CO2地質封存國內外研究概況與應用

臧雅瓊，高振記，鐘偉

1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083

2.中國環境科學研究院，北京 100012

由于對化石燃料的過度依賴，以CO2為主的溫室氣體大量排放引起的全球變暖正日益威脅著人類生存環境和社會經濟發展。《聯合國氣候變化框架公約》是世界上第一個為全面控制CO2等溫室氣體排放，以應對全球氣候變暖給人類經濟和社會帶來不利影響的國際公約，也是國際社會在應對全球氣候變化問題上進行國際合作的一個基本框架［1］。2011年11月28日—12月9日，聯合國氣候變化框架公約第17次締約方會議在南非德班召開，中國作為CO2排放第二大國，在國際氣候談判中的壓力越來越大，控制溫室氣體排放任務艱巨。中國還是一個發展中國家，人口眾多、氣候條件復雜、生態環境脆弱，易受氣候變化的影響，并且在未來幾十年中，我國以煤為主的能源結構短期內難以根本改變，控制溫室氣體排放的難度很大，任務艱巨［2］。因此，尋求一種既能減緩溫室氣體的排放而又不阻礙經濟發展的方法勢在必行。

CO2地質封存是近年來國際上興起的一種溫室氣體封存技術。該技術利用地下適合的地質體進行CO2深部封存，可以很好地將溫室氣體封存在地殼中，同時對地表生態環境影響很小，具有較高的安全性和可行性。此外，把碳捕獲和地質封存相結合，對我國能源系統和經濟的可持續發展有深遠影響。但關于碳捕獲和碳封存(carbon capture and storage，CCS)技術應用的具體部門還有待結合捕獲規模和捕獲成本進行進一步的研究，并應將這些具體部門納入整個能源系統中，從而可以更加系統地分析該技術引入的作用和影響［3］。

1 國內外應用現狀

1.1 國外CO2地質封存項目進展

早在20世紀70年代初，美國就開展了注入CO2提高石油采收率(enhanced oil recovery，EOR)項目。除美國外，世界上許多發達或發展中國家也開展了將CO2注入油氣田、煤層或咸水層以達到永久儲存目的的項目。據澳大利亞GCCSI(Global CCS Institute)的統計，截至2011年10月4日，全世界共有74個大型項目，其中有8個大型項目正在運行中，6 個項目在建(表 1)［4-8］。

表1 正在運行與在建的大型綜合碳封存項目［4］Table 1 Large-scale integrated projects in the operate and execute stages

具有較大規模和影響力的CO2地質封存項目包括:Sleipner項目，CO2被注入北海海底以下900 m深處的咸水飽和砂層中，迄今尚未檢測到任何泄露，證明將 CO2儲存在咸水層中是可行的［9-10］;Weyburn項目，利用注入CO2提高石油采收率(EOR項目)，迄今為止已有70萬t CO2被灌入油田，證明了油田的天然地質結構非常適合長期封存加拿大邊界大壩(Boundary Dam)項目，是世界上第二個在發電行業進行的大規模碳捕集工程;伊利諾伊工業碳捕集與封存(ICCS)項目，是美國第一個在深部咸水層封存CO2的項目。

1.2 我國CO2地質封存研究現狀

中澳CO2地質封存項目研究2009年報告［12］指出，目前在中國的一些先行試驗盆地開展了關于CO2地質封存的研究，這些地點包括松遼盆地、沁水盆地、渤海灣盆地、遼河油田等。研究內容主要包括三個方面:1)封存潛力的評估;2)封存的安全性評估;3)封存帶來的影響(包括對周圍環境及健康等)評估。

國內一些科研機構和高校(如浙江大學、北京大學、清華大學等)開展CCS研究已有10年以上的歷史［13］。我國目前開展的主要是CO2-EOR項目，大陸上大型含油氣盆地開發和地質認識程度高，資料豐富，且大都進行過驅油試驗，可作為CO2地質封存的潛在場所。此外，山西的沁水盆地開展了注入CO2提高煤層甲烷采收率(enhanced coal bed methane recovery，ECBM)項目［14］。

