CO2地质封存国内外研究概况与应用

臧雅琼，高振记，钟伟

1.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京 100083

2.中国环境科学研究院，北京 100012

由于对化石燃料的过度依赖，以CO2为主的温室气体大量排放引起的全球变暖正日益威胁着人类生存环境和社会经济发展。《联合国气候变化框架公约》是世界上第一个为全面控制CO2等温室气体排放，以应对全球气候变暖给人类经济和社会带来不利影响的国际公约，也是国际社会在应对全球气候变化问题上进行国际合作的一个基本框架［1］。2011年11月28日—12月9日，联合国气候变化框架公约第17次缔约方会议在南非德班召开，中国作为CO2排放第二大国，在国际气候谈判中的压力越来越大，控制温室气体排放任务艰巨。中国还是一个发展中国家，人口众多、气候条件复杂、生态环境脆弱，易受气候变化的影响，并且在未来几十年中，我国以煤为主的能源结构短期内难以根本改变，控制温室气体排放的难度很大，任务艰巨［2］。因此，寻求一种既能减缓温室气体的排放而又不阻碍经济发展的方法势在必行。

CO2地质封存是近年来国际上兴起的一种温室气体封存技术。该技术利用地下适合的地质体进行CO2深部封存，可以很好地将温室气体封存在地壳中，同时对地表生态环境影响很小，具有较高的安全性和可行性。此外，把碳捕获和地质封存相结合，对我国能源系统和经济的可持续发展有深远影响。但关于碳捕获和碳封存(carbon capture and storage，CCS)技术应用的具体部门还有待结合捕获规模和捕获成本进行进一步的研究，并应将这些具体部门纳入整个能源系统中，从而可以更加系统地分析该技术引入的作用和影响［3］。

1 国内外应用现状

1.1 国外CO2地质封存项目进展

早在20世纪70年代初，美国就开展了注入CO2提高石油采收率(enhanced oil recovery，EOR)项目。除美国外，世界上许多发达或发展中国家也开展了将CO2注入油气田、煤层或咸水层以达到永久储存目的的项目。据澳大利亚GCCSI(Global CCS Institute)的统计，截至2011年10月4日，全世界共有74个大型项目，其中有8个大型项目正在运行中，6 个项目在建(表 1)［4-8］。

表1 正在运行与在建的大型综合碳封存项目［4］Table 1 Large-scale integrated projects in the operate and execute stages

具有较大规模和影响力的CO2地质封存项目包括:Sleipner项目，CO2被注入北海海底以下900 m深处的咸水饱和砂层中，迄今尚未检测到任何泄露，证明将 CO2储存在咸水层中是可行的［9-10］;Weyburn项目，利用注入CO2提高石油采收率(EOR项目)，迄今为止已有70万t CO2被灌入油田，证明了油田的天然地质结构非常适合长期封存加拿大边界大坝(Boundary Dam)项目，是世界上第二个在发电行业进行的大规模碳捕集工程;伊利诺伊工业碳捕集与封存(ICCS)项目，是美国第一个在深部咸水层封存CO2的项目。

1.2 我国CO2地质封存研究现状

中澳CO2地质封存项目研究2009年报告［12］指出，目前在中国的一些先行试验盆地开展了关于CO2地质封存的研究，这些地点包括松辽盆地、沁水盆地、渤海湾盆地、辽河油田等。研究内容主要包括三个方面:1)封存潜力的评估;2)封存的安全性评估;3)封存带来的影响(包括对周围环境及健康等)评估。

国内一些科研机构和高校(如浙江大学、北京大学、清华大学等)开展CCS研究已有10年以上的历史［13］。我国目前开展的主要是CO2-EOR项目，大陆上大型含油气盆地开发和地质认识程度高，资料丰富，且大都进行过驱油试验，可作为CO2地质封存的潜在场所。此外，山西的沁水盆地开展了注入CO2提高煤层甲烷采收率(enhanced coal bed methane recovery，ECBM)项目［14］。

