CO2地质利用与封存的关键技术清单

魏 宁，刘胜男，李小春，张 贤，贾国伟，魏 凤，胡元武

(1.中国科学院 武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点试验室，湖北 武汉 430071；2.中国21世纪议程管理中心，北京 100038； 3.中国科学院 武汉图书情报中心，湖北 武汉 430071)

0 引 言

CO2捕集、利用与封存(CCUS)是目前实现大规模化石能源零排放的重要技术选择，是未来电力、钢铁、水泥和化工行业的主要碳减排手段[1-5]，预计到2070年，全球上述4个行业的累计碳减排贡献度分别可达15%、37%、50%与22%[6]。世界主要发达国家的碳中和路径中均包含了CCUS技术[7-9]，并出台了一系列激励政策，如美国的45Q法案。全球范围内大规模CCUS项目数量不断增加[10]，CCUS已进入商业初期阶段，减排规模约4 000万t/a，规模化(百万t/a以上规模)与集群化发展趋势非常明显[10]。自2004年以来我国多部委制定并发布了10余项相关国家政策和发展规划[11-12]，有序推进CCUS技术研发和应用示范，并开展了广泛的国际合作。目前已建成35个碳捕集与地质利用封存示范项目，累计注入CO2200万t/a，注入能力达170万t/a[12-14]，初步形成了CCUS技术体系。2020年，全国统一碳市场为CCUS技术发展提供了减排预期，碳达峰和碳中和目标对CCUS提出了更高要求[15]。

全流程CCUS主要分为CO2捕集压缩、运输、利用与封存环节，包含的技术、设备和材料种类多、数量大，涉及的知识产权繁杂[16]。目前鲜见各环节技术的公开研究，尤其鲜见关键技术现状水平、发展特征、技术供应商等方面的评估。为推动CCUS规模化发展、关键技术研发示范及其知识产权保护，笔者主要采用专家评估方法对CO2地质利用与封存(CGUS)技术进行技术识别、分级、多目标与成熟度分析，最终形成关键技术清单和技术研发建议。

1 关键技术评估方法

根据鲁宾斯坦(RUBENSTEIN A H)对技术评估方法的分类，评估方法有专家评估、经济分析、运筹学评价和综合评价4类[17-18]。专家评估法是以评价者的主观判断为基础，以分数或指数等作为评价尺度，适合缺少数据资料、无法实现定量和经济指标研究、依靠专业知识与经验开展评估的项目。因此,现阶段的CGUS关键技术清单研究主要采用专家评估方法。德尔菲法作为专家评估方法具有匿名性、多次反馈、小组统计、专家意见独立等特点，适合研究时间长、范围广和资料缺乏的项目。德尔菲法技术评估流程为：

1)成立技术研究小组，技术调研、筛选、初步分类。调研分为工程现场与文献调研，调研范围包括中外CCUS科研技术单位、示范项目、技术设备厂家、实验室、相关报告、著作论文、专利文献、指南报告、技术手册及规范材料等，调研时间为2010—2021年。

2)组成专家组。选择具有代表性和权威性的专家，包括技术专家，研究管理人员，中石油与中石化下属胜利油田、吉林油田、华东石油局、江苏油田、延长油田、长庆油田、国家能源集团鄂尔多斯CCS等示范项目、华能CCS项目负责人或管理人员。

3)设计专家调查表。专家对初步筛选分类的技术从不可替代性、高效安全性、投资占比、发展潜力、技术差距与核心要素6个目标进行评分。多目标评估的评分说明见表1，最高分为5分、最低分为1分、尚无概念为0分。

技术差距是指一项技术在国内外技术成熟度的差距。技术成熟度(TRLs)是判定该技术是否优先部署的指标[19-20]。美国能源部的研究将CCUS技术成熟度的等级分为9级[21]，考虑到有些技术在国际上已经商业化，本研究将TRLs等级增加到10级，第10级为商业化运行阶段，见表2。

表2 技术成熟度分级Table 2 Classification of technical readiness levels

续表

4)实施组织调查。在前期调研基础上，分别邀请专家对调查表评分，回收汇总后再分发给各位专家，让专家比较修改自己的意见和判断，最终汇总表格。

5)整理结果。每项技术的最终评分按照式(1)计算，评分S≥2.5确定为关键技术：

(1)

