CO2地質封存緩釋預警系統(tǒng)、應急系統(tǒng)及地面植物增強吸收系統(tǒng)研究

張 洋，程劍峰，范瑩琳

（1.中煤瑋坤（北京）節(jié)能環(huán)?？萍加邢薰?，北京 100083；2.中國石油西部鉆探工程有限公司，新疆克拉瑪依 834000；3.中國煤炭地質總局勘查研究總院，北京 100039）

0 引言

CO2地質封存是將超臨界CO2通過地質工程封存在800m 以下的地層空間中。目前研究認為適合CO2地質封存的地質條件，包括已經開發(fā)的油氣藏、不宜開采的煤層、深層地下咸水層、人工或天然的地下空間、深海咸水層等。被封存的超臨界CO2會在儲層中運移，當CO2在地下儲層中運移時，會通過多種途徑發(fā)生泄漏：通過巖石空隙泄漏；通過不整合面空隙橫向移動泄露；通過蓋層的裂隙、斷裂裂隙或者地質斷層裂隙泄漏；還可以通過人為因素導致泄漏。部分逃逸的CO2會被備用儲層吸收，或被二次蓋層、含水層攔截吸收。部分封存的CO2會被儲、蓋層中有許多非常細小的孔隙吸附捕獲。剩余部分CO2會緩慢逸散到大氣中對環(huán)境及生物造成傷害［1］。

1 CO2地質封存原理及泄露模式

CO2封存技術是根據(jù)深部封存的地質儲層條件，在溫度大于31.1℃、壓力高于7.38MPa 時使CO2成為超臨界狀態(tài)，在超臨界狀態(tài)下CO2擁有接近液態(tài)的密度，具有良好的擴散系數(shù)和流動性，傳質能力極強。地質封存包括地質利用、地質圈閉、礦物封存、溶解封存及吸附置換封存。地質利用包括強化采油（EOR）、天然氣、煤層氣、頁巖氣。強化深部咸水開采、增強地熱開采及增強砂巖型鈾礦開采［2-5］。

CO2地質封存包括：①地質構造圈閉封存，即利用地下地質空間進行地質圈閉封存；②采油空間的束縛氣封存，通過毛細作用和吸附作用將空隙中的CO2束縛在巖石孔隙中；③吸附置換封存，將CO2注入天然氣、煤層氣、頁巖氣儲層，通過吸附置換，析出CH4，封存CO2；④溶解封存，CO2和水混合后，在溫度、壓力作用下，部分CO2會在地下水中發(fā)生溶解作用，形成H2CO3、HCO3-和CO32-。⑤礦化封存，CO2與巖石、土壤中的礦物成分在MgO 的催化作用下，發(fā)生化學反應，最終以碳酸鹽的形式被長期封存在巖石中［6］。

被封存的CO2泄漏分快速釋放和緩慢釋放兩種模式，目前尚未發(fā)現(xiàn)快速釋放的封存案例。為了研究快速釋放對環(huán)境的影響，相關研究人員進行了可控放噴試驗［7-9］。中石油在吉梨頁油1井注入CO2約60 萬m3，進行可控放噴實驗，井口累計排出2 萬m3，封存率高達97%，通過井口氣體成分監(jiān)測表明，放噴初期有少量CO2排出，但濃度很快降低至地層原始氣體狀態(tài)，表明注入地層中的CO2無大量釋放，實現(xiàn)了地質封存。CO2地質封存，排除地震原因，即使發(fā)生泄漏，大部分CO2也會留存在地質介質中，而不會突然進入大氣層［10-12］。國外學者也開展了類似研究工作。澳大利亞的CRC Otway 項目在2 100m 深部封存CO2，并開展了一系列受控CO2釋放實驗。美國的ZERT 項目對CO2在不同級別泄露水平對環(huán)境的影響程度展開研究，采用多種監(jiān)測設備及不同監(jiān)測方法、設備進行效果對比評價［4，13-14］。研究顯示，當CO2在地下儲層中運移時，會通過多種途徑發(fā)生泄漏：如蓋層的巖石空隙泄漏；巖石不整合面泄露；蓋層的裂隙、斷裂裂隙或者地質斷層裂隙泄漏；特別是人為因素導致的泄漏，如未進行完整密封的鉆井或者廢棄油井泄漏等。通過放噴實驗、受控釋放實驗及泄露通道分析可以清楚的認識到，CO2地質封存大量噴發(fā)的可能性很小，微量緩釋泄露是CO2地質封存的主要的泄露模式。

2 CO2緩釋監(jiān)測預警系統(tǒng)

CO2封存后按照泄露方式可以分為單點泄露、多點泄露、斷層誘發(fā)線狀泄露、地應力突變誘發(fā)大面積泄露等。一般情況下，泄漏的CO2會被儲層上的水平覆層阻擋，或者被上覆含水層、蓋層裂隙吸收［15］。

