地质CO2封存技术发展现状与比较

吕升浩

(成都理工大学地球科学学院，四川 成都 610059)

1 全球变暖与碳中和

工业化和社会经济的发展给人类带来极大便利，同时，CO2等温室气体的排放导致的全球变暖已严重的威胁着人类赖以生存的地球。为了避免温室效应给人类带来的，如海平面上升、冰川融化、全球气候异常等问题，各个国家对于碳减排都有了相应的决定与措施。2021年，我国国务院印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》明确指出，要持续巩固提升碳汇能力[1]，如期实现碳中和目标。CO2的捕集利用与封存(Carbon Capture，Utilization and Storage)就是减少CO2的有力措施。其是指将从大型工厂排放源的CO2捕集处理并进行压缩，直接加以利用或用管道输送到地下深处长期或者永久性填埋的地质体中[2]。地质封存是最有效和最经济的CO2封存技术。适合CO2储存的地质结构有：油气田、沉积在盆地内的咸水蓄水层，已被废弃或没有任何商业开采价值的煤层，深海等[3-5]。地质封存对于现阶段CO2储存是必要的，将CO2储存于地下深部，可以减少温室效应对人们带来的危害，改善人类的生存环境，对人类的未来与发展有着重要的实际意义。

2 地质封存CO2发展现状

2.1 油气藏封存CO2技术

油气藏是封存CO2的一个极佳选择，是目前最为成熟的封存技术之一。油气藏封存CO2一般有两种情况，一种为枯竭的油气田封存，是指将CO2以超临界流体的存在形式直接注入到油气藏中[5]。油气田长时间封闭油气，一般都具有良好的封闭性，数万年甚至百万年里油气都未泄露表明油气藏中封存CO2具有很好的安全性与潜力。利用原有的油田技术设施也会对降低CO2的储存成本与再建设成本，并不需要再勘探减少了人力成本。另一种为CO2驱油技术(CO2-EOR技术)，在提取原油或燃气的过程中，为提高采收率，会将流体注入到下层的油气藏中。将CO2变为超临界流体的形式代替其他流体直接注入到已开采的油气田中，CO2在高压条件下驱动原油的流动，促使原油流向井口，其中CO2储存于未能开采的原油与地下水体中。这种方式不仅提高了油气的采收率，也将CO2储存在了油气田中。这两种CO2封存的方式叫做油气藏封存CO2技术。

很多国家对油气藏封存CO2的技术展开了深入的研究。美国在20世界20年代提出了CO2驱油项目，自二十世纪七八十年代，CO2驱油项目日趋成熟。世界上最大的CO2驱油工程是2000年加拿大Weyburn[7]油田开展的，该工程将美国北达科他州一家燃料厂中捕集到的CO2用于驱油，在提高采收率的同时也大大减少了当地CO2的排放。Weyburn油田开发时间较长，因此对地下储存CO2认识较为全面。目前Weyburn油田已经累汁注入CO2超过150亿吨。目前，我国的大庆油田、胜利油田也展开了CO2驱油项目，该技术较为成熟且具有较低的经济成本与较高的附加价值，是CO2地质储存的有力方法。

2.2 煤层封存CO2技术

在煤层附近的焦化厂、发电厂等会产生大量的CO2气体，将处理过的气体通过管道注入到这些不再开采的煤层中。由于煤层对CO2的吸附能力远大于其他煤层气体(如甲烷)的吸附能力，煤层气体在煤的表面发生脱附，可以大大的提高煤层气的产出效率，并将CO2封存于煤层中，这种方法称为CO2-ECBM技术[8]。利用煤层储存CO2与油气藏储存CO2相似，其都是将碳减排与高效开发能源资源相结合，提高能源开采率的同时，并进行了高质量的碳储存。

20世纪90年代，美国提出了注入CO2、N2等气体来强化开采煤层气的理论。经过三十年的发展，该技术已日趋成熟，但与较为成熟的CO2-EOR技术相比，略显稚嫩，其技术难度也较大，且仍有许多待解决的科学问题，如煤层的厚度、临界参数、渗透率等。在我国，埋深大于 1000 m 的煤层中煤层气资源量约为 23×1012m3，占全国煤层气资源量的61%，开发潜力巨大，但普遍具有高煤级与低渗透率的特征，直接开发难度较大。这些因为技术原因或经济原因而得不到深度开发利用的煤层，具有极大潜力的储存CO2的构造。现阶段来讲，二氧化碳驱替煤层气利用目前处于先导试验阶段，2004年中联煤组织在沁水-临汾盆地的柳林和柿庄开展了一系列试注与监测研究，为煤层封存CO2迈出了坚实一步。我国是用煤产煤的大国，大力探索煤层储存的方案，对于我国固碳事业具有重要的意义。

2.3 深部咸水封存CO2技术

深部咸水是指赋存于地下深处，且矿化程度极高的地下水，含水层的深度一般大于 1000 m 。从工厂排放的CO2经过处理后通过盐井管道排放到深部的地下咸水中封存起来。CO2在水中的溶解度随环境温度、压力和盐度的不同而变化，深部的压力、温度以及较高的盐度保证了CO2能够很好的溶解于深部咸水中。当CO2在储集岩孔隙中运移并与水体接触时就会溶解在其中，即发生溶解储存；当CO2溶解于卤水中变成碳酸根离子与碳酸氢根离子，其与水中的Ca2+、Mg2+、Ba2+等阳离子发生反应，生成了碳酸盐沉淀，发生矿物储存。CO2最终以矿物的形式被固定下来。