式中，S为总评分；W为目标权重；V为目标得分；n为目标数量。

2 CGUS技术识别与分类

CGUS由总到分、由粗到精逐级分类为技术领域、技术大类、技术子类、技术亚类和技术要素，如图1所示(技术亚类只列举部分技术)。技术领域包括陆上/海洋CO2强化深部咸水开采或咸水层封存(CO2-EWR)、陆上/海洋枯竭油气田封存、强化石油开采(CO2-EOR)、强化煤层气开采(CO2-ECBM)、强化天然气开采(CO2-EGR)、强化地热开采(CO2-EGS)、强化铀矿地浸开采(CO2-EUL)等[12-13,19]。各领域大部分技术在传统油气、地矿等行业已经存在，具有一定的研发与应用基础，一部分技术需针对CO2性质和复杂的地质条件进行改进优化。这些正在或有待改进和优化的技术在各技术领域中具有一定通用性，根据通用程度细分为共性技术和特需技术。共性技术在各技术领域的通用性较高；特需技术根据各领域的特定条件、工艺、方法形成。本文主要以陆上咸水层封存技术领域为例，梳理识别共性技术大类7项，分别为：A：场地表征与筛选技术，能够为场地建模与性能评估、注入CO2的影响解释和风险评估提供基准数据；B：钻井、完井与固井技术，复杂地质条件下与CO2长期作用下的多次钻井、完井、固井与修井技术；C：井场布置，包括注入井和生产井的关键技术与参数；D：井下操作，包括井下设备与关键参数；E：地面操作，包括地表设备、地面集输、CO2注入与调控、与气、油与咸水循环利用的分离、压缩设备等；F：一体化监测技术，包括大气、地表、浅地层和深地的监测技术与设备；G：场地评估与风险评价技术等。CGUS各技术领域的特需技术简单分为2个技术大类：H：地下资源处理技术；I：碳封存与资源增采协同技术。

技术子类是对技术大类的进一步划分，有些大类技术没有子类技术，直接分为技术亚类。技术要素包含具体的材料、元件、结构、方法、代码、工艺等，涉及数据较多。各领域的共性技术在技术要素级别上差别较大，如强化油气开采、枯竭油气田封存、海洋咸水层封存等与陆上咸水层封存的技术/设备并不相同。但这种差别在技术亚类上较小。本研究只评估到技术亚类，未区分此类技术在各领域的差别。

经过调研，共梳理识别出CGUS重要的技术亚类127项，包含共性技术109项，特需技术18项。图1列举了部分亚类技术，表3展示了各CGUS技术领域的特需亚类技术。

表3 CO2地质利用与封存的特需技术Table 3 Special technologies for CGUS

图1 CO2地质利用与封存技术分类框架Fig.1 Classification framework of CO2 geological utilization and storage technology

3 CGUS技术评估

3.1 关键技术

3.1.1技术评估

127项亚类技术的多目标评估结果如图2所示(横坐标为子类技术的编号，如8表示A8～I8)。

图2 CO2地质利用与封存多目标评估结果Fig.2 Multi-objective evaluation results of CGUS

1)S<2.5的技术占76%，大部分技术不是关键技术，在规模化工程中可以被替代，成本和投资占比低，未来发展潜力小，且技术成熟度高。

2)S≥2.5的技术占24%，关键技术不可替代，成本和投资占比高，未来发展潜力大，但国内技术成熟度较低。

约81%的关键技术分布在A：场地表征与筛选、G：场地评估与风险评价、I：碳封存与资源增采协同技术大类中(图3)。A大类可深入研发的技术包括高精度的场地表征与场地解释技术，解释储盖层及岩性的空间展布，场地封存效率研究，与集成场地表征数据的耦合模拟分析算法与软件。G大类包含场地CO2泄漏评价、力学稳定性评价、环境影响评价、长期风险评价预测、地层和断层泄漏补救工艺、废弃钻井修复工艺等。其中储盖层与断层的泄漏补救设备与工艺是基于监测数据预测泄漏模式、路径和规模；风险处置主要在于导向性钻井技术及先进的封堵材料和钻井封堵技术等。I大类为特需技术，多技术领域下全部为关键技术。

图3 CO2地质利用与封存关键技术占比Fig.3 Proportion of key technologies in CGUS

从5个评估目标来看，100%关键技术具有不可替代性，93%技术涉及场地的高效与安全性，3D/4D/VSP高精度地震与解释技术投资占比最高，48%技术中国内外技术差距不大于1；81%技术发展潜力较大(图4，1～5为S技术评分)，如废弃钻井勘察与评估技术、断层勘察与表征、源汇匹配、场地性能评估技术、钻井修复工艺、卫星或机载光谱成像、数据同化与泄漏风险预测、钻井完整性测试与评价、大规模注入诱发地震监测与风险评估等技术。

3.1.2技术清单

CGUS关键技术清单及技术的国内外成熟度分析如图5所示。总体上国内关键技术的技术水平比国外落后1～2个级别，部分关键技术与国际水平差距不大。关键技术的特征分布主要分为4种情况：

