CO2地質(zhì)埋存的影響

編譯:趙軒 (中國(guó)石油大學(xué) (北京))

審校:張超 (勝利測(cè)井公司資料解釋研究中心)

CO2地質(zhì)埋存的影響

編譯:趙軒 (中國(guó)石油大學(xué) (北京))

審校:張超 (勝利測(cè)井公司資料解釋研究中心)

本文以京都議定書所規(guī)定的排放量作為底線,研究了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、法規(guī)問(wèn)題以及在美國(guó)實(shí)施CO2地質(zhì)封存的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān);同時(shí)還評(píng)價(jià)了京都議定書中有關(guān)埋存所有多余的CO2對(duì)氣候變化的潛在影響。阻礙實(shí)施CO2地質(zhì)封存這一舉措的主要因素是缺乏一套完整的規(guī)定體系。然而,所有法規(guī)問(wèn)題都要受注入過(guò)程本身的客觀條件和經(jīng)濟(jì)能力所支配。本文分析了將CO2注入廢棄油氣藏、含鹽水層以及不可采煤層的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)。研究表明,在沒(méi)有明確CO2地下埋存的潛在性技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)與花費(fèi)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源利用的影響時(shí),不可能制定出任何完善的相關(guān)法規(guī)。據(jù)估計(jì),在美國(guó)按京都議定書的規(guī)定實(shí)施CO2封存每年將會(huì)花費(fèi)超過(guò)1萬(wàn)億美元。即使在過(guò)去100年內(nèi)全球溫度所上升的0.7℃全由人為釋放的CO2所致,但通過(guò)埋存超過(guò)1990年CO2水平的95%而改善的全球溫度情況卻微乎其微。地球上變化莫測(cè)的氣候令實(shí)施該舉措的效果變得難以確定。本文就具有商業(yè)規(guī)模的CO2地質(zhì)封存措施對(duì)于經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及全球氣候變化的潛在影響進(jìn)行了客觀實(shí)際的研究和分析。該分析成果可用于CO2地質(zhì)封存工程的風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

CO2地質(zhì)封存 技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)封存政策 風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

1 引言

由于全球?qū)δ茉葱枨蟮牟粩嘣黾?不管具有“碳的零排放”的可再生能源發(fā)展得多么好,以碳元素為主的化石燃料在近幾十年的能源消耗中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。地質(zhì)封存以其巨大的地下容量以及相對(duì)成熟的技術(shù)是碳儲(chǔ)存的首選方案。燃煤電廠的CO2排放量占需要埋存的CO2總量的40%。但在全球范圍內(nèi)向地下儲(chǔ)層中注入CO2的規(guī)模要取決于各國(guó)的排放上限、氣候變化情況、政策以及經(jīng)濟(jì)支付能力。

圖1展示了對(duì)美國(guó)和全球從1990年到2030年間燃燒化石能源所造成CO2釋放量的計(jì)量和預(yù)測(cè)情況。京都議定書要求發(fā)達(dá)國(guó)家自2008年開始要使CO2排放量比1990年的水平減少5%。為滿足這一要求,大量CO2必須被合理封存起來(lái) (表1和圖1)。

表1 超出京都議定書所規(guī)定量的CO2量(單位:109t)

圖1 美國(guó)和世界的CO2排放量

通常認(rèn)為廢棄的油氣儲(chǔ)藏、深層含鹽水層和不可采煤層是最合適的CO2封存場(chǎng)所。候選儲(chǔ)層的標(biāo)準(zhǔn)包括注入率、儲(chǔ)存能量和封存持久性。推薦的最小深度是800 m,以保證飲用水層的安全。在此深度下,CO2達(dá)超臨界狀態(tài) (CO2臨界壓力1 070 psi,臨界溫度87.9℉),其密度為600～800 kg/ m3,最適于儲(chǔ)存。最大深度最好不超過(guò)3 300 m以保證合理的壓縮花費(fèi)。

石油工業(yè)利用注CO2提高采收率 (EOR)法采油的歷史已有30年。因此,應(yīng)該可以得到用于封存的CO2注入率的大致范圍,并將此作為最佳情況和后續(xù)討論的出發(fā)點(diǎn)。當(dāng)用于提高采收率的CO2在穩(wěn)定狀態(tài)下注入時(shí),可以達(dá)到永久性的封存效果,即注入邊界處沒(méi)有流動(dòng)的封閉油藏。這種注入是和擬穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)及一般油藏壓差如3 000 psi (1 psi=6.895 kPa)時(shí)的情況相反的過(guò)程,在油藏壓力上升、注入率減小的過(guò)程中,總產(chǎn)出或注入的CO2液體量不超過(guò)孔隙體積的3%～5%。

