山西省二氧化碳捕集利用及封存(CCUS)技術應用選址初探

侯 麗 吳高峰 田晶晶 張彥欣 劉 靜 張 翔 姜加偉 程尚增 裴 鑄 牛亦航

(山西省煤炭地質資源環境調查院，山西 太原 030006)

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山西省二氧化碳捕集利用及封存(CCUS)技術應用選址初探

侯 麗 吳高峰 田晶晶 張彥欣 劉 靜 張 翔 姜加偉 程尚增 裴 鑄 牛亦航

(山西省煤炭地質資源環境調查院，山西 太原 030006)

二氧化碳捕集、利用及封存(CCUS)技術廣泛應用于溫室氣體CO2規模減排，目前國內外已開展大量CCUS技術示范項目，其現有地質封存選址標準存在不統一和量化度不高等問題，這對于大規模推廣CCUS項目產生不利影響。山西省擁有豐富的煤炭及煤層氣資源，是適宜開展CO2地質封存及驅替煤層氣(CO2-ECBM)技術的主要區域，本文主旨為山西省開展CO2地質封存選址及建立CO2地質封存標準及政策提供基礎依據。

二氧化碳捕集；利用及封存；二氧化碳地質封存；場地篩選

1 CCUS技術應用

1.1 CCUS技術應用背景

由于全球氣候變暖，對生態系統和人類健康造成了嚴重的影響。研究表明，CO2排放量約占溫室氣體總量的64%[1]，是導致溫室效應的最主要因素。減少CO2排放是控制溫室效應的一種有效手段，目前已得到國際社會的認可。

中國政府在2015年巴黎國際氣候大會上承諾：到2030年CO2排放達到峰值并爭取盡早達峰，單位國內生產總值CO2排放量比2005年下降60%～65%。因此，我國面臨的減排任務十分繁重。山西省是我國重要的煤炭能源大省，也是我國重要的煤化工基地，是典型的高碳經濟省份，碳排放總量和份額均居全國前列，CO2減排勢在必行。

二氧化碳捕集、封存及利用(CCUS)技術因具有大規模的減排CO2的潛力，已成為國際社會普遍接受的應對全球氣候變化、控制溫室氣體排放的最有效手段之一。

1.2 CCUS技術介紹

CCUS技術利用廢棄油氣田、深部咸水層、不可開采煤層等地下空間封存CO2，發達國家投入大量政策、資金支持CCUS技術的試驗、示范和應用研究。CO2地質封存技術是CCUS技術重要的組成部分，主要指將捕集到的高純度CO2注入到選定的、安全的地質結構體中，通過各種圈閉機制將CO2永久性地封存在地下。目前CO2地質封存與利用主要有以下幾個方面：將CO2封存于廢棄的或枯竭的油田和氣田、深部未被使用的咸水飽和巖層、深部不可采掘的煤層；利用CO2提高石油采收率(EOR)、提高煤層甲烷回收(ECBM)、增采頁巖氣(ESGR)、溶浸采鈾(EUL)、增強地熱系統(EGS)等多方面。

山西省擁有豐富的煤炭資源及煤層氣資源，由于煤炭及煤層氣資源利用技術相對落后，煤層氣采收率低，CO2等溫室氣體排放量巨大。CO2地質封存及驅替煤層氣(CO2-ECBM)技術，可以把CO2長期封存于深部煤層中，同時提高深部煤層氣開發井的采收率，獲得高效清潔的煤層氣資源。山西省深部煤層處置CO2的潛力巨大，是CO2-ECBM技術開發應用的主要地區[2-3]。

1.3 CO2-ECBM技術發展現狀

CO2-ECBM技術是一種新興的CO2減排技術，該技術同時實現了煤層氣產量的提高和CO2的埋藏。近年來，國內外CO2-ECBM產業發展迅速。

美國Coal-seq項目是世界上第一個也是迄今為止規模最大的CO2-ECBM現場試驗項目[4]。該項目研究結果發現，煤層氣產氣量增加了150%，采收率達95%。該項目共封存CO2277kt。加拿大由ARC領導的“煤層氣可持續發展計劃”始于1997年，目前已完成了4個微型先導性試驗。波蘭TNO領導的CO2-ECBM技術研究項目于2001年開展，實施了兩口井的實驗。歐盟(EU)自2001年開始Recopol項目[5]。歐洲第一個在煤層中封存CO2的先導性試驗示范項目，試驗地點位于波蘭，持續注CO2760t。目前，正在進行注入后的運移和封存監測研究。日本2004-2005年在北海道開展了CO2驅替煤層氣現場試驗研究[6]。

