CO2海底地质封存技术基础理论及现状分析

李文平

摘 要：全球面临气候变暖的严峻挑战，碳减排已成为国际上的共识和行动目标。CO2海底封存是实现CO2减排的重要途径之一，且潜力巨大。我国对碳封存技术研究起步较晚，加之海底封存研究空白，有必要推进CO2海底封存技术研究，开发海洋存储能力，加快推进碳减排，尽快实现碳中和。

关键词：CO2;海底封存;地质封存;碳中和

中图分类号：X511 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）28-0-03

Abstract： The world is facing the severe challenge of climate warming， and carbon emission reduction has become the international consensus and action goal. CO2 sequestration is one of the important ways to realize carbon dioxide emission reduction， and it has great potential. China’s research on carbon sequestration technology started late， and the research on seabed sequestration is blank. It is necessary to promote CO2 seabed sequestration technology research， develop marine storage capacity， accelerate carbon emission reduction and realize carbon neutralization as soon as possible.

Keywords： carbon dioxide;seabed storage;geological storage;carbon neutrality

政府間气候变化专门委员会在2007年发布的报告（AR4）中明确了全球气候系统变暖，温室效应受到国际社会的高度关注。其中CO2对温室效应贡献最大，占产生温室效应气体总量的55%[1-4]。《2020年全球气候状况》指出，自有数据记录以来，2020年是最暖的3个年份之一。控制和减缓CO2排放己经成为全球亟待解决的重点问题，且国际上为此做出了一系列努力。我国人口众多，CO2排放量非常大，作为国际上负责任的大国，我国积极响应《巴黎协定》，主动做出减排承诺并做好一系列工作，以提高国际形象，减小气候变化对我国乃至全球的危害。所以，深入研究有效对策来减缓CO2排放十分必要。

我国碳减排计划已经先后列入《国民经济与社会发展的第十一个五年规划》和《国民经济与社会发展的第十二个五年规划》。工业和信息化部的公开数据指出，2015年单位国内生产总值CO2排放量比“十一五”末降低了18%以上。可见，控制和减缓CO2排放已经取得一定成效。

现阶段，主要采用以下措施应对CO2减排问题：①控制温室气体排放;②提高能源利用效率;③生态系统吸附CO2;④CO2海洋处置;⑤CO2地质封存。早在20世纪70年代，国外就已经开始对碳捕集进行相关研究，随之产生了CO2捕集和封存（Carbon Capture and Storage，CCS）技术。CO2捕集、利用与封存（Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS）技术在CCS技术基础上增加了CO2利用一环，目前已经获得了国际上的普遍认同。我国结合实际情况，自2006年起出台CCUS技术相关政策。近年来，在生态环境部、科技部及发改委等部门的共同推动下，CCUS政策及技术逐步完善。目前，我国碳减排已呈现出良好的发展势头，笔者仅针对CO2海底地质封存进行研究。

1 CO2海底封存技术

CCUS是指将CO2从工业过程、能源利用或大气中分离出来，直接加以利用或注入地层以实现CO2永久减排的过程，如图1所示[1]。CO2封存是指通过工程技术手段将捕集的CO2注入深部地质储层，实现CO2与大气长期隔绝[1]，即将CO2压缩液注入地下岩石构造中。CO2封存主要分为两大类，即陆地封存和海洋封存。

CO2封存地点通常是含流体或曾经含流体的多孔岩石构造。在沿岸和沿海的沉积盆地中多存在这种合适的封存构造。深部咸水层是含地下水的、可渗透的多孔介质，可存储量丰富，且广泛分布于世界各地。因此，相对于煤气田和油田而言，深部咸水层具有更佳的封存潜力和前景。海底地质结构作为陆地地质结构的延伸，远离蓄水层，表层有海水压力和阻隔，又有岩石盖层。因此，CO2可封存在海底地质结构中。

CO2海底地质封存技术是将CO2封存到海底以下的地层储存体中。大体过程是将集中捕集的CO2加温加压到超临界状态，将形成的高密度流体注入海底深层有不透水层阻隔的地质结构中，并使CO2无法进行横向迁移和侧向迁移。CO2海底地质封存的地质体主要是废弃的油气田和深部咸水层。CO2的临界点温度为31.4 ℃，压强为7.38 MPa。当温度和压强均高于上述数值时，CO2将以超临界状态存在，形成一种高密度流体，兼具气体和液体的双重性质。这种高密度流体的黏度比液体时小两个数量级，超易流动，密度远大于自身气态的密度，有利于地质封存。

2 CO2海底地质封存的可行性及发展前景

在国际上，中国具有CO2海底封存权。2006—2007年，正式通过的《1972伦敦公约〈1996议定书〉》表明第一个关于CO2海底地质封存的国际法规体系完成。附件I的修正案明确了中国“获得CO2海底封存权”。

