淺議CO2地質封存的潛在風險

吳江莉，馬俊杰

(西北大學城市與環(huán)境學院，陜西西安 710127)

氣候變化、全球氣溫升高這一問題已受到了全世界人們的高度關注。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會 (ICPP)第四次報告顯示:自工業(yè)化時代以來，由于人類活動的影響，已經引起全球溫室氣體增加，二氧化碳 (CO2)是重要的人為溫室氣體。1970～2004年，CO2的排放增加了大約80%，2005年大氣中CO2已經增加到379ppm［1］。隨著溫度升高，極地地區(qū)冰川融化，海平面上升，預期1900～2100年地球的平均海平面上升幅度為0.09～0.88m;大氣環(huán)流的調整，氣候帶向兩極擴展，引發(fā)旱災、水災等［2］;地球上的病蟲害增加，將出現(xiàn)致命的病毒［3］。

因此，各國都在努力尋找減緩CO2排放的措施。碳捕捉與封存技術 (CCS，Carbon Capture and Storage)是一項減少全球二氧化碳排放的重要技術［4］。CCS技術是指把二氧化碳從工業(yè)或相關能源的源分離出來，輸送到一個封存地點，并且長期與大氣隔絕的一個過程［5］。通過替代或改造不同類型的二氧化碳直排電廠，CCS技術可以減少85%左右的二氧化碳排放量［6］。CCS技術過程主要有三個組成環(huán)節(jié):捕獲、運輸和封存。每一個環(huán)節(jié)都存在CO2泄露的潛在風險，其中捕獲與運輸環(huán)節(jié)的CO2泄露較易發(fā)現(xiàn)并可及時采取補救措施，但封存環(huán)節(jié)中的封存地點主要是石油井、天然氣儲層和不可采煤層，由于封存地層上部地層完整性研究的不足，可能造成封存的CO2泄露。由于CO2封存區(qū)域一般較大，封存地層上部地層研究資料較為缺乏，其可能的泄露地點和泄漏量均存在不確定性。一旦封存的CO2發(fā)生泄露，可能對泄露區(qū)地表植物造成較為明顯的影響。

針對以上原因，本文主要研究CCS技術中地質封存環(huán)節(jié)CO2泄露封存的潛在風險，分析CO2泄漏的方式及危害，并提出可采取的應對措施。

1 CCS技術的封存方式

1.1 CO2的海洋封存

海洋是全球最大的CO2貯庫，其總貯量是大氣的50多倍，工業(yè)革命以來釋放到大氣中的CO2有一半左右被海洋吸收，大氣CO2的輸入已經顯著改變世界范圍內表層海水化學性質，因此海洋在全球碳循環(huán)中扮演了重要角色［7］。

CO2的海洋封存主要分為兩種方法。一種是固態(tài)封存，將CO2輸送到深海中，使其自然溶解在深海水域，少量CO2氣體通過揮發(fā)的形式最后進入碳循環(huán)中;另一種是液態(tài)封存，采用特殊的設備將其注入到海平面的3000m以下，使其形成液態(tài)的CO2，達到減少溫室氣體排放的目的。無論是液態(tài)封存還是固態(tài)封存，都存在二氧化碳揮發(fā)或溶解在海水中的問題，其中液態(tài)二氧化碳比固態(tài)二氧化碳更容易揮發(fā)、溶解在海水中。所以，液態(tài)封存的技術關鍵就是如何減少液態(tài)二氧化碳溶解或揮發(fā)在海水中，造成對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響;固態(tài)封存的技術關鍵就在于二氧化碳水合物的快速生成以及如何運輸到適合的海底位置［8］。

雖然海洋封存的封存量大、封存時間長，但是海洋封存的CO2氣體有可能會揮發(fā)到大氣中，且對海洋生物的影響問題尚未解決，因此研究海洋封存的比較少。

1.2 CO2的地質封存

CO2地質封存的封存地點主要是石油、天然氣儲層和深部不可采煤層。相對于海洋封存，地質封存主要有以下優(yōu)勢:①地質層結構的復雜性決定了CO2地質封存的可能性;②CO2封存在枯竭的油氣田，通過氣驅 (CO2驅)方式來提高該油氣田的采收率，能產生一定的經濟效益［9］。

