二氧化碳地质储存潜力评价综述

杨文慧，师庆三

（新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐830000）

二氧化碳地质储存潜力评价综述

杨文慧*，师庆三

（新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐830000）

借鉴国外CO2地质储存潜力与适宜性评价工作程序，在充分考虑复杂的地质背景、CO2地质储存研究现状等因素的基础上，讨论了地质封存，深部咸水层、枯竭油（气）田、玄武岩含水层、深部煤层封存技术选型、储存容量和试验与模拟技术等研究现状，以及我国二氧化碳地质储存面临的问题进行了讨论。

二氧化碳；地质储存；潜力评价

1　概述

人类的工业化快速发展是导致大气中CO2浓度增加的主要原因。国际能源署估计，到2030年，化石燃料将占能源发电的30%，这使得CCUS技术成为全球能源低碳化的一个重要工具。国际能源署、欧盟和联合国政府间气候变化专门委员会指出，到2050年为遏制全球气温上升，碳减排目标的1/5都要靠CCUS技术来实现［1］。如果人类不采取减排措施，全球的平均气温升幅很可能将超过2℃，这将会导致全球气候发生灾难性和不可逆转的破坏。因此，采取减缓气候变化的措施势在必行，其核心是减少二氧化碳的排放［2］。

2　地质储存条件

二氧化碳地质储存（Carbon Dioxide Geological Storage，CGS），是将从集中排放源中（发电厂、钢铁厂等）分离得到的二氧化碳，注入到地下深处具有适当封闭条件的地层中隔离起来。该技术的目的就是把二氧化碳归还原位——地下深部，具有储存容量大、埋存时间长、可利用成熟技术等特点，是二氧化碳捕集与封存技术中最关键的环节。

要实现CO2地下永久埋存需要满足一定的地质条件：埋存空间的大小和有效性，埋存体及周边地层和构造的稳定性、盖层或隔水层的封闭性以及合理的水文和流体运移系统。以达到一定量的储存效果和防止次生灾害，因此该技术对地质储存体有严格的条件要求［3］。此外，还需要尽可能少的潜在的渗漏风险以及比较完善的基础设施建设等。

二氧化碳在地下埋存有3种基本形式：（1）分子状态，二氧化碳被注入储层后，在浮力作用下，上升至盖层之下，并逐渐扩散形成二氧化碳储层；（2）溶解状态，随时间的推移，二氧化碳逐渐溶解于地层水中，溶解的速度由二氧化碳与地层水接触的表面积控制。国外模拟研究表明，在25年时间里，将有大约10%～25%的二氧化碳溶解于水中，而完全溶解则需要几千年的时间［2］。溶解后的二氧化碳以溶解态的方式通过分子扩散、分散和对流进行运移，极低的地层水运移速率确保了二氧化碳在地层中的长期（地质时间尺度）封存；（3）化合物状态，注入的二氧化碳在地层温度、压力下，与地层矿物发生反应生成化合物，从而得到封存。模拟研究表明，大部分的二氧化碳是以分子状态（自由气）储存在岩石孔隙中，有可能封存上万年［2］。

3　全国CO2地质储存潜力与适宜性评价研究阶段划分

全国CO2地质储存地质工作是一个分阶段、循序渐进式的专业技术工作，在充分考虑我国复杂的地质背景、CO2地质储存研究现状等因素的基础上，将全国CO2地质储存潜力与适宜性评价工作划分为5个阶段：第一阶段为区域级预测潜力评价阶段，第二阶段为盆地级推定潜力评价阶段，第三阶段为目标区级控制潜力评价阶段，第四阶段为场地级基础储存量评价阶段，第五阶段为灌注级工程储存量评价阶段。按评价精度由低到高，依次分称CO2地质储存潜力与适宜性评价E、D、C、B、A级（表1）。

