山西省二氧化碳捕集利用及封存(CCUS)技术应用选址初探

侯 丽 吴高峰 田晶晶 张彦欣 刘 静 张 翔 姜加伟 程尚增 裴 铸 牛亦航

(山西省煤炭地质资源环境调查院，山西 太原 030006)



山西省二氧化碳捕集利用及封存(CCUS)技术应用选址初探

侯 丽 吴高峰 田晶晶 张彦欣 刘 静 张 翔 姜加伟 程尚增 裴 铸 牛亦航

(山西省煤炭地质资源环境调查院，山西 太原 030006)

二氧化碳捕集、利用及封存(CCUS)技术广泛应用于温室气体CO2规模减排，目前国内外已开展大量CCUS技术示范项目，其现有地质封存选址标准存在不统一和量化度不高等问题，这对于大规模推广CCUS项目产生不利影响。山西省拥有丰富的煤炭及煤层气资源，是适宜开展CO2地质封存及驱替煤层气(CO2-ECBM)技术的主要区域，本文主旨为山西省开展CO2地质封存选址及建立CO2地质封存标准及政策提供基础依据。

二氧化碳捕集；利用及封存；二氧化碳地质封存；场地筛选

1 CCUS技术应用

1.1 CCUS技术应用背景

由于全球气候变暖，对生态系统和人类健康造成了严重的影响。研究表明，CO2排放量约占温室气体总量的64%[1]，是导致温室效应的最主要因素。减少CO2排放是控制温室效应的一种有效手段，目前已得到国际社会的认可。

中国政府在2015年巴黎国际气候大会上承诺：到2030年CO2排放达到峰值并争取尽早达峰，单位国内生产总值CO2排放量比2005年下降60%～65%。因此，我国面临的减排任务十分繁重。山西省是我国重要的煤炭能源大省，也是我国重要的煤化工基地，是典型的高碳经济省份，碳排放总量和份额均居全国前列，CO2减排势在必行。

二氧化碳捕集、封存及利用(CCUS)技术因具有大规模的减排CO2的潜力，已成为国际社会普遍接受的应对全球气候变化、控制温室气体排放的最有效手段之一。

1.2 CCUS技术介绍

CCUS技术利用废弃油气田、深部咸水层、不可开采煤层等地下空间封存CO2，发达国家投入大量政策、资金支持CCUS技术的试验、示范和应用研究。CO2地质封存技术是CCUS技术重要的组成部分，主要指将捕集到的高纯度CO2注入到选定的、安全的地质结构体中，通过各种圈闭机制将CO2永久性地封存在地下。目前CO2地质封存与利用主要有以下几个方面：将CO2封存于废弃的或枯竭的油田和气田、深部未被使用的咸水饱和岩层、深部不可采掘的煤层；利用CO2提高石油采收率(EOR)、提高煤层甲烷回收(ECBM)、增采页岩气(ESGR)、溶浸采铀(EUL)、增强地热系统(EGS)等多方面。

山西省拥有丰富的煤炭资源及煤层气资源，由于煤炭及煤层气资源利用技术相对落后，煤层气采收率低，CO2等温室气体排放量巨大。CO2地质封存及驱替煤层气(CO2-ECBM)技术，可以把CO2长期封存于深部煤层中，同时提高深部煤层气开发井的采收率，获得高效清洁的煤层气资源。山西省深部煤层处置CO2的潜力巨大，是CO2-ECBM技术开发应用的主要地区[2-3]。

1.3 CO2-ECBM技术发展现状

CO2-ECBM技术是一种新兴的CO2减排技术，该技术同时实现了煤层气产量的提高和CO2的埋藏。近年来，国内外CO2-ECBM产业发展迅速。

美国Coal-seq项目是世界上第一个也是迄今为止规模最大的CO2-ECBM现场试验项目[4]。该项目研究结果发现，煤层气产气量增加了150%，采收率达95%。该项目共封存CO2277kt。加拿大由ARC领导的“煤层气可持续发展计划”始于1997年，目前已完成了4个微型先导性试验。波兰TNO领导的CO2-ECBM技术研究项目于2001年开展，实施了两口井的实验。欧盟(EU)自2001年开始Recopol项目[5]。欧洲第一个在煤层中封存CO2的先导性试验示范项目，试验地点位于波兰，持续注CO2760t。目前，正在进行注入后的运移和封存监测研究。日本2004-2005年在北海道开展了CO2驱替煤层气现场试验研究[6]。