目前國內主要研究性項目有:1)國家基礎性研究發展計劃(973計劃)項目，提高石油采收率的地質封存(2006—2011年)。該項目開展關于碳的地質封存和EOR地質、物理及化學問題的基礎研究，研究EOR非線性流機制問題以及碳捕獲與抗腐蝕問題［15］。2)國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目，碳捕獲與碳封存(2008—2010年)。該項目主要開展捕獲CO2先進技術以及深部咸水層碳封存的研究［16］。

目前國內主要示范項目有:1)華能集團的綠色發電(GreenGen)合資項目;2)由西安熱工研究院(TPRI)與澳大利亞聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)合作開展的燃燒后捕獲(PCC)示范項目［17］;3)中國石油化工有限公司(中國石化)CO2-EOR項目，該項目目前以0.04 Mt/a的速度向勝利油田注入CO2，并計劃將注入速度提升到1 Mt/a;4)中國石油天然氣股份有限公司(中國石油)吉林油田項目，從2009年起，中國石油以0.12 Mt/a的速度向吉林油田注入CO2;5)神華集團在內蒙古鄂爾多斯市開展的CO2注入項目，該項目中CO2以0.1 Mt/a的速度注入咸水構造中［4］。

2 CO2地質封存主要介質及其特征

劉佳等［18］認為，CO2的埋存機理有結構儲存、殘留物儲存、溶解儲存和礦物儲存。郭晨等［19］指出，CO2埋存的地質體可以看作一種圈閉裝置，地層圈閉、構造圈閉屬于物理機制，溶解圈閉、礦物圈閉屬于化學機制，化學機制優于物理機制，但過程緩慢。總體來說，CO2的封存機制分為物理機制和化學機制，物理機制主要依靠地質構造通過物理方法封存CO2，化學機制主要通過溶解、礦化、吸附等方法封存CO2。在CO2封存過程中，兩種機制常共存，但在時間和空間尺度上有主次之分。

適合CO2封存的場所主要有:深部不可采煤層、深部咸水層、枯竭的油氣藏、深海等(圖1)［20］。深海埋存在理論上潛力巨大，但目前仍處于理論研究和模擬階段，在技術可行性和對海洋生物的影響上還需要更進一步的研究。筆者主要探討CO2地質封存介質——深部不可采煤層、深部咸水層和枯竭油氣藏的特點及封存技術。

圖1 CO2埋存場所示意Fig.1 Figure of CO2 storage sites

2.1 深部不可采煤層

煤系地層中存在著大量因技術原因或經濟原因廢棄的煤層，這些不可采煤層是可用于CO2地質封存的潛在地質構造。由于煤層的表面有大量孔隙，CO2注入煤層后以分子狀態被吸附在煤層表面，從而達到封存目的。研究表明，煤層對CO2的吸附能力是CH4的2倍，CO2注入煤層后可以有效地替代CH4，從而提高煤層氣的產量，工業上稱為注入CO2提高煤層甲烷采收率(CO2-ECBM)技術。使用該技術不僅達到了儲存CO2的目的，同時也增加了經濟效益［21］。

2.2 深部咸水層

深部咸水層的水一般不能作為飲用水，且分布廣泛，封存潛力巨大，因此咸水層是良好的埋存CO2的地質體。注入咸水層的CO2溶解于咸水中，并且與周圍巖石礦物發生化學反應，達到永久封存的目的。該封存方法還要求咸水層有低滲透率的蓋層，以確保CO2能在咸水層中長期封存［22］。

2.3 枯竭油氣藏

枯竭的油氣藏具有良好的圈閉構造，地質條件上十分適合CO2封存。同時，由于油氣勘探、開采過程中積累了豐富的地質資料，為CO2油氣藏封存研究及應用奠定了良好基礎，油氣藏是未來碳封存的一個重要場所。CO2注入油氣藏可以迫使殘余油氣溢出，提加石油采收率，工業上稱為注入CO2提高石油采收率(CO2-EOR)技術。這是一種成熟的技術，可以帶來巨大的經濟效益，且在石油行業廣泛使用。