表2所示的是兩個(gè)CO2-EOR單元的CO2注入速率,Permain盆地的SACROC單元和Wasson Denver單元,另一個(gè)是Wyoming的 Grieve油田的CO2封存并用于EOR的例子。合適的封存儲(chǔ)層滲透率的下限為 10 mD(1 mD=1.02×10-3μm2)。Wasson Denver單元的平均注入速率可作為評(píng)價(jià)的最低限。Grieve油田的儲(chǔ)層具有很高的滲透率和較低的原始油藏壓力,其油層平均厚度為45 ft(1 ft=30.48 cm),是具有CO2注入率理想上限的實(shí)例。

表2 EOR中對(duì)不同滲透率地層CO2注入例子

如果表1中多余的CO2以表2中的注入率注入,美國(guó)在2008年將需要66 382口井來(lái)處理這些CO2。2030年井?dāng)?shù)將增至160 000口。假設(shè)儲(chǔ)層滲透率和油藏壓力與Wasson Denver單元相似,且注入的過(guò)程中產(chǎn)油 (表3),則對(duì)比可得,美國(guó)每年需鉆約40 000口油氣井。

表3 預(yù)計(jì)需注CO2的井?dāng)?shù)

處理流體廢物的Ⅰ級(jí)井的注入率可用來(lái)類比CO2的注入率。在地下注入控制 (UIC)項(xiàng)目中,流體廢物由Ⅰ級(jí)井注入位于飲用水層下部的鹽水層。截至2005年六月 (至2007年9月有504口),世界上有484口Ⅰ級(jí)井。所有在運(yùn)行中的單井的注入率為117 072 t/a,在表2的測(cè)算范圍內(nèi)。但一些Ⅰ級(jí)井CO2的泄漏帶來(lái)了一些法規(guī)問(wèn)題。顯然,當(dāng)注入更大量的CO2時(shí)相似的泄漏問(wèn)題會(huì)更加嚴(yán)重。

眾所周知的CO2封存工程有加拿大的Weyburn工程,具有封存CO2和用于 EOR的雙重目標(biāo)。該項(xiàng)目始于2000年。CO2釋放源是Beulah的Great Plains Synfuels燃料廠,北Dakota要用管道將CO2以3 000～5 000 t/d的流量輸送到200 mile(1 mile=1.609 km)遠(yuǎn)的Saskatchewan東南部的Weyburn油田。在該項(xiàng)目計(jì)劃實(shí)施的20年中,2 000×104t CO2會(huì)被注入油田。按京都議定書規(guī)定,單2008年就需埋存CO213.2×108t,即在保證CO2百分之百埋存在地下的前提下,美國(guó)需要1 320個(gè)Weyburn工程才能完成。

然而,注入率方面也有例外。北海的Sleipner項(xiàng)目,計(jì)劃實(shí)施25年,是目前世界上最早也是最大的CO2封存工程。始于1996年9月,從海底天然氣藏生產(chǎn)中分離出的CO2被注入到1 000 m深的海底鹽水層,單井注入率為100×104t/a。如此高的注入率要?dú)w功于鹽水層的巨大尺寸 (200～250 m厚),具有很高的滲透率,含水層中砂巖膠結(jié)程度差。但這種儲(chǔ)層很年輕,缺乏封存CO2所需的蓋層巖石。當(dāng)然,若這種儲(chǔ)層有良好的密封性則會(huì)節(jié)省大量的注入井。

2 碳封存的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)

在超臨界狀態(tài)下,CO2密度比水小并開始由于浮力而移向儲(chǔ)層頂部。在高壓環(huán)境下,CO2在多孔介質(zhì)中的泄漏是不可避免的,從而引起油氣藏儲(chǔ)積能力的不確定性。另一個(gè)CO2注入的嚴(yán)重問(wèn)題是隨時(shí)間增長(zhǎng)而減小的注入率,這是由于CO2和底層水與巖石表面的反應(yīng)產(chǎn)物引起的結(jié)垢堵塞或其他儲(chǔ)層損害因素。CO2注入過(guò)程中,由于儲(chǔ)層非均質(zhì)性引起的CO2早期突破對(duì)注入率和儲(chǔ)層污染都有影響,還會(huì)減慢CO2在油氣藏或每層封存的過(guò)程。