目前国内主要研究性项目有:1)国家基础性研究发展计划(973计划)项目，提高石油采收率的地质封存(2006—2011年)。该项目开展关于碳的地质封存和EOR地质、物理及化学问题的基础研究，研究EOR非线性流机制问题以及碳捕获与抗腐蚀问题［15］。2)国家高技术研究发展计划(863计划)项目，碳捕获与碳封存(2008—2010年)。该项目主要开展捕获CO2先进技术以及深部咸水层碳封存的研究［16］。

目前国内主要示范项目有:1)华能集团的绿色发电(GreenGen)合资项目;2)由西安热工研究院(TPRI)与澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)合作开展的燃烧后捕获(PCC)示范项目［17］;3)中国石油化工有限公司(中国石化)CO2-EOR项目，该项目目前以0.04 Mt/a的速度向胜利油田注入CO2，并计划将注入速度提升到1 Mt/a;4)中国石油天然气股份有限公司(中国石油)吉林油田项目，从2009年起，中国石油以0.12 Mt/a的速度向吉林油田注入CO2;5)神华集团在内蒙古鄂尔多斯市开展的CO2注入项目，该项目中CO2以0.1 Mt/a的速度注入咸水构造中［4］。

2 CO2地质封存主要介质及其特征

刘佳等［18］认为，CO2的埋存机理有结构储存、残留物储存、溶解储存和矿物储存。郭晨等［19］指出，CO2埋存的地质体可以看作一种圈闭装置，地层圈闭、构造圈闭属于物理机制，溶解圈闭、矿物圈闭属于化学机制，化学机制优于物理机制，但过程缓慢。总体来说，CO2的封存机制分为物理机制和化学机制，物理机制主要依靠地质构造通过物理方法封存CO2，化学机制主要通过溶解、矿化、吸附等方法封存CO2。在CO2封存过程中，两种机制常共存，但在时间和空间尺度上有主次之分。

适合CO2封存的场所主要有:深部不可采煤层、深部咸水层、枯竭的油气藏、深海等(图1)［20］。深海埋存在理论上潜力巨大，但目前仍处于理论研究和模拟阶段，在技术可行性和对海洋生物的影响上还需要更进一步的研究。笔者主要探讨CO2地质封存介质——深部不可采煤层、深部咸水层和枯竭油气藏的特点及封存技术。

图1 CO2埋存场所示意Fig.1 Figure of CO2 storage sites

2.1 深部不可采煤层

煤系地层中存在着大量因技术原因或经济原因废弃的煤层，这些不可采煤层是可用于CO2地质封存的潜在地质构造。由于煤层的表面有大量孔隙，CO2注入煤层后以分子状态被吸附在煤层表面，从而达到封存目的。研究表明，煤层对CO2的吸附能力是CH4的2倍，CO2注入煤层后可以有效地替代CH4，从而提高煤层气的产量，工业上称为注入CO2提高煤层甲烷采收率(CO2-ECBM)技术。使用该技术不仅达到了储存CO2的目的，同时也增加了经济效益［21］。

2.2 深部咸水层

深部咸水层的水一般不能作为饮用水，且分布广泛，封存潜力巨大，因此咸水层是良好的埋存CO2的地质体。注入咸水层的CO2溶解于咸水中，并且与周围岩石矿物发生化学反应，达到永久封存的目的。该封存方法还要求咸水层有低渗透率的盖层，以确保CO2能在咸水层中长期封存［22］。

2.3 枯竭油气藏

枯竭的油气藏具有良好的圈闭构造，地质条件上十分适合CO2封存。同时，由于油气勘探、开采过程中积累了丰富的地质资料，为CO2油气藏封存研究及应用奠定了良好基础，油气藏是未来碳封存的一个重要场所。CO2注入油气藏可以迫使残余油气溢出，提加石油采收率，工业上称为注入CO2提高石油采收率(CO2-EOR)技术。这是一种成熟的技术，可以带来巨大的经济效益，且在石油行业广泛使用。

