不同地质体中CO2封存研究进展

包琦，叶航，刘琦，张敏

（中国石油大学（北京） 非常规油气科学技术研究院 油气资源与工程国家重点实验室，北京 102249）

二氧化碳（CO2）排放导致的全球气候变化问题是当今世界面对的巨大挑战。碳捕集、利用与封存（CCUS）技术可对能源利用工程的伴生碳源和从大气中分离得到的CO2直接加以利用，或注入可以有效封存CO2的地质体中以实现CO2永久减排[1-2]。目前，中国投运和规划的10万吨级及以上CCUS项目超过40个，50万吨级及以上项目超过10个，多个100万吨级及以上项目也正在规划中。综合分析CCUS技术在全行业的应用及未来减排需求，预测双碳目标下到2060年中国CCUS减排需求约为23.5 × 108t/a[3]。

CO2地质封存（简称“地质封存”）通常是指将CO2注入如深部咸水层、枯竭油气藏、深部不可开采煤层和玄武岩等储层条件各异的地质体中，以实现安全有效的永久性固碳[4-5]。对不同地质体，了解其主要CO2封存机理（简称“封存机理”）对评估CO2封存潜力（简称“封存潜力”）、选址以及开展地质封存项目等均有重要意义[6]。随着不同地质尺度封存潜力的评价研究日趋深入，迫切需要建立统一的封存潜力级别或标准，优选较为科学的封存潜力计算方法，以便服务规模化封存场地选址与工程实施。目前国际国内开展了系列地质封存项目，如挪威Sleipner咸水层封存项目和拟建的荷兰Porthos枯竭气藏封存项目，以及中国恩平15-1油田群工程项目和广东沿海地区计划建设的玄武岩CO2原位矿化封存项目。地质封存项目的实施促进了CCUS技术的发展，然而不同地质体CO2封存存在一定差异，亟需对不同地质体CO2封存研究现状进行系统总结，探究不同封存场所间封存机理与封存潜力计算方法的区别与联系。

本文阐述4种不同地质体中的封存机理，综述国际与国内主要地质封存工程的实施与建设现状，通过综合考虑不同地质体中的封存机理，总结不同地质体封存潜力计算方法，以期为推动地质封存研究及CCUS技术发展提供参考。

1 深部咸水层CO2封存

深部咸水层是指地下深度大于800 m的咸水层，深部咸水的矿化度为3～50 g/L，不适用于人类生产及生活，在深部咸水层内封存CO2可有效减少CO2排放[7]。深部咸水层具有地理分布广和封存潜力大的优点，据估算，中国深部咸水层CO2封存的封存潜力约为2.42 × 1012t。

1.1 封存机理

深部咸水层封存机理包括以构造封存和残余气封存为主的物理封存，以及以溶解封存和矿化封存为主的化学封存。深部咸水层中储层的咸水与注入的超临界状态CO2之间存在密度差，因此会导致CO2产生较强的浮力，使其向地层上部运移，直至到达密封盖层，良好的低渗透或不渗透盖层能够将CO2有效地封存于构造圈闭和地层圈闭中。这种由致密岩石组成的地质构造所引起的物理封存效应即为构造封存。另一种重要的物理封存方式为残余气封存，CO2羽流运移时其饱和度会相应减小，羽流穿过多孔储层岩石时，受孔喉结构差异与孔隙毛细管压力的影响，部分CO2气体会残留在储层孔隙中[8-9]。溶解封存主要是化学过程，CO2在注入咸水层后会与地层水产生对流和扩散等物理作用，并发生溶解形成碳酸，后进一步电离形成H+、和，促进了富含Ca2+或Mg2+等的固碳矿物的溶解与沉淀反应[10]。研究表明，封存过程中的安全性从大到小依次为矿化封存、溶解封存、残余气封存和构造封存，而封存形成时间则正好相反（图1）[11-12]。

图1 深部咸水层CO2封存机理[12]Fig. 1 CO2 storage mechanisms in deep brine aquifers[12]