4　地质封存技术

表1　中国CO2地质储存潜力与适宜性评价地质工作阶段划分及各阶段工作的目的与任务

地质封存技术是直接把CO2注入地下适当地质构造并使其永久封存的技术。目前，适于注入CO2的地质构造包括深部咸水层构造、枯竭油气田、玄武岩含水层、深部煤层。其封存机理为储层的物理和地球化学俘获机理［4］，具体包括物理隔离作用、水力学机理、化学捕获机制等3个方面［5］。

深部咸水层构造为富含高浓度盐水的沉积岩，由于其地下水矿化度较大，不适合作为饮用水，却是封存CO2的有利场所。二氧化碳在水中有一定的溶解度，而且可以与盐水、围岩发生反应，增加埋存量。为了减少在盐水体中埋存二氧化碳的不确定性，还需要做很多的工作，包括矿场实验、动态模拟以及监测。美国有不少相关研究项目正在进行中，主要包括以下内容：试验场所地质评估、基于地震及钻井的储层和盖层评价、注入和监测系统的设计、风险评价、经济性评价。一般来说，CO2在深部咸水层构造的封存深度至少应在800m以下，以确保CO2处于超临界状态（其密度大约为500～800kg/m3），这种状态既有效利用了地下封存空间，又改善了封存的安全性［6］。

油气藏本身具有良好的封闭性，可以长时间封闭油气，因此注入二氧化碳后，泄露的风险最小。油气藏已具备生产井和注入井，投资也较小。利用注入气体提高油气采收率已有很长时间。注入二氧化碳提高油气藏采收率的机理已基本清楚：降低原油粘度、改善油水流度比、使原油膨胀、萃取和汽化原油中的轻质烃、混相效应、分子扩散作用、降低界面张力、提高渗透率、溶解气驱等［7］。美国拥有充足的二氧化碳气藏，开展了大量的注入二氧化碳提高采收率的项目，并取得了很好的经济效益。由美国国家实验室、教育机构、石油公司联合实施的GEO-SEQ项目就是其中之一［7］，其研究内容有4个：费用优化、动态监测技术、特性评估模型、容量评价，其目标是得到既高效埋存二氧化碳又提高油气藏采收率的方法。

玄武岩是地球上最活跃的岩石类型之一，富含Ca、Fe、Mg等二价金属离子，易与CO2的反应生成稳定的碳酸盐矿物。当把CO2注入玄武岩含水层时，CO2溶解在地下水中，地下水pH值下降，大量的化学耦合反应随之发生，玄武岩开始溶解。而玄武岩的溶解过程不仅使地下水的酸性得到中和，同时生成稳定的碳酸盐矿物沉淀，从而实现永久封存CO2。玄武岩的封存机理使得CO2封存工程潜在的健康、安全以及环境风险降到最低。目前，只有冰岛和美国有小型示范项目［6］。

煤层表面可以吸附注入的二氧化碳，不仅保存了二氧化碳而且可以置换出煤层中的甲烷，由此带来的经济效益也是巨大的。由于煤层具有较大的内表面积，与等效体积的天然气藏相比，煤层可以储存几倍的二氧化碳［2］。目前，在全球范围内，注入二氧化碳强化开采煤层甲烷的实验项目仅有几例，实验结果表明该项目具有巨大的潜力。研究人员正试图建立数学模型来描述煤层的吸附现象，然后综合利用数学模型和实验进行煤层动态模拟，评价注入二氧化碳或烟道气强化甲烷生产的潜力，下一步将引入计算机模拟来评估其经济及技术可行性［2］。

5　地质埋存潜力评价

国外已经开展了有关二氧化碳在地质储层中埋存潜力的研究［2］，但研究方法和准确程度有很大差异。有的只是粗略地估计全球范围内大致的埋存量，有的试图详细计算盆地或勘探级别目标区的储存容量。开展此项研究的主要目的之一是为了得到埋存量的一个大致的范围，并以此为依据进行政策性的指导。