在已出版的文獻(xiàn)中,對(duì)碳封存的不確定性與風(fēng)險(xiǎn)性根據(jù)地面儀器和地下儲(chǔ)層進(jìn)行了一定程度的研究。Stevens等人 (2000)列出了將廢棄油氣田作為CO2儲(chǔ)積場(chǎng)所的從CO2的捕集到注入的安全性等主要屏障。Damen(2003)的研究強(qiáng)調(diào)了健康和環(huán)保問(wèn)題。Benson等人 (2003)總結(jié)了以前一些實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn),包括行業(yè)性CO2暴露、天然氣運(yùn)輸與儲(chǔ)存、工業(yè)廢物如核廢物地下處理等。Wo等人(2004)分析了再不可采煤層中封存CO2的不確定性和風(fēng)險(xiǎn),并研發(fā)出一套碳埋存的可能風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的數(shù)學(xué)模型。研究中一般用以下要求確定風(fēng)險(xiǎn)因子:失敗的原因;出錯(cuò)的可能性;CO2的可能泄漏量;彌補(bǔ)錯(cuò)誤的花費(fèi)。

具有商業(yè)規(guī)模的CO2地質(zhì)封存的關(guān)鍵問(wèn)題是地質(zhì)的不確定性、環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)以及不可避免的巨大財(cái)政負(fù)擔(dān)。大部分CO2地質(zhì)封存文獻(xiàn)中提到的優(yōu)勢(shì),是將CO2用于提高油氣采收率或相對(duì)較小規(guī)模注CO2提高煤層氣采收率。當(dāng)CO2以京都議定書中規(guī)定的方式水平注入時(shí),收益會(huì)變得微乎其微,因?yàn)楂@得高純度CO2及注入的要求會(huì)更高。

2.1 油氣儲(chǔ)藏

由于地質(zhì)信息與密封和捕集持久度情況都是可以獲得的,油氣儲(chǔ)層被認(rèn)為是最佳的CO2埋存候選儲(chǔ)集所。儲(chǔ)集CO2的主要機(jī)理是構(gòu)造捕獲和溶解捕獲。作為儲(chǔ)積場(chǎng)所的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)是儲(chǔ)層容積、注入率、巖性及蓋層完整性。假設(shè)巖石不可壓縮,注CO2的同時(shí)產(chǎn)出原油或天然氣,油氣儲(chǔ)層的具體容量Co-g可表示為

式中ρCO2——CO2密度、壓力與溫度的函數(shù);

φ——巖石孔隙度;

Sir——?dú)堄嘤突驓怙柡投?

Swi——束縛水飽和度;

Cs——單位體積水中溶解的CO2質(zhì)量。

由于CO2溶于地層水的時(shí)間可達(dá)上百年甚至上萬(wàn)年,Cs非常小可以忽略。埋存的不確定性和風(fēng)險(xiǎn)可以根據(jù)以下主要標(biāo)準(zhǔn)歸納出。

2.1.1 減小注入率

如表2所示,SACROC單元體中的注入速率在24年的時(shí)間段中大約降低了2/3。在對(duì)Permain盆地的135個(gè)進(jìn)行CO2-EOR項(xiàng)目的油藏的調(diào)查中表明注入率下降范圍從10%到100%,尤其在碳酸鹽巖層中。實(shí)驗(yàn)室的驅(qū)替測(cè)試也出現(xiàn)相似的情況。在CO2通過(guò)巖心的過(guò)程中滲透率有大幅下降,由巖石壓實(shí)作用引起的儲(chǔ)層損害、礦化度下降、原油乳化作用和細(xì)菌滋生都會(huì)減小滲透率從而降低注入率。

更嚴(yán)重的是約2/3的注入CO2會(huì)隨油氣生產(chǎn)返排到地表 (基本穩(wěn)定的狀態(tài))。大約有3倍多的井需要在不穩(wěn)定狀態(tài)下保持注入率。

2.1.2 不可控制的污染

由于儲(chǔ)層非均質(zhì)性以及浮力作用,CO2的流動(dòng)軌跡很難確定。Permain盆地的CO2注入工程表明注入的CO2要么留在既定位置,要么就漏失到上部或下部區(qū)域。對(duì)于天然的CO2氣藏,出現(xiàn)過(guò)大量CO2氣體泄漏到地表的事故,如Utah和Colorado。注入過(guò)程中的壓力波動(dòng)或壓力過(guò)高會(huì)撐破蓋層引起泄漏。例如,土壤氣測(cè)量已經(jīng)在Colorado西北部的Rangely Weber油田以提高采油率實(shí)施過(guò)。測(cè)量顯示每年出自78 km2的深層CO2源的流量約為3 800 t,相當(dāng)于0.01%的年注入率。雖然泄漏量很小,仍可表明即使是油氣藏蓋層也不是完全密封的,這就使沒(méi)有蓋層的深層含水層和不可采煤層的不確定性更大。