1.2.1 封存機制

CO2地質封存主要包括物理封存和化學封存兩種基本機制。其中，物理封存是通過地層構造壓力、地下水動力、流體密度差、蓋層巖石孔隙毛細壓力及礦物 (煤層)吸附等共同作用，將超臨界CO2儲存于儲層頂部孔隙中。被封存于儲層中的一部分CO2以溶解狀態(tài)進入地下水中，并隨地下水以極低的速度運移，另一部分可能會被吸附于特殊巖層 (煤層)表面?；瘜W封存是指儲層中巖石礦物、地下水溶液與注入的超臨界CO2流體在一定的溫度和壓力條件下發(fā)生緩慢的化學反應，生成碳酸鹽礦物 (碎屑巖儲層)或碳酸氫根離子 (碳酸氫鹽巖儲層)，從而把二氧化碳轉化為新的物質固定下來。

物理封存機制在很大程度上受地質構造、地應力狀態(tài)、地下水動力特征及工程活動擾動等制約，單純的物理捕獲CO2流體只是將CO2暫時封堵在地下巖層中，在地質封存時期存在泄漏的風險。化學捕獲方式是最有利于長期安全固碳的，但是，目前化學方式封存CO2要求儲層所具備的條件較為苛刻，合適的儲層較為有限，因為這種方式可以將CO2通過化學反應轉化成新的巖石礦物成分，基本不存在泄漏的問題。一般來講，較為理想的CO2地質封存箱 (封存儲層)應該是物理機制和化學機制共同作用的環(huán)境，這樣有利于最大限度發(fā)揮其封存和固碳容量［10］。

1.2.2 封存方法

可用于CO2的地質封存的地質構造:石油和天然氣儲層、深鹽沼池構造和不可開采的煤層 (圖1)。在每種類型中，CO2的地質封存都將CO2壓縮液注入地下巖石構造中。含流體或曾經含流體 (如天然氣、石油或鹽水等)的多孔巖石構造 (如枯竭的油氣儲層)都是潛在的封存CO2地點的選擇對象。在沿岸和沿海的沉積盆地 (充有沉積物的地殼內的大規(guī)模天然凹地)中存在合適的封存構造。假設煤床有充分的滲透性且這些煤炭以后不可能開采，那么該煤床也可能用于封存CO2。在煤床中封存CO2并提高甲烷生產的方案仍處在示范階段。

圖1 在深層地質構造中封存CO2的方法［11］

2 CO2地質封存的泄露方式

CCS技術潛在的最大的環(huán)境風險主要來自地質封存的CO2泄漏［12］。CO2的泄漏主要分為突然泄漏和逐漸泄漏。

2.1 突然泄漏

CCS技術的地質封存的突然泄露是注入的廢棄油氣井破裂導致CO2泄漏，有可能造成CO2突然快速地釋放。通常為了提高石油的采油率，一般采用物理封存機制，將發(fā)電廠的CO2氣體及其他混合氣體直接封存于地質層中，會造成突然泄露。如果使用當今技術來控制油氣井的井噴，則可以快速檢測并阻止這種釋放。一旦泄露，控制這種釋放可能需要數小時乃至數天，與注入的總量相比，所釋放的CO2總量可能很小。在石油和天然氣行業(yè)，采用工程的技術手段定期對這些災害進行有效的檢查，能避免災害的發(fā)生。

2.2 逐漸泄漏

逐漸泄露是通過未被發(fā)現(xiàn)的斷層、斷裂或漏泄的油氣井發(fā)生滲漏，其釋放到地面緩慢擴散。泄漏的潛在后果目前還很難定性，只能依據封存地點的位置與地質狀況、封存及泄漏的規(guī)模以及泄漏點上方的實際情況做出判斷。

逐漸泄露，災害主要影響飲用蓄水層和生態(tài)系統(tǒng)，CO2聚集在地面與地下水位的上部之間的區(qū)域，在注入過程，由于CO2的置換，直接泄漏到蓄水層的CO2和進入蓄水層的鹽水都能影響地下水，CO2的置換也可能存在土壤的酸化和土壤中氧的置換，影響植物的生長發(fā)育。

為了減小對人類及動植物的危害，使用各種技術和根據儲層的特征可以判定滲漏的路徑。圖2顯示了某個鹽沼池構造的某些潛在的滲漏路徑。當了解了可能的滲漏路徑后，就可采取監(jiān)測和補救策略以解決這些潛在的滲漏問題［11］。