我國中聯煤層氣有限責任公司在山西沁水盆地南部成功實施了一口單井CO2-ECBM微型先導性試驗。該項目證明在煤層中注入CO2可以提高煤層氣的產量[7]。

2 山西省開展CO2-ECBM技術可選區域

2.1 區域選擇依據

依據Bachu[8]提出的單級指標評價的盆地級選址評價方法，對多個盆地或盆地的不同區域進行盆地特征、儲層特征以及社會經濟等因素的研究、排序和篩選。在盆地級別上進行評估，大尺度評估一個沉積盆地封存CO2潛能的優劣，確定沉積盆地的適宜性；而后在此基礎上對具體的封存場地進行更為詳盡的挑選。沉積盆地中埋藏單元深度>800m；儲蓋層結合完整，蓋層密閉性好；沉積盆地地層壓力<靜液壓；處于地震不活躍地帶，理想沉積盆地為克拉通盆地、前陸盆地；不存在明顯斷層結構；基礎設施完善；場地距CO2排放源在經濟距離內、地勢及氣候復雜度適宜、避開人口密集區等條件都是需要考慮的。

山西省CO2地質封存區的選定是一項涉及中長期發展戰略的重要工作。主要涉及以下幾個方面：一是我省CO2地質封存可用結構體的分布區域；二是我省中長期煤炭化工、鋼鐵電力、建材水泥這些CO2排放源的發展規劃和分布區域；三是中長期煤炭生產發展規劃和現階段煤炭地質勘查、煤層氣開發的《規范》和相關產業政策；四是具有較好的經濟效益、社會效益和環境效益。

我省煤層開采現狀：埋深在0～300米煤炭資源已被開采枯竭；300～600米煤炭當前正在開采，礦權設置已滿；最大深度已達埋深800米，在煤炭開采層段內，不可能實施CO2封存；埋深800～1200米是當前勘查地帶，煤炭資源做為開采后備資源，封存CO2的穩定期受到制約；埋深1200～2000米的煤炭資源是遠景資源，近100年內不會加以開發，是適合CO2封存的較理想地段。

目前中國煤礦井的開采深度在1200m以淺。若在1200m以淺的煤層埋存CO2，則煤炭無法繼續開采，造成巨大的資源浪費。Zuber[9]認為只有滲透率大于1×10-3μm2的地層才可以進行煤層氣開發，而與其對應的深度極限值為1500m，因此，首先將CO2的埋存深度定為1200～1500m。另外，由于開發技術的進步，埋藏深度在1500m以深的煤層氣資源可借助壓裂手段提高滲透率，進而開發煤層氣資源；但是煤層氣的勘探進展緩慢，2000m以深的資源探明率極低(全國平均為9‰)，不具有商業化開發的潛力。因此，認為1500～2000m的煤層氣資源是可開發利用的。借鑒文獻經驗[10、11]，認為埋深1500～2000m的煤層氣無法用常規方法開采，但可利用CO2-ECBM采收煤層氣和實現CO2的埋存，因此，CO2埋藏深度為1200～1500m和1500～2000m。

2.2 選區原則建立

結合上述幾方面的工作內容，確定山西省CO2地質封存區的選區原則五項，具體內容如下：

(1)山西省沉積煤盆地的煤層氣資源相對富集區；

(2)煤層埋深≥1200m以深的煤炭資源遠景區；

(3)煤層氣開發的規存區；

(4)距離工業經濟相對發達的CO2排放源相對較近，便于CO2的捕集、運輸和封存，同時也利于CO2在未來的資源化開發和利用；

(5)具有較好的安全環境，距離大中城市相對較遠和較為穩定的區域工程地質條件。

2.3 山西省開展CO2-ECBM技術應用區域

山西省分布有大同、寧武、河東、太原西山、霍西五大煤田；零星分布的渾源、五臺、繁峙、平陸、垣曲等若干煤產地。依據《山西省煤炭資源利用現狀調查》(2011.9)全山西省查明資源儲量2783.22億t，保有資源儲量2600.29億t，預測資源量786.43億t。

山西省煤層氣賦存具有以下“得天獨厚”優勢：煤層氣資源量豐富，在全國省區占優勢。山西省煤層氣資源分布集中于上述五大煤田，2000m以淺的煤層氣資源量為8.31×1012m3。煤層氣開發地質條件總體上優于其他省份，埋藏總體較淺，煤體結構完整，煤層可改造性較強，含氣量總體較高。