2.4 CO2地質埋存方式比較

深部不可采煤層具有很大的存儲潛力，注入CO2后可以替換出甲烷，提高經濟效益。但整個過程復雜，CO2注入能力低，經驗較缺乏。深部咸水層封存CO2操作過程簡單，存儲量大，但是沒有額外的經濟回報，難于推廣，長期存儲CO2的安全性還沒有被大量的項目明確證實，經驗還不夠豐富。枯竭的油氣田存儲CO2技術成熟，實際應用中長期封存的安全性也已證明，并且具有額外的經濟回報，但枯竭油氣田CO2封存操作過程較復雜，技術要求較高。

3 我國CO2地質封存潛力簡析

我國沉積盆地廣闊，沉積厚度大，油氣勘探盆地有500多個，沉積巖面積約670萬km2，深部咸水層、油氣田等都可作為CO2封存的地質構造，地質條件優越。

在咸水層中，CO2的儲量是指能夠溶解于咸水層中的最大CO2量，即咸水層中CO2達到飽和時的溶解量［23］。利用該定義，李小春等［24］計算了我國深部咸水層的CO2封存量。在收集地質、水文地質和石油勘探等資料的基礎上，將中國大陸地區24個主要沉積盆地劃為70個封存分區，利用溶解度法，計算了各封存分區地下1～3 km深度內咸水層的CO2封存量，并進行了中國深部咸水層CO2封存優先區域選擇研究。初步評價結果表明，中國咸水層CO2封存量達144 Gt。

劉延鋒等［25］在以往全國煤炭資源評價結果的基礎上，將全國分為68個評價區，對全國埋深300～1500 m內的煤層氣資源量進行重新評估，評估結果為27610 Gm3。利用CO2-ECBM儲存的CO2量與開采煤層氣后煤所能儲存的CO2量之和即為CO2煤層可存儲量。結果表明，利用CO2-ECBM技術可使我國總的煤層氣可采量達1632 Gm3，可儲存CO2約12 Gt。

天然氣田具有良好的封閉性，儲存CO2后泄漏風險小，且分布廣泛，具有很大的封存潛力。劉延峰等［26］根據中國各含油氣盆地天然氣勘探資料和天然氣資源評估結果，開展了中國天然氣田CO2封存量評估工作。結果表明，中國主要的天然氣田可以封存CO2約34.5 Gt。隨后指出，我國天然氣工業起步晚，產量低，較長時間內不會出現氣田枯竭，且枯竭氣田可能優先用于戰略能源儲備。所以，中國CO2地質封存場所應優先考慮深部咸水層和深部不可采煤層。此外，油田也是CO2地質封存的良好場所，封存量的評估工作國內已經開展，但目前鮮有相關研究成果公開發表。

4 結論

近幾年，大型CO2地質封存示范項目繼續集中在北美、歐洲和澳大利亞等地區進行，并有少量的項目計劃在一些發展中國家展開。鑒于此，發展中國家應借鑒發達國家示范項目的經驗和教訓，發達國家則應通過能力建設活動和合理的項目支持來幫助發展中國家實現在建CCS項目的順利開展。

在封存能力方面，我國深部咸水層、不可采煤層和天然氣田三種地質介質的CO2地質封存能力總和估算為190.5 Gt，參照澳大利亞碳封存組在《國家碳排放及封存編圖和基礎設施計劃》報告中采用的CO2注入速率標準(100 Mt/a)計算，三種地質介質的CO2封存能力可供我國存儲CO2約1900年。以上數據只是在現有研究結果和技術水平條件下粗略估算的，封存能力總和不包含油田及利用其他介質和手段的CO2封存量，隨著新的封存盆地不斷發現及CO2地質封存技術的提高和項目的進展，CO2地質封存在我國溫室氣體減排和經濟發展方面將發揮更大的作用。

據IPCC最新一次統計，中國CO2年排放量已達5.06 Gt。我國在國際社會中面臨的溫室氣體減排壓力越來越大，開展CO2地質封存對我國溫室氣體排放減排意義重大。我國雖然在CO2地質封存技術研究和項目實施方面取得了一定的進展，但CO2地質封存技術與實際應用仍與發達國家有一定差距，因此我國應積極開展CO2地質封存相關技術和應用的研究，加強國際合作，完善相應的法律法規，加強自主創新，為溫室氣體排放問題的解決開辟新的空間。

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