ＣＯ２地质处置探析

郭　晨　孙娇鹏　赵　凯　蔡　图　戎虎仁

[摘要]CO2地质处置作为一种新兴的、有效的处置方法,将阐述其概念,分析其机制,并探讨进行CO2地质处置的理想场所和可行方案,以期能为CO2地质处置在我国的深入开展和应用提供一些观点和见解。

[关键词]CO2 地质处置 温室效应 储存场所

中图分类号:O69文献标识码:A文章编号:167-17597(2009)0910004-01

一、前言

CO2作为一种温室气体,对气候的影响近年来逐年增加。科技的突飞猛进,全球的工业化、城市化的脚步不断加深、加快,在提高人类生活质量,社会便捷程度的同时,也导致了巨额的能源消费,进而导致以CO2为主的温室气体无节制的排放,引发了一场全球范围内的温室效应危机。如何有效缓解温室效应是在二十一世纪摆在全人类面前的重大课题。

二、CO2地质处置机制分析

接受CO2注入的地质体可看作一种圈闭装置,在具体的地质体中,并不是只有一种圈闭装置,而是多种圈闭共同起作用,只不过有主次之分。地层圈闭作为盖层覆盖在岩石上保存CO2。盖层构成了一个连续初步的封闭,确保CO2不跑到地面。在构造圈闭中,不渗透岩层被地质岩层中障碍物或者转折层代替用来原地保存CO2。还有CO2储存岩石一般被另一个厚的不渗透的岩层从表面分离,称为第二封闭。构造圈闭和地层圈闭属于物理机制的处置措施。若是将CO2注入到含水层中,过多的CO2将溶解在水中,即所谓的溶解圈闭。溶解圈闭形成了一种稠密流体,它可能渗入到存储结构底部。依赖岩石结构,溶解的CO2可能与周围的岩石发生化学反应形成稳定的矿物,称之为矿物圈闭,它是一种最安全的CO2存储形式。溶解圈闭和矿物圈闭属于化学机制的处置方法,相比于物理机制,它们是一种更有效更安全的处置方法,但其形成是一个更为缓慢的过程,也更难被人所观察、控制。

三、适宜CO2地质处置场所探讨

(一)枯竭油气田

将CO2注入枯竭油气田,在对CO2进行有效地质处置的同时,可进一步提高油气产量,使油气田得以充分开发。石油、天然气等能源矿产在油气田中成功存储几百万年甚至更长,由于油气勘探的需要,对地下的地质构造已有了较深刻认识,并且油气工业已经广泛建立并使用了流体地下活动精确的电脑模型。所有这些都可以应用到CO2在枯竭油气田的地质处置,为其提供理论依据。

枯竭的油气藏对于埋存CO2有如下优势:埋存CO2开发成本低;储层证实是圈闭,已埋存油气几百万年。储层地质特征清楚;部分原有油气生产装置可用于注入CO2;许多油田用常规方法采油,注入CO2可提高采收率10%～15%。这是已被证实的技术,称为CO2驱提高石油采收率技术(CO2-EOR)。CO2驱油分混相驱油及非混相驱油。

(二)深层不可采煤层

深层不可开采的煤层是未来CO2处置的重要场所。气体分子通过扩散从割理进入微孔隙中,并在煤基孔隙表面被吸附。煤对许多气体具有吸附作用,研究表明,在众多气体中,煤层对CO2具有的优势吸附性能很明显,特别是煤层对CO2吸附明显的高于对CH4吸附量。随着煤的变质程度增加,煤层对气体的吸附能力也成倍增加,因此,注入到地下深处煤层中的CO2将主要以吸附态而保持下去,从而达到封存目的。