图5 CGUS关键技术清单Fig.5 Inventory of CGUS key technologies

1)国内外都比较成熟，水平相差不大的技术(TRLs=7～8，差距为0～2)，占比10%，如卫星或机载多光谱成像及多参数联合解释、3D地震/VSP地震。

2)国内外均刚起步的技术(TRLs=5，差距为0～1)，占比29%，如断层勘察与表征、热储的换热效率提升技术、力学稳定性监测与评估(力学长期稳定性与变形分析)、高温钻完井与调控技术、地下水/地热增采与CO2封存协同优化、大规模注气与控制技术等。其中注入控制技术需实现单层/多地层内压力与CO2晕迁移控制，在具有复杂沉积环境与构造的储层内实现CO2高效与安全注入，并控制注入活动的影响范围，充分利用地下孔隙空间的同时实现地下资源增采。此技术需针对油田、气田和咸水层的不同对象与条件进行调整优化。

3)必须突破且难度较大的技术(TRLs=5，差距为2～4)，占比23%，废弃钻井勘察与评估技术、多参数综合分析与取值、钻井修复工艺、盖层泄漏监测与风险评估、场地尺度地质建模工具(用于场地评估)、场地性能模拟分析软件等。

4)当前需着力突破的，在即将启动的示范工程中可能用到，或短期可以突破的技术(TRLs=6，差距为0～2)，占比39%，我国示范工程通过优选场地与工艺路线，不需用到所有关键技术，也不要求这些技术必须达到商业化水平，如监测数据同化与泄漏风险预测技术、井底设备(封堵)及关键参数、钻井完整性测试与评价、场地评估与筛选方法(源汇匹配、场地性能评价与可研技术)、原油增采与CO2封存协同优化、深部热储的高效构建-高温钻完井与监控技术、铀资源增采与CO2封存协同优化、煤层气增采与CO2封存协同优化等碳封存与资源增采协同技术。

3.2 监测技术

场地监测技术是涉及CGUS安全性的关键技术[22]。监测目的是为评估项目运行状况和风险管理提供基础信息，同时也为量化核查CO2减排量提供依据[23]。场地监测技术亦为场地表征技术的时移过程，完整的动态监测周期包括注入前、注入、注入后与闭场4个阶段[24-25]。虽然不同阶段监测的目的和手段不同，总体上监测技术主要监测CO2时移变化量。

场地监测技术是现有技术水平与CGUS规模化示范工程需求之间存在较大差距的技术。大部分监测技术本身已经成熟且在多行业内商业化应用，但暂时不满足CGUS大规模工程需求。CGUS工程需要在CO2环境中具有耐久性、高可靠性与高精度的连续监测设备。因此尽管大部分监测技术未归类到关键技术，但还需进一步研发和验证，适应CO2环境和深地环境，提高长期耐久性、监测精度和结果解释的可靠性。为了解监测技术的适用范围、技术局限、应用程度和研发方向，根据美国国家能源技术国家实验室(NETL)的监测技术指南和监测技术文献综述[12,20,25-28]，介绍了F：一体化监测技术的技术亚类，具体见表4。

表4 CGUS的主要监测技术[12,20,25-28]Table 4 Main monitoring techniques for CGUS[12,20,25-28]

续表

大气监测主要是监测大气CO2体积分数；地表与浅表监测主要监测地表与浅表的水气成分与通量、地表形变、土壤水气理化参数与生态环境等；地下监测和评估的内容包括钻孔的完整性与盖层密封性、CO2与反应物运移(溶质迁移)范围、地下压力影响范围、地质力学影响等；并在地下监测基础上开展相应的安全评估与风险管理。目前已经用于示范工程的场地监测技术包括三维地震探测、多分量微震监测、微震监测、地球物理测井、地球化学测井、井底压力/温度监测、气泡检测和土壤气体浓度与通量等，但这些技术在针对CO2特征监测与结果解释的精度和可靠性上还需进一步提升。

场地监测技术需要研发一体化监测体系，建立预测性强且操作性好的预警指标与判据，形成满足监测需求的经济性与空间覆盖最优的监测网络。大部分亚类监测技术的技术要素都需要加强研究，如星载光谱成像监测技术要重点研究大范围、低成本、高精度的地表三维变形、温度、气体浓度、植被与泄漏点早期识别等；近地表土壤气分布式远程监测技术需重点监测地表土壤中CO2等关键污染物质含量；深层流体状态监测技术的关键是对深层流体状态与成分的多变量监测；流体运移与地层破裂的微震监测与解释，重点是耐久、高灵敏度的地下传感器及监测结果的高精度解释方法[29-33]。

