浅议CO2地质封存的潜在风险

吴江莉，马俊杰

(西北大学城市与环境学院，陕西西安 710127)

气候变化、全球气温升高这一问题已受到了全世界人们的高度关注。联合国政府间气候变化专门委员会 (ICPP)第四次报告显示:自工业化时代以来，由于人类活动的影响，已经引起全球温室气体增加，二氧化碳 (CO2)是重要的人为温室气体。1970～2004年，CO2的排放增加了大约80%，2005年大气中CO2已经增加到379ppm［1］。随着温度升高，极地地区冰川融化，海平面上升，预期1900～2100年地球的平均海平面上升幅度为0.09～0.88m;大气环流的调整，气候带向两极扩展，引发旱灾、水灾等［2］;地球上的病虫害增加，将出现致命的病毒［3］。

因此，各国都在努力寻找减缓CO2排放的措施。碳捕捉与封存技术 (CCS，Carbon Capture and Storage)是一项减少全球二氧化碳排放的重要技术［4］。CCS技术是指把二氧化碳从工业或相关能源的源分离出来，输送到一个封存地点，并且长期与大气隔绝的一个过程［5］。通过替代或改造不同类型的二氧化碳直排电厂，CCS技术可以减少85%左右的二氧化碳排放量［6］。CCS技术过程主要有三个组成环节:捕获、运输和封存。每一个环节都存在CO2泄露的潜在风险，其中捕获与运输环节的CO2泄露较易发现并可及时采取补救措施，但封存环节中的封存地点主要是石油井、天然气储层和不可采煤层，由于封存地层上部地层完整性研究的不足，可能造成封存的CO2泄露。由于CO2封存区域一般较大，封存地层上部地层研究资料较为缺乏，其可能的泄露地点和泄漏量均存在不确定性。一旦封存的CO2发生泄露，可能对泄露区地表植物造成较为明显的影响。

针对以上原因，本文主要研究CCS技术中地质封存环节CO2泄露封存的潜在风险，分析CO2泄漏的方式及危害，并提出可采取的应对措施。

1 CCS技术的封存方式

1.1 CO2的海洋封存

海洋是全球最大的CO2贮库，其总贮量是大气的50多倍，工业革命以来释放到大气中的CO2有一半左右被海洋吸收，大气CO2的输入已经显著改变世界范围内表层海水化学性质，因此海洋在全球碳循环中扮演了重要角色［7］。

CO2的海洋封存主要分为两种方法。一种是固态封存，将CO2输送到深海中，使其自然溶解在深海水域，少量CO2气体通过挥发的形式最后进入碳循环中;另一种是液态封存，采用特殊的设备将其注入到海平面的3000m以下，使其形成液态的CO2，达到减少温室气体排放的目的。无论是液态封存还是固态封存，都存在二氧化碳挥发或溶解在海水中的问题，其中液态二氧化碳比固态二氧化碳更容易挥发、溶解在海水中。所以，液态封存的技术关键就是如何减少液态二氧化碳溶解或挥发在海水中，造成对海洋生态系统的影响;固态封存的技术关键就在于二氧化碳水合物的快速生成以及如何运输到适合的海底位置［8］。

虽然海洋封存的封存量大、封存时间长，但是海洋封存的CO2气体有可能会挥发到大气中，且对海洋生物的影响问题尚未解决，因此研究海洋封存的比较少。

1.2 CO2的地质封存

CO2地质封存的封存地点主要是石油、天然气储层和深部不可采煤层。相对于海洋封存，地质封存主要有以下优势:①地质层结构的复杂性决定了CO2地质封存的可能性;②CO2封存在枯竭的油气田，通过气驱 (CO2驱)方式来提高该油气田的采收率，能产生一定的经济效益［9］。

1.2.1 封存机制

CO2地质封存主要包括物理封存和化学封存两种基本机制。其中，物理封存是通过地层构造压力、地下水动力、流体密度差、盖层岩石孔隙毛细压力及矿物 (煤层)吸附等共同作用，将超临界CO2储存于储层顶部孔隙中。被封存于储层中的一部分CO2以溶解状态进入地下水中，并随地下水以极低的速度运移，另一部分可能会被吸附于特殊岩层 (煤层)表面。化学封存是指储层中岩石矿物、地下水溶液与注入的超临界CO2流体在一定的温度和压力条件下发生缓慢的化学反应，生成碳酸盐矿物 (碎屑岩储层)或碳酸氢根离子 (碳酸氢盐岩储层)，从而把二氧化碳转化为新的物质固定下来。

物理封存机制在很大程度上受地质构造、地应力状态、地下水动力特征及工程活动扰动等制约，单纯的物理捕获CO2流体只是将CO2暂时封堵在地下岩层中，在地质封存时期存在泄漏的风险。化学捕获方式是最有利于长期安全固碳的，但是，目前化学方式封存CO2要求储层所具备的条件较为苛刻，合适的储层较为有限，因为这种方式可以将CO2通过化学反应转化成新的岩石矿物成分，基本不存在泄漏的问题。一般来讲，较为理想的CO2地质封存箱 (封存储层)应该是物理机制和化学机制共同作用的环境，这样有利于最大限度发挥其封存和固碳容量［10］。

