二氧化碳地質儲存潛力評價綜述

楊文慧，師慶三

（新疆大學地質與礦業工程學院，新疆烏魯木齊830000）

二氧化碳地質儲存潛力評價綜述

楊文慧*，師慶三

（新疆大學地質與礦業工程學院，新疆烏魯木齊830000）

借鑒國外CO2地質儲存潛力與適宜性評價工作程序，在充分考慮復雜的地質背景、CO2地質儲存研究現狀等因素的基礎上，討論了地質封存，深部咸水層、枯竭油（氣）田、玄武巖含水層、深部煤層封存技術選型、儲存容量和試驗與模擬技術等研究現狀，以及我國二氧化碳地質儲存面臨的問題進行了討論。

二氧化碳；地質儲存；潛力評價

1　概述

人類的工業化快速發展是導致大氣中CO2濃度增加的主要原因。國際能源署估計，到2030年，化石燃料將占能源發電的30%，這使得CCUS技術成為全球能源低碳化的一個重要工具。國際能源署、歐盟和聯合國政府間氣候變化專門委員會指出，到2050年為遏制全球氣溫上升，碳減排目標的1/5都要靠CCUS技術來實現［1］。如果人類不采取減排措施，全球的平均氣溫升幅很可能將超過2℃，這將會導致全球氣候發生災難性和不可逆轉的破壞。因此，采取減緩氣候變化的措施勢在必行，其核心是減少二氧化碳的排放［2］。

2　地質儲存條件

二氧化碳地質儲存（Carbon Dioxide Geological Storage，CGS），是將從集中排放源中（發電廠、鋼鐵廠等）分離得到的二氧化碳，注入到地下深處具有適當封閉條件的地層中隔離起來。該技術的目的就是把二氧化碳歸還原位——地下深部，具有儲存容量大、埋存時間長、可利用成熟技術等特點，是二氧化碳捕集與封存技術中最關鍵的環節。

要實現CO2地下永久埋存需要滿足一定的地質條件：埋存空間的大小和有效性，埋存體及周邊地層和構造的穩定性、蓋層或隔水層的封閉性以及合理的水文和流體運移系統。以達到一定量的儲存效果和防止次生災害，因此該技術對地質儲存體有嚴格的條件要求［3］。此外，還需要盡可能少的潛在的滲漏風險以及比較完善的基礎設施建設等。

二氧化碳在地下埋存有3種基本形式：（1）分子狀態，二氧化碳被注入儲層后，在浮力作用下，上升至蓋層之下，并逐漸擴散形成二氧化碳儲層；（2）溶解狀態，隨時間的推移，二氧化碳逐漸溶解于地層水中，溶解的速度由二氧化碳與地層水接觸的表面積控制。國外模擬研究表明，在25年時間里，將有大約10%～25%的二氧化碳溶解于水中，而完全溶解則需要幾千年的時間［2］。溶解后的二氧化碳以溶解態的方式通過分子擴散、分散和對流進行運移，極低的地層水運移速率確保了二氧化碳在地層中的長期（地質時間尺度）封存；（3）化合物狀態，注入的二氧化碳在地層溫度、壓力下，與地層礦物發生反應生成化合物，從而得到封存。模擬研究表明，大部分的二氧化碳是以分子狀態（自由氣）儲存在巖石孔隙中，有可能封存上萬年［2］。

3　全國CO2地質儲存潛力與適宜性評價研究階段劃分

全國CO2地質儲存地質工作是一個分階段、循序漸進式的專業技術工作，在充分考慮我國復雜的地質背景、CO2地質儲存研究現狀等因素的基礎上，將全國CO2地質儲存潛力與適宜性評價工作劃分為5個階段：第一階段為區域級預測潛力評價階段，第二階段為盆地級推定潛力評價階段，第三階段為目標區級控制潛力評價階段，第四階段為場地級基礎儲存量評價階段，第五階段為灌注級工程儲存量評價階段。按評價精度由低到高，依次分稱CO2地質儲存潛力與適宜性評價E、D、C、B、A級（表1）。

