CO2地质封存缓释预警系统、应急系统及地面植物增强吸收系统研究

张 洋，程剑峰，范莹琳

（1.中煤玮坤（北京）节能环保科技有限公司，北京 100083；2.中国石油西部钻探工程有限公司，新疆克拉玛依 834000；3.中国煤炭地质总局勘查研究总院，北京 100039）

0 引言

CO2地质封存是将超临界CO2通过地质工程封存在800m 以下的地层空间中。目前研究认为适合CO2地质封存的地质条件，包括已经开发的油气藏、不宜开采的煤层、深层地下咸水层、人工或天然的地下空间、深海咸水层等。被封存的超临界CO2会在储层中运移，当CO2在地下储层中运移时，会通过多种途径发生泄漏：通过岩石空隙泄漏；通过不整合面空隙横向移动泄露；通过盖层的裂隙、断裂裂隙或者地质断层裂隙泄漏；还可以通过人为因素导致泄漏。部分逃逸的CO2会被备用储层吸收，或被二次盖层、含水层拦截吸收。部分封存的CO2会被储、盖层中有许多非常细小的孔隙吸附捕获。剩余部分CO2会缓慢逸散到大气中对环境及生物造成伤害［1］。

1 CO2地质封存原理及泄露模式

CO2封存技术是根据深部封存的地质储层条件，在温度大于31.1℃、压力高于7.38MPa 时使CO2成为超临界状态，在超临界状态下CO2拥有接近液态的密度，具有良好的扩散系数和流动性，传质能力极强。地质封存包括地质利用、地质圈闭、矿物封存、溶解封存及吸附置换封存。地质利用包括强化采油（EOR）、天然气、煤层气、页岩气。强化深部咸水开采、增强地热开采及增强砂岩型铀矿开采［2-5］。

CO2地质封存包括：①地质构造圈闭封存，即利用地下地质空间进行地质圈闭封存；②采油空间的束缚气封存，通过毛细作用和吸附作用将空隙中的CO2束缚在岩石孔隙中；③吸附置换封存，将CO2注入天然气、煤层气、页岩气储层，通过吸附置换，析出CH4，封存CO2；④溶解封存，CO2和水混合后，在温度、压力作用下，部分CO2会在地下水中发生溶解作用，形成H2CO3、HCO3-和CO32-。⑤矿化封存，CO2与岩石、土壤中的矿物成分在MgO 的催化作用下，发生化学反应，最终以碳酸盐的形式被长期封存在岩石中［6］。

被封存的CO2泄漏分快速释放和缓慢释放两种模式，目前尚未发现快速释放的封存案例。为了研究快速释放对环境的影响，相关研究人员进行了可控放喷试验［7-9］。中石油在吉梨页油1井注入CO2约60 万m3，进行可控放喷实验，井口累计排出2 万m3，封存率高达97%，通过井口气体成分监测表明，放喷初期有少量CO2排出，但浓度很快降低至地层原始气体状态，表明注入地层中的CO2无大量释放，实现了地质封存。CO2地质封存，排除地震原因，即使发生泄漏，大部分CO2也会留存在地质介质中，而不会突然进入大气层［10-12］。国外学者也开展了类似研究工作。澳大利亚的CRC Otway 项目在2 100m 深部封存CO2，并开展了一系列受控CO2释放实验。美国的ZERT 项目对CO2在不同级别泄露水平对环境的影响程度展开研究，采用多种监测设备及不同监测方法、设备进行效果对比评价［4，13-14］。研究显示，当CO2在地下储层中运移时，会通过多种途径发生泄漏：如盖层的岩石空隙泄漏；岩石不整合面泄露；盖层的裂隙、断裂裂隙或者地质断层裂隙泄漏；特别是人为因素导致的泄漏，如未进行完整密封的钻井或者废弃油井泄漏等。通过放喷实验、受控释放实验及泄露通道分析可以清楚的认识到，CO2地质封存大量喷发的可能性很小，微量缓释泄露是CO2地质封存的主要的泄露模式。

2 CO2缓释监测预警系统

CO2封存后按照泄露方式可以分为单点泄露、多点泄露、断层诱发线状泄露、地应力突变诱发大面积泄露等。一般情况下，泄漏的CO2会被储层上的水平覆层阻挡，或者被上覆含水层、盖层裂隙吸收［15］。