1.2.2 封存方法

可用于CO2的地质封存的地质构造:石油和天然气储层、深盐沼池构造和不可开采的煤层 (图1)。在每种类型中，CO2的地质封存都将CO2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)都是潜在的封存CO2地点的选择对象。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封存CO2。在煤床中封存CO2并提高甲烷生产的方案仍处在示范阶段。

图1 在深层地质构造中封存CO2的方法［11］

2 CO2地质封存的泄露方式

CCS技术潜在的最大的环境风险主要来自地质封存的CO2泄漏［12］。CO2的泄漏主要分为突然泄漏和逐渐泄漏。

2.1 突然泄漏

CCS技术的地质封存的突然泄露是注入的废弃油气井破裂导致CO2泄漏，有可能造成CO2突然快速地释放。通常为了提高石油的采油率，一般采用物理封存机制，将发电厂的CO2气体及其他混合气体直接封存于地质层中，会造成突然泄露。如果使用当今技术来控制油气井的井喷，则可以快速检测并阻止这种释放。一旦泄露，控制这种释放可能需要数小时乃至数天，与注入的总量相比，所释放的CO2总量可能很小。在石油和天然气行业，采用工程的技术手段定期对这些灾害进行有效的检查，能避免灾害的发生。

2.2 逐渐泄漏

逐渐泄露是通过未被发现的断层、断裂或漏泄的油气井发生渗漏，其释放到地面缓慢扩散。泄漏的潜在后果目前还很难定性，只能依据封存地点的位置与地质状况、封存及泄漏的规模以及泄漏点上方的实际情况做出判断。

逐渐泄露，灾害主要影响饮用蓄水层和生态系统，CO2聚集在地面与地下水位的上部之间的区域，在注入过程，由于CO2的置换，直接泄漏到蓄水层的CO2和进入蓄水层的盐水都能影响地下水，CO2的置换也可能存在土壤的酸化和土壤中氧的置换，影响植物的生长发育。

为了减小对人类及动植物的危害，使用各种技术和根据储层的特征可以判定渗漏的路径。图2显示了某个盐沼池构造的某些潜在的渗漏路径。当了解了可能的渗漏路径后，就可采取监测和补救策略以解决这些潜在的渗漏问题［11］。

图2 用于注入盐沼池构造的潜在CO2渗漏路径

3 CO2泄露的风险分析

地质储层中CO2封存泄漏所引发的风险分为两大类:全球风险和局部风险。如果封存构造中的部分CO2泄漏到大气中，那么释放出的CO2可能引发显著的气候变化，称为全球风险。如果从封存构造中泄漏CO2，可能给人类、生态系统和地下水造成局部灾害，称为局部风险。

关于全球风险，有观点认为:即使每年的泄漏率为1%，100年后泄漏的CO2排放将为封存量的37%。根据对目前CO2的封存地点、自然系统、工程系统和模式的观测和分析，经过适当选择和管理，历经百年或千年保留在储层中的CO2有可能超过99%。随着时间推移，泄漏的风险预计会减小。未来封存的CO2泄漏程度更多取决于封存的地质环境、技术水平、管理等诸多因素［12］。关于局部风险，谨慎的封存系统设计和选址以及渗漏的早期检测方法 (最好在CO2到达地面之前较长时间内)是减少渗漏相关灾害的有效方法。现有的监测方法越来越具有前景，但需要更多的经验来确定检测层面和分辨率。一旦检测到泄露，就应使用补救技术来阻止或控制泄露。根据泄露的类型，这些技术可包括标准油气井维修技术，或通过把泄露阻挡在一个浅的地下水蓄水层内，以从中提取CO2。需要经验来证明其实用性，并确定这些技术的成本，以便用于CO2的封存。

3.1 CO2泄露对地表大气的影响

泄露的CO2气体通过挥发的形式缓慢从地质层进入大气层中，由于CO2能够吸收地球的红外辐射，引起近地面大气温度的增高，它还具有吸热和隔热的功能，会造成二次温室效应。

3.2 CO2泄露对农作物的影响

英国University of Nottingham模拟土壤CO2浓度对牧草及大豆的影响实验，控制CO2流量1L/min，最终严重阻碍大豆的生长，产量减少了一半;牧草的生物量也明显减少;且土壤中CO2与O2呈负相关［13］。我国欧志英等人研究表明，短期高浓度CO2促进植物根、幼苗的生长，叶片增厚，长期高浓度CO2降低作物的产量及生物量［14］。

3.3 CO2泄露对土壤的影响

泄露CO2对土壤、土壤中栖息的生物体的影响都是至关重要的。土壤中CO2浓度升高，导致土壤的物理化学特性发生显著的变化。研究表明，土壤中CO2浓度升高对土壤中微生物有一定的影响，CO2浓度升高，小麦的拔节期土壤中细菌随之升高，小麦成熟期土壤中真菌升高［15］。