2.4 CO2地质埋存方式比较

深部不可采煤层具有很大的存储潜力，注入CO2后可以替换出甲烷，提高经济效益。但整个过程复杂，CO2注入能力低，经验较缺乏。深部咸水层封存CO2操作过程简单，存储量大，但是没有额外的经济回报，难于推广，长期存储CO2的安全性还没有被大量的项目明确证实，经验还不够丰富。枯竭的油气田存储CO2技术成熟，实际应用中长期封存的安全性也已证明，并且具有额外的经济回报，但枯竭油气田CO2封存操作过程较复杂，技术要求较高。

3 我国CO2地质封存潜力简析

我国沉积盆地广阔，沉积厚度大，油气勘探盆地有500多个，沉积岩面积约670万km2，深部咸水层、油气田等都可作为CO2封存的地质构造，地质条件优越。

在咸水层中，CO2的储量是指能够溶解于咸水层中的最大CO2量，即咸水层中CO2达到饱和时的溶解量［23］。利用该定义，李小春等［24］计算了我国深部咸水层的CO2封存量。在收集地质、水文地质和石油勘探等资料的基础上，将中国大陆地区24个主要沉积盆地划为70个封存分区，利用溶解度法，计算了各封存分区地下1～3 km深度内咸水层的CO2封存量，并进行了中国深部咸水层CO2封存优先区域选择研究。初步评价结果表明，中国咸水层CO2封存量达144 Gt。

刘延锋等［25］在以往全国煤炭资源评价结果的基础上，将全国分为68个评价区，对全国埋深300～1500 m内的煤层气资源量进行重新评估，评估结果为27610 Gm3。利用CO2-ECBM储存的CO2量与开采煤层气后煤所能储存的CO2量之和即为CO2煤层可存储量。结果表明，利用CO2-ECBM技术可使我国总的煤层气可采量达1632 Gm3，可储存CO2约12 Gt。

天然气田具有良好的封闭性，储存CO2后泄漏风险小，且分布广泛，具有很大的封存潜力。刘延峰等［26］根据中国各含油气盆地天然气勘探资料和天然气资源评估结果，开展了中国天然气田CO2封存量评估工作。结果表明，中国主要的天然气田可以封存CO2约34.5 Gt。随后指出，我国天然气工业起步晚，产量低，较长时间内不会出现气田枯竭，且枯竭气田可能优先用于战略能源储备。所以，中国CO2地质封存场所应优先考虑深部咸水层和深部不可采煤层。此外，油田也是CO2地质封存的良好场所，封存量的评估工作国内已经开展，但目前鲜有相关研究成果公开发表。

4 结论

近几年，大型CO2地质封存示范项目继续集中在北美、欧洲和澳大利亚等地区进行，并有少量的项目计划在一些发展中国家展开。鉴于此，发展中国家应借鉴发达国家示范项目的经验和教训，发达国家则应通过能力建设活动和合理的项目支持来帮助发展中国家实现在建CCS项目的顺利开展。

在封存能力方面，我国深部咸水层、不可采煤层和天然气田三种地质介质的CO2地质封存能力总和估算为190.5 Gt，参照澳大利亚碳封存组在《国家碳排放及封存编图和基础设施计划》报告中采用的CO2注入速率标准(100 Mt/a)计算，三种地质介质的CO2封存能力可供我国存储CO2约1900年。以上数据只是在现有研究结果和技术水平条件下粗略估算的，封存能力总和不包含油田及利用其他介质和手段的CO2封存量，随着新的封存盆地不断发现及CO2地质封存技术的提高和项目的进展，CO2地质封存在我国温室气体减排和经济发展方面将发挥更大的作用。

据IPCC最新一次统计，中国CO2年排放量已达5.06 Gt。我国在国际社会中面临的温室气体减排压力越来越大，开展CO2地质封存对我国温室气体排放减排意义重大。我国虽然在CO2地质封存技术研究和项目实施方面取得了一定的进展，但CO2地质封存技术与实际应用仍与发达国家有一定差距，因此我国应积极开展CO2地质封存相关技术和应用的研究，加强国际合作，完善相应的法律法规，加强自主创新，为温室气体排放问题的解决开辟新的空间。

［1］卞相珊.从国际气候谈判看中国低碳经济转型［J］.政法论丛，2011(3):21-27.

