碳封存技术研究进展

杨旅涵，施泽明，吴 蒙，廖禄云，程 科，徐 辉，朱 燕，王双美

（1.四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川成都 610000；2.四川省天晟源环保股份有限公司，四川成都 610213；3.成都理工大学地球科学学院，四川成都 610059；4.江苏地质矿产设计研究院，江苏徐州 221006）

为了推动全球CO2净零排放，世界各国相继实施碳减排措施，以控制全球变暖趋势。2020 年，我国政府做出庄严承诺，力争在2030 年前CO2排放达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和［1］。中国作为世界上第一大能源生产国和消费国，电力、钢铁、水泥和煤化工等都是碳排放的主要行业［2-3］。大规模开展碳封存是CO2减排的重点方向之一［4-5］。然而，前人研究多集中于生物封存、地质封存和海洋封存等细分领域，综合评价研究相对较少［6-9］，同时，碳封存选址与监测技术对确保封存安全至关重要［10-13］。基于此，本文重点评述了碳封存机理、分类及其特点，分析了碳封存选址条件和监测技术的适用性，期望为碳封存项目实施提供一定的理论参考。

1 碳封存机理

为保证碳封存的稳定性和安全性，CO2多以超临界状态（压力7.38MPa，临界温度31.1℃）输送、封存至地下。根据地表温度15℃，地温梯度2.5℃/100m、地层压力系数为1.0，可推测出地质封存埋深在地表800m 以下［14-16］。

CO2在地层中的封存机理比较复杂［17-19］，包括：①静态封存，即超临界CO2的密度比地层水的密度小，被注入地层深部的CO2受浮力作用向上运移，直至封存在地质构造圈闭的部位；②束缚封存，注入地下的CO2在压力和浮力双重作用下束缚在储层孔、裂隙中；③溶解封存，即CO2溶解度受温度、压力和盐度控制；④矿化封存，构造圈闭的超临界CO2与地层水反应生成碳酸，并酸蚀一些基岩矿物，分解出来的Ca2+、Fe2+和Mg2+进一步与CO2反应形成沉淀；⑤水动力封存，在地下水动力作用下，地层水的流动可阻隔或分散部分CO2，在浮力等作用下聚集形成水动力圈闭；⑥吸附封存，煤层吸附CO2远高于其他地层，且吸附能力强于CH4［20-21］。

2 碳封存分类

自然界中，植物光合作用吸收CO2，转变成有机碳封存，也可将CO2经过人工捕集、运输并泵送至地下，甚至海底长期封存。碳封存分类包括生物封存、地质封存和海洋封存（图1）［18，22-23］。

图1 CCUS 技术分类Figure 1 Classification of CCUS technology

2.1 生物封存

植物光合作用实现了碳汇，植硅体作为植物生长过程中，形成的有机碳包裹体，能封存于土壤中数千年至上万年［24］。在高温缺氧条件下，植物组织可以制备生物炭减少CO2排放，实现土壤碳汇［7-8，25］。然而，制备生物炭需要消耗能量，如何平衡生物炭制作产生CO2与生物炭吸收CO2之间的收支关系至关重要。常全超等采用太阳能进行热解制备生物炭，减少了电力能源消耗［26］。同时，全球耕地面积约占陆地植被面积的17%，表明合理、科学的种植制度有利于农田生态系统中土壤碳的固定［9］。

赵述华等发现浮游植物主导近海岸的固碳量［27］。从海洋整体来看，海洋中藻类完成了地球上50%的光合作用，但生成的有机碳大部分被微生物降解，只有大约0.1%的有机碳沉积、封存海底，再加上海水中CO2浓度增加，酸化加剧，导致CO2溶解度降低，海洋生物的过程速率（浮游植物生长和死亡、生物碎屑再矿化等）受到抑制，浅层与深层海水的垂直运输被减缓［28-29］。为了提高海藻生物的固碳效率，人工向海洋投加微量营养素（Fe）和常量营养素（N 和P），以增强浮游植物的光合作用，加速浮游植物的繁殖生长，促进CO2的固定速率［14］。总体来看，生物封存通过采取合理的种植制度，适当的海洋“增肥”措施和加强生物炭研究可以提高碳封存效果。