圖2 用于注入鹽沼池構造的潛在CO2滲漏路徑

3 CO2泄露的風險分析

地質儲層中CO2封存泄漏所引發(fā)的風險分為兩大類:全球風險和局部風險。如果封存構造中的部分CO2泄漏到大氣中，那么釋放出的CO2可能引發(fā)顯著的氣候變化，稱為全球風險。如果從封存構造中泄漏CO2，可能給人類、生態(tài)系統(tǒng)和地下水造成局部災害，稱為局部風險。

關于全球風險，有觀點認為:即使每年的泄漏率為1%，100年后泄漏的CO2排放將為封存量的37%。根據對目前CO2的封存地點、自然系統(tǒng)、工程系統(tǒng)和模式的觀測和分析，經過適當選擇和管理，歷經百年或千年保留在儲層中的CO2有可能超過99%。隨著時間推移，泄漏的風險預計會減小。未來封存的CO2泄漏程度更多取決于封存的地質環(huán)境、技術水平、管理等諸多因素［12］。關于局部風險，謹慎的封存系統(tǒng)設計和選址以及滲漏的早期檢測方法 (最好在CO2到達地面之前較長時間內)是減少滲漏相關災害的有效方法?，F(xiàn)有的監(jiān)測方法越來越具有前景，但需要更多的經驗來確定檢測層面和分辨率。一旦檢測到泄露，就應使用補救技術來阻止或控制泄露。根據泄露的類型，這些技術可包括標準油氣井維修技術，或通過把泄露阻擋在一個淺的地下水蓄水層內，以從中提取CO2。需要經驗來證明其實用性，并確定這些技術的成本，以便用于CO2的封存。

3.1 CO2泄露對地表大氣的影響

泄露的CO2氣體通過揮發(fā)的形式緩慢從地質層進入大氣層中，由于CO2能夠吸收地球的紅外輻射，引起近地面大氣溫度的增高，它還具有吸熱和隔熱的功能，會造成二次溫室效應。

3.2 CO2泄露對農作物的影響

英國University of Nottingham模擬土壤CO2濃度對牧草及大豆的影響實驗，控制CO2流量1L/min，最終嚴重阻礙大豆的生長，產量減少了一半;牧草的生物量也明顯減少;且土壤中CO2與O2呈負相關［13］。我國歐志英等人研究表明，短期高濃度CO2促進植物根、幼苗的生長，葉片增厚，長期高濃度CO2降低作物的產量及生物量［14］。

3.3 CO2泄露對土壤的影響

泄露CO2對土壤、土壤中棲息的生物體的影響都是至關重要的。土壤中CO2濃度升高，導致土壤的物理化學特性發(fā)生顯著的變化。研究表明，土壤中CO2濃度升高對土壤中微生物有一定的影響，CO2濃度升高，小麥的拔節(jié)期土壤中細菌隨之升高，小麥成熟期土壤中真菌升高［15］。

3.4 CO2泄露對地下水的影響

地下水作為地球上重要的水體，與人類社會有著密切的關系，是人類社會必不可少的重要水資源，一旦污染會帶來不可挽救的局面。美國能源部資助啟動了“Frio Brine先鋒實驗”，在實驗中，研究人員將1600t二氧化碳注入到得克薩斯州休斯敦東北一油田地下1550m深處的沙巖層，二氧化碳導致儲藏地層中鹽水的pH值從近乎中性的6.5降到像醋一樣酸的3.0。他們認為，這一變化導致液體溶解了“大量的礦物質”，釋放出鐵和錳等金屬元素，有機物質也進入這種溶液中，大量的碳酸鹽被溶解。這會導致巖石中的化學封條出現(xiàn)小孔或破碎、二氧化碳泄漏，以及被污染的鹽水進入上面供飲用和灌溉的蓄水層［16］。

3.5 CO2泄露對人類的影響

CO2氣體由于比空氣重，純度高的二氧化碳氣體會下沉，取代氧氣，造成窒息。根據國際能源機構 (International Energy Agency)的統(tǒng)計，最嚴重的一起二氧化碳致死事件發(fā)生在1986年，當時，120萬t二氧化碳氣體從喀麥隆的尼奧斯湖 (Lake Nyos)中釋放出來，造成1700人死亡。1984年，同樣發(fā)生在喀麥隆，莫奴恩湖 (Lake Monoun)地震釋放出的二氧化碳造成37人死亡。1979年，印度尼西亞迪恩火山 (Dieng volcano)爆發(fā)，釋放出20萬t二氧化碳，造成142人窒息。2006年4月，美國加利福尼亞猛犸象山 (Mammoth Mountain)的三名滑雪巡邏員在試圖用籬笆隔離一個危險的火山口時，由于高濃度的二氧化碳而死亡［17］。為了減少CO2捕獲的成本，一般會將發(fā)電廠產生的廢氣直接封存，發(fā)電廠的廢氣一般還包括SO2、NOX等，一旦泄露對周圍的環(huán)境、人類都會帶來嚴重的影響。

