开展二氧化碳地质储存，实现深度减排

■ 张超宇/李胜涛/杨丰田/张森琦/李旭峰

（1.中国国土资源经济研究院，北京 101149；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定071051；3. 中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室，北京 100029.）

开展二氧化碳地质储存，实现深度减排

■ 张超宇1/李胜涛2/杨丰田3/张森琦2/李旭峰2

（1.中国国土资源经济研究院，北京 101149；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定071051；3. 中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学重点实验室，北京 100029.）

二氧化碳地质储存是实现二氧化碳深度减排的安全、经济、有效的措施之一。适合地质储存的地质体有深部咸水层、油气藏和不可采煤层。目前，二氧化碳地质储存研究在世界上方兴未艾，我国地质储存相关项目也已启动，为二氧化碳地质储存技术的发展创造了条件。开展二氧化碳的地质储存，将为我国以煤炭为主的能源消费结构的维持和调整提供保障。

地质储存，二氧化碳，深度减排，咸水层

二氧化碳排放问题， 由于其对人类以及整个地球环境系统可能产生的危害， 已经引起世界各国的广泛关注。二氧化碳是引起温室效应的主要温室气体，在全球变暖问题中扮演着重要的角色[1]。如何降低空气中的二氧化碳含量成为遏制温室效应和全球变暖，倡导低碳生活的核心问题。

我国是二氧化碳排放的大国之一。环球能源网根据碳监测行动（CARMA）网站提供的数据，对全球各国的CO2排放量进行了比较排行， 按总排放量计算， 我国高居世界第2位（表1）。

1997年在日本京都召开的联合国气候变化框架公约大会通过了《京都协议书》，京都协议提出了发达国家减少排放的指标。但是，由于大部分国家都以化石燃料作为主要能源，二氧化碳的减排直接影响到一个时期国民经济的发展。因此， 围绕二氧化碳的减排问题成为国际政治和外交谈判中涉及国家经济发展的重大问题[1—3]。开展二氧化碳减排研究不仅成为技术领域的重要问题，也成为争取国际话语权的重要政治问题。

2 二氧化碳的地质储存

20世纪70年代有人提出，利用二氧化碳地质储存技术作为减少人类活动造成的二氧化碳排放的措施，但在20世纪90年代以前，只有少量研究。直到20世纪90年代以来，部分学者和研究组进行了大量具体的二氧化碳地质储存研究。以艾伯塔（Alberta）研究院为主，加拿大在1993-1995年以艾伯塔盆地为背景，通过计算机模拟分析了二氧化碳在含水层的流动、扩散及其与矿物的化学反应过程，明确了二氧化碳的存储机理。1999-2000年期间，在艾伯塔的Fenn-Big河谷地区还开展了利用二氧化碳提高煤层气回采率的试验研究项目。研究证明了这种方法在理论上的可行性[4]。

二氧化碳地质储存是指将二氧化碳从工业或相关能源的集中排放源中分离出来（捕获），输送到经过选择的地点并注入地下深部适宜的地层中，通过物理、化学等作用将其安全可靠地储存于地下，且长期与大气隔绝的过程。可用于二氧化碳地质储存的场地有：废弃或无商业开采价值的油气田；沉积盆地内的深部咸水含水层；开采的油气田(提高油气采收率) ；无商业开采价值的深部煤层(加强煤层中天然气的回收)。

在大量可行性研究、室内实验研究和计算机模拟研究的基础上，部分国家实施了一批二氧化碳地质储存实际工程。这些工程的实施既促进了二氧化碳地质储存理论研究，又从技术和经济上验证了该技术的可行性，为其他国家开展二氧化碳地质储存研究和实践提供了强有力的支持。目前全球已开展或规划开展二氧化碳地质储存的主要工程见表2[5]。

二氧化碳地质储存技术被美国、英国、加拿大、日本等发达国家认为是21世纪最具潜力的二氧化碳减排措施，开展了二氧化碳地质储存机理研究、潜力评价并实施了工程项目。我国政府也已着手通过国际合作和增加国内相关技术科研投入，提升二氧化碳地质处置技术的研究水平[6-11]。