在咸水层进行CO2封存是切实可行的，同时具有广阔的发展前景。美国、加拿大、挪威等国家开展了较多的CO2海底封存研究与实践，证明CO2海底封存具有经济和技术上的可行性。MARCHETTI C首次提出了CO2海底封存的设想[5]。在Perspective栏目中，ORR F M对近海岸地质封存方法进行了详细介绍[6]，SCHRAG D P对离岸沉积的封存方法进行了详细描述[7]。通过对北海CCS的分析，HASZELDINE R S认为海底地质封存相比陆地地质封存有可能更加可靠，且更加容易监控[8]。SCHRAG D P认为，未来CO2地质封存的首要选择可能是海底封存[7]。一方面，海底地质封存的压力管理过程比陆地地质封存容易。陆地封存技术是在不提取咸水的情况下直接注入大量CO2，极易导致原有地下压力失衡，不仅会造成后续注入速率减慢，降低总的封存容量，而且会大大增加CO2泄漏的危险性。而海底地层中的孔隙流体与海水的化学组成接近，通过抽取地层水就可以释放压力，避免了陆地地质封存压力失衡导致的一系列问题。排水井也可用于CO2的运移和监控。另一方面，海底地质封存相比陆地地质封存对盖层封闭性要求更低。海底地质封存有一个天然的海水盖层，若CO2泄漏，可以避免其直接排放到大气中。同时，海水压力能够使封存的CO2在地下具有更高的稳定性。

我国有关学者开展了一系列研究CO2海底封存的工作，首次提出了“陆上实验、海底封存”[9]。2006年，巢清尘等系统介绍了CCS概念、流程、对我国能源和经济的影响等问题[10]。张振冬等总结了国内外主要开展的CO2封存项目，剖析了CO2海底封存技术的优缺点，研究了我国CO2海底封存研究进展[9]。李洛丹系统概括了CO2海洋封存技术的进展，介绍了2种封存方式的研究现状和技术水平，探讨了可能给海洋生态环境造成的影响[11]。秦长文等[12]分析了国内外各种CCS示范工程，提出了我国南方近海海域具有CO2封存的广阔前景。王小林[13]介绍了CO2海底封存存在的风险及可能会对环境造成的影响，并从国际法的层面讨论了CO2海底封存与国际海洋环境保护问题。我国国家海洋局始终密切跟踪国际前沿海底CO2封存技术和管理方法，于2008年开展了“中国CO2海底封存能力评估与风险控制技术预研究”工作，为CO2海底地质封存提供了战略决策和管理技术。

近几年的研究结果表明，CO2海底封存具有一定的技术可靠性和经济可行性。在CO2海底地质封存方面，我国尚处在可行性研究阶段。中国已投运或建设中的CCUS示范项目约为40个，捕集能力300万t/a，缺乏大规模的多种技术组合的全流程工业化示范项目[1]。碳中和目标下，中国CCUS减排需求为2030年0.20亿～4.08亿t，2050年6.0亿～14.5亿t，2060年10.0亿～18.2亿t[1]。

3 结语

综上所述，随着国际碳减排任务的推进，作为国际上负责任的大国，我国主动做出减排承诺。在国家“双碳”的目标下，CCUS技术是碳中和不可或缺的一环，而CO2海底地质封存在其中占有重要地位。在我国CCS和CCUS技术起步较晚的情况下，需要跟踪和研究国外先进CO2海底地质封存关键技术，加强国际合作与交流，为我国开展CO2地质储存工程提供技术依据。

参考文献：

[1]蔡博峰，李琦，张贤，等.中国二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）年度报告（2021）：中国CCUS路径研究[R].生态环境部环境规划院，中国科学院武汉岩土力学研究所，中国21世纪议程管理中心.2021.

[2]胡明强.基于难溶碳酸盐沉淀形成的海水封存二氧化碳研究[D].济南：山东大学，2011：54.

[3]周泽兴.火电厂排放的分离回收和固定技术的研究开发现状[J].环境科学进展，1993（3）：19-24.

[4]HOUGHTON J，DING Y，GRIGGS D J，et al.Climate change 2001：the scientific basis[M].Cambridge：Cambridge University Press，2001：23.

[5]MARCHETTI C.On geoengineering and the CO2 problem[J].Climatic Change，1977（1）：59-68.

[6]ORR F M.Onshore geologic storage of CO2[J].Science，2009（5948）：1656-1658.

[7]SCHRAG D P.Storage of carbon dioxide in offshore sediments[J].Science，2009（5948）：1658-1659.

[8]HASZELDINE R S.Carbon capture and storage：how green can black be？[J].Science，2009（5948）：1647-1652.

[9]张振冬，杨正先，张永华，等.CO2捕集与封存研究进展及其在我国的发展前景[J].海洋环境科学，2012（3）：456-459.

[10]巢清尘，陈文颖.碳捕获和存储技术综述及对我国的影响[J].地球科学进展，2006（3）：291-298.

[11]李洛丹，劉妮，刘道平.CO2海洋封存的研究进展[J].能源与环境，2008（6）：11-13.

[12]秦长文，肖钢，王建丰，等.CO2地质封存技术及中国男方近海CO2封存的前景[J].海洋地质前沿，2012（9）：40-45.

[13]王小林.二氧化碳海底封存与国际海洋环境保护法[J].学术论坛，2010（11）：152-156.

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