［2］中华人民共和国国务院新闻办公室.中国应对气候变化的政策与行动白皮书［EB/OL］.北京:中华人民共和国国务院新闻 办 公 室.(2008-10-29)［2012-03-10］.http://www.chinanews.com/gn/news/2008/10-29/1429540.shtml.

［3］刘嘉，李永，刘德顺.碳封存技术的现状及在中国应用的研究意义［J］.环境与可持续发展，2009(2):33-35.

［4］Global CCS Institute.The global status of CCS:2011［R/OL］.Canberra， Australia.2011 ［2012-03-11］. http://www.globalccsinstitute.com/publications/global-status-ccs-2011.

［5］HOLLOWAY S.An overview of the underground disposal of carbon dioxide［J］.Energy Convers，1997，38:193-198.

［6］JR FRANKLIN M O.Storage of carbon dioxide in geologic formation［J］.J Petroleum Technology，2004，56(9):90-97.

［7］ALPHEN K V，NOOTHOUT P M，HEKKERT M P，et al.Evaluating the development of carbon capture and storage technologies in the United States［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2010，14:971-986.

［8］ALEX T，ASHOK S.Enhanced gas recovery(EGR)and CO2storage for Alberta gas pools［R］.Alberta:Alberta Research Council Inc，2003.

［9］Statoil.The Sleipner area［EB/OL］.(2010-11-15)［2012-03-11］.http://www.statoil.com/en/OurOperations/ExplorationProd/ncs/sleipner/Pages/default.aspx.

［10］强薇，李义连，文冬光，等.温室性气体地质处置研究进展及其问题［J］.地质科技情报，2006，25(2):83-88.

［11］江怀友，沈平平，罗金玲，等.世界二氧化碳埋存技术现状与展望［J］.中国能源，2010，32(6):28-32.

［12］CAUSEBROOK R.China Australia geological storage of CO2project［R］.Australia:Geoscience Australia，2009.

［13］张东明，杨晨，周海滨.二氧化碳捕集技术的最新研究进展［J］.环境保护科学，2010，35(5):7-9.

［14］FU P.Status of and perspectives on CCS in China［R/OL］.Kyoto:Office of Global Environmental Affairs，Ministry of Science and Technology，China.2007［2012-03-12］.http://www.rite.or.jp/English/lab/geological/ccsws2007/3_ping.pdf.

［15］李桂菊，张军.二氧化碳捕获与地质封存项目进展及启示［J］.中外能源，2011，16(6):12-16.

［16］PetroChina Company Limited.CCS activities and developments in China［EB/OL］.(2007-09-10)［2012-03-12］.http://www.un.org/esa/sustdev/sdissues/energy/op/ccs_egm/presentations_papers/li_ccs_china.pdf.

［17］LIU H W，GALLAGHER K S.Driving carbon capture and storage forward in China［J］.Energy Procedia，2009，1(1):3877-3884.

［18］刘佳，孙雷，孔令新，等.CO2的捕获与埋存［J］.承德石油高等专科学校学报，2008，10(3):56-57.

［19］郭晨，孙娇鹏，赵凯，等.CO2地质处置探析［J］.硅谷，2009(17):4-5.

［20］江怀友，沈平平，李相方，等.世界地质储层二氧化碳理论埋存量评价技术研究［J］.中外能源，2008，13(2):93-99.

［21］任韶然，张莉，张亮.CO2地质埋存:国外示范工程及对中国的启示［J］.中国石油大学学报，2010，34(1):93-97.

［22］庞忠和，杨峰田，段忠丰.二氧化碳地质封存技术发展现状与展望［C］//第二届废物地下处置学术研讨会论文集，北京:中国岩石力学与工程学会，2008:479-492.

［23］李晓飞，陶茜.我国二氧化碳储存地质条件分析［J］.环境科技，2010，23(3):72-75.

［24］李小春，刘延峰，白冰，等.中国深部咸水含水层CO2储存优先区域选择［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(5):963-968.

［25］刘延峰，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):2947-2952.

［26］刘延峰，李小春，方志明，等.中国天然气田CO2储存容量初步评估［J］.岩土力学，2006，27(12):2278-2281. ▷