如前文所述，CO2即使发生渗漏，也是非常微量的。针对CO2微量缓慢泄露，应构建缓释泄露监测预警系统，对每一个CO2封存地构建地下、地表、地上三位一体预警监测体系。目前国内对监测范围没有统一要求，我国目前已经完成封存的项目，一般采用地下、地表监测10km2，地面以上空间监测100 km2。对于100 万t 以上工业级项目及超大型封存项目，应该根据CO2羽流扩散范围，调整监测范围。根据数值模拟预测CO2羽流扩散方向及缓释溢出方向，有针对性的调整监测方案［16-18］。

2.1 地下监测预警系统

监测的主要任务是对CO2地下运移情况、盖层、储层的温度、压力变化情况及在储层发生的化学反应情况进行记录。监测预警CO2的运移方向、范围、对地下深层含水层及可能对近地浅层含水层的污染影响。监测范围通常为以注入井为中心，半径为2km。监测井中的监测范围包括储层、盖层、含水层底部、井口下10m。

2.2 地表预警监测系统

对地表土壤CO2通量、地表生态系统、地表变形进行监测。地表土壤CO2通量监测范围是地下0.5～1m，在固定监测点位、固定监测时间，采用土壤CO2通量监测仪器进行监测。地表浅层土壤监测及地表生态系统检测是以封存井为中心，半径为2km。地表塌陷雷达监测是10 km×10 km，面积100km2。地表生态系统监测是采用氧化还原电位仪、光合仪、冠层分析仪等，来监测地表植物生长情况［1］。地表变形监测利用雷达卫星监测灌注区地表变形数据。

2.3 地上空间预警监测系统

监测任务是对CO2地质封存区近地表、大气涡度的CO2浓度进行定点、连续采样监测，监测CO2浓度、通量、空中运移及对人类活动的危害。监测范围是近地表及大气涡度监测范围，以封存井为中心，半径为2km。近地表CO2浓度监测：采用定点安装、人工便携、车载的自动检测仪进行连续监测CO2浓度。取样高度距地表1.5m。大气涡度CO2通量监测，采用涡度通量检测仪，在距离地表10m 高度，安装CO2通量检测仪，每一台仪器监测半径350m。CO2通量监测塔一般高度50～300m，可以采用固定气球代替通量监测塔，在需要的高度放置通量检测仪，也可利用封存区附近的气象监测塔，在监测高度安装CO2通量监测仪。

3 CO2地质封存缓释应急系统

我国虽已开展了多项CO2地质封存示范项目，但就CO2泄露逸散应急技术来说，相关部门还未明确提出制定环境应急预案的要求。我国现有的环境应急管理体系主要包括《突发环境事件应急管理办法》（部令第34号）、《企业事业单位突发环境事件应急预案备案管理办法》（试行）等针对污染物、危险废物和物品以及有毒有害物质的相关管理办法，CO2泄露并不在其管理范围内，这是由于CO2既不是空气污染物，也不是危险及有毒废物，是一种温室气体。

国内针对CO2泄露逸散的应急技术研究也相对较少。在全球范围内，CO2泄露逸散应急管理技术也处于探索阶段。为评估、管理和防范CO2地质封存带来的环境风险，2009年欧盟与美国先后制定了《碳捕获与封存指令》与《地下注入控制计划和安全碳封存技术行动条例》，我国环境保护部于2016年颁布了中国第一个，也是全球发展中国家第一个CCUS环境领域的技术文件《二氧化碳捕集、利用与封存环境风险评估技术指南（试行）》，为CO2地质封存的应急体系建设提供了基础［18-19］。国内一些企事业单位也加入了研究行列。中国神华煤制油深部咸水层CO2地质封存示范项目借鉴了国外最新CO2应急处置预案流程的基础上，根据地形模型对CO2泄露后的扩散路径进行了模拟，构建了预警模型，对监测异常进行判断，识别警兆并发布预警信息，根据泄露的不同位置制定了相应的补救措施，在此基础上，制定了一套相对完备的环境应急管理制度［20-22］。