4　地質封存技術

表1　中國CO2地質儲存潛力與適宜性評價地質工作階段劃分及各階段工作的目的與任務

地質封存技術是直接把CO2注入地下適當地質構造并使其永久封存的技術。目前，適于注入CO2的地質構造包括深部咸水層構造、枯竭油氣田、玄武巖含水層、深部煤層。其封存機理為儲層的物理和地球化學俘獲機理［4］，具體包括物理隔離作用、水力學機理、化學捕獲機制等3個方面［5］。

深部咸水層構造為富含高濃度鹽水的沉積巖，由于其地下水礦化度較大，不適合作為飲用水，卻是封存CO2的有利場所。二氧化碳在水中有一定的溶解度，而且可以與鹽水、圍巖發生反應，增加埋存量。為了減少在鹽水體中埋存二氧化碳的不確定性，還需要做很多的工作，包括礦場實驗、動態模擬以及監測。美國有不少相關研究項目正在進行中，主要包括以下內容：試驗場所地質評估、基于地震及鉆井的儲層和蓋層評價、注入和監測系統的設計、風險評價、經濟性評價。一般來說，CO2在深部咸水層構造的封存深度至少應在800m以下，以確保CO2處于超臨界狀態（其密度大約為500～800kg/m3），這種狀態既有效利用了地下封存空間，又改善了封存的安全性［6］。

油氣藏本身具有良好的封閉性，可以長時間封閉油氣，因此注入二氧化碳后，泄露的風險最小。油氣藏已具備生產井和注入井，投資也較小。利用注入氣體提高油氣采收率已有很長時間。注入二氧化碳提高油氣藏采收率的機理已基本清楚：降低原油粘度、改善油水流度比、使原油膨脹、萃取和汽化原油中的輕質烴、混相效應、分子擴散作用、降低界面張力、提高滲透率、溶解氣驅等［7］。美國擁有充足的二氧化碳氣藏，開展了大量的注入二氧化碳提高采收率的項目，并取得了很好的經濟效益。由美國國家實驗室、教育機構、石油公司聯合實施的GEO-SEQ項目就是其中之一［7］，其研究內容有4個：費用優化、動態監測技術、特性評估模型、容量評價，其目標是得到既高效埋存二氧化碳又提高油氣藏采收率的方法。

玄武巖是地球上最活躍的巖石類型之一，富含Ca、Fe、Mg等二價金屬離子，易與CO2的反應生成穩定的碳酸鹽礦物。當把CO2注入玄武巖含水層時，CO2溶解在地下水中，地下水pH值下降，大量的化學耦合反應隨之發生，玄武巖開始溶解。而玄武巖的溶解過程不僅使地下水的酸性得到中和，同時生成穩定的碳酸鹽礦物沉淀，從而實現永久封存CO2。玄武巖的封存機理使得CO2封存工程潛在的健康、安全以及環境風險降到最低。目前，只有冰島和美國有小型示范項目［6］。

煤層表面可以吸附注入的二氧化碳，不僅保存了二氧化碳而且可以置換出煤層中的甲烷，由此帶來的經濟效益也是巨大的。由于煤層具有較大的內表面積，與等效體積的天然氣藏相比，煤層可以儲存幾倍的二氧化碳［2］。目前，在全球范圍內，注入二氧化碳強化開采煤層甲烷的實驗項目僅有幾例，實驗結果表明該項目具有巨大的潛力。研究人員正試圖建立數學模型來描述煤層的吸附現象，然后綜合利用數學模型和實驗進行煤層動態模擬，評價注入二氧化碳或煙道氣強化甲烷生產的潛力，下一步將引入計算機模擬來評估其經濟及技術可行性［2］。

5　地質埋存潛力評價

國外已經開展了有關二氧化碳在地質儲層中埋存潛力的研究［2］，但研究方法和準確程度有很大差異。有的只是粗略地估計全球范圍內大致的埋存量，有的試圖詳細計算盆地或勘探級別目標區的儲存容量。開展此項研究的主要目的之一是為了得到埋存量的一個大致的范圍，并以此為依據進行政策性的指導。