2.1.3 對(duì)環(huán)境的潛在嚴(yán)重后果

CO2泄漏會(huì)污染可飲用地下水層。在超臨界狀態(tài)下,CO2是一種高效的溶劑,并可從地物質(zhì)中提取出如多環(huán)芳香烴的污染物。這些有毒組分具有可移動(dòng)性并可能影響附近地層水水質(zhì)。

2.1.4 能源與經(jīng)濟(jì)的沖突

用CO2提高采收率的目標(biāo)是用最小量的CO2達(dá)到最大的原油產(chǎn)量。因?yàn)橘?gòu)買、置備CO2的費(fèi)用要占去資本和施工費(fèi)用的一半,即使使用最便宜的CO2氣源。任何部分的泄漏都要嚴(yán)密監(jiān)測(cè)來(lái)防止損失。作為設(shè)施退役部分,儲(chǔ)層壓力通常要保持較低水平來(lái)使采收率最大化,并避免以后CO2泄漏帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

相反,人為地使盡可能多的CO2永久封存于儲(chǔ)層中是碳封存的最終目的。CO2永久性封存于油氣儲(chǔ)層阻礙了能源的繼續(xù)開發(fā)。以現(xiàn)有的開采技術(shù),即使廢棄的油氣儲(chǔ)層也含有大量的殘余油氣(5%～50%)。隨著先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展,原來(lái)封鎖的殘余油氣很可能被開采出來(lái)。可一旦某油氣儲(chǔ)層用于儲(chǔ)存CO2,再將其變回油氣產(chǎn)層則會(huì)使之前用于封存CO2的努力變成徒勞。存在于天然氣藏中的CO2會(huì)降低殘余天然氣的價(jià)值,同時(shí)使封存CO2的天然氣藏不能重新開采。

2.2 深層鹽水儲(chǔ)層

將CO2儲(chǔ)存于深層含鹽水層,可能會(huì)因封閉儲(chǔ)層中巖石和水壓縮引起壓力上升,或者把儲(chǔ)層水驅(qū)替到相鄰儲(chǔ)層或由開放式儲(chǔ)層中驅(qū)到地表。CO2在鹽水層中儲(chǔ)存的公認(rèn)機(jī)理包括構(gòu)造捕集、水動(dòng)力捕集和礦化作用。不同于油氣藏,有關(guān)鹽水層的地質(zhì)資料很缺乏,且以前從沒(méi)有在鹽水層中儲(chǔ)存大量高壓流體的測(cè)試,故增加了不確定性。

類似于油氣藏,如果泵注CO2的同時(shí)產(chǎn)出水來(lái),或水層和開放式儲(chǔ)層連通,則鹽水層對(duì)CO2的具體儲(chǔ)量為:

同理,Cs可略。對(duì)于封閉的鹽水儲(chǔ)層,CO2的注入率僅僅依賴于巖石和水的壓縮性,約 6×10-6psi-1。隨著越來(lái)越多的CO2注入有限的壓力系統(tǒng),注入率逐漸降低。根據(jù)達(dá)西公式,無(wú)損害情況下的不穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下的注入率為:

式中q——注入井底流量;

h——儲(chǔ)層厚度;

Δp——注入壓力差;

k——儲(chǔ)層滲透率;

μ——注入相黏度;

re——封閉油藏等效半徑;rw——井半徑。

若近井地帶無(wú)損害,采油指數(shù)保持不變,在不穩(wěn)定狀態(tài)下注入封閉系統(tǒng)時(shí)注入量將會(huì)降低。如圖2所示,儲(chǔ)層壓力隨注入量增加而升高。通常,注入壓力要小于儲(chǔ)層破裂壓力以防止泄漏。設(shè)pfm為儲(chǔ)層破裂壓力,CO2最大存儲(chǔ)量為Vmax,則有

式中,ct是綜合壓縮系數(shù);φ是巖石滲透率。當(dāng)注入量是最大注入量的一半時(shí),注入率賦為q0.5Vmax,則注入率和注入量可由以下式子計(jì)算:

(1)流體到達(dá)邊界之前:r∈[rw,re]

(2)流體到達(dá)邊界之后:pe∈[pi,pwf]

式中,pwf=pfm是注入壓力;pe是供給邊界壓力。

圖2 有界油藏恒壓注入

若某儲(chǔ)層直徑10 mile,深3 000 ft,儲(chǔ)層溫度110℉,儲(chǔ)層參數(shù)如下:

re=5 mile=26 400 ft;rw=0.328 ft;h=100 ft;pwf=pfm=2 400 psi;pi=1 350 psi;φ=0.2;ct=6× 10-6psi-1;k=100 mD;μCO2=0.068 mPa·s;ρCO2= 48.27 lbm/ft2(1 lbm/ft3=16.018 kg/m3)

