碳中和约束下新疆塔里木、准噶尔、吐哈盆地CO2 理论储存潜力评估

2021-11-22师庆三

环境与可持续发展 2021年5期

师庆三

(新疆阿勒泰地区生态环境局，阿勒泰 836500)

2020 年9 月22 日，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上的讲话中提出“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和”[1]。2020 年12 月12 日，习近平总书记在气候雄心峰会上宣布“到2030 年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005 年下降65%以上”[2]，提出了确切的二氧化碳减排指标。因此，迫切需要以安全有效可持续的方式和速度减少人类活动中的CO2排放强度，减缓大气中CO2浓度的增加趋势。二氧化碳捕集、利用与封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)技术是将点源大规模排放的CO2进行收集，在用于地层深部驱油、驱水的同时，将其长期封存到深部地层，从而实现温室气体减排。CCUS 被认为是最重要的碳中和技术之一[3]。

新疆地区拥有巨大的煤炭储量，拥有大量的火力发电厂、炼油厂、煤化工行业、水泥行业和钢铁行业，均为高CO2源。随着西电东送项目的实施，未来会有更多的火力发电设施兴建，CO2的排放量会增加，有利于实施CO2捕集。同时，新疆地区幅员辽阔，区内拥有全国最多的储油盆地:(1)塔里木盆地，位于天山山系与昆仑山系之间，轮廓呈菱形，是全封闭性内陆盆地，属于内陆干旱盆地，盆地面积约56×104km2；(2)准噶尔盆地是中国第二大盆地，位于天山山系与阿尔泰山系之间，大致呈三角形，面积约13×104km2；(3)吐哈盆地，面积约5.35×104km2。总体而言，新疆地区CO2地质封存地区人口较少，封存风险较小，CO2封存潜力巨大已成共识[4]。但新疆地区地质CO2封存的主要方式有哪些，封存的理论潜力究竟有多少，如何计算，尚没有相对统一的计算模式下的评估。本研究利用相对统一的国际公认的方法，对新疆地区三大盆地的CO2封存理论潜力进行了评估，可为新疆乃至全国碳中和的碳汇途径提供对比参考。

1 CO2 地质储存潜力的评估类型

对二氧化碳地质储存潜力进行分类可以用McCabe(1998)提出的资源金字塔模型，根据评估的目的不同可分为四类:理论储存潜力容量、有效储存容量、实际储存容量和匹配储存容量。(1)理论储存潜力容量是理论最大上限值，但是在实际情况下由于储层条件、技术、政策措施和经济方面的限制将阻碍理论储存能力的完全使用，因此该储能评估值并不完全准确。(2)有效储存容量是从技术层面(包括地质和工程因素)上考虑了储层性质(包括渗透率、孔隙度和非均质性等)、储层封闭性、储存深度、储层压力系统及孔隙体积等因素影响的储存量，它是理论储存量的子集。(3)实际储存容量表示考虑到技术、法律及政策、基础设施和经济条件等因素影响的储存量，它是有效储存量的子集。(4)匹配储存容量表示考虑到二氧化碳注入能力和供给能力等因素影响的储存量，它是实际储存量的子集，这种储存量相当于矿业资源评价中的可采储量。本次仅计算理论储存潜力容量[5]。

2 新疆三大盆地理论储存CO2 方式及计算方法

理论上讲，新疆的三个主要盆地范围内的盆地储存CO2方式主要包括:(1)油藏CO2地质储存潜力；(2)气藏CO2地质储存潜力(3)深部咸水层CO2地质储存潜力；(4)深部煤层CO2地质储存潜力。这几种储存模式在美国和欧洲都已有成功的案例。

本次对新疆三大盆地二氧化碳地质储存的潜力评价，是在分析新疆地区三个主要盆地油气田储、盖层组合的基础上，对适宜的储、盖层组合系统以及岩层物理性特征等进行分析描述，根据相应的计算原则和公式进行理论储存潜力容量评估。本次评估主要采用碳封存领导人论坛和美国能源部推荐的公式。

2.1 衰竭油藏的理论储存量计算方法

新疆蕴含着丰富的油气能源，拥有许多大、中、小型油气田，其地质条件基本符合二氧化碳的封存条件。有些油田面临枯竭，产生的经济效益很少，但是这些油藏的地质条件已经被详细调查过，很多都具有封存条件，这样不仅省去了地质调查成本，而且还能对枯竭油藏进行二次利用。