綜合分析中國主要沉積盆地的相關地質、地層巖性及其物理性質、地溫梯度、沉積厚度等資料，采用碳埋存領導人論壇（Carbon Sequestration Leadership Forum，CSLF-T-2007-04）推薦的CO2理論地質儲量的計算方法，分別計算主要沉積盆地不同儲存介質中的CO2地質儲存容量。深部咸水含水層CO2地質儲量占總儲量的98.1%；油田CO2地質儲量占總儲量的0.4%；天然氣田CO2地質儲量占總儲量的1.2%；煤層氣田CO2地質儲量占總儲量的0.3%。我國沉積盆地深部咸水含水層為最主要的CO2地質儲量場所［7］。盡管深部咸水含水層的理論地質儲存容量巨大，但是煤層氣盆地、油氣田由于具有良好的封閉條件、豐富的油氣和煤炭資源、先期開發程度高和較好的基礎設施，而且在儲存CO2的同時可以增加油氣資源的開采量，從而降低CO2地質儲存的成本。因此，需要對不同介質的CO2儲存適宜性進行評價。

從表2可以看到，最具有埋存潛力的場所是深部咸水層，可以提供多至5倍于二氧化碳排放量的容積，但不確定性也最大?？萁叩挠蜌獠乜梢蕴峁?5%的容量，煤層的容量最小。表2中的研究數據出自20世紀90年代初期，要得到更準確的數據仍需進一步的研究。

表2　全球不同埋存場所的容量估計［2］

6　結論

（1）適于注入CO2的地質構造包括深部咸水層構造、枯竭油氣田、玄武巖含水層、深部煤層等各有優缺點，實施CO2地下地質埋存的減排處理，是減緩溫室效應最現實的選擇。

（2）要實現CO2地下永久埋存需要滿足一定的地質條件，以達到一定量的儲存效果和防止次生災害。二氧化碳在地下埋存的基本形式包括分子狀態、溶解狀態、化合物狀態，研究表明大部分的二氧化碳是以分子狀態（自由氣）儲存在巖石孔隙中，有可能封存上萬年。

（3）借鑒國外CO2地質儲存潛力與適宜性評價工作程序，綜合分析中國主要沉積盆地的相關地質、地層巖性及其物理性質、地溫梯度、沉積厚度等，對于不同的存儲介質，如煤、石油、天然氣或咸水，由于其本身物理化學性質存在較大的差異，因此在存儲CO2時，要根據CO2與存儲介質的差異性分類考慮、重點研究。

根據以上資料分別計算主要沉積盆地不同儲存介質中的CO2地質儲存容量。最具有埋存潛力的場所是深部咸水層，盡管深部咸水含水層的理論地質儲存容量巨大，但是煤層氣盆地、油氣田由于具有良好的封閉條件、豐富的油氣和煤炭資源、先期開發程度高和較好的基礎設施，而且在儲存CO2的同時可以增加油氣資源的開采量，從而降低CO2地質儲存的成本。

［1］ GUNTIS M.Special Report Chanced Oil Recovery［J］.Oil&Gas Journal，2002，4（15）：63-671.

［2］谷麗冰，李治平，侯秀林.二氧化碳地質埋存研究進展［J］.地質科技情報，2008.

［3］IPCC.Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）Special Report—Carbon Dioxide Capture and Storage［R］.2005.

［4］張鴻翔，李小春，魏寧.二氧化碳捕獲與封存的主要技術環節與問題分析［J］.地球科學進展，2010.

［5］王建秀，吳遠斌，于海鵬.二氧化碳封存技術研究進展［J］.地下空間與工程學報，2013.

［6］劉一江.聚合物和二氧化碳驅油技術［M］.北京：中國石化出版社，2001.

［7］范基姣，賈小豐，張森琦，郭建強，金曉琳，刁玉杰，李旭峰，張徽.CO2地質儲存潛力與適宜性評價方法及初步評價［J］.水文地質工程地質，2011.

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1004-5716（2016）06-0174-04

2015-06-18

2015-06-19

楊文慧（1984-），女（漢族），山東菏澤人，新疆大學地質與礦業工程學院在讀碩士研究生，研究方向：造山帶、火山巖與成礦。