我国中联煤层气有限责任公司在山西沁水盆地南部成功实施了一口单井CO2-ECBM微型先导性试验。该项目证明在煤层中注入CO2可以提高煤层气的产量[7]。

2 山西省开展CO2-ECBM技术可选区域

2.1 区域选择依据

依据Bachu[8]提出的单级指标评价的盆地级选址评价方法，对多个盆地或盆地的不同区域进行盆地特征、储层特征以及社会经济等因素的研究、排序和筛选。在盆地级别上进行评估，大尺度评估一个沉积盆地封存CO2潜能的优劣，确定沉积盆地的适宜性；而后在此基础上对具体的封存场地进行更为详尽的挑选。沉积盆地中埋藏单元深度>800m；储盖层结合完整，盖层密闭性好；沉积盆地地层压力<静液压；处于地震不活跃地带，理想沉积盆地为克拉通盆地、前陆盆地；不存在明显断层结构；基础设施完善；场地距CO2排放源在经济距离内、地势及气候复杂度适宜、避开人口密集区等条件都是需要考虑的。

山西省CO2地质封存区的选定是一项涉及中长期发展战略的重要工作。主要涉及以下几个方面：一是我省CO2地质封存可用结构体的分布区域；二是我省中长期煤炭化工、钢铁电力、建材水泥这些CO2排放源的发展规划和分布区域；三是中长期煤炭生产发展规划和现阶段煤炭地质勘查、煤层气开发的《规范》和相关产业政策；四是具有较好的经济效益、社会效益和环境效益。

我省煤层开采现状：埋深在0～300米煤炭资源已被开采枯竭；300～600米煤炭当前正在开采，矿权设置已满；最大深度已达埋深800米，在煤炭开采层段内，不可能实施CO2封存；埋深800～1200米是当前勘查地带，煤炭资源做为开采后备资源，封存CO2的稳定期受到制约；埋深1200～2000米的煤炭资源是远景资源，近100年内不会加以开发，是适合CO2封存的较理想地段。

目前中国煤矿井的开采深度在1200m以浅。若在1200m以浅的煤层埋存CO2，则煤炭无法继续开采，造成巨大的资源浪费。Zuber[9]认为只有渗透率大于1×10-3μm2的地层才可以进行煤层气开发，而与其对应的深度极限值为1500m，因此，首先将CO2的埋存深度定为1200～1500m。另外，由于开发技术的进步，埋藏深度在1500m以深的煤层气资源可借助压裂手段提高渗透率，进而开发煤层气资源；但是煤层气的勘探进展缓慢，2000m以深的资源探明率极低(全国平均为9‰)，不具有商业化开发的潜力。因此，认为1500～2000m的煤层气资源是可开发利用的。借鉴文献经验[10、11]，认为埋深1500～2000m的煤层气无法用常规方法开采，但可利用CO2-ECBM采收煤层气和实现CO2的埋存，因此，CO2埋藏深度为1200～1500m和1500～2000m。

2.2 选区原则建立

结合上述几方面的工作内容，确定山西省CO2地质封存区的选区原则五项，具体内容如下：

(1)山西省沉积煤盆地的煤层气资源相对富集区；

(2)煤层埋深≥1200m以深的煤炭资源远景区；

(3)煤层气开发的规存区；

(4)距离工业经济相对发达的CO2排放源相对较近，便于CO2的捕集、运输和封存，同时也利于CO2在未来的资源化开发和利用；

(5)具有较好的安全环境，距离大中城市相对较远和较为稳定的区域工程地质条件。

2.3 山西省开展CO2-ECBM技术应用区域

山西省分布有大同、宁武、河东、太原西山、霍西五大煤田；零星分布的浑源、五台、繁峙、平陆、垣曲等若干煤产地。依据《山西省煤炭资源利用现状调查》(2011.9)全山西省查明资源储量2783.22亿t，保有资源储量2600.29亿t，预测资源量786.43亿t。

山西省煤层气赋存具有以下“得天独厚”优势：煤层气资源量丰富，在全国省区占优势。山西省煤层气资源分布集中于上述五大煤田，2000m以浅的煤层气资源量为8.31×1012m3。煤层气开发地质条件总体上优于其他省份，埋藏总体较浅，煤体结构完整，煤层可改造性较强，含气量总体较高。

其中，沁水煤田、河东煤田是我省主要的煤炭资源赋存区，前者位于山西省东南部，是山西省最大的煤田，后者位于山西省西部。其查明保有煤炭资源储量分别为878.19亿t和539.63亿t。另有预测埋深2000m以浅的潜在煤炭资源量分别为1954.43亿t和1304.15亿t。沁水煤田和河东煤田的煤层气资源总量占全省总资源量的93.4%。沁水煤田资源量为5.7万亿m3；河东煤田资源量为4万亿m3。