1.2 工程实例

国际国内典型的咸水层封存工程有挪威Sleipner项目以及中国神华鄂尔多斯项目（图2），此外，我国南海也在建设首个海上咸水层封存项目[13]。挪威Sleipner项目中，挪威国家石油公司在选取目标储层时，考虑了储层构造、孔隙度、渗透率及封存压力等关键因素，最终选取了Utsira地层作为封存场所。Utsira地层上方被较厚的页岩盖层覆盖，能够有效避免潜在的CO2泄漏风险，注入的CO2在不同封存机理的作用下可以实现安全长久的封存。挪威Sleipner项目每年向北海海平面下800～1000 m Utsira咸水层中注入100 × 104t CO2，项目不仅在运行时设定了非常规律和稳定的注入周期，还对封存过程实行了持续的地球物理监测[14]。

图2 挪威Sleipner项目(a)和中国神华鄂尔多斯项目(b)Fig. 2 Sleipner project in Norway (a) and Shenhua Ordos project in China (b)

中国神华鄂尔多斯项目的碳源所在地为神华煤直接液化厂，项目采用CO2捕集、输送与封存综合流程技术，在充分考虑源汇匹配问题后，选定了碳源西部10 km处深部咸水层作为封存场所。项目于2010年5月完成环境影响初步评价，包括系统CO2封存情况、不同方案提高注入率，以及理论CO2最大封存量等。项目于2010年12月建成投运，能够捕集和封存CO210 × 104t/a 。2011年1月，项目将超临界CO2注入目标咸水层，进行连续注入试验和工程测试，2014年结束注入，CO2总封存量约30 × 104t[13,15]。

中国沿海地区伴随工业生产的碳源丰富，而近海盆地具有良好的储层物性和地层构造特征，封存潜力大。中国首个海上地质封存示范工程，即恩平15-1油田群工程项目，于2023年6月在南海珠江口盆地建成投产。项目拥有中国首套海上CO2封存装置，将当前亚洲最大海上油田开发伴生的CO2永久封存于800 m海底深部咸水层，年封存CO2约30 × 104t，计划封存CO2总计超146 × 104t。恩平15-1油田群工程项目将开发过程中伴生的CO2高度分离后，注入到海底深部咸水层中进行有效封存[16-17]。中国深部咸水层CO2封存技术正在稳步发展，未来需着重考虑近海盆地封存场所与碳源之间的匹配问题，加强封存场地选址，以及开发较为完备的地质封存过程安全监测技术，通过实际工程数据与模拟分析方法服务规模化工程建设。

2 枯竭油气藏CO2封存

枯竭油气藏CO2封存被认为是最有效的封存选择之一，其优势在于，油气勘探阶段对枯竭油气储层进行了广泛研究，包括储层封存潜力、渗透率、孔隙度、盖层和密封质量，以及封存能力，同时注入井和管道等原有基础设施可用于地质封存过程，无需或仅需少量改造[18]。

2.1 封存机理

枯竭油气藏CO2封存机理与深部咸水层封存机理相似（图3）。

图3 枯竭油气藏CO2封存机理[19]Fig. 3 CO2 storage mechanisms in depleted oil and gas reservoirs[19]

CO2在注入储层后首先因构造封存机理在地层物理屏障（如低渗透层）下方积聚，由于润湿相和非润湿相之间的毛细管力和粘性力，CO2以残余气的形式固定在孔隙系统中。此外，因储层同样含有能够溶解CO2的地下水，并伴随发生水岩反应，所以溶解封存和矿化封存也是枯竭油气藏重要的化学封存机理[19]。吸附封存是区别于咸水层封存的另一种物理封存机理，是枯竭油气藏封存CO2的主要封存机理，CO2在储层岩石孔隙表面会产生较强的物理吸附作用，远远强于甲烷（CH4）的吸附性，从而置换出CH4，在封存CO2的同时达到强化开采气藏资源的作用[20-22]。枯竭油气藏的封存能力在很大程度上取决于地球化学形成的岩石和黏土矿物的数量和孔径分布[23-25]。

2.2 工程实例

典型的枯竭气藏封存项目有荷兰K12-B海上枯竭气藏封存项目和法国Lacq-Rousse项目，此外还有荷兰鹿特丹港地区正在计划建设的Porthos项目。荷兰K12-B海上枯竭气藏封存项目是全球首个将原气田工业过程中伴生的CO2回注至原始Rotliegend砂岩气藏的先导性试验项目[26]。Rotliegend砂岩气藏深度3800 m，气藏枯竭后为压力4 MPa的中低渗气藏。2004—2010年为项目工程验证阶段，K12-B伴生碳源每日注入原始气藏58.8 t，在之后的大规模应用阶段，CO2注入量达31.0 × 104～47.5 × 104t/a[27-28]。