如前文所述，CO2即使發(fā)生滲漏，也是非常微量的。針對CO2微量緩慢泄露，應構建緩釋泄露監(jiān)測預警系統(tǒng)，對每一個CO2封存地構建地下、地表、地上三位一體預警監(jiān)測體系。目前國內對監(jiān)測范圍沒有統(tǒng)一要求，我國目前已經完成封存的項目，一般采用地下、地表監(jiān)測10km2，地面以上空間監(jiān)測100 km2。對于100 萬t 以上工業(yè)級項目及超大型封存項目，應該根據(jù)CO2羽流擴散范圍，調整監(jiān)測范圍。根據(jù)數(shù)值模擬預測CO2羽流擴散方向及緩釋溢出方向，有針對性的調整監(jiān)測方案［16-18］。

2.1 地下監(jiān)測預警系統(tǒng)

監(jiān)測的主要任務是對CO2地下運移情況、蓋層、儲層的溫度、壓力變化情況及在儲層發(fā)生的化學反應情況進行記錄。監(jiān)測預警CO2的運移方向、范圍、對地下深層含水層及可能對近地淺層含水層的污染影響。監(jiān)測范圍通常為以注入井為中心，半徑為2km。監(jiān)測井中的監(jiān)測范圍包括儲層、蓋層、含水層底部、井口下10m。

2.2 地表預警監(jiān)測系統(tǒng)

對地表土壤CO2通量、地表生態(tài)系統(tǒng)、地表變形進行監(jiān)測。地表土壤CO2通量監(jiān)測范圍是地下0.5～1m，在固定監(jiān)測點位、固定監(jiān)測時間，采用土壤CO2通量監(jiān)測儀器進行監(jiān)測。地表淺層土壤監(jiān)測及地表生態(tài)系統(tǒng)檢測是以封存井為中心，半徑為2km。地表塌陷雷達監(jiān)測是10 km×10 km，面積100km2。地表生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測是采用氧化還原電位儀、光合儀、冠層分析儀等，來監(jiān)測地表植物生長情況［1］。地表變形監(jiān)測利用雷達衛(wèi)星監(jiān)測灌注區(qū)地表變形數(shù)據(jù)。

2.3 地上空間預警監(jiān)測系統(tǒng)

監(jiān)測任務是對CO2地質封存區(qū)近地表、大氣渦度的CO2濃度進行定點、連續(xù)采樣監(jiān)測，監(jiān)測CO2濃度、通量、空中運移及對人類活動的危害。監(jiān)測范圍是近地表及大氣渦度監(jiān)測范圍，以封存井為中心，半徑為2km。近地表CO2濃度監(jiān)測：采用定點安裝、人工便攜、車載的自動檢測儀進行連續(xù)監(jiān)測CO2濃度。取樣高度距地表1.5m。大氣渦度CO2通量監(jiān)測，采用渦度通量檢測儀，在距離地表10m 高度，安裝CO2通量檢測儀，每一臺儀器監(jiān)測半徑350m。CO2通量監(jiān)測塔一般高度50～300m，可以采用固定氣球代替通量監(jiān)測塔，在需要的高度放置通量檢測儀，也可利用封存區(qū)附近的氣象監(jiān)測塔，在監(jiān)測高度安裝CO2通量監(jiān)測儀。

3 CO2地質封存緩釋應急系統(tǒng)

我國雖已開展了多項CO2地質封存示范項目，但就CO2泄露逸散應急技術來說，相關部門還未明確提出制定環(huán)境應急預案的要求。我國現(xiàn)有的環(huán)境應急管理體系主要包括《突發(fā)環(huán)境事件應急管理辦法》（部令第34號）、《企業(yè)事業(yè)單位突發(fā)環(huán)境事件應急預案備案管理辦法》（試行）等針對污染物、危險廢物和物品以及有毒有害物質的相關管理辦法，CO2泄露并不在其管理范圍內，這是由于CO2既不是空氣污染物，也不是危險及有毒廢物，是一種溫室氣體。

國內針對CO2泄露逸散的應急技術研究也相對較少。在全球范圍內，CO2泄露逸散應急管理技術也處于探索階段。為評估、管理和防范CO2地質封存帶來的環(huán)境風險，2009年歐盟與美國先后制定了《碳捕獲與封存指令》與《地下注入控制計劃和安全碳封存技術行動條例》，我國環(huán)境保護部于2016年頒布了中國第一個，也是全球發(fā)展中國家第一個CCUS環(huán)境領域的技術文件《二氧化碳捕集、利用與封存環(huán)境風險評估技術指南（試行）》，為CO2地質封存的應急體系建設提供了基礎［18-19］。國內一些企事業(yè)單位也加入了研究行列。中國神華煤制油深部咸水層CO2地質封存示范項目借鑒了國外最新CO2應急處置預案流程的基礎上，根據(jù)地形模型對CO2泄露后的擴散路徑進行了模擬，構建了預警模型，對監(jiān)測異常進行判斷，識別警兆并發(fā)布預警信息，根據(jù)泄露的不同位置制定了相應的補救措施，在此基礎上，制定了一套相對完備的環(huán)境應急管理制度［20-22］。