3.6 誘發(fā)地震

CO2氣體主要是儲存在巖石縫隙中，使地層壓力增加，如果注入的壓力超過地層壓力，將可能誘發(fā)地層裂縫和斷層的移動。這一方面為CO2泄漏提供通道，另一方面可能誘發(fā)地震。

4 CO2泄露的對策及建議

4.1 安裝CO2氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)

安裝CO2報警器，當地表的CO2氣體濃度超過正常范圍可以及時發(fā)現(xiàn)。也可以通過建立CO2在線監(jiān)測系統(tǒng)，將便攜式CO2濃度監(jiān)測儀放置在地下50cm～1m，實時在線監(jiān)測靜止狀態(tài)的CO2濃度，建立CO2濃度數據的采集，將數據通過傳輸的方式傳送到電腦上，可以隨時掌握土壤及地表水中CO2濃度的變化。

4.2 尋找敏感動植物

通過高濃度CO2對農作物的實驗研究，尋找敏感作物，研究作物的半致死濃度，促進或抑制作物生長的濃度分界點。然后在封存地點種植該敏感作物，通過研究的實驗結果，觀察作物的生長發(fā)育，生長異?；蛩劳霰阌锌赡艹霈F(xiàn)CO2泄露;若未泄漏，低濃度的CO2也有助于作物的生長及增加產量。

4.3 完善法律監(jiān)督系統(tǒng)

所有的CCS項目在相關法律制度框架下立法階段必須進行環(huán)境影響評價和核準。編寫CCS技術的環(huán)境影響或風險評價報告，內容包括:CCS項目對當地居民、動植物、土壤、水資源、生態(tài)系統(tǒng)及其過程的直接和間接環(huán)境影響;進行CO2運輸管道和封存選址的綜合環(huán)境影響評價;風險評價要求包括對封存物質的數量、物理形態(tài)、封存設備的運行管理進行評價，并提供詳細的信息［13］。提出CO2封存企業(yè)的法律責任與確保CO2封存區(qū)域安全的技術措施和法律保障體系。在該體系中注入企業(yè)義務與責任、活動規(guī)范、區(qū)域環(huán)境影響監(jiān)測、泄露的判定、區(qū)域其他活動規(guī)范等內容。

4.4 制定完善的泄漏事故應急預案

設計CCS技術的風險管理系統(tǒng)，包括監(jiān)測感應器的布設、使用與監(jiān)測精度等，應重點強調對大規(guī)模事故危險和事故的防范措施的識別和管理，緊急預案設計、建設運行和維護中的安全分析，計劃的論證等。設置碳泄漏危險防范區(qū)，安置危險警報監(jiān)測器，制定針對不同CO2泄漏情況的補救措施等。對周邊居民定期開展安全防范知識宣傳，提高公眾的安全意識。

4.5 CO2泄漏的應急處理

CO2在空氣中含量過高會造成人群呼吸困難，CO2濃度達到10%就有窒息的危險。云南省圖書館二氧化碳氣體泄露導致39人中毒。中毒人員主要是呼吸了大量二氧化碳，形成碳氧血紅蛋白，紅細胞失去攜帶氧氣的能力，患者會出現(xiàn)頭昏、嘔吐等腦細胞缺氧引發(fā)的癥狀［18］。如果發(fā)現(xiàn)CO2大量泄露，可利用CO2氣體溶于水這一性質，向空中噴灑大量的水，溶解空氣中的CO2，用浸濕的毛巾捂住口鼻并及時堵住CO2漏口。

總之，要通過采用科學選址、風險評估、工程監(jiān)管、監(jiān)測預警、應急補救的系統(tǒng)性應對策略，建立一套適用于整個CO2地質封存工程生命周期的運行機制，盡量將CO2地質封存工程可能誘發(fā)的地質環(huán)境災害風險概率或危害程度降至最低。

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