3 二氧化碳地质储存技术

在绝大多数情况下，在深度大于800米的地下，二氧化碳将呈超临界状态，其密度为0.4-0.6g/ cm3，而非气态。把二氧化碳隔离在该深度以下，有利于充分利用地下空间。二氧化碳离开注入井以后，因其密度小于地层水，会被浮力上推直到盖层（caprock）的底部，形成气泡。在超临界二氧化碳-盖层-孔隙水交界面处存在着毛细管力。毛细管力阻止二氧化碳进入盖层。只要排斥力大于二氧化碳的压力，二氧化碳就不能渗入盖层。这就是地层隔离中重要的水力学机理。

这种技术已经由石油和天然气工业开发出来，并且已经证明对于石油和天然气田以及深部咸水层而言，在特定条件下是经济可行的，其储存（封存）方案概况如右图[5]。

二氧化碳地质储存方案概况图

经相关研究，三种类型的地质构造可用于二氧化碳的地质储存：石油和天然气储层、咸水层和不可开采的煤层。在每种类型中，二氧化碳的地质封存都将二氧化碳压缩液注入地下岩石构造中。含流体或曾经含流体（如天然气、石油或盐水等）的多孔岩石构造（如枯竭的油气储层）都是潜在的储存二氧化碳地点。在沿岸和沿海的沉积盆地（充有沉积物的地壳内的大规模天然凹地）中存在合适的封存构造。假设煤床有充分的渗透性且这些煤炭以后不可能开采，那么该煤床也可能用于储存二氧化碳，在煤床中储存二氧化碳的同时，有希望提高甲烷生产效率。但是对无法开采的煤层而言，这种技术的可行性尚未经过验证，目前国内相关机构，如中国地质调查局水文地质环境地质调查中心等，正在研究这种技术的可行性。

表2 全球已开展二氧化碳地质储存的工程项目

4 我国开展二氧化碳地质储存的现状与展望

我国二氧化碳地质储存技术的研究始于提高石油回采率。目前新疆、大庆、胜利油田都已进行了一定规模的矿场应用。虽然与欧美等发达国家已开展的大量可行性研究、室内实验研究、计算机模拟研究、实际工程相比，我国在二氧化碳地质储存科学问题研究上还处于初级阶段，但是依然取得了巨大的成绩。

2006年5月30日～6月1日在北京召开了以“温室气体（二氧化碳）控制技术及关键问题”为主题的第279次学术讨论会。徐建中院士、费维扬院士、张新时院士和张懿院士担任了本次会议的执行主席。会议就二氧化碳分离方法、能源系统中二氧化碳控制技术、二氧化碳的固定与利用技术和生物固碳与碳贸易等四个中心议题进行了研讨。2007年在吉林油田公司启动了中国石油股份公司重大科技专项“吉林油田含二氧化碳天然气开发和二氧化碳埋存及资源综合利用研究” 项目。中国科技部与英国政府启动了煤炭利用近零排放合作项目，研发碳捕集与封存技术，最终实现煤炭利用过程中几乎不再向大气排放二氧化碳的目标。中联煤与加拿大公司在山西沁水盆地实施二氧化碳驱煤层气试验已取得了一批理想成果，相关公司正在积极筹备规模化开采。国家“973”项目“温室气体提高石油采收率的资源化利用及地下埋存” 在利用二氧化碳提高油气采取率方面做了大量的理论研究和试验工作。

除二氧化碳资源化利用研究，我国针对二氧化碳咸水层封存方面的研究项目和工程也已启动。

2008年，由中国科学院地质与地球物理研究所、大连理工大学、天津地热勘查开发设计院和中国科学院武汉岩土力学研究所等单位承担的科技部863重点项目课题“二氧化碳的封存技术”立项。课题拟以天津市馆陶组咸水层为试验目的层，综合运用室内实验、现场试验和数值模拟等多种手段，研究CO2/CO2-咸水混合流体的物理化学特性，认识CO2注入地下咸水层后的运移规律以及环境效应，通过突破关键技术，形成适合我国陆相沉积盆地地质条件的低成本、实用性CO2封存量评价技术、安全性评价技术和环境效应监测技术。