美国能源部(USDOE，United States Department of Energy)、欧盟(European Commission)及碳封存领导人论坛等部门和组织的相关研究人员对二氧化碳在已枯竭油藏的理论储存潜力的计算方法进行了深入研究。本次计算采用碳封存领导人论坛的计算方法，其基本原理为二氧化碳被注入衰竭油藏中直到储层压力恢复到原始储层压力，即油气采出所让出的空间都用于二氧化碳的储存[5－6]。具体计算公式如下:

式中，MCO2to为二氧化碳在油藏中的理论储存量，106t；ρCO2r为二氧化碳在油藏条件下的密度，kg/m3；N为原油储量，109m3；ER为原油采收率，%；Bo为原油体积系数，m3/m3；Viw为注入油藏的水量，109m3；Vpw为从油藏产出的水量，109m3。

2.2 二氧化碳提高石油采收率理论储存量计算方法

美国是采用利用二氧化碳提高采收率技术最多的国家。美国经验表明，所注入的二氧化碳大约有40%的量被采出。美国能源部在利用二氧化碳提高石油采收率时，油藏中的理论储存量应用以下两个方程进行计算[7－8]:

在二氧化碳突破之前:

在二氧化碳突破之后:

式中，MCO2to为二氧化碳在油藏中的理论储存量，106t；ρCO2r为二氧化碳在油藏条件下的密度，kg/m3；N为原油储量，109m3；Bo为原油体积系数，m3/m3；ERBT为二氧化碳突破之前原有的采收率，%；ERHCPV为注入某一烃类孔隙体积(HCPV)二氧化碳时原有的采收率，%。考虑到注入水、采出水和溶解储存问题等，相关公式均有改进。

2.3 二氧化碳在气藏中储存潜力的计算方法

二氧化碳在气藏中的理论储存量计算方法与在油藏中类似，碳封存领导人论坛提出，在气藏中二氧化碳的理论储存量[8－9]可以用以下公式计算:

式中，MCO2ts为二氧化碳在气藏中的理论储存量，106t；ρCO2r为二氧化碳在地层条件下的密度，kg/m3；G为原始天然气地质储量，109m3；ERg为天然气的采收率，%；FIG为注入气体分数，无量纲；Ps为地面条件下的压力，MPa；Ts为地面条件下的温度，K；Zs为地面条件下的天然气气体偏差因子，无量纲；Pr为油藏条件下的压力，MPa；Tr为油藏条件下的温度，K；Zr为油藏条件下的天然气气体压缩系数，无量纲。

2.4 二氧化碳在深部盐水层中储存潜力的计算方法

深部盐水层构造地层储存中的二氧化碳储存技术与在枯竭油气藏中的储存技术十分类似。但通常认为，二氧化碳在深部盐水层中的储存潜力计算更加困难，因为人们对盐水层具体信息的了解更加缺乏。盐水层不像淡水层，它具有非常有限的商业价值，所以获得这些资料要消耗更多经费和时间。

国际上有许多国家和组织以及研究人员对二氧化碳在深部盐水层中的储存潜力进行了计算，并提出了许多计算方法。为保证标准统一，采用美国能源部的计算方法[10－11]。

式中，MCO2ts为二氧化碳在深部盐水层中的理论储存量，106t；ρCO2r为在地层条件下二氧化碳的密度，kg/m3；A为深部盐水层所在盆地的面积，km2；H为盐水层厚度，m；Φ为深部盐水层掩饰的孔隙度，%。

2.5 二氧化碳在煤层中储存潜力的计算方法

二氧化碳在煤层中的储存主要是通过煤层对二氧化碳的吸附来实现的。由于在不同压力下，煤层对二氧化碳的吸附量要比煤层气(甲烷)大得多，所以利用煤层对二氧化碳和煤层气吸附能力的差异，实现二氧化碳排替甲烷，可获得更多的甲烷。这就是二氧化碳提高煤层气采收率技术(CO2—ECBMR)，同时也封存了二氧化碳。煤层中二氧化碳储存技术目前仅处于论证阶段的工艺技术(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC，政府间气候变化专门委员会，2005)。

碳封存领导人论坛认为在气体已被煤层吸附的情况下，煤层中的理论储存量计算公式通常为[12－13]:

式中，MCO2tc为二氧化碳在不能开采煤层中的理论埋存量，106t；ρCO2s为二氧化碳在标准压力和温度条件下的密度，kg/m3，通常等于1.977t/m3。IGIP为煤层中原始气体(甲烷气体)的地质储量，106m3。

2.6 计算说明

在前述公式中，每一个公式的参数又被扩展为一个新的公式，例如公式6 中煤层中原始气体(甲烷气体)地质储量(IGIP)由下式计算[5，12]:

式中，A为煤层盆地的表面积，km2；H为煤层的累计厚度，m；nc为煤的密度，t/m3，通常取1.4t/m3；fa为煤中的灰分占煤的质量分数，%；fm为煤中的水分占煤的质量分数，%；Gc为煤层气体含量(吸附量)，m3(气)/t(煤)。

而公式7 中Gc(煤层气体含量)由Langmuir等温吸附公式计算获得:

式中，VL为Langmuir 体积，即给定温度下煤层的最大气体吸附量，m3/t；PL为Langmuir 压力，即最大气体吸附量时煤层中的压力，MPa；P为当前煤层中的压力，MPa。

3 结果与讨论

3.1 新疆三大盆地CO2 地质储存主要参数

理论上讲，新疆的三个主要盆地范围内的整个油气储层、深部咸水层、深部不可采煤层都可以进行二氧化碳地质储存，公式1～公式5 及参数扩展计算公式相对繁杂、参数众多，主要通过公开的论文资料和部分内部资料数据计算[14－46]。因个别盆地缺少地层延展、断层断裂发育、矿产开发利用的详细资料，故进行了宏观估算。参见表1。

表1 新疆三大盆地CO2 地质封存主要参数

3.2 计算结果

计算结果主要用于在相同公式、统一标准计算下的宏观对比分析。计算、分析得出新疆CO2储存潜力估算，见表2。

表2 新疆塔里木、准噶尔、吐哈三大盆地CO2 理论储存潜力评估

3.3 讨论

以上计算分析表明，本次计算评估偏重于宏观地分析新疆三大盆地总的CO2理论存储潜力，这里的理论储量相当于预测远景储量。通过计算三大盆地油藏、气藏、深部咸水层、深部煤层的CO2理论储存潜力，在不同盆地和类型中构建框架和体系。而与其他研究人员的前期研究相比，由于数据资料和计算公式的不同，结果有不同程度的差异。例如，库力孜那(2016)对吐哈盆地CO2的D 级预测总量为44×108t，仅相当于本次理论潜力评估的十分之一；冯伟(2015)对塔里木盆地构造CO2储存潜力的评估值为496.18×108t，偏差约为本次评估的40%。不同研究人员的评估等级不同，类型也不同。因此，本次评估与其他研究缺乏对比性。

从表2 看，新疆塔里木、准噶尔、吐哈三大盆地CO2理论存储潜力评估总值为4875.73×108t，其中塔里木盆地为3254.77×108t，占据了66%。但其周边CO2源相对较少，使其作为碳汇的适宜性、匹配性降低。准噶尔盆地为1166.42×108t，位居第二，占比24%，但是新疆的主要经济区域——天山北坡经济带位于准噶尔盆地周边，具有最好的碳源—碳汇匹配性。吐哈盆地相对占比10%，周边也有一些工业区，具有一定的匹配性。

从类型上看，深部咸水层具有最大的潜力，但其经济价值不高，目前不具有开发优势。如果能从深部咸水层中提取高价值矿物资源，则具有CO2储存的应用前景。利用CO2驱油技术进行CO2储存的同时采集油气藏，是目前技术上相对成熟且具有经济价值的方法。深部不可采煤层的CO2驱动CH4在理论上具有优势，但在技术上还需要进行更多的投入。

就目前来说，CO2储存是规模化减排最有效的手段之一。但这只是CCUS 中的一个环节，还需要在整体上开发利用该技术，实施优势产业部门的CCUS 技术集成。新疆作为一个以高碳能源为主的资源依赖型地区，依托新疆的煤炭、石油和天然气矿产资源优势，实现了经济发展，但同时也存在能源消耗量大、人均碳排放量高等问题。随着经济的增长、工业化的加快和人口的不断增加，能源消费和二氧化碳排放量也将会持续增长。作为欠发达地区，无论是为应对气候变化，还是积极响应国家总体发展战略，发展低碳经济势在必行。新疆是我国实施西部大开发战略的重点区域，中央新疆工作座谈会以来，新疆形成了全面建设、全面开放、全面发展的经济格局，但在经济发展的同时也带来了生态环境问题，CCUS 技术的出现为新疆解决生态环境问题提供了一条切实可行的途径。新疆在CCUS 技术实施方面具有很大的潜力，碳源、碳汇和运输等条件都适宜新疆实施CCUS 技术。

从CCUS 技术的发展历史来看，CCUS 整体化、规模化实施还需要国家的相关政策配合，需要跨产业部门的技术集成与工业化CCUS 技术，以及投融资政策、财税政策、生态环境管理、安全管理等配套政策的支持。