法国Lacq-Rousse项目示范试点是一个陆上枯竭的碳酸盐岩气藏，深度4500 m，1972—2008年运营。该项目于2006年第一次研究投用，2010—2013年，项目持续注入CO2约5100 t。注入后的微地震监测表明，储层的地质安全构造可以将CO2有效封存，同时保持了储层、盖层和注入井的完整性。尽管Lacq-Rousse枯竭气藏封存的CO2量较小，但其仍然是少数完成的封存项目之一[23]。

荷兰Porthos项目以荷兰鹿特丹港为陆地CO2汇聚点，以P18气田作为CO2封存点，该项目目前正在规划建设中。鹿特丹港地区所排放的CO2占荷兰总排放的14%，项目计划捕集该地区的伴生碳源，通过一条长25 km的海底管道将CO2输送至P18-A海上枯竭气田，并利用旧井将CO2注入到地下3000 m的封闭多孔砂岩储层。项目计划2024—2025年投运，将以250 × 104t/a的CO2封存量运行15 a，总计封存CO20.37 × 108t。该项目利用原有的旧井管道，在节约工程成本的同时也考虑了源汇匹配问题。中国南海北部地区存在部分海上废弃枯竭气藏，可对沿海地区工业伴生碳源考虑开展CO2封存，推动中国枯竭油气藏CO2封存的发展。

3 深部不可开采煤层CO2封存

因独特的储层物性特质，深部不可开采煤层CO2封存在现阶段具有较大的封存潜力。煤层按照研究原理和储层场所差异性，可划分为浅部煤层未采区和深部不可开采煤层区。其中深部不可开采煤层封存空间主要为煤储层基质表面，驱替置换作用是区别于煤层未采区的主要封存机理，也是制约CO2封存效果的主要因素之一。

3.1 封存机理

煤层的吸附作用以及煤层双重孔隙结构伴随的长期残余气封存，是深部不可开采煤层中封存CO2的主要机理。煤层双重孔隙结构是煤基质在地下深部运动以及成煤过程中形成的。通常情况下，气体在双层孔隙结构煤层介质中的运移方式主要为煤基质中的扩散和吸附作用，以及在割理系统中的层流和稳流运动（图4）[29]。CO2在注入深部不可开采煤层后，首先与煤层表面接触，CO2通过与水分子的竞争吸附以及受到表面势能作用，使其以较高的浓度在煤基质表面形成较强的吸附[30]。此外，在含水条件下的毛细管张力作用下，煤层的双重孔隙结构又以残余气封存机理对CO2进行有效封存。由于煤层内煤基质对CO2的吸附能力远大于CH4，CO2注入煤层中会与CH4产生竞争吸附，从而通过驱替置换作用采出深部煤层中的CH4。所以深部不可开采煤层CO2封存是CO2、煤基质以及煤层气之间的多相耦合过程[31-32]。

图4 煤基质、割理系统及气体流动方向[29]Fig. 4 Coal matrix, cleaving systems and gas flow direction[29]

3.2 工程实例

深部不可开采煤层CO2封存一般都伴随着强化煤层气产出过程（CO2-ECBM），国际国内先后在广泛分布煤层的盆地级封存地点进行CO2-ECBM相关先导实验。美国San Juan盆地项目是全球首个煤层CO2地质封存并强化煤层气采收的工程项目，于1993年12月建成投用，1995年项目组将目标储层设定为该盆地埋深900 m的Allison深部不可开采煤层，CO2封存量约为33.5 × 104t，因注入过程CO2对CH4的置换作用，不仅对CO2进行了有效封存，同时还增强了煤层气采出率。加拿大Alberta盆地项目是另一个典型的CO2-ECBM项目，1997年正式投入试验，通过对比注入纯N2、纯CO2以及N2和CO2混合气体，验证了CO2-ECBM技术的可行性[33]。

