探索海上CO2封存新路徑

在做好現(xiàn)有CCUS技術(shù)路線的基礎(chǔ)上，海上CO2固化封存是一個值得積極探索的方向。

“我們對中國成為全球首個具備商業(yè)化海洋CO2水合物固化封存能力的國家充滿信心。”

周守為，中國工程院院士，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會第九屆全國委員會副主席，中國海油原黨組成員、副總經(jīng)理，中國工程院能源與礦業(yè)工程學(xué)部主任。長期從事海洋油氣開發(fā)技術(shù)裝備的研究工作。曾獲國家科技進步特等獎1項、一等獎1項、二等獎5項。

專 家 簡 介

聚焦落實“雙碳”目標任務(wù)，從頂層設(shè)計到具體落實，我國推進“雙碳”工作蹄疾步穩(wěn)，取得積極進展。其中，CCUS（CO2捕集、封存和利用）作為全球應(yīng)對氣候變化和實現(xiàn)“雙碳”目標的關(guān)鍵技術(shù)，正日益成為我國企業(yè)爭相布局的重要領(lǐng)域，已投運和規(guī)劃建設(shè)中的CO2捕集利用與封存項目已接近百個。

中國工程院院士、中國海油杰出高級專家周守為指出，適合CO2封存的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，既存在于陸地，也存在于海底。在做好現(xiàn)有CCUS技術(shù)路徑的基礎(chǔ)上，海上CO2固化封存是一個值得積極探索的新方向。

遠遠沒有達到兜底效果

中國石油石化：周院士，您好！根據(jù)您的觀察，當(dāng)前CCUS為什么如此受重視？

周守為：2023年，全球化石燃料CO2排放量達368億噸，溫室氣體總排放量達409億噸，CO2濃度已達到歷史上的最高值。2023年，我國CO2排放量達126億噸，溫室氣體總排放量達144.65億噸，高居全球第一。

溫室氣體引發(fā)的氣候問題愈發(fā)嚴峻，碳達峰、碳中和已成為人類應(yīng)對氣候變化的政治共識。基于推動構(gòu)建人類命運共同體的責(zé)任擔(dān)當(dāng)和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求，我國提出了“雙碳”目標。這也是順應(yīng)綠色發(fā)展時代潮流、推動經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。

CCUS已經(jīng)成為應(yīng)對氣候變化的重要技術(shù)手段，而且被認為是未來實現(xiàn)碳中和的兜底保障。IEA《能源技術(shù)展望報告》指出，要達到巴黎氣候協(xié)定提出的將全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高幅度控制在2℃以內(nèi)，并努力將升溫幅度控制在1.5℃以內(nèi)的目標，到2060年，14%的CO2減排量將來自CCUS。因此，各國政府及能源公司爭相布局CCUS。

中國石油石化：目前CCUS對CO2減排貢獻如何？

周守為：國內(nèi)外常規(guī)CCUS項目，CO2封存有兩種主流模式。一是利用CO2驅(qū)油，提高油氣采收率，同時部分CO2在油氣田的地質(zhì)空間進行封存；二是利用地下咸水層進行CO2封存。從CO2封存模式上看，目前CO2驅(qū)油模式占比超過70%；但從未來趨勢來看，咸水層封存模式占比將提高。從規(guī)模上看，CS/CCS （CO2封存/CO2捕集、封存）樞紐建設(shè)加速，CCUS項目單體規(guī)模普遍大于300萬～500萬噸/年，千萬噸CCUS產(chǎn)業(yè)集群項目成為熱點。

過去3年，全球超過45個國家共宣布了400多個新的CCUS項目。但是，從目前整體應(yīng)用情況看，現(xiàn)有的CCUS項目還遠遠沒有達到兜底的效果。從捕集能力上看，截至2023年，全球運營或建設(shè)中的CCUS項目有140余個，CO2捕集能力4900萬噸/年，僅占2023年全球368億噸全球化石燃料CO2排放量的1.33‰，與2060年達到14%的CO2減排量差距巨大。

中國煤電、石油石化行業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)都開展了CCUS技術(shù)攻關(guān)研究工程示范，中國華能、中國石油、中國石化、中國海油、中國神華等都已著手開展CCUS項目研究和產(chǎn)業(yè)化。其中，中國石化已建成國內(nèi)首個百萬噸級CCUS全流程項目。但是，我國整體CCUS規(guī)模仍然較小。2023年，我國CO2捕集規(guī)模600萬噸/年，僅占我國2023年126億噸CO2排放量的0.476‰，較全球水平差距很大，較2060年的目標水平差距更大。

總體來看，要使CCUS真正成為實現(xiàn)碳中和的兜底技術(shù)，我們還有很多工作要去做。

我國已具備咸水層封存實力

中國石油石化：近年來，海上CCUS項目備受關(guān)注。目前整體發(fā)展情況如何？

周守為：適合CO2封存的地質(zhì)結(jié)構(gòu)既存在于陸地，也存在于海底。相較于陸地封存，CO2海底地質(zhì)封存具有封存潛力大、不占用陸地資源、對人類健康和安全影響較小等優(yōu)勢。但是，目前海上CCUS項目較陸上CCUS項目少得多。