综合分析中国主要沉积盆地的相关地质、地层岩性及其物理性质、地温梯度、沉积厚度等资料，采用碳埋存领导人论坛（Carbon Sequestration Leadership Forum，CSLF-T-2007-04）推荐的CO2理论地质储量的计算方法，分别计算主要沉积盆地不同储存介质中的CO2地质储存容量。深部咸水含水层CO2地质储量占总储量的98.1%；油田CO2地质储量占总储量的0.4%；天然气田CO2地质储量占总储量的1.2%；煤层气田CO2地质储量占总储量的0.3%。我国沉积盆地深部咸水含水层为最主要的CO2地质储量场所［7］。尽管深部咸水含水层的理论地质储存容量巨大，但是煤层气盆地、油气田由于具有良好的封闭条件、丰富的油气和煤炭资源、先期开发程度高和较好的基础设施，而且在储存CO2的同时可以增加油气资源的开采量，从而降低CO2地质储存的成本。因此，需要对不同介质的CO2储存适宜性进行评价。

从表2可以看到，最具有埋存潜力的场所是深部咸水层，可以提供多至5倍于二氧化碳排放量的容积，但不确定性也最大。枯竭的油气藏可以提供45%的容量，煤层的容量最小。表2中的研究数据出自20世纪90年代初期，要得到更准确的数据仍需进一步的研究。

表2　全球不同埋存场所的容量估计［2］

6　结论

（1）适于注入CO2的地质构造包括深部咸水层构造、枯竭油气田、玄武岩含水层、深部煤层等各有优缺点，实施CO2地下地质埋存的减排处理，是减缓温室效应最现实的选择。

（2）要实现CO2地下永久埋存需要满足一定的地质条件，以达到一定量的储存效果和防止次生灾害。二氧化碳在地下埋存的基本形式包括分子状态、溶解状态、化合物状态，研究表明大部分的二氧化碳是以分子状态（自由气）储存在岩石孔隙中，有可能封存上万年。

（3）借鉴国外CO2地质储存潜力与适宜性评价工作程序，综合分析中国主要沉积盆地的相关地质、地层岩性及其物理性质、地温梯度、沉积厚度等，对于不同的存储介质，如煤、石油、天然气或咸水，由于其本身物理化学性质存在较大的差异，因此在存储CO2时，要根据CO2与存储介质的差异性分类考虑、重点研究。

根据以上资料分别计算主要沉积盆地不同储存介质中的CO2地质储存容量。最具有埋存潜力的场所是深部咸水层，尽管深部咸水含水层的理论地质储存容量巨大，但是煤层气盆地、油气田由于具有良好的封闭条件、丰富的油气和煤炭资源、先期开发程度高和较好的基础设施，而且在储存CO2的同时可以增加油气资源的开采量，从而降低CO2地质储存的成本。

［1］ GUNTIS M.Special Report Chanced Oil Recovery［J］.Oil&Gas Journal，2002，4（15）：63-671.

［2］谷丽冰，李治平，侯秀林.二氧化碳地质埋存研究进展［J］.地质科技情报，2008.

［3］IPCC.Intergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）Special Report—Carbon Dioxide Capture and Storage［R］.2005.

［4］张鸿翔，李小春，魏宁.二氧化碳捕获与封存的主要技术环节与问题分析［J］.地球科学进展，2010.

［5］王建秀，吴远斌，于海鹏.二氧化碳封存技术研究进展［J］.地下空间与工程学报，2013.

［6］刘一江.聚合物和二氧化碳驱油技术［M］.北京：中国石化出版社，2001.

［7］范基姣，贾小丰，张森琦，郭建强，金晓琳，刁玉杰，李旭峰，张徽.CO2地质储存潜力与适宜性评价方法及初步评价［J］.水文地质工程地质，2011.

P591

A

1004-5716（2016）06-0174-04

2015-06-18

2015-06-19

杨文慧（1984-），女（汉族），山东菏泽人，新疆大学地质与矿业工程学院在读硕士研究生，研究方向：造山带、火山岩与成矿。