中国CO2煤层封存技术相比于西方国家起步较晚，于2002年在山西沁水盆地TL-003井开展了国内首个CO2-ECBM项目，随后又于2010年、2013年在该盆地多次进行了探究性实验，初步验证了CO2注入可提高煤层气井CH4采出率并有效封存CO2[34-35]。整体来说，中国作为煤炭资源大国具有众多的煤矿开采工程，同时也伴随着较多的废弃煤层与深部不可开采煤层，所以煤层CO2封存具有可观的发展潜力。此外，CO2强化煤层气产出也使煤层封存CO2过程中实现了一定的经济效益。但是，中国目前在该方向的技术成熟度不足，需要加强探究深部不可开采煤层工程化选址，并考虑项目实施中存在的非CO2温室气体CH4泄漏等技术问题。

4 玄武岩CO2矿化封存

玄武岩是良好的CO2封存地质体，地球上玄武岩储量丰富，全球大部分洋底（约占地球表面积的70%）和大于5%的陆地均由玄武岩构成[36-37]。玄武岩与其他硅酸盐基岩石相比，具有较好的矿化封存潜力及较低的CO2泄漏风险[38-40]。

4.1 封存机理

玄武岩CO2矿化封存主要封存机理为原位矿化封存，其次是注入后前期的溶解封存机理，玄武岩原位矿化封存机理是典型的化学封存机理（图5）[41]。注入玄武岩地层的CO2，首先溶解于地层水中产生碳酸，然后，玄武岩中的主要固碳矿物表面阳离子与阴离子基团之间的桥键被打破，与CO2溶解产生的H+反应，释放出Ca2+、Mg2+和Fe2+等二价阳离子，同时水中富含，阴阳离子发生反应生成稳定的碳酸盐岩沉淀矿物，如方解石、菱镁矿和菱铁矿等，最终将注入的CO2安全长久地封存于玄武岩地质体中[42-43]。从热力学角度来看，玄武岩地质体CO2矿化封存是一个由高能态到低能态的过程，生成的矿物沉淀相对稳定[44-46]。此外，因地层水的大量存在，溶解封存也是玄武岩CO2封存的重要机理，与原位矿化封存共同影响封存过程与效率[47-48]。

图5 玄武岩CO2矿化封存机理[41]Fig. 5 CO2 mineralization and storage mechanism in basalts[41]

4.2 工程实例

目前全球主要的玄武岩CO2矿化封存项目为美国Wallula项目和冰岛Carbfix项目（图6）。虽然Wallula项目试验已停止，但美国东西海岸两处潜在的海底玄武岩封存项目正在计划实施中。冰岛Carbfix项目进展较快，且正在开展Coda terminal运输终端等衍生项目。CarbFix项目位于冰岛西南部Hellisheiði地热发电厂，电厂每年产生约4 × 104t CO2和约104t HS。该项目第一阶段分别注入了175 t2CO2，及73 t CO2、H2S和H2的混合气体，结果表明，注入的CO2在两年后95%以上都被矿化封存于玄武岩中。项目第二阶段对注入速度以及玄武岩注入深度做出了相应提高，2014年6月起的13个月内，共注入了4526 t CO2和2536 t的混合气体，截至2017年底，共注入封存了23104 t CO2[49-50]。

图6 美国Wallula项目(a)和冰岛CarbFix项目(b) CO2矿化封存示意图[42]Fig. 6 Schematic diagram of CO2 mineralization storage of Wallula project in America (a) and CarbFix project in Iceland (b)[42]

美国Wallula项目将超临界CO2注入至深度800～900 m的哥伦比亚河玄武岩中，其类型为大陆溢流玄武岩，储层上覆非渗透性密封盖层，对注入的CO2起到了良好的构造圈闭作用，使其有充足的时间形成碳酸盐沉淀以实现矿化封存。在CO2注入整个过程中，为了控制适宜的封存储层压力，2013年7月至8月每天注入约40 t超临界CO2，25天内完成，共注入CO21000 t[51-52]。