挪威北極光項目（Northern Light）是全球第一個允許跨境運輸CO2并實施海底地質(zhì)封存的項目。2021年3月，挪威政府正式批準由挪威國家石油公司、荷蘭皇家殼牌集團和道達爾公司開發(fā)北極光CCS項目。該項目是挪威開展的第三個CO2離岸封存CCS項目，投資15億美元。項目捕集的CO2經(jīng)壓縮后跨境運送至位于北海的封存場地，注入并封存在北海海床下的咸水層。預(yù)計從2024年底起，北極光項目每年能夠處理和封存150萬噸CO2，后期CO2的年封存量將達到500萬噸。

從地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點、沿海產(chǎn)業(yè)布局等方面看，我國具有顯著的開展海上CCUS項目的優(yōu)勢，珠江口盆地、東海陸架盆地、渤海盆地等都具有良好的CO2封存適宜性。但是，目前國內(nèi)處于運行階段的8個CCS項目中，只有恩平項目為海上咸水層封存項目。恩平項目由中國海油實施，在南海珠江口盆地恩平15-1油田群開展CO2封存。作為恩平15-1油田群開發(fā)的環(huán)保配套項目，該項目是我國第一個海上CO2封存項目，也是我國第一個咸水層CO2封存項目，咸水層埋深830～920米，于2023年6月正式投入使用，預(yù)計CO2封存量超過30萬噸/年，累計可封存CO2超過150萬噸。截至目前，已注入2000萬立方米CO2，穩(wěn)定運行超過了一年，證明我國已具備咸水層CO2封存實力。

中國石油石化：相較于陸上CCUS，海上CCUS有何特點？

周守為：與煤電、鋼鐵等行業(yè)相比，油氣行業(yè)具有發(fā)展CCUS業(yè)務(wù)的天然優(yōu)勢。一方面，具備承擔(dān)投資的能力、開發(fā)大型設(shè)施的經(jīng)驗，另一方面具備鉆井、建井和油藏方面的技術(shù)積累等。在地質(zhì)工程上，海上封存CO2跟陸上是一樣的，但因為多了一層海水，以及受海上平臺空間的限制，海上CO2封存工藝設(shè)計和設(shè)備運行存在更多挑戰(zhàn)。由于海上CCUS項目成本更高、工藝更復(fù)雜，要實施就要求規(guī)模大，要打斜井或水平井，配備CO2長距離海運或者管輸?shù)取?/p>

探索海上CCUS新路徑

中國石油石化：在做好現(xiàn)有海上CCUS技術(shù)路徑的同時，還能不能找到新的路徑？

周守為：跟海洋打了半輩子交道，我有一個深刻的體會：深邃的海洋不僅僅為人類提供了豐富的寶藏，也給了人類智慧的啟迪。自然的力量是最大的力量，我們要順應(yīng)自然、師法自然、仿真自然、加速自然。比如，人類從島礁形成中獲得啟發(fā)，吹填出了人工島礁。

在現(xiàn)有的CCUS技術(shù)路徑形成的CO2封存模式下，CO2呈現(xiàn)氣體或液體。因為都是流體形式，易發(fā)生泄漏。探索海上CCUS新路徑，我們從海洋蘊藏的天然氣水合物中得到了啟發(fā)，正在開展積極研究，想辦法將天然氣水合物開發(fā)的難點轉(zhuǎn)化為CO2水合物海底封存的優(yōu)勢。

中國石油石化：具體來說，海洋天然氣水合物開發(fā)給海上CO2封存帶來了哪些啟示？

周守為：天然氣水合物，業(yè)內(nèi)并不陌生。它是甲烷等烴類氣體和水在高壓、低溫條件下形成的結(jié)晶狀籠型化合物，俗稱“可燃冰”。特點是低密度、高熱值。據(jù)理論計算，1立方米的天然氣水合物可釋放出164立方米的甲烷氣和0.8立方米的水。

近年來，全世界包括我國在內(nèi)對海洋天然氣水合物做了很多研究，還進行了試采，獲得了多項突破。但是，因為開采難度大，海洋天然氣水合物尚未進行商業(yè)性開發(fā)。這種難度，以逆向思維來看，正好是封存CO2的優(yōu)勢。