注入下降曲線如圖3a所示。當(dāng)注入壓力保持不變時(shí),CO2注入量增加,注入率大大下降。

圖3 封閉深層鹽水層中CO2注入速率、注入量與時(shí)間的關(guān)系

最大注入體積可由 (4)式算出:

Vmax≈275.75×106ft3≈6.04×106t(9)圖3a表示當(dāng)流體到達(dá)儲(chǔ)層邊界 (圖2a)時(shí)注入量是:

0.044 264×275.75=12.206×106ft3(10)CO2注入量可由下式計(jì)算:

式中t單位是小時(shí);q(t)單位是106ft3/d。結(jié)合式 (8)和 (9)得

式中tpss是流體到達(dá)邊界處的時(shí)間:

設(shè)流動(dòng)形態(tài)因子tDA=0.1。

當(dāng)注入時(shí)間t＞tpss時(shí),注入量可由下式計(jì)算:

是油藏平均壓力。注入時(shí)間可由圖3預(yù)測(cè),隨注入量下降,將CO2存入含鹽水層比油氣儲(chǔ)層需要更多的井。

2.2.1 注入損失

與油氣藏相似,降低的注入率取決于巖石和水的組成,尤其對(duì)于碳酸鹽巖儲(chǔ)層。儲(chǔ)層巖石壓實(shí)作用、礦物沉積以及細(xì)菌滋生都會(huì)降低近井地帶的滲透率,從而減小注入率。注入壓力恢復(fù)對(duì)注入率的影響程度取決于含水層的大小和儲(chǔ)層滲透率。

2.2.2 不可控制的污染

自由CO2會(huì)因重力作用運(yùn)移到儲(chǔ)層最高部。在沒(méi)有構(gòu)造封閉的條件下,CO2的橫向擴(kuò)散同樣難以控制。因此,構(gòu)造幾何學(xué)對(duì)運(yùn)移方向有很大影響。將CO2注入鹽水層會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層孔隙壓力上升,進(jìn)而改變決定滲透率和孔隙差異的有效應(yīng)力。應(yīng)力場(chǎng)的巨大改變會(huì)引起斷裂使CO2可從破裂巖縫泄漏,并增加地震的可能性。例如Sleiner工程,注入鹽水層的CO2沿以5 m厚的泥巖密封層垂向泄漏。當(dāng)注入更多的CO2時(shí),垂向泄漏軌跡的CO2滲透率會(huì)隨飽和度的增加而增加,從而引起更多的泄漏。

2.2.3 存儲(chǔ)能力損失

若鹽水層無(wú)流動(dòng)邊界,開始時(shí)只有3%～5%的孔隙體積可用于儲(chǔ)存CO2。在不封閉的鹽水儲(chǔ)層中,注入CO2的過(guò)程就是CO2驅(qū)出鹽水的過(guò)程。鹽水層的流度比和驅(qū)替效率受儲(chǔ)層非均質(zhì)性控制。在原始流體的驅(qū)替效率較低時(shí)儲(chǔ)層存儲(chǔ)能力會(huì)下降,結(jié)垢和礦化作用也會(huì)降低儲(chǔ)層存儲(chǔ)能力。

2.2.4 財(cái)政負(fù)擔(dān)

鹽水層的地質(zhì)信息不足。在注入 CO2之前,獲得詳盡的地質(zhì)信息和資料是必不可少的,但花費(fèi)也很高。Trop和 Gale(2003)預(yù)測(cè),這將會(huì)使燃煤或燃天然氣廠的成本提升50%～80%。

2.3 不可采煤層

煤層封存CO2的主要機(jī)理是煤炭顆粒在高壓下對(duì)CO2分子的吸附。吸附能力主要取決于煤炭的品質(zhì),它決定了CO2的吸附量和受煤層非均質(zhì)性影響的CO2-煤炭接觸程度。同時(shí),水動(dòng)力捕集會(huì)對(duì)驅(qū)替效率有所影響。

2.3.1 注入率問(wèn)題

一個(gè)潛在的問(wèn)題是隨CO2的注入煤層的膨脹。煤層在吸附或解吸氣體的過(guò)程中會(huì)膨脹或收縮。在生產(chǎn)煤層氣的過(guò)程中,解析甲烷分子時(shí)壓力降低會(huì)導(dǎo)致煤層解理的分離,煤層滲透率劇增,有時(shí)甚至增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)將CO2注入煤層時(shí)則是相反的過(guò)程,壓力上升,滲透率下降。這種現(xiàn)象嚴(yán)重影響了煤層的注入率,尤其在低壓區(qū)域。高壓區(qū)滲透率會(huì)上升,但CO2的注入費(fèi)用也會(huì)增加。