近年来，美国将东西海岸两处潜在的海底玄武岩封存地区，作为支撑美国玄武岩CO2矿化封存技术的研究重点。西海岸卡斯卡迪亚盆地（Cascadia）的潜在玄武岩位于海底以下300～500 m，计划在20年内从集中点源捕集并隔离0.5 × 108t CO2，并将其注入距太平洋海岸200英里的潜在玄武岩中。东海岸纽约近海的大陆架盆地的潜在玄武岩位于海底以下2000 m，预估可封存数十亿吨CO2[53-54]。此外，冰岛Carbfix项目于2022年7月从欧盟获得1.17 × 108EUR的基金支持，用于开展Coda terminal运输终端项目，该项目是全球第一个跨境运输和矿物封存枢纽[55]。中国东南沿海地区，如江苏、安徽、浙江、福建和广州等省份，都广泛分布新生代玄武岩，且存在大量的CO2排放源，是玄武岩CO2矿化封存的潜在地区。目前中国企业正在与冰岛Carbfix项目合作，规划建设CO2地下玄武岩快速矿化封存示范项目[41]。

通过总结上述4种不同地质体中CO2封存机理与主要工程实例（表1）可以看出，深部咸水层和枯竭油气藏封存机理近似，深部不可开采煤层封存机理以吸附封存占主导，玄武岩封存机理则以安全性较高的矿化封存为主，实现了对CO2长期有效的原位矿化封存。此外，油气藏和煤层在CO2封存过程中常伴随着CO2利用强化提高油气采收率的作用，而咸水层和玄武岩CO2封存虽不伴随协同作用，但具有更高的封存安全性，是未来CO2封存的优选封存地质体。随着中国神华鄂尔多斯项目成功实施，以及恩平15-1油田群工程项目成功投运，验证了中国咸水层CO2封存技术的可行性。此外，枯竭油气藏、深部不可开采煤层以及玄武岩CO2封存同样极具潜力，是深部咸水层CO2封存的重要补充。相关案例对中国开展不同地质体封存项目具有一定的参考意义。

表1 不同地质体中CO2封存机理及主要工程实例Table 1 CO2 storage mechanisms and main engineering examples in different geological formations

5 不同地质体中CO2封存潜力计算

5.1 封存潜力计算方法

在地质封存规模化应用前，需要对不同地质体中的封存潜力进行系统计算[56]。封存潜力计算方法主要包括碳封存领导人论坛（Carbon Sequestration Leadership Forum，CSLF）计算法（式(1)）、容积法（式(2)）以及分别了考虑物理与化学不同机理的CO2封存潜力机理法（式(3)～式(5)）。

式中，P为封存潜力，kg；Pg为油气藏或煤层可产气量，m3；ρCO2为储层中CO2的密度，kg/m3；RE为CO2体积置换比。

式中，A为储层面积，m2；h为储层厚度，m；ϕ为储层孔隙度，%；Egeol为地质系数。

式中，Pts为构造封存潜力， kg；Swirr为残余水饱和度，%。

式中，Ptr为残余气封存潜力，kg；SCO2,t为液流逆流后残余CO2的饱和度，%。

式中，Ptd为溶解封存潜力，kg；RCO2为CO2在地层水中的溶解度，mol/kg；mCO2为CO2的摩尔质量，0.044 kg/mol。

5.2 深部咸水层封存潜力计算

深部咸水层封存潜力计算方法主要为式(3)、式(4)和式(5)，分别对应储层构造封存的潜力计算、因储层孔隙结构而存在的残余气封存的潜力计算和溶解封存机理的潜力计算[57-61]。李小春等[62]利用溶解封存机理法（式(5)）计算了中国24个沉积盆地的深部咸水层封存潜力，结果显示CO2封存量可达1440 × 108t。李阳等[58]采用机理法评估了中国苏北盆地高邮凹陷某深部咸水层，CO2理论封存量为2590 × 104t，其中，构造封存量为1300 × 104t，溶解封存量为852 × 104t，残余气封存量为424 × 104t，以及矿化封存量为13 × 104t。

5.3 枯竭油气藏封存潜力计算

枯竭油气藏封存潜力计算方法的假设条件为因CO2驱替作用采出的油气空出部分空间会封存CO2[58,63]。周迪等[64-65]通过GSLF计算方法，计算了南海北部4个盆地油气藏有效封存潜力，其中，油藏总有效封存潜力为133 × 108～243 × 108t，气藏总有效封存潜力为3010 × 108～5770 × 108t。李航宇等[66]评估了北部湾盆地油气藏封存潜力。结果显示，油藏的平均封存潜力为4230 × 104t，气藏的平均封存潜力为6230 × 104t。

