)的進步，相信固碳的成本會逐步降低。

綜上所述，各個地質(zhì)封存CO2的方法具有一定的優(yōu)勢與局限性。目前我國開展了很多地質(zhì)封存CO2的項目，其中可以看到油氣藏封存CO2技術(shù)走在最前列，各大油田都有著自己的規(guī)劃與發(fā)展。深部咸水層與煤層封存CO2技術(shù)亦在我國各地有所開展。

4 結(jié)語

我國是一個發(fā)展迅速的大國，積極參加CO2減排行動，體現(xiàn)了作為一個大國的責任與擔當。CO2的地質(zhì)封存是極具價值且富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。油氣藏封存CO2技術(shù)、煤層封存CO2技術(shù)、深部咸水封存CO2技術(shù)、海洋封存CO2這幾種封存方式各有優(yōu)劣且潛力巨大。選擇合適的方式，積極地通過數(shù)值模擬與實地監(jiān)測，完善相關(guān)的法律法規(guī)，CO2的封存在未來一定會有廣闊的前景。