例如，通常情況下，海洋天然氣水合物的形成條件為水深大于600米、溫度為0～3℃；而海洋CO2水合物形成的條件相對寬泛——水深大于500米、溫度低于10℃。CO2水合物比天然氣水合物更容易形成，能形成天然氣水合物的地方一般可以形成CO2水合物。海洋天然氣水合物大多不具有密封性的圈閉構(gòu)造和致密蓋層，穩(wěn)定分布在海底淺表層或深海海底的淺層。低溫高壓的海洋環(huán)境，使天然氣水合物狀態(tài)穩(wěn)定，很難氣化，不易開發(fā)。現(xiàn)有的CO2封存模式一般要選擇合適的圈閉和構(gòu)造，因此封存規(guī)模受限，而CO2水合物固化封存不需圈閉、不需構(gòu)造。如果條件合適，原則上封存量無規(guī)模限制。為了防止泄漏，常規(guī)CO2封存模式必須對地質(zhì)圈閉進行密封性評價，而固化的CO2水合物長期穩(wěn)定，不易氣化，不易移動，更易封存，且無需進行嚴格的密封性評價。目前CO2封存地點為密閉地質(zhì)構(gòu)造或者咸水層，CO2水合物固化封存在海底或者深海淺層，埋存地點的選擇更加寬泛。深海淺層多為泥質(zhì)粉砂或不成巖的膠結(jié)疏松的泥、沙、水混合層，更易于CO2的注入和CO2水合物的形成、封存。

通過分析，我們提出了CO2海上封存的新路徑，即借鑒海洋天然氣水合物的自然形成原理，人為加快CO2水合物的生成速度，實現(xiàn)CO2水合物在深海海底或深海淺層的固化封存。

推進海洋CO2固化封存研究

中國石油石化：這種新路徑的可行性經(jīng)過驗證了嗎？

周守為：CO2水合物固化封存的原理，是讓CO2在海底一定溫壓條件下形成CO2水合物，以“碳礦”的形式永久封存。為驗證其可行性，我們開展了多方面的研究試驗。

例如，通過開展海洋環(huán)境CO2水合物基礎(chǔ)物理特性測試及認識研究，我們發(fā)現(xiàn)CO2水溶液的密度值隨壓力的升高而升高，并且呈線性變化。進行比較發(fā)現(xiàn)，CO2水溶液的密度隨CO2的濃度增大而增大；隨著溫度升高，溶液密度降低，且溶液之間的密度差逐漸減小。不考慮海床深度條件下，當(dāng)水深超過2768米時，CO2密度大于海水密度；考慮海床位置的影響，海床深度3000米時，CO2密度大于海水密度的區(qū)間為2768～3103米，適合進行封存。當(dāng)然，具體的封存層位還要進行全方位的評價和分析。

我們開展了海洋環(huán)境CO2水合物海底生成模擬實驗，模擬了人工“碳礦”形成、固化條件、形成時間、溶解與再生成，評價了海底“碳礦”的封存效果。通過試驗，我們發(fā)現(xiàn)海水中CO2水合物成型較好，可實現(xiàn)CO2水合物封存，能夠?qū)崿F(xiàn)“碳礦”封存“生得成”目標；海底壓力波動對CO2水合物穩(wěn)定性的影響不大，可以達到“碳礦”封存“穩(wěn)得住”目標。

試驗證明，海洋條件下能快速生成CO2水合物；在有誘導(dǎo)微粒的條件下，CO2水合物形成更快；添加適當(dāng)強化劑，有助于CO2水合物的固化。經(jīng)過初步驗證，海洋CO2固化封存的方向是正確的，但仍有大量難題需探索。例如，CO2水合物溶解與再生成規(guī)律。雖然CO2水合物穩(wěn)定難以氣化，但一旦氣化不好控制，存在泄漏及生態(tài)影響風(fēng)險，安全生產(chǎn)控制存在難點。

中國石油石化：根據(jù)目前的研究成果，未來海洋CO2固化封存的研究方向是什么？

周守為：海洋CO2固化封存的研究方向及目標，一是注得進，需要建立注入口CO2水合物堵塞解堵技術(shù)及多層系聯(lián)儲動態(tài)調(diào)控技術(shù)；二是生得成，需要揭示海洋環(huán)境CO2水合物快速生成機制，形成CO2水合物規(guī)模化生成技術(shù)；三是封得住，需要建立深海CO2多相態(tài)穩(wěn)定封存技術(shù)工藝及裝備；四是看得見，需要形成海洋CO2固化和地質(zhì)封存全時空一體化監(jiān)測技術(shù)及體系；五是生態(tài)美，CO2固化封存后，作為海洋生態(tài)的組成部分，長期穩(wěn)定，對環(huán)境友好。

展望未來，我們將著力建立3000米深水CO2水合物多相態(tài)、多層系固化封存技術(shù)體系，形成海洋CO2水合物封存產(chǎn)業(yè)鏈，最終目標是建立海上多能種一體化開發(fā)利用模式。我們對中國成為全球首個具備商業(yè)化海洋CO2水合物固化封存能力的國家充滿信心，將努力為全球CO2的低成本大規(guī)模封存探索出一條新的路徑。

責(zé)任編輯：石杏茹

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適合CO2封存的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，既存在于陸地，也存在于海底。海上CO2固化封存是一個值得積極探索的新方向。

廣闊而深邃的海洋，為CO2固化封存提供了更多的想象空間。 供圖/視覺中國