3.3 其他可研发技术

除了关键技术和监测技术，还有部分技术需进一步研发：

1)钻井、完井与固井。包括针对储盖层精细表征的导向钻完井技术、应对长期CO2腐蚀的固井水泥、套管与井下作业设备等。

2)井下操作的长寿命耐腐蚀技术。主要包括耐高压高温、高浓度CO2与盐水腐蚀的井下设备和材料。

3)井场布置。针对CO2低驱替效率进行优化，通过钻井布置实现强非均质地层内的驱替剖面调控；同时控制CO2迁移范围、压力集聚边界、地层变形及其对敏感目标的影响。

3.4 研究不足

本文开展了长期综述及定性结合定量的评估工作，但研究方法还存在诸多不足，如技术清单不完整、筛选指标的评分存在一定主观性。未来规模化封存中可能出现对封存安全、封存效率与成本产生颠覆性影响的新技术，本文未作出相应的预测与判断。

关键技术的研究还需在广度和深度2方面拓展。扩大技术清单范围，深入研究技术要素级别或更细级别；精度与可靠性的刻画需要细化到具体参数。本类工作需要随科学认识、技术发展、工程应用的范围与深度不断拓展而更新。

4 技术研发与示范建议

4.1 技术研发方向

CO2地质利用与封存的关键技术主要集中在场地表征与筛选、场地评估与风险评价、碳封存与资源增采协同、地下资源处理、场地监测与风险管理等技术大类。现有的技术基本可满足部分技术领域开展大规模示范工程的需求，但一些关键技术与国际水平还有一定差距，特别是技术的精度与可靠性方面。因此，CGUS必须提升已有技术的精度与可靠性，并分类别突破，为构建CCUS产业的核心竞争力奠定基础。

1)技术研发的目的是降低关键技术成本与提高技术精度，针对提高地下封存CO2的安全性、高效性与可靠性方向进行改进。

对于共性技术需要开展适应CO2环境和复杂地质条件的研发，包括并不限于：① 高精度地层层序勘探、储盖层与岩性解释；② 高效率、高精度、高可靠性地震勘探设备、测井设备及数据解释技术(针对地层对CO2反馈特征)；③ 地层数据聚合技术，以开发高采集效率和低成本的方法获得多分量地震数据为发展方向；④ 场地性能模拟与地层评价的技术、软件与综合平台；⑤ 基于精细表征的自动智能导向钻完井技术和相应装备；⑥ 抗CO2腐蚀和高可靠性的井下与地表设备；⑦ 高效、低成本与长期运行的场地监测技术体系；⑧ CO2地质封存风险预测与风险管理技术及相应装备等。

对于特需技术需要开展针对性研发与示范，在CGUS实施规模化减排前，提高技术成熟度和经济性。关注地下空间管理与优化、地下储盖层空间地质模型(大尺度地质大数据)、精细地质模型(岩性与参数空间展布)、碳封存与资源增采协同优化方法等关键技术。

2)开展核心技术要素的研发，提高技术含金量与附加价值。具有发展潜力的技术要素包含高精度传感器、高可靠元件、耐腐蚀材料、新型结构、新型加工工艺、核心算法与代码等。这些要素的技术水平与国际水平存在很大差距，目前高度依赖进口，直接影响到关键技术与设备的研发与大规模应用。核心要素的突破可能带来整个技术性能和可行性的飞跃，如高精度温度、压力、pH、化学成分等物理参数与化学参数传感器，耐CO2密封元件，井下试剂或缓释剂(井下防腐)，CO2行为预测、完井水泥(耐CO2长期腐蚀)等。即使未列入关键技术清单的技术和设备也可通过材料、结构、算法、软件、工艺等方面技术要素进步，大幅提高相关技术与装备的精度与可靠性，助力规模化CO2地质利用与封存。

3)除具体技术外，宏观研究方面需部署化石基能源与工业减排战略、产业规划研究、CO2排放源和CO2适宜封存场地的源汇匹配、CCUS与多行业集成战略等，对具有CCUS优势的产业基地开展CCUS预留的战略布局，为未来碳深度减排提供产业基础与地下空间。

4.2 技术研发策略

通过技术清单的分析，依据不同技术类别可进行针对性技术研发策略：

1)加快部署关键技术的研发，开展知识产权申请和保护，缩小关键技术和设备在知识产权方面与国际的差距。有针对性、分类、有秩序地提出CCUS的专利布局。

2)探索CO2利用国家重大基础设施研发平台，有效整合产学研用等力量，结合不同领域、行业与企业的研发力量，重点开展CO2驱替资源技术与场地安全性验证装置建设，支撑规模化CO2利用与封存工程的关键特需技术突破，同时实现其他共性技术的提升与验证。

3)对于现有性能与大规模工程实施要求差距较大的技术，建议依据不同阶段对其展开不同的研发策略。积极开展地质条件特需设备与软件技术研发，如针对CO2运移的高精度3D地震监测与精细解释等；对成熟度较低的技术和设备，充分利用国内资源吸引企业参与技术和装备研发；通过多个示范工程提升并整合CGUS的技术、装备、软件与人才，形成相应的产业链。