在新墨西哥San Juan盆地的Allison單元,是目前世界上唯一的多井多年CO2注入煤層的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試區(qū)塊。先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)包括4口注入井、16口煤層氣生產(chǎn)井和1口觀察井。注入Allison的CO2來(lái)自MED油田的一個(gè)天然CO2氣藏,從1995年至2000年這一期間共注入4.7×109ft3的CO2。1995年CO2原始注入率是5×106ft3/d,在幾個(gè)月中注入率降至3 ×106ft3/d。

2.3.2 不可控制的污染

CO2和CH4可以從以前形成的斷層、不連續(xù)面和露頭中泄漏。之前,對(duì)甲烷在不同位置間的滲流過(guò)程都進(jìn)行了觀測(cè),并記錄了很多甲烷污染地下水的證據(jù)。可觀測(cè)到甲烷滲流的區(qū)域,如南得克薩斯州的松河地區(qū)、瓦倫西亞峽谷、Soda泉以及其他沿西北Fruitland露頭的地區(qū)。這些觀測(cè)都表明CO2有沿甲烷的滲漏路線向露頭或地表泄漏的可能性。煤層的膨脹會(huì)引發(fā)新斷層形成從而加劇CO2的泄漏。全球大多數(shù)煤層都形成于斷層中且厚度薄(1～5 m)、滲透率低 (1～5 mD)。所有這些因素導(dǎo)致煤層不是封存CO2的最佳儲(chǔ)層。

2.3.3 環(huán)境問(wèn)題

注入的CO2泄漏后可能污染水源。煤層中水的鹽度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于EPA規(guī)定的飲用水的上限0.01。以后,從地下水資源中提取會(huì)降低儲(chǔ)層壓力,從而引起CO2從煤層上解吸導(dǎo)致泄漏。

雖然不可采煤層可稱為是最有前景的CO2封存場(chǎng)所之一,現(xiàn)在并無(wú)數(shù)據(jù)支持此說(shuō)法。相反,泄漏和膨脹倒是煤層中的常見問(wèn)題。

對(duì)于長(zhǎng)期的CO2地質(zhì)封存,多種因素都會(huì)引發(fā)泄漏,包括自然災(zāi)害。在儲(chǔ)層中發(fā)生高純度CO2泄漏或有毒物質(zhì)的滲出都會(huì)引起地下水污染。突發(fā)性大量泄漏CO2會(huì)危及人類生命及環(huán)境安全。由潛在泄漏危險(xiǎn)帶來(lái)的巨大操作成本和債務(wù)會(huì)在建立法規(guī)和政策體系上引起爭(zhēng)議。

3 CO2封存的政策與規(guī)定

CO2封存的法規(guī)一直是一個(gè)很受關(guān)注并已廣泛研究的問(wèn)題。CO2封存地面工程系統(tǒng)的規(guī)定,如行業(yè)暴露限值、傳輸、管線規(guī)定等,應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)行的法規(guī)和施工經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。在美國(guó)小型的實(shí)驗(yàn)性注CO2埋存工程,由國(guó)際會(huì)議聯(lián)合會(huì)UIC項(xiàng)目下的聯(lián)邦環(huán)境保護(hù)機(jī)構(gòu)管理。注CO2提高原油和煤層氣采收率也有相同的項(xiàng)目管理,只是在1970年后限制級(jí)別不如前者高。

然而,由于商業(yè)規(guī)模的CO2長(zhǎng)期埋存項(xiàng)目的不確定性與風(fēng)險(xiǎn),有關(guān)注入井的分類、監(jiān)測(cè)、核實(shí)以及可允許的泄漏率的判斷,這些都關(guān)系到法律和財(cái)政責(zé)任。

3.1 CO2分類

長(zhǎng)期以來(lái),對(duì)于CO2是否具有商業(yè)價(jià)值或完全是廢氣尚有爭(zhēng)議。雖然2007年CO2被美國(guó)最高法院認(rèn)定為污染氣體,但現(xiàn)實(shí)情況下,不管如何定義CO2,高純度的CO2始終是一種現(xiàn)代工業(yè)的昂貴商品,尤其在注 CO2提高采收率的工程中。CO2來(lái)源的缺乏一直是首要難題,因此,目前正在大力開采天然CO2氣藏來(lái)滿足不斷增長(zhǎng)的工業(yè)需求。