3.4 CO2泄露对地下水的影响

地下水作为地球上重要的水体，与人类社会有着密切的关系，是人类社会必不可少的重要水资源，一旦污染会带来不可挽救的局面。美国能源部资助启动了“Frio Brine先锋实验”，在实验中，研究人员将1600t二氧化碳注入到得克萨斯州休斯敦东北一油田地下1550m深处的沙岩层，二氧化碳导致储藏地层中盐水的pH值从近乎中性的6.5降到像醋一样酸的3.0。他们认为，这一变化导致液体溶解了“大量的矿物质”，释放出铁和锰等金属元素，有机物质也进入这种溶液中，大量的碳酸盐被溶解。这会导致岩石中的化学封条出现小孔或破碎、二氧化碳泄漏，以及被污染的盐水进入上面供饮用和灌溉的蓄水层［16］。

3.5 CO2泄露对人类的影响

CO2气体由于比空气重，纯度高的二氧化碳气体会下沉，取代氧气，造成窒息。根据国际能源机构 (International Energy Agency)的统计，最严重的一起二氧化碳致死事件发生在1986年，当时，120万t二氧化碳气体从喀麦隆的尼奥斯湖 (Lake Nyos)中释放出来，造成1700人死亡。1984年，同样发生在喀麦隆，莫奴恩湖 (Lake Monoun)地震释放出的二氧化碳造成37人死亡。1979年，印度尼西亚迪恩火山 (Dieng volcano)爆发，释放出20万t二氧化碳，造成142人窒息。2006年4月，美国加利福尼亚猛犸象山 (Mammoth Mountain)的三名滑雪巡逻员在试图用篱笆隔离一个危险的火山口时，由于高浓度的二氧化碳而死亡［17］。为了减少CO2捕获的成本，一般会将发电厂产生的废气直接封存，发电厂的废气一般还包括SO2、NOX等，一旦泄露对周围的环境、人类都会带来严重的影响。

3.6 诱发地震

CO2气体主要是储存在岩石缝隙中，使地层压力增加，如果注入的压力超过地层压力，将可能诱发地层裂缝和断层的移动。这一方面为CO2泄漏提供通道，另一方面可能诱发地震。

4 CO2泄露的对策及建议

4.1 安装CO2气体在线监测系统

安装CO2报警器，当地表的CO2气体浓度超过正常范围可以及时发现。也可以通过建立CO2在线监测系统，将便携式CO2浓度监测仪放置在地下50cm～1m，实时在线监测静止状态的CO2浓度，建立CO2浓度数据的采集，将数据通过传输的方式传送到电脑上，可以随时掌握土壤及地表水中CO2浓度的变化。

4.2 寻找敏感动植物

通过高浓度CO2对农作物的实验研究，寻找敏感作物，研究作物的半致死浓度，促进或抑制作物生长的浓度分界点。然后在封存地点种植该敏感作物，通过研究的实验结果，观察作物的生长发育，生长异常或死亡便有可能出现CO2泄露;若未泄漏，低浓度的CO2也有助于作物的生长及增加产量。

4.3 完善法律监督系统

所有的CCS项目在相关法律制度框架下立法阶段必须进行环境影响评价和核准。编写CCS技术的环境影响或风险评价报告，内容包括:CCS项目对当地居民、动植物、土壤、水资源、生态系统及其过程的直接和间接环境影响;进行CO2运输管道和封存选址的综合环境影响评价;风险评价要求包括对封存物质的数量、物理形态、封存设备的运行管理进行评价，并提供详细的信息［13］。提出CO2封存企业的法律责任与确保CO2封存区域安全的技术措施和法律保障体系。在该体系中注入企业义务与责任、活动规范、区域环境影响监测、泄露的判定、区域其他活动规范等内容。

4.4 制定完善的泄漏事故应急预案

设计CCS技术的风险管理系统，包括监测感应器的布设、使用与监测精度等，应重点强调对大规模事故危险和事故的防范措施的识别和管理，紧急预案设计、建设运行和维护中的安全分析，计划的论证等。设置碳泄漏危险防范区，安置危险警报监测器，制定针对不同CO2泄漏情况的补救措施等。对周边居民定期开展安全防范知识宣传，提高公众的安全意识。

4.5 CO2泄漏的应急处理

CO2在空气中含量过高会造成人群呼吸困难，CO2浓度达到10%就有窒息的危险。云南省图书馆二氧化碳气体泄露导致39人中毒。中毒人员主要是呼吸了大量二氧化碳，形成碳氧血红蛋白，红细胞失去携带氧气的能力，患者会出现头昏、呕吐等脑细胞缺氧引发的症状［18］。如果发现CO2大量泄露，可利用CO2气体溶于水这一性质，向空中喷洒大量的水，溶解空气中的CO2，用浸湿的毛巾捂住口鼻并及时堵住CO2漏口。

总之，要通过采用科学选址、风险评估、工程监管、监测预警、应急补救的系统性应对策略，建立一套适用于整个CO2地质封存工程生命周期的运行机制，尽量将CO2地质封存工程可能诱发的地质环境灾害风险概率或危害程度降至最低。

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