二氧化碳地质封存机理及泄漏监测

范卜凡 纪佑军 王力龙

（西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500）

0 引言

自21世纪以来，随着工业水平的发展，人类生产生活所产生的有害气体不断增加，这其中就包含了加剧全球“温室效应”的CO2气体。为了减少“温室效应”给自然生态系统和人类社会带来的影响，降低CO2的排放迫在眉睫[1]。CO2地质封存是目前公认的减少CO2排量最有效的措施，受到了各国政府与学者的高度重视[2]。据国际能源总署（IEA）统计，到2050年CO2地质封存将为全球CO2的减排计划做出19%的巨大贡献[3]。但是，CO2地质封存在降低CO2排量的同时也容易引发CO2泄漏、地层变形、诱发地震等地质灾害。因此，本文首先对世界CO2 地质封存的概况进行了调查，总结分析了目前该类项目的主要特点；其次，针对气体封存过程的泄漏模式与机理进行了总结，并对对未来进行CO2地质封存项目的泄漏风险评价提供指导方向。

1 CO2 地质封存概况

“CO2捕获与封存”基本原理是将化石燃料产生的CO2在进入大气之前将其捕获，通过管道运输将超临界状态CO2运移到合适的埋藏点进行封存。在CO2地质封存中，欧美国家起步较早，并开展了一系列封存项目，在所有封存项目中，封存规模最大的是Weyburn项目和In Salah项目。Weyburn是目前世界上CO2地质封存项目中年注入量最大的项目，每年将封存接近300万吨CO2, In Salah项目的年封存量也超过100万吨。我国CO2地质封存潜力巨大，可以容纳的CO2地质封存总量达到15000亿吨。

通过对国内外已经实施的CO2封存项目进行对比发现，现阶段的CO2封存项目主要具备以下特点：

①从封存规模上来看，依据二氧化碳年注入量可划分为工业级二氧化碳封存和实验室小规模二氧化碳封存。

②从封存目的来看，提高油气的采收率占据主要地位。

③从地区上来看，超60%的项目都集中在欧洲和北美。

④从封存位置来看，大部分都在濒临枯竭的油气藏进行。

2 封存机理

2.1 适合封存的场所

二氧化碳地质封存的储层主要有3 个：枯竭油气藏、深部咸水层和深部煤层。

①枯竭油气藏：CO2地质封存作为一项长期性工程，需要花费大量的人力和物力，为了保证一次性封存尽可能多的CO2，CO2的封存空间应当足够大，而枯竭油气藏恰好能够提供这样的空间。

②深部咸水层：咸水层不具备商业开采价值同时丰富的金属阳离子可以让大量的CO2以碳酸盐沉淀的形式永久封存。

③深部煤层：煤对CO2的吸附作用大约是对CH4的2倍，当CO2注入深部煤层时，CH4将从煤层的孔隙中被置换出来，CO2将被吸附在煤层的孔隙中。

2.2 封存机理

CO2地质封存有化学封存和物理封存两种封存机理。溶解封存、矿化封存、构造封存和残余封存四种封存方式。化学封存包括溶解封存和矿化封存，封存动力来源于CO2溶于地下水与金属阳离子的化学反应。化学封存能够让CO2以固体沉淀的形式永远封存在储层中，因此是最安全的封存方式，但这种封存方式持续时间长，通常需要上百年时间才能将CO2完全沉淀下来。物理封存包括构造封存和残余封存，封存的动力来源于孔隙水压、浮力驱动、盖层和背斜圈闭。物理封存能在短时间内将CO2封存在储层中，但这种封存方式稳定性较差，CO2容易沿裂、隙裂缝发生逃逸。四种封存方式的具体封存过程为

①溶解封存：随着CO2在孔隙中的扩散，CO2浓度将逐步下降，导致部分CO2不再发生运移，而是以溶解态的形式溶解在地下水中，溶解CO2的地下水将会生成碳酸。

②矿化封存：生成的碳酸将会与地下水中的Fe离子、Mg离子、等金属元素发生化学反应生成碳酸盐沉淀，这种化学反应将CO2以固体沉淀的形式永久封存在储层中。

③构造封存：在运移过程顺利的情况下，未溶解于地下水的CO2在自身浮力的作用下向上运移到达上覆盖层，在上覆致密盖层的垂直阻挡下被封存下来。

④残余封存：未溶解在地下水中的CO2在运移的过程中可能遇到孔隙很小的地方，受到毛细管力的作用，这部分CO2将会被吸附在孔隙中。

3 泄露及监测

3.1 二氧化碳泄漏机理

引发CO2泄漏的直接原因是构造作用和井壁损坏。

构造作用：构造作用形成的泄漏通道表现在以下几个方面。①裂隙的存在降低了盖层的连续性，使储层的封闭性下降。② CO2的连续注入导致地层压力不断增加，突破了盖层薄弱部分的承载力，从而诱发了潜在的裂缝。③诸如地震等地质构造活动可能会引起断层活化，导致封存的CO2大规模外泄。

井壁损坏：注入井壁附近的地层压力会随着CO2的注入而增大，由此导致井壁的机械疲劳损坏。

3.2 二氧化碳监测

泄漏的CO2会严重破坏周边区域的生态环境。为了防止CO2泄漏事故的发生，应当建立起有效的监测机制。CO2封存项目中的监测主要考虑以下3 个方面：

① CO2的运移流向；

②注入区域CO2含量的变化；

③注入区域农作物的长势；

监测通常分为3 个阶段：①封存前期监测，采集相关环境参数作为原始值。②注入期监测。③封存后期监测。通过采集注入期和封存后期的环境参数并与原始值进行对比，判断CO2是否被有效的封存在储层中。

近年来，无人机科技迅速发展，开始被各个行业使用，无人机遥感技术被普遍认为是新一代遥感技术。与传统监测技术相比，拥有无人机遥感技术的监测平台具备有便携、监测面积大、智能程度高等优点。在机上对收集到的信息进行实时处理还可以使监测数据的准确性进一步得到提升。

4 结论

CO2地质封存被提出以后，开展了大量的CO2地质封存项目并取的很好的效果。在枯竭油藏中的CO2 封存项目不但有效的封存了CO2还提升了油田后期的采收率。CO2的泄漏会给生态环境带来恶劣影响，虽然目前发生的泄漏事故比较少，但CO2封存是一个长达百年的过程，需要在不断深入研究泄漏机理的基础上开展长期的监测工作。