5.4 深部不可开采煤层封存潜力计算

深部不可采煤层封存潜力计算方法主要为GSLF计算法和容积法[67]。针对深部煤层的封存潜力评价，研究者利用GSLF计算法以及容积法对中国煤层封存潜力进行了评估。计算结果表明，中国含煤盆地埋深在300～1500 m的煤层封存潜力为121 × 108t。郑长远等[68]基于CSLF计算法考察了深度为1000～2000 m的28个中国盆地煤层，结果显示封存潜力为98.8 × 108t。此外，国内许多学者在充分考虑煤层条件等关键因素下，对中国38个含煤盆地封存潜力开展了评价。结果表明，埋深1500～2000 m的深部煤层可以封存549 × 108t CO2[33]。

5.5 玄武岩封存潜力计算

玄武岩CO2封存以地下岩层的原位矿化封存机理为主导，因此首先采用由容积法延伸的封存位点地区岩石储量公式（式(6)）计算封存潜力，然后根据三维X射线显微镜成像等表征手段，确定岩石内各种矿物成分的含量及孔隙特性，最后推断玄武岩封存潜力[69]。吾尔娜等[70]通过岩石储量公式计算了济阳坳陷玄武岩封存潜力，封存潜力约为39.7 × 108t，矿化封存机理在整个地质封存过程中占主导作用，其贡献的封存潜力高达90%以上。MCGRAⅠL等[71]假设大陆溢流玄武岩平均厚度为10 m，平均孔隙度为15%，估算出哥伦比亚河面积约为164 × 104km2的玄武岩封存潜力超过1000 × 108t。ANTHONSEN等[72]使用MCGRAⅠL的假设确定了冰岛地区玄武岩封存潜力，估算封存潜力高达600 × 108t。

式中，Sw为储层含水饱和度，%；Viw为注入水量，m3；Vpw为产出水量，m3。

对比发现，不同地质体封存潜力计算方法具有一定差异（表2），如油气藏和煤层因其采出油气的置换作用，常使用CSLF计算法计算封存潜力，容积法是不同地质体封存潜力的常用计算方法，而咸水层因其特殊的储层结构以及封存机理，提出了较为细化的CO2封存潜力机理法。此外，相比于煤层和玄武岩，咸水层及枯竭油气藏封存潜力较大，但在实际应用中还需要充分考虑项目实施的可行性以及技术成熟度，在工程适宜性选址前对目标封存场地采用较为科学的计算方法和标准进行封存潜力的计算与评估。

表2 不同地质体封存潜力计算方法及中国部分地区封存潜力Table 2 Calculation methods of CO2 storage potential in different geological formations and storage potential in some areas of China

6 结语与展望

深部咸水层和枯竭油气藏的封存机理主要包括以构造封存和残余气封存为主的物理封存，以及以溶解封存和矿化封存为主的化学封存，其中，枯竭页岩气层吸附封存机理在封存过程中发挥了重要作用。深部不可开采煤层的封存机理主要为煤层地质体的吸附作用，而玄武岩封存机理主要为原位矿化封存，即通过形成稳定的碳酸盐沉淀使得CO2安全、有效和永久地封存于玄武岩中。4种地质体中封存CO2具有不同优势及局限。国内外开展了系列地质封存项目，其中深部咸水层地理分布较多，封存潜力最大；枯竭油气藏封存CO2则具有明显的成本优势，且与深部不可开采煤层相似，有着提高油气、煤层气采收率的强化作用；而玄武岩封存CO2则具有较强的安全可靠性，也是未来重点开发的封存地质体。

目前，中国正在建设首个海上咸水层封存项目，深圳市腾讯计算机系统有限公司也与冰岛Carbfix项目展开合作，规划建设CO2地下玄武岩快速矿化封存示范项目。此外，作为油气藏及煤炭资源大国，中国的废弃油气藏和不可开采煤层为地质封存的实施提供了有效的封存空间。因此，未来需要针对封存地质体种类，探究影响地质封存的关键因素，优化不同封存机理作用下封存潜力的计算方法。研发与CO2共注入的协同增效环保型材料，探究低成本、高效率的CO2封存技术。在考虑源汇匹配问题的同时，对封存地质体种类选择和配套环境安全监测等进行进一步完善和优化，推动封存场所的适宜性选址，助力不同地质体封存项目的建设与发展。