在选择煤层作为CO2地质处置时,首先,要充分研究煤层作为CO2处置的储层特征,如煤层的渗透率、对CO2的吸附特征和煤层空间展布。煤层的渗透率是影响CO2注入的重要因素,随埋深增加,煤层的渗透率将逐渐降低,通常有利于CO2注入的煤层渗透率应>1mD[1],如果煤层的渗透率过低,势必不利于CO2从割理进入孔隙,而导致注入失败或进展缓慢;当煤层埋深达1300-1500m,应煤层的渗透率过小而可能是煤层气开采的下限,暗示了该深度可能是CO2地质处置的下限。由于煤是一种高分子聚合物,常可与煤中的气体发生作用,注入煤层的CO2等被吸附或与地层流体作用而固化,会大大降低煤层的渗透率,从而阻止CO2进一步注入。因此,综合分析,地下CO2在煤层中地质处置深度下限约1000m。其次,是工业价值评估,对煤层埋深、厚度及其共生矿产等工业价值的评估,往往会随着科学技术发展、能源状态和经济技术条件的改变而改变,目前没有经济价值的煤层,或许不久的将来会变得具有经济开采价值。因此,在选择煤层进行CO2地质处置时,应具有长远的工业评估眼光;第三,CO2地质处置的安全性。位于地下的煤层在漫长的地质作用下,往往形成了各种裂隙或割理构造,从而破坏了煤层储集系统,或者地下流体的作用,导致注入煤层中CO2易于逸散,减低了CO2地质处置的效率[2]。

(三)深部含盐水地层

从储存量而言,地壳深部的含盐水地层有着巨大的潜力。许多地下含水层可以埋存CO2,这些含水层在较深的地下且含有盐水,称为深部盐水层,故不能作为饮用水。CO2溶解在水中,部分与矿物慢慢发生反应,形成碳酸盐,实现CO2的永久埋存。[3]适合的含水层还必须有低渗透的盖层,使CO2的泄漏减少到最低程度。深部含水层的注入技术与枯竭的油气藏相同。对深层含盐须在以下水地层进行CO2地质处置主要从以下五方面进行工作:(1)评估CO2在含盐水层中的处置量;(2)CO2注入的可行性;(3)经济的CO2注入地选择;(4)CO2地质处置封闭效率;(5)注入地其他自然资源应用前景。

(四)深海封存

深海封存就是把C02制成干冰投掷到海洋中,或利用固定的管道或者轮船拖曳管道将CO2泵入1500-3000m左右的深海。目前,CO2存储潜力最大还是深海封存,估计可以封存CO2为40GtC。但是大量的高浓度CO2注入到海水中溶解后,会使海水pH值下降到4.5,对海水中的浮游动物、细菌及底栖动物等海洋生物系统将会产生不同程度的影响。为此,须要把CO2注入到3000m以下[4]的深海中,但是这样就大大增加了封存技术的难度,封存成本随之升高。因此,深海封存目前在可行性上还存在制约,需更大的研究力度。

四、结束语

本文通过探讨CO2地质处置机理,分析了目前研究成果下进行CO2地质处置的理想场所以及可行方案。由于技术、经济条件等方面原因,CO2的地质处置这一技术的开展在我国尚处于萌芽阶段,科研机构、环境部门和政府部门应达成共识,加大科研力度,经费投入,并制定相关鼓励性政策来积极引导CO2地质处置的研究和实施。笔者认为,我国应该优先开展以下两方面的研究工作:第一,开展全国或区域性的CO2地质存储潜力分析研究;第二,以实现CO2-EOR和CO2-ECBM为切入点,开展CO2地质存储的相关相研究和实践。第三,加强与国外相关科研机构的交流、合作,学习国外先进方法、经验。相信在各方共同努力下,CO2地质处置这一新兴技术一定会在我国不断发展、应用,并为降低我国CO2的排放量,落实可持续发展贡献力量。

参考文献:

[1]荷兰煤层气开发应用CO2注入技术的可行性——潜力与经济性评价[A].

[2]Gale J,Fraeund P.Coal-bed methane enhancement with CO2 sequestration worldwide potential[J].Environmental Sciences,2001,8(3):210-217.

[3]刘延锋、李小春、白冰,中国CO2煤层储存容量初步评价,岩石力学与工程学报,2005,24(16):2943-2952.

[4]中国国家统计局,中国统计年鉴2006[M].北京:中国统计出版社,2006.

作者简介:

郭晨(1988-),山西省晋城市人,中国矿业大学,资源与地球科学学院,地质工程06-3班,担任团支部书记。