咸水储存CO2的技术较为成熟，且简单，由于其能够将CO2变成碳酸盐的形式沉淀下来，故其封存时间达百万年甚至更久，可以避免CO2泄露的问题，被认为是封存CO2的一个极佳途径。2010年，我国鄂尔多斯盆地咸水层封存计划启动，这是我国首个实现咸水CO2封存的项目。在我国其他地区如渤海湾盆地，塔里木盆地地下深部也具有很多矿化度很高的咸水但开采价值不高，故咸水封存具有极高的潜力与应用前景。

2.4 海洋封存CO2

海洋是自然界中最大的碳库，在地球碳循环的尺度上，大气中的CO2相对于海洋中的碳总量来讲是微不足道的，目前大气中有80%的CO2被海洋所吸收。通过人工将CO2封存到海洋中是非常有潜力的方法。海洋封存CO2的方法很多，也很复杂，其中最主要的方式有三种：海洋水柱封存，海洋沉积物封存以及生物封存[9-10]。海洋水柱封存是指利用船舶与管道直接将CO2注入到海水中，当水深在 1000～2500 m 的区域，在压力的作用下，CO2能很好地溶解于水中。这个深度为CO2的临界深度，CO2不易上浮到大气之中。当水深大于 2500 m 时，CO2变为液态且密度远远大于海水，CO2下沉在低洼处聚集形成特殊的“碳湖”。海洋沉积物封存是指在低温高压的深海环境下，CO2会形成一种晶状水合物，这种状态下CO2溶解速率小，减少海底沉积物孔隙度与渗透率，阻止CO2向上扩散，从而达到封存CO2的目的。生物封存是指将海洋中投放营养素来增加浮游生物的数量，浮游生物通过光合作用，将CO2由无机形式转为有机碳形式，从而使得大气中的CO2减少，实现CO2的封存。

海洋封存CO2虽然有着巨大的前景，但其仍存在着许多问题。相较于陆地封存来说，海洋封存CO2往往意味着更高昂的成本，例如，运输CO2的成本以及海洋施工的难度都对其发展带来了不小的难度。更大的问题是生态问题，无论以任何方式的封存方法，其都会伴随着泄露问题的存在，泄露的CO2导致海洋的pH变低，从而对海洋生物的多样性以及生存带来严重影响。我国有着漫长的海岸线以及沿海工业设施，海洋封存虽然有许多的问题，但是其巨大封存潜力依旧被人们所重视，海洋封存CO2依旧任重而道远。

3 几种封存方式的比较

3.1 封存潜力

全球范围内，海洋是最大的碳库，封存CO2的潜力巨大。全球陆上理论封存容量为(6～42)万亿吨，其中深部咸水层容量占到了陆地封存容量的98%，其他方式只占到封存容量的2%。我国地质封存潜力约为(1.21～4.13)万亿吨[6]。

3.2 泄露风险

对于CO2封存，最大的风险与问题便是CO2的泄露。CO2在地质体中的稳定程度直接影响到CO2封存的前景。如果CO2出现大规模的泄露，直接影响到全球生物的命运与未来。对于咸水封存与矿物封存来说，其最大的优势在于能够直接将CO2转化为固体的形式封存下来，时间可达百万年甚至更久。油气田储存则是将CO2以超临界流体的方式注入到地层深部，能维持百年或千年以上的稳定，随着时间的推移，仍有一定的泄露风险。海洋封存中，CO2的泄露更易于发生，并直接会影响到附近的生态环境。

3.3 封存成本

CO2封存成本极大。除前期勘探钻井等成本外，铺设与维护管道的成本极高。此外，封存CO2的同时很难有额外的经济回报，造成企业的动力不足。油气藏封存与煤层储存都可将油气开发与封存CO2结合起来，既在固碳的同时，又增加了油气开发的采收率。矿物封存的过程中，亦可实现附加产品如碳酸钙、碳酸镁的产生，但离商业化还有很长的距离。咸水层与海洋很难有附加的经济价值，造成固碳成本居高不下，必须有政府与相关部门的支持。随着科学技术的进步，相信固碳的成本会逐步降低。

综上所述，各个地质封存CO2的方法具有一定的优势与局限性。目前我国开展了很多地质封存CO2的项目，其中可以看到油气藏封存CO2技术走在最前列，各大油田都有着自己的规划与发展。深部咸水层与煤层封存CO2技术亦在我国各地有所开展。

4 结语

我国是一个发展迅速的大国，积极参加CO2减排行动，体现了作为一个大国的责任与担当。CO2的地质封存是极具价值且富有挑战性的任务。油气藏封存CO2技术、煤层封存CO2技术、深部咸水封存CO2技术、海洋封存CO2这几种封存方式各有优劣且潜力巨大。选择合适的方式，积极地通过数值模拟与实地监测，完善相关的法律法规，CO2的封存在未来一定会有广阔的前景。