CO2地质封存可能有数年的灌注期、长达数十年监测期以及数百年的封存期。这三个阶段都存在缓释的风险。有必要制定应急预案，并构建一套应急报警系统。

4 地面植物增强吸收系统

试验规模的CO2地质封存可能需要数年的灌注期，长达数十年监测期以及数百年的封存期。工业规模的CO2地质封存可能有数十年的灌注期，长达数十年监测期以及数千年的封存期。这三个阶段都存在缓释的风险。我们必须构建一个有效的CO2拦截屏障，吸收因缓释逃逸到达地表的CO2，目前认为行之有效的拦截屏障是植物增强吸收系统。

当泄漏的CO2进入地表土壤后，会造成局部土壤CO2浓度升高，达到一定浓度时，就会对土壤生物系统以及植被根系产生较为严重的影响。泄漏的CO2进入近地表植被生态系统时，开始可能会产生“施肥效应”，CO2浓度小于5%时，促进植被生长，但当CO2浓度在土壤中逐渐升高并导致土壤中O2浓度降低时，植物出现胁迫效应，并且植被胁迫效应会逐渐大于植被的施肥效应。一般情况下土壤气体中的CO2浓度超过5%时，会对植被产生负面影响，超过10%时，会导致根系窒息，达到20%时，CO2会成为植物毒素。不同植物种类对CO2敏感程度有所差异。

因此，在封存地建设强化地面植物增强吸收系统具有重要意义与作用。第一，在封存后的数百年内警示人们远离封存监测区；第二，利用植物构建应急疏散通道。植物的种植应林草搭配，科学、合理布局，规划科学合理的紧急疏散通道，通道两侧布设警示标志、方向标志及应急防护设备库。第三，对于长时间闲置土地进行充分利用，同时通过植物增加碳汇、增加土地收益；第四，可以对缓释CO2进行地面拦截，这是最后一道CO2溢出拦截屏障，最大限度阻止CO2泄露到大气中产生温室效应。

林业专家建议利用碳四类植物固炭，其固炭能力比森林固炭能力高一倍，由于碳四类植物的光合作用比一般碳三类植物高约一倍，例如玉米、高粱等植物用同样的水灌溉成长的过程中吸收的碳远超其它植物。世界上碳四类植物约有50多种，如果对其中部分进行转基因培育，使其干茎生长更快，固碳效能更高，收割后利用余热碳化，固碳的成本将大大低于传统的CCUS法。玉米、墨西哥玉米草是对CO2最敏感的植物，可以用来预测CO2的泄露。苜蓿、三叶草是对CO2最耐受植物。对CO2敏感的花草（如紫菀、秋海棠、美人蕉、矢车菊、彩叶草、非洲菊、天兰葵、万寿菊、牵牛花、百日草）在CO2超标的环境下会出现一些症状，如叶片呈绿色水渍状斑点，干后呈灰白色，叶脉间有斑点，叶片变黄。专家建议，对于地面10km2的封存领地，应优化配置灌木、林木、草，建立免维护自然野化林木体系，适量种植CO2指示性植物，构筑地面植物增强吸收系统，形成拦截屏障，兼顾警示、绿化、拦截、碳汇等多项功能。

对于工业级封存基地或者大型开放式封存基地，如果在封存区地表10km2，构建地面植物增强吸收系统，全部种植碳汇植物，依据2022 年我国碳汇林自愿减排项目核算值，每亩（1 亩≈666.67m2）每年可以固碳0.3～1.2t，按照每亩年固炭1t 计算，每年碳汇效应15 000t。按照目前我国碳市场价格50 元/t，可以实现75 万元碳收益，以100 年为核算期限，可实现地面碳汇150 万t，同时获得7 500 万元收益，实现环境与经济效益双赢。

5 结论

根据生态环境部2016 年颁布的《二氧化碳捕集、利用与封存环境风险评估技术指南（试行）》，明确对CO2地质封存的环境风险进行管控。本文针对CO2缓慢泄漏可能产生的环境风险，提出了三位一体监测系统、预警系统以及构建最后一道地面拦截系统地面植物增强吸收系统，全方位保障CO2封存的安全稳定性，为CCUS 技术的发展提供理论与技术支撑。