2.2 地质封存

地质封存，指将超临界CO2注入枯竭油气田、玄武岩含水层、深部咸水层和不可采煤层等地质体的孔、裂隙中，深度范围为0.8～1.0km［22］。玄武岩含水层封存，是利用CO2饱和酸性地下水与玄武岩发生溶解中和反应，形成稳定的碳酸盐矿物沉淀，从而实现CO2的封存［35］。玄武岩含水层封存的目标储层首选熔岩流的顶底部，这与“该部位岩石孔隙与裂隙发育、角砾化程度较高，封存潜力大”有关［30］。当封存深度较浅，存在断层时，应注入CO2饱和水溶液；当封存深度较大且构造完整，应注入超临界CO2液体［30］。通过监测与计算某玄武岩封存项目，发现CO2注入两年后，95%以上的CO2已被矿化［31］。

咸水层封存多存在于“不可利用”的深部沉积盆地盐水层（矿化度3～50g/L），咸水中存在着高浓度的盐类（盐度高于10g/L），不适于农业及人类生产生活使用［12］。因沉积盆地分布广、潜力大，咸水层封存受CO2封存量、埋存地点和埋存时间的限制较小，所以咸水层封存CO2能力较强，应用范围更广泛［32］。

我国1 000m 以浅的煤炭资源储量约占总储量的53%，包括大量地质条件复杂的煤层和不可采煤层［33］，同时由于技术瓶颈和环保要求，近些年大量小煤矿被关闭，可供碳封存的煤炭资源储量持续增加。煤层碳封存原理可分为物理封存与化学封存［20，34］。物理封存指煤层表面孔隙通过范德华力对CO2进行可逆性吸附，同时解吸出CH4。化学封存多指CO2溶于地下水后，对煤储层中的碳酸盐等矿物进行酸蚀形成新的稳定产物。不可采煤层吸附CO2会解析CH4引起煤层膨胀破坏地质结构的稳定性，加之CH4的经济价值，因此不可采煤层采用CO2驱替CH4强化煤层气开采以实现CO2封存的目的。

枯竭油气藏具有天然的“生、储、盖、圈、运、保”结构，结合丰富的地质资料，完善的基础设施，通常是理想的CO2封存场地。但是中国缺乏大规模的枯竭气田，且废弃的油气井也可能成为潜在的CO2泄露源［21，35］。因此受地质埋存条件与经济价值等因素限制，枯竭油气田常结合CO2驱油/气技术实施碳封存以产生一定的经济价值。

2.3 海洋封存

海洋封存可划分为海洋水柱封存和沉积物封存［14-16］。海洋水柱封存，在海水深度0.5km 以内，注入的CO2会形成羽状流，海洋中存在大量的HCO3-、CO32-、H2CO3及溶解态CO2构成缓冲体系。其中，部分CO2溶解于海水中，其他则上浮逃逸至大气。在0.5～2.5km 深度内，先形成CO2液滴，液滴表面发生水合反应形成水合物膜。随着深度进一步加大，注入的CO2达到重力稳定状态，最终溶解于海水中。深度3.0km 以下，液态CO2密度明显大于海水密度，会在物理作用下沉淀形成碳湖，碳湖表面形成CO2水合物薄层［16］。海洋沉积物封存是将CO2注入海床巨厚沉积岩层中，因CO2密度一般大于沉积岩中孔隙水密度，所以CO2封存在沉积岩的孔隙水之下，并持续与海水或岩层发生反应。海洋沉积物主要为砂岩和玄武岩，砂岩的高渗透性可直接捕获、溶解CO2，玄武岩则快速与CO2发生酸蚀反应，并生成较稳定的碳酸盐［14］。

海洋地质封存设施的建设运行成本较高，只有在碳交易价格较高的情况下，才能产生经济效益［18］。同时海洋封存可能导致海水酸化，破坏海洋生态系统的平衡［6］。也有学者认为，虽然相比陆上地质封存，海洋封存成本更高、技术难度更大，但其远离了密集的人类居住地区，避免了对人类活动和周边环境产生的影响［14］。从世界范围来看，海上实施二氧化碳封存案例不多，而国内几乎没有海洋封存示范项目［18］，因此很难对该技术进行实证研究，无法评估该封存技术的适用范围、效率损失、封存成本和泄漏风险等要素［16］。总体来看海洋封存远离城市具有一定安全性，封存量大，但海上运输、管道及注入井台建设等成本高，深海监测技术难度大，加之缺乏海洋封存示范项目，相关制度体系空白，海洋封存的技术发展受到严重制约。