CO2地質封存可能有數(shù)年的灌注期、長達數(shù)十年監(jiān)測期以及數(shù)百年的封存期。這三個階段都存在緩釋的風險。有必要制定應急預案，并構建一套應急報警系統(tǒng)。

4 地面植物增強吸收系統(tǒng)

試驗規(guī)模的CO2地質封存可能需要數(shù)年的灌注期，長達數(shù)十年監(jiān)測期以及數(shù)百年的封存期。工業(yè)規(guī)模的CO2地質封存可能有數(shù)十年的灌注期，長達數(shù)十年監(jiān)測期以及數(shù)千年的封存期。這三個階段都存在緩釋的風險。我們必須構建一個有效的CO2攔截屏障，吸收因緩釋逃逸到達地表的CO2，目前認為行之有效的攔截屏障是植物增強吸收系統(tǒng)。

當泄漏的CO2進入地表土壤后，會造成局部土壤CO2濃度升高，達到一定濃度時，就會對土壤生物系統(tǒng)以及植被根系產生較為嚴重的影響。泄漏的CO2進入近地表植被生態(tài)系統(tǒng)時，開始可能會產生“施肥效應”，CO2濃度小于5%時，促進植被生長，但當CO2濃度在土壤中逐漸升高并導致土壤中O2濃度降低時，植物出現(xiàn)脅迫效應，并且植被脅迫效應會逐漸大于植被的施肥效應。一般情況下土壤氣體中的CO2濃度超過5%時，會對植被產生負面影響，超過10%時，會導致根系窒息，達到20%時，CO2會成為植物毒素。不同植物種類對CO2敏感程度有所差異。

因此，在封存地建設強化地面植物增強吸收系統(tǒng)具有重要意義與作用。第一，在封存后的數(shù)百年內警示人們遠離封存監(jiān)測區(qū)；第二，利用植物構建應急疏散通道。植物的種植應林草搭配，科學、合理布局，規(guī)劃科學合理的緊急疏散通道，通道兩側布設警示標志、方向標志及應急防護設備庫。第三，對于長時間閑置土地進行充分利用，同時通過植物增加碳匯、增加土地收益；第四，可以對緩釋CO2進行地面攔截，這是最后一道CO2溢出攔截屏障，最大限度阻止CO2泄露到大氣中產生溫室效應。

林業(yè)專家建議利用碳四類植物固炭，其固炭能力比森林固炭能力高一倍，由于碳四類植物的光合作用比一般碳三類植物高約一倍，例如玉米、高粱等植物用同樣的水灌溉成長的過程中吸收的碳遠超其它植物。世界上碳四類植物約有50多種，如果對其中部分進行轉基因培育，使其干莖生長更快，固碳效能更高，收割后利用余熱碳化，固碳的成本將大大低于傳統(tǒng)的CCUS法。玉米、墨西哥玉米草是對CO2最敏感的植物，可以用來預測CO2的泄露。苜蓿、三葉草是對CO2最耐受植物。對CO2敏感的花草（如紫菀、秋海棠、美人蕉、矢車菊、彩葉草、非洲菊、天蘭葵、萬壽菊、牽?；ā偃詹荩┰贑O2超標的環(huán)境下會出現(xiàn)一些癥狀，如葉片呈綠色水漬狀斑點，干后呈灰白色，葉脈間有斑點，葉片變黃。專家建議，對于地面10km2的封存領地，應優(yōu)化配置灌木、林木、草，建立免維護自然野化林木體系，適量種植CO2指示性植物，構筑地面植物增強吸收系統(tǒng)，形成攔截屏障，兼顧警示、綠化、攔截、碳匯等多項功能。

對于工業(yè)級封存基地或者大型開放式封存基地，如果在封存區(qū)地表10km2，構建地面植物增強吸收系統(tǒng)，全部種植碳匯植物，依據(jù)2022 年我國碳匯林自愿減排項目核算值，每畝（1 畝≈666.67m2）每年可以固碳0.3～1.2t，按照每畝年固炭1t 計算，每年碳匯效應15 000t。按照目前我國碳市場價格50 元/t，可以實現(xiàn)75 萬元碳收益，以100 年為核算期限，可實現(xiàn)地面碳匯150 萬t，同時獲得7 500 萬元收益，實現(xiàn)環(huán)境與經濟效益雙贏。

5 結論

根據(jù)生態(tài)環(huán)境部2016 年頒布的《二氧化碳捕集、利用與封存環(huán)境風險評估技術指南（試行）》，明確對CO2地質封存的環(huán)境風險進行管控。本文針對CO2緩慢泄漏可能產生的環(huán)境風險，提出了三位一體監(jiān)測系統(tǒng)、預警系統(tǒng)以及構建最后一道地面攔截系統(tǒng)地面植物增強吸收系統(tǒng)，全方位保障CO2封存的安全穩(wěn)定性，為CCUS 技術的發(fā)展提供理論與技術支撐。