一般認(rèn)為用于封存的CO2純度要達(dá)95%以上,才能避免雜質(zhì)對(duì)輸送管線的腐蝕以及對(duì)地下水的污染。如果如表1所列的高濃度CO2可以長(zhǎng)期封存,則可體現(xiàn)出其商業(yè)價(jià)值。被廢棄的已封存CO2并沒(méi)有明確分類,但CO2作為廢氣系列的分類將會(huì)影響與封存有關(guān)的政策和法規(guī)問(wèn)題。

3.2 注入CO2的所有權(quán)

在當(dāng)前情況下,仍從天然地層中開采CO2以供工業(yè)利用。高濃度CO2的所有權(quán)關(guān)系到商業(yè)利用的經(jīng)濟(jì)效益。CO2地質(zhì)封存場(chǎng)所需要嚴(yán)格監(jiān)測(cè)并及時(shí)采取泄漏補(bǔ)救措施。如果CO2達(dá)到可商業(yè)利用的量,所有權(quán)就代表了長(zhǎng)期的財(cái)政負(fù)債,要對(duì)CO2的分離、輸送、儲(chǔ)藏的選擇,孔隙空間的租賃,CO2注入,后期管理以及泄漏補(bǔ)救等過(guò)程負(fù)責(zé)。燃煤電廠的有限壽命和商業(yè)實(shí)體使所有權(quán)問(wèn)題更加復(fù)雜。但所有權(quán)意味著要征付碳稅,所有的花費(fèi)最終都由使用者來(lái)承擔(dān),這無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致更多的能耗、更慢的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和更高的能源價(jià)格。

4 對(duì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境與氣候的潛在影響

4.1 成本分析

4.1.1 俘獲、壓縮及運(yùn)輸成本

煙氣中的CO2體積濃度僅為8%～13%。煙氣中也包含N2、O2、H2O、NOx、SOx及其他有毒成分,CO2必須在運(yùn)輸和注入之前從這些氣體中分離。根據(jù)2006年能源部門估算,在目前可行的技術(shù)下,僅從煙氣中俘獲 CO2的成本大約為＄150/t。從綜合氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站俘獲90%的CO2要消耗20%～25%的電能,這將增加資本成本47%和總的用電成本38%。Koopman(2007)預(yù)計(jì)液化CO2的壓縮成本約為＄17/t。如果遵循京都議定書,美國(guó)CO2項(xiàng)目中的俘獲和壓縮成本如表4所示。

表4 美國(guó)用于碳捕獲和壓縮的費(fèi)用

CO2的運(yùn)輸成本隨著CO2源點(diǎn)與注入點(diǎn)之間的距離變化,最便宜的CO2運(yùn)輸是通過(guò)管道。管道建設(shè)成本大約為＄2×106/mile,附屬的電力傳輸線成本為＄0.9×106～1.7×106/mile。除了管道、電力傳輸線及壓縮站等費(fèi)外,還包括電力、維護(hù)和人力的運(yùn)營(yíng)成本。

4.1.2 鉆井成本以及相關(guān)成本

1996年,Sleipner West中的CO2注入井的項(xiàng)目成本為1 500萬(wàn)美元。由于高成本,1口監(jiān)測(cè)井沒(méi)有開鉆,當(dāng)時(shí)的預(yù)算成本約為4 500萬(wàn)歐元。算上附屬的管道、儲(chǔ)存、閥門及其他設(shè)備,在美國(guó)鉆完1口CO2注入井的平均成本為1 000萬(wàn)美元,這是合理的。表5列出了京都議定書要求的CO2埋存量條件下,美國(guó)CO2埋存運(yùn)營(yíng)中的鉆井成本及相關(guān)設(shè)備成本的預(yù)算。由于表中井的注入能力及儲(chǔ)存能力沒(méi)有考慮井的數(shù)量,所以需要包括監(jiān)測(cè)井在內(nèi)的更多井來(lái)確保埋存所有的CO2。

4.1.3 經(jīng)濟(jì)發(fā)展的成本

遵循京都議定書的排放標(biāo)準(zhǔn),越來(lái)越高的能耗及過(guò)度使用電能來(lái)進(jìn)行CO2分離和埋存將大大阻礙美國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。如果考慮所有的成本,每年可能需要1萬(wàn)億美元來(lái)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)。不過(guò),如果氣候能得到控制或者全球變暖能停止,這些努力也許還是值得的。