2.4 碳封存对比

生物封存存在固碳效率低，固碳时间短的缺点，可采取相应措施提高固碳效率，或加强新型生物封存技术的研究［13-14，17-20］。地质封存中，不可采煤层和枯竭油气田封存尽管天然优势强，固碳潜力大，但两者一般结合驱气或驱油技术，因无法获得环境减排认证，存在环境效益低的问题，可适合于能源结构转型初期，之后应逐步转向清洁能源比如太阳能、风能和水能等的使用［22-28］。国内咸水层封存具有分布广，潜力大、效果好和技术成熟的特点，当前应加大该项技术开发应用［26-28］。国内尚未开展玄武岩封存的项目，建议尽快逐步进行该项技术的选址与项目示范工作［22-23］。海洋封存技术虽然安全性较高，但成本高，技术难度大，缺乏示范项目与顶层框架，亟须在合适的海洋区域开展碳封存示范项目，以确定技术参数、估算成本及评价环境风险，然后以示范项目成果作为依据，逐步制定海洋碳封存顶层架构，推动该技术的发展应用［6-7.29-30］。具体封存技术特点见表1。

表1 碳封存技术原理及优缺点［13-31］Table 1 Carbon sequestration technology principle，advantages and disadvantages［13-31］

3 碳封存选址

中国CO2地质封存潜力大，最高封存量预计可达4.13 万亿t［32-35］。煤层碳封存潜力最佳的地区包括鄂尔多斯盆地、吐鲁番-哈密盆地和准噶尔盆地［33-35］。油田碳封存主要集中于松辽盆地、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地［32］，气田碳封存主要分布于四川盆地、鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地和塔里木盆地［2，33］，深部咸水层封存分布与含油气盆地封存分布基本相同［36］。

马垚认为咸水层封存选址应满足：①顶部盖层的岩性应致密且广阔，不能有开放性裂缝或断层；②储层的可注入性良好，一般情况下储层深度处于800m 以下，孔隙率高、有效厚度大和储层压力低，有利于注入的CO2均匀扩散；③封存量大，CO2在地下水中的溶解度直接影响着封存量，CO2与储层岩石矿物（以方解石和白云石为主）的水岩地球化学反应通过改变孔隙度与渗透率，间接影响水体流动和CO2封存量［5］。不可采煤层CO2封存选址应满足：储层渗透率中等（1～3mD），煤层厚且盖层连续，较多的碳酸盐矿物，尽量少的黏土矿物，储层温度较低、压力稍微低于CO2的液化压力，储层中流体应具有较低的矿化度（阳离子）、尽量小的pH 值［20］，煤层顶板应以软弱岩层为主，盖层应由致密性岩层构成，如多层页岩、泥岩为宜，盖层与储层距离应大于1.5 倍以及导水裂缝带高度发育［37］。孙洋州等提出海上进行CO2封存时，要综合考虑圈闭形态、埋存深度、盖层条件、储层物性和厚度等因素［18］。

通过对国内外碳封存项目选址分析发现，封存选址中盖层一般比较致密，储层应具有一定孔隙度或微裂缝，盖层以泥岩、页岩与粉砂岩为主，储层以砂岩为主（煤层与玄武岩封存除外），构造类型并不单一。深度上，咸水层与不可采煤层碳封存一般＞800m（表2）。

表2 碳封存选址实例［38-40］Table 2 Examples of carbon storage site selection［38-40］

综上所述，碳封存选址时须考虑如下条件：①地质构造完整，避免断层带或岩石破碎带、周边废弃矿井或油气井。地质构造应将地层圈闭与背斜圈闭作为首选［37］。②封存能力较好，封存能力主要与CO2的封存量和储层可注入性有关。其中封存量与储层孔隙率、厚度、区域面积及地下水可反应性等因素呈正相关关系。③区域环境稳定，避免自然地震和滑坡等自然灾害对封存地质体的破坏，同时封存区内如进行其他地下工程需先进行专家论证、行政审批。④地理位置优越，由于碳捕集储存及运输成本较高，就地将捕集的CO2进行封存可有效降低碳封存成本，建议华北地区可先开展煤层封存，华南地区宜采用咸水层或油气田封存，沿海地带应加大海洋封存的应用研究。