按照山西省煤炭资源空间展布情况及地质构造格局，煤层气资源分布与煤炭资源分布一致。其中，山西省沁水、河东煤田构造盆地中煤炭及煤层气可长期稳定保存，且勘察程度高、矿产资源开发较好。这两大煤田是构造相对稳定区域；储层物性好、空间大；封盖层物性稳定；含有封存所需地质圈闭；区域内钻探资料和施工基础设施相对完善。距离CO2排放源相对较近，距离人口密集区域相对较远，有较为稳定的工程地质条件，具有较好的安全环境。这些区域具备CO2-ECBM技术开展基础条件。

3 研究结论

本文以山西省自身的能源结构及利用现状、产业结构情况为基础，得出山西省适宜开展CO2-ECBM技术的区域有沁水煤田及河东煤田的深层煤赋存区，并应进一步开展相关研究工作。本次成果为山西省乃至中国现有的CO2地质封存示范项目选址工作提供基础依据，为大规模推广CCUS项目都产生积极影响。

[1]Bachu S，Adams J.Sequestration of CO2in geological media in response to climate change：Capacity of deep saline aquifers to sequester CO2in solution[J].Energy Conversion and Management，2003，44：3151-3175.

[2]吴建光，叶建平，唐书恒.注入CO2提高煤层气产能的可行性研究[J].高校地质学报，2004，10 (3)：463-467.

[3]侯丽.山西省二氧化碳捕集、利用与封存(CCUS)研究进展[J].低碳世界，2015(92)：160.

[4]Scott Reeves，Reinaldo Gonzalez，Satya Harpalani.Results，status and future activities of the coal-seq consortium[J].Energy Procedia，2009，1(1)：1719-1726.

[5]Pagnier，H.，van Bergen，F.CO2Storage in Coal：the RECOPOL Projeet.Presented at the First International Forum on Geologic Sequestration of CO2in Deep，Unmineable Coal seams，“Coal-Seq l”，Houston，TX，March 14-15，2002.

[6]Masaji Fujioka，Shinji Yamaguchi，Masao Nako.CO2-ECBM field tests in the Ishikari Coal Basin of Japan[J].International Journal of Coal Geology，2010，82(3-4)：287-298.

[7]叶建平，冯三利，范志强，王国强.沁水盆地南部注二氧化碳提高煤层气采收率微型先导性试验研究[J].石油学报，2007，28(4)：77-80.

[8]Bachu S.Screening and ranking of sedimentary basins for sequestration of CO2in geological media in response to climate change.Environmental Geology.2003.44：277-289.

[9]ZUBER D M，SAULSBERRY J L，SPARKS D P.DeVeloping and managing the reserVoir.In：A guide to Coalbed Methane ReserVoir Engineering[M].Chicago：Gas Research Institute，1996：1-28.

[10]于洪观.煤对CH4、CO2、N2及其二元混合气体吸附特性、预测和CO2驱替CH4的研究[D].青岛：山东科技大学，2005.

[11]FANG Zhiming，LI Xiaochun.A preliminary eValuation of carbon dioxide storage capacity in unmineable coalbeds in China[J].ActaGeotechnica，2014，9(1)：109-114.

Site Selection of Carbon Capture，Utilization and Storage Technology Application in Shanxi

HOU Li WU Gaofeng TIAN Jingjing ZHANG Yanxin LIU Jing ZHANG Xiang JIANG Jiawei CHENG Shangzeng PEI Zhu NIU Yihang

(Shanxi Resources and Environment Survey of Coal Geology，Taiyuan Shanxi 03006)

Carbon dioxide capture，utilization and storage (CCUS) technology is widely used in greenhouse gas CO2emission reduction.At present，a large number of CCUS technology demonstration projects have been carried out at home and abroad，and the Problem is existing geological storage site selection standard is not unified and quantitative，which for the large-scale promotion CCUS project adversely affected.Shanxi Province，which is rich in coal and CBM resources，is the main area suitable for CO2geological storage and enhanced coalbed methane (CO2-ECBM) technology，the main purpose of this paper is to site selection for CO2geological sequestration，establish CO2geological storage standards and policies provide the basis for Shanxi and China.

carbon capture；utilization and storage；CO2geological storage；site screening

侯丽，硕士研究生，工程师，从事环境保护、碳封存、节能减排方向的研究

侯丽，硕士研究生，工程师，从事环境保护、碳封存、节能减排方向的研究

X21

A

1673-288X(2016)06-0083-03

项目资助：中国清洁发展机制基金(2014056)

引用文献格式：侯 丽 等.山西省二氧化碳捕集利用及封存(CCUS)技术应用选址初探[J].环境与可持续发展，2016，41(6)：83-85.