二氧化碳地質封存機理及泄漏監測

范卜凡 紀佑軍 王力龍

（西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500）

0 引言

自21世紀以來，隨著工業水平的發展，人類生產生活所產生的有害氣體不斷增加，這其中就包含了加劇全球“溫室效應”的CO2氣體。為了減少“溫室效應”給自然生態系統和人類社會帶來的影響，降低CO2的排放迫在眉睫[1]。CO2地質封存是目前公認的減少CO2排量最有效的措施，受到了各國政府與學者的高度重視[2]。據國際能源總署（IEA）統計，到2050年CO2地質封存將為全球CO2的減排計劃做出19%的巨大貢獻[3]。但是，CO2地質封存在降低CO2排量的同時也容易引發CO2泄漏、地層變形、誘發地震等地質災害。因此，本文首先對世界CO2 地質封存的概況進行了調查，總結分析了目前該類項目的主要特點；其次，針對氣體封存過程的泄漏模式與機理進行了總結，并對對未來進行CO2地質封存項目的泄漏風險評價提供指導方向。

1 CO2 地質封存概況

“CO2捕獲與封存”基本原理是將化石燃料產生的CO2在進入大氣之前將其捕獲，通過管道運輸將超臨界狀態CO2運移到合適的埋藏點進行封存。在CO2地質封存中，歐美國家起步較早，并開展了一系列封存項目，在所有封存項目中，封存規模最大的是Weyburn項目和In Salah項目。Weyburn是目前世界上CO2地質封存項目中年注入量最大的項目，每年將封存接近300萬噸CO2, In Salah項目的年封存量也超過100萬噸。我國CO2地質封存潛力巨大，可以容納的CO2地質封存總量達到15000億噸。

通過對國內外已經實施的CO2封存項目進行對比發現，現階段的CO2封存項目主要具備以下特點：

①從封存規模上來看，依據二氧化碳年注入量可劃分為工業級二氧化碳封存和實驗室小規模二氧化碳封存。

②從封存目的來看，提高油氣的采收率占據主要地位。

③從地區上來看，超60%的項目都集中在歐洲和北美。

④從封存位置來看，大部分都在瀕臨枯竭的油氣藏進行。

2 封存機理

2.1 適合封存的場所

二氧化碳地質封存的儲層主要有3 個：枯竭油氣藏、深部咸水層和深部煤層。

①枯竭油氣藏：CO2地質封存作為一項長期性工程，需要花費大量的人力和物力，為了保證一次性封存盡可能多的CO2，CO2的封存空間應當足夠大，而枯竭油氣藏恰好能夠提供這樣的空間。

②深部咸水層：咸水層不具備商業開采價值同時豐富的金屬陽離子可以讓大量的CO2以碳酸鹽沉淀的形式永久封存。

③深部煤層：煤對CO2的吸附作用大約是對CH4的2倍，當CO2注入深部煤層時，CH4將從煤層的孔隙中被置換出來，CO2將被吸附在煤層的孔隙中。

2.2 封存機理

CO2地質封存有化學封存和物理封存兩種封存機理。溶解封存、礦化封存、構造封存和殘余封存四種封存方式。化學封存包括溶解封存和礦化封存，封存動力來源于CO2溶于地下水與金屬陽離子的化學反應。化學封存能夠讓CO2以固體沉淀的形式永遠封存在儲層中，因此是最安全的封存方式，但這種封存方式持續時間長，通常需要上百年時間才能將CO2完全沉淀下來。物理封存包括構造封存和殘余封存，封存的動力來源于孔隙水壓、浮力驅動、蓋層和背斜圈閉。物理封存能在短時間內將CO2封存在儲層中，但這種封存方式穩定性較差，CO2容易沿裂、隙裂縫發生逃逸。四種封存方式的具體封存過程為

①溶解封存：隨著CO2在孔隙中的擴散，CO2濃度將逐步下降，導致部分CO2不再發生運移，而是以溶解態的形式溶解在地下水中，溶解CO2的地下水將會生成碳酸。

②礦化封存：生成的碳酸將會與地下水中的Fe離子、Mg離子、等金屬元素發生化學反應生成碳酸鹽沉淀，這種化學反應將CO2以固體沉淀的形式永久封存在儲層中。

③構造封存：在運移過程順利的情況下，未溶解于地下水的CO2在自身浮力的作用下向上運移到達上覆蓋層，在上覆致密蓋層的垂直阻擋下被封存下來。

④殘余封存：未溶解在地下水中的CO2在運移的過程中可能遇到孔隙很小的地方，受到毛細管力的作用，這部分CO2將會被吸附在孔隙中。

3 泄露及監測

3.1 二氧化碳泄漏機理

引發CO2泄漏的直接原因是構造作用和井壁損壞。

構造作用：構造作用形成的泄漏通道表現在以下幾個方面。①裂隙的存在降低了蓋層的連續性，使儲層的封閉性下降。② CO2的連續注入導致地層壓力不斷增加，突破了蓋層薄弱部分的承載力，從而誘發了潛在的裂縫。③諸如地震等地質構造活動可能會引起斷層活化，導致封存的CO2大規模外泄。

井壁損壞：注入井壁附近的地層壓力會隨著CO2的注入而增大，由此導致井壁的機械疲勞損壞。

3.2 二氧化碳監測

泄漏的CO2會嚴重破壞周邊區域的生態環境。為了防止CO2泄漏事故的發生，應當建立起有效的監測機制。CO2封存項目中的監測主要考慮以下3 個方面：

① CO2的運移流向；

②注入區域CO2含量的變化；

③注入區域農作物的長勢；

監測通常分為3 個階段：①封存前期監測，采集相關環境參數作為原始值。②注入期監測。③封存后期監測。通過采集注入期和封存后期的環境參數并與原始值進行對比，判斷CO2是否被有效的封存在儲層中。

近年來，無人機科技迅速發展，開始被各個行業使用，無人機遙感技術被普遍認為是新一代遙感技術。與傳統監測技術相比，擁有無人機遙感技術的監測平臺具備有便攜、監測面積大、智能程度高等優點。在機上對收集到的信息進行實時處理還可以使監測數據的準確性進一步得到提升。

4 結論

CO2地質封存被提出以后，開展了大量的CO2地質封存項目并取的很好的效果。在枯竭油藏中的CO2 封存項目不但有效的封存了CO2還提升了油田后期的采收率。CO2的泄漏會給生態環境帶來惡劣影響，雖然目前發生的泄漏事故比較少，但CO2封存是一個長達百年的過程，需要在不斷深入研究泄漏機理的基礎上開展長期的監測工作。