4 碳封存监测技术

当外界发生地震、周边存在其它地下工程或内部酸蚀作用较强时均可以破坏地质体或井壁井管的完整性，从而导致地下CO2泄露［41］。如果通风状况不好，泄露的CO2容易沉积于地面低洼处，造成周边人员和动物的窒息，同样海洋中CO2发生外泄，会改变区域海水的pH 值，破坏海洋生态系统的稳定［6］。鉴于CO2封存泄露的危害性，CCUS 工程应建立信息上报制度、设立应急与资金保障机制，同时加强监测手段和监测方法的研究，保证能够实时动态地观测CO2封存过程，防止发生较大泄漏事故［42］。

4.1 地质碳封存监测技术

2016 年7 月，我国的《CO2捕集、利用与封存环境风险评估技术指南（试行）》发布，按照该指南，地质利用与封存环节的环境监测包括环境本底值监测、注入运营期监测、场地关闭和关闭后的长期监测4 个阶段，监测对象涉及地下水、地表水、大气等（图2）。研究者们针对不同监测阶段与监测对象，不同泄漏方式与泄露位置提出并试验了多种CO2监测技术。滕腾等在无人机上装载气体传感器（作为采样单元），制成无人机遥感监测平台，该平台能够响应到的CO2泄漏极值浓度为40mg/kg［43］。挪威的Statoil 石油公司，每年向位于海底1 000m 的Ustira砂质地层注入100 万t 的CO2，并利用地震波法成功监测到注入咸水层中CO2的运移情况［44］。加拿大的Weyburn 项目选择13C 作为示踪剂，澳大利亚Ot-way盆地项目则选择重甲烷（CD4）、氪（Kr）、六氟化硫（SF6）和四氟乙烷作为示踪剂，神华集团使用了SF6作为鄂尔多斯盆地深部咸水层CO2泄漏示踪剂［45］。

图2 地质碳封存泄漏监测方式［17，19］Figure 2 Leakage monitoring method of geological carbon storage［17，19］

总体来看，四维地震法、InSAR 技术与超光谱成像适用于大尺度层面的地质体或地表环境监测；红外线气体分析仪（IRGA）、AC/EC、便携式水质检测仪与土壤气采样分析法适用于简单快速的日常巡检；腐蚀挂片法/超声波成像测井适用于各种井体与井管的监测；示踪剂法与碳同位素法虽然可以区分CO2来源，但存在一定滞后性（表3）。

4.2 海洋碳封存监测技术

海洋碳封存因具有封存量大，时间长、范围广的特点，直接有效地监测CO2泄漏比较难，同样需要多维度运用多种监测技术（表3）。单点位监测时，水中听音器可用来探测CO2泄漏所产生的气泡喷发，原位pH值/PCO2传感器、成像扫描声呐和各种化学传感器可用来监测CO2泄漏导致改变的海水理化性质参数。由于海洋碳封存量大、范围广的特殊性，常配备原位物理化学传感器的水下巡游机器人以及时发现泄漏位置。发现泄漏后，为初步确定泄漏范围，可选择声波层析成像技术、海底自动升降机和拖曳式多层监控系统。为更精准确定泄漏范围，可利用海底节点地震观测方法，通过海面的震源船激发震动，海底机器人携带海地震仪接收信号并反馈至地面［16，46-48］。

5 结论

1）碳封存对减少CO2排放量发挥着重要作用。碳封存机理包括静态封存、束缚封存、溶解封存、矿化封存、水动力封存和吸附封存。

2）生物封存可采取合理的种植制度，改善海洋营养环境和加强生物炭等新型技术研究。地质封存中，不可采煤层或枯竭油气田碳封存尽管天然优势强，固碳潜力大，因无法获得环境减排认证，存在环境效益低等问题，适合于能源结构转型初期。国内咸水层具有分布广，碳封存效果好，技术成熟的特点，当前应加大该项技术开发应用。玄武岩封存见效快，比较彻底，但国内尚未开展相关的项目，建议尽快进行该项技术的选址与项目示范工作。海洋封存成本高，技术难度大，缺乏示范项目与顶层框架，亟须在合适的海洋区域开展碳封存示范项目。

3）碳封存选址应满足地质构造完整、封存能力较好、区域环境稳定和地理位置优越。选址地质体（煤层与玄武岩封存除外）的盖层岩性一般以泥岩、页岩和粉砂岩为主，储层以孔、裂缝发育的砂岩为主，埋深大于800m。建立多维度的监测技术体系，确保碳封存项目顺利实施。