2010年，由中国地质调查局水文地质环境地质调查中心、中国地质大学、北京大学、中国神华煤制油化工有限公司、中国地质科学院地质力学研究所、中国科学院武汉岩土力学研究所等单位承担的国土资源部二氧化碳地质储存综合研究项目“我国二氧化碳地质储存调查”立项。拟对我国二氧化碳地质储存适宜性及潜力进行评价和区划，并选定典型地区开展储存示范工程；开展我国二氧化碳地质储存基础理论、技术方法和法规政策研究，形成完整的二氧化碳地质储存基本理论体系和场址选择、储存能力评价、安全风险评价、环境影响评价、二氧化碳逃逸监测和地理信息系统建设方法体系，为我国二氧化碳地质储存工程提供技术支撑。

相信不久的将来，随着大量科研力量和经费的投入，我国二氧化碳地质储存也将进入实质性生产阶段。作为一个负责的大国，我国正以实际行动开展二氧化碳减排研究，倡导低碳生活，为全人类的福祉做出自己的贡献！

5 政策与建议

（1）我国是二氧化碳的排放大国，应该借鉴西方发达国家在二氧化碳地质储存研究领域的先进经验。建立国际合作组织，安排技术人员赴国外进行考察和学术交流，从而有效评估我国二氧化碳地质储存潜力，确定应用于二氧化碳地质储存的相关技术、设施和政策法规。有助于推动二氧化碳地质封存技术在中国的开展。

（2）积极探索地质、陆地以及海洋储存二氧化碳的安全性能，运用系统优化方法，确立一套安全合理的储存方案。充分利用地质、海洋、森林、湿地、城市绿化等多种途径进行二氧化碳储存，做到因地制宜，合理储存。

（3）通过转变发展方式、提高能源效率和节约能源促进低碳经济的发展。应着重开展太阳能、海洋能、风能、地热资源和生物质能等新能源的开发和利用。（4）政府可制定能源环境税收政策，来提高能源利用效率，减少大气污染和温室气体排放。在新能源的开发利用方面，政府可以提供资金支持，以政府补贴鼓励人们使用节能产品。大力宣传节能减排知识，提高人们节能减排意识。

[1]曾荣树,孙枢,陈代钊,段振豪,等.减少二氧化碳向大气层的排放—二氧化碳地下储存研究[J].中国科学基金,2004,18(4):196-200.

[2]World Resources Institute.World Resources 1996-1997[M].London:Oxford University Press,1996:326-327.

[3]Hoffert M I et al.Advanced technology paths to global climate stability:energy for a greenhouse planet[J].Science,2002(1):981-987.

[4]Bachu S.Indentification of best sites and means for CO2sequestration in the alberta basin,Canada[R]. Association of Petroleum Geologists 2001 Annual Meeting and Annual Meeting Expanded Abstracts-American Association of Petroleum Geologists in American,2001.

[5]BertMetz,OgunladeDavidson,Hele en deConinck,Manuela Loos,Leo Meyer,etal.Carbon Dioxide Capture and Storage [R].Intergovernmental Panel on Climate Change,2008.

[6]沈平平,等.利用工业CO2废气改善低渗油气藏的开发效果[C].中美清洁能源技术论坛文集（中文版）[A].北京：中华人民共和国科技部、美国能源部，2001,Ⅲ-1-7.

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[8]刘延锋,李小春,白冰.中国CO2煤层储存容量初步评价[J].岩石力学与工程学报,2005,24(16):2947-2 952.

[9]Dahowski R T,Dooley J J,Davidson C L,et al.A CO2storage supply curve for North America[R].IEA Greenhouse Gas R&D Programme,2004:20-25.

[10]张炜,李义连.二氧化碳储存技术的研究现状和展望[J].环境污染与防治,2006,28(12): 950-953.

[11]张丽君.二氧化碳捕集与地下埋存国际进展[J].国土资源情报,2007,(11):16-21.

F124.5; X37

C

1672-6995（2010）04-0024-03

2010-04-15

张超宇（1981-），男，内蒙古赤峰市人，中国国土资源经济研究院研究实习员，工学硕士，主要研究方向环境经济。