4.2 CO2埋存及其對(duì)全球溫度變化的影響

提及最少但卻最重要的一點(diǎn)就是CO2減排項(xiàng)目會(huì)在多大程度上影響全球氣候變化,這也是整個(gè)操作過(guò)程的最終目標(biāo)。在從1906年至2005年的100年中,全球平均溫度增高了0.74℃ (圖4)。據(jù)IPCC觀測(cè),全球平均溫度從1956年到2005年中每10年增加0.13℃,從1900年到2005年間每10年增加0.2℃。1990—2005年,世界上人為釋放CO2量大約為370.4×109t(圖1)。同時(shí)IPCC預(yù)測(cè)在接下來(lái)的20年中,氣溫還會(huì)每10年增加0.2℃。因此,在沒(méi)有CO2減排的前提下,全球溫度將在2008年至2030年間上升0.44℃。

表5 美國(guó)鉆井及附加預(yù)計(jì)費(fèi)用

最壞的情況是2008年至2030年間氣溫上升的0.44℃全是由人為釋放的CO2所致,如果所有簽署京都議定書的國(guó)家及美國(guó)都完全服從議定書的要求 (假設(shè)截至2007年12月,由發(fā)展中國(guó)家所釋放CO2的78%都會(huì)被處理掉),則需要減排的CO2量為2 889.3×108t。在此期間的CO2全球釋放量是8 347×108t。溫度上升由以下公式求得

假設(shè)IPCC的預(yù)測(cè)是準(zhǔn)確的并且所有CO2都被封存或減排。

圖4 全球平均氣溫的歷史與預(yù)測(cè)

IPCC還指出,即使將CO2及其他溫室氣體排放量保持在2000年的水平,在下世紀(jì)氣溫還會(huì)每10年上升0.1℃,這由氣候和熱膨脹的慣性所致。2008—2030年會(huì)變?yōu)?.22℃,此時(shí)人類的所有活動(dòng)甚至都要停下來(lái)。因此,京都議定書企圖努力使氣溫在這22年中僅僅上升0.07℃。同時(shí),在較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)探測(cè)并確定全球氣溫的任何微小變化變得更困難,這由太陽(yáng)、宇宙乃至地球本身的波動(dòng)導(dǎo)致的氣候出現(xiàn)變化莫測(cè)的情況所致。據(jù)美國(guó)宇航局NASA和其他機(jī)構(gòu)測(cè)量,全球氣溫在2007年1月到2008年1月間下降了0.7℃。如果這一氣溫的突然下降不是受全球變暖的趨勢(shì)所影響,就無(wú)疑反映了全球氣溫變化的多樣性和復(fù)雜性。

IPCC(2007)聲稱,幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)全球氣溫或許沒(méi)有達(dá)到平衡值,僅僅由于熱膨脹,氣溫就比前工業(yè)時(shí)代上升5℃ (或高于當(dāng)前溫度4℃),那么2050年的CO2釋放量會(huì)比2000年多出90%～140%。如果這個(gè)觀點(diǎn)確鑿,則京都議定書規(guī)定的減排目標(biāo)就不會(huì)受任何溫度測(cè)量的影響,但是,人們很快就會(huì)意識(shí)到其對(duì)全球經(jīng)濟(jì)所帶來(lái)的重大影響。

最后,如果熱膨脹的影響能持續(xù)幾個(gè)世紀(jì),過(guò)去幾個(gè)世紀(jì)的氣候就需要由當(dāng)前觀測(cè)到的氣候和未來(lái)的氣候計(jì)量法共同推測(cè)出來(lái),這樣至少可以得到部分信息,但也使評(píng)價(jià)京都議定書中有關(guān)CO2減排舉措的影響變得更加復(fù)雜。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)向儲(chǔ)層中注 CO2的技術(shù)是足夠成熟的,但經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)相當(dāng)大。

(2)長(zhǎng)期CO2地質(zhì)封存存在很多不確定性因素和風(fēng)險(xiǎn)。常規(guī)的CO2埋存方式和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展間的矛盾難以解決。

(3)京都議定書規(guī)定的碳封存項(xiàng)目并沒(méi)有說(shuō)明能對(duì)全球氣溫帶來(lái)多大影響。相反,它將會(huì)引起緊迫的環(huán)境問(wèn)題。

(4)京都議定書并不能防止全球變暖,即使溫度升高全部由人為釋放的CO2引起。然而,這將會(huì)引起嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題并大大抑制所有國(guó)家所遵循的經(jīng)濟(jì)與能源的有效發(fā)展。

(5)最嚴(yán)重的問(wèn)題是大規(guī)模碳封存任務(wù)所面對(duì)的實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)還沒(méi)得到足夠的重視,包括對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)、環(huán)境以及氣候的影響。

資料來(lái)源于美國(guó)《SPE 120333》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.017

2009-05-08)