其中，沁水煤田、河東煤田是我省主要的煤炭資源賦存區，前者位于山西省東南部，是山西省最大的煤田，后者位于山西省西部。其查明保有煤炭資源儲量分別為878.19億t和539.63億t。另有預測埋深2000m以淺的潛在煤炭資源量分別為1954.43億t和1304.15億t。沁水煤田和河東煤田的煤層氣資源總量占全省總資源量的93.4%。沁水煤田資源量為5.7萬億m3；河東煤田資源量為4萬億m3。

按照山西省煤炭資源空間展布情況及地質構造格局，煤層氣資源分布與煤炭資源分布一致。其中，山西省沁水、河東煤田構造盆地中煤炭及煤層氣可長期穩定保存，且勘察程度高、礦產資源開發較好。這兩大煤田是構造相對穩定區域；儲層物性好、空間大；封蓋層物性穩定；含有封存所需地質圈閉；區域內鉆探資料和施工基礎設施相對完善。距離CO2排放源相對較近，距離人口密集區域相對較遠，有較為穩定的工程地質條件，具有較好的安全環境。這些區域具備CO2-ECBM技術開展基礎條件。

3 研究結論

本文以山西省自身的能源結構及利用現狀、產業結構情況為基礎，得出山西省適宜開展CO2-ECBM技術的區域有沁水煤田及河東煤田的深層煤賦存區，并應進一步開展相關研究工作。本次成果為山西省乃至中國現有的CO2地質封存示范項目選址工作提供基礎依據，為大規模推廣CCUS項目都產生積極影響。

[1]Bachu S，Adams J.Sequestration of CO2in geological media in response to climate change：Capacity of deep saline aquifers to sequester CO2in solution[J].Energy Conversion and Management，2003，44：3151-3175.

[2]吳建光，葉建平，唐書恒.注入CO2提高煤層氣產能的可行性研究[J].高校地質學報，2004，10 (3)：463-467.

[3]侯麗.山西省二氧化碳捕集、利用與封存(CCUS)研究進展[J].低碳世界，2015(92)：160.

[4]Scott Reeves，Reinaldo Gonzalez，Satya Harpalani.Results，status and future activities of the coal-seq consortium[J].Energy Procedia，2009，1(1)：1719-1726.

[5]Pagnier，H.，van Bergen，F.CO2Storage in Coal：the RECOPOL Projeet.Presented at the First International Forum on Geologic Sequestration of CO2in Deep，Unmineable Coal seams，“Coal-Seq l”，Houston，TX，March 14-15，2002.

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[10]于洪觀.煤對CH4、CO2、N2及其二元混合氣體吸附特性、預測和CO2驅替CH4的研究[D].青島：山東科技大學，2005.

[11]FANG Zhiming，LI Xiaochun.A preliminary eValuation of carbon dioxide storage capacity in unmineable coalbeds in China[J].ActaGeotechnica，2014，9(1)：109-114.

Site Selection of Carbon Capture，Utilization and Storage Technology Application in Shanxi

HOU Li WU Gaofeng TIAN Jingjing ZHANG Yanxin LIU Jing ZHANG Xiang JIANG Jiawei CHENG Shangzeng PEI Zhu NIU Yihang

(Shanxi Resources and Environment Survey of Coal Geology，Taiyuan Shanxi 03006)

Carbon dioxide capture，utilization and storage (CCUS) technology is widely used in greenhouse gas CO2emission reduction.At present，a large number of CCUS technology demonstration projects have been carried out at home and abroad，and the Problem is existing geological storage site selection standard is not unified and quantitative，which for the large-scale promotion CCUS project adversely affected.Shanxi Province，which is rich in coal and CBM resources，is the main area suitable for CO2geological storage and enhanced coalbed methane (CO2-ECBM) technology，the main purpose of this paper is to site selection for CO2geological sequestration，establish CO2geological storage standards and policies provide the basis for Shanxi and China.

carbon capture；utilization and storage；CO2geological storage；site screening

侯麗，碩士研究生，工程師，從事環境保護、碳封存、節能減排方向的研究

侯麗，碩士研究生，工程師，從事環境保護、碳封存、節能減排方向的研究

X21

A

1673-288X(2016)06-0083-03

項目資助：中國清潔發展機制基金(2014056)

引用文獻格式：侯 麗 等.山西省二氧化碳捕集利用及封存(CCUS)技術應用選址初探[J].環境與可持續發展，2016，41(6)：83-85.