CO2地質儲存研究現狀與啟示

葛秀珍 崔秀凌 范基姣

(1.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北保定071051;2.湖南省核工業地質局三O一大隊，湖南長沙410114)

CO2地質儲存研究歷時尚短，但是，它對于世界各國的意義重大，由于其特殊的復雜性和可能引發的安全和環境風險問題，人們已經意識到制定系列法律、法規以規避風險，是推廣CO2地質儲存技術前必須加以謹慎解決的問題［1］。無論國外、國內，已有的法律、法規同CO2地質儲存發展的需要都存在一定的差距。到目前為止，歐盟、美國、澳大利亞、挪威等國家和地區已經在制定專門的CO2地質儲存法律、法規方面做出了嘗試，我國在這一方面僅剛剛起步［2］。

1 國外選址方法

近十年來，美國、澳大利亞、英國、法國、德國、挪威和荷蘭等發達國家相繼發布了CO2地質儲存選址方法研究不斷趨于成熟。最近，美加兩國的科學家正在聯合制定CO2地質儲存的國家標準。一般而言，CO2地質儲存場地選址通常包括2至3個階段，即初步篩選、場地選擇和場地初步鑒定。各國的研究在選址階段劃分上雖略有不同，但實質內容極其相似。不管劃分為幾個選址階段，其實質問題主要是解決儲存量、儲蓋層屬性、安全評估、成本，以及場地地質特征、地球化學和巖土力學評價、風險評估、監測、運輸等相關問題。

在場地屬性表征與評價方法上，多是根據選定的指標按權重賦值評價。在CO2儲存選址評價因子研究上，通常認為最重要的因子包括4個方面即儲存容量、可灌注性、長期運行的安全風險和經濟性。在CO2地質儲存目標儲層研究方面，各國不約而同地指向3種類型目標儲層，即已經枯竭和即將枯竭的油氣藏儲層、深部咸水層儲層和因技術或經濟原因而棄采的深部煤層儲層。其中，油氣藏儲層儲存CO2的研究，旨在實現CO2儲存與石油增采的雙贏［2］。

使用CO2提高石油采收率(CO2－EOR)已有近40年的研究歷史。加拿大Weyburn油田是目前世界上將CO2地質儲存與提高石油采收率相結合比較成功的實例。Weyburn油田位于加拿大Saskatchewan省Williston盆地中北部，面積約180km2，原油儲量約14×108t。Weyburn油田CO2-EOR項目是加拿大能源公司的商業項目，2000年9月，在19井陣中首先進行注入CO2提高石油采收率的方案，初期注氣量為每天269×104m3。目前的注氣量為每天339×104m3。其中，每天有71×104m3的CO2通過生產井進行再循環。該項目通過把加壓的CO2氣體注入到油田儲層中提高了石油采收率，通過綜合監測，查明了CO2注入儲層后的運移規律，從而為建立長期、安全的CO2地質儲存技術提供了一個成功的范例。盡管CO2－EOR的初衷并不是為了儲存CO2，但是CO2－EOR的成功實施間接證明已經枯竭和即將枯竭的油田是很好的CO2地質儲存場地，而且在技術和經濟上都是可行的［3］。

由英國石油公司(33%)、阿爾及利亞國家石油公司(35%)和挪威國家石油公司(32%)合資而成的In Salah Gas公司，從2004年開始在阿爾及利亞Krechba油田進行了注CO2提高天然氣采收率(CO2-EGR)項目，這是世界上第一個大規模將CO2儲存于天然氣藏中的項目。預計在設計年限內，累計CO2地質儲存量可達到0.17×108t。該工程由4個生產井和3個灌注井組成，通過1.5km的水平井將CO2灌注至背斜構造中滲透率只有約0.5×10－3tμm2的砂巖儲層內［4］。這一滲透率水平的砂巖儲層在歐洲、北美和中國大陸都分布得相當廣泛。

假設地下深部的煤層具有良好的滲透性，且這些煤層以后不可能被開采，那么，該煤層也可用于CO2地質儲存。向某些不可開采的深部煤層中灌注CO2，利用CO2在煤表面的被吸附能力是CH4(甲烷)的2倍的特點來驅替吸附在煤層中的煤層氣，可以在實現CO2地質儲存的同時，達到提高煤層氣采收率(CO2-ECBM)的目的［5］。目前，在煤層中儲存CO2并提高CH4生產的方案仍處在示范階段。另外，如果把CO2灌注到較淺的煤層里，首先驅替出淺部煤層中的CH4，既可以充分開采利用淺部煤層中的煤層氣，同時又可以有效地避免發生煤礦瓦斯爆炸的危險。但在采掘這些煤的過程中，煤層吸附的CO2又會重新釋放到大氣環境中，還是無法達到減少溫室氣體排放的目的。

根據國內外科學家的研究［6］，在所有可能的CO2地質儲存選項中，深部咸水層CO2地質儲存在全球具有最大的規模潛力。挪威國家石油公司的北海Sleipner項目是世界上第一個商業規模的CO2深部咸水層儲存項目，而且這是一個離挪威海岸約250km的離岸CCS項目。在咸水層中，Sleipner天然氣田每年可以儲存大約100×104t的CO2。自1996年以來，該儲存場地還沒有發現過任何CO2泄漏的現象，其成功的運行已證明深部咸水層CO2地質儲存在技術上是可行的［2］。

深部咸水層CO2地質儲存和沉積盆地的研究有著非常密切的關系，這在發達的工業化國家已經有很長的研究歷史，可追溯到20世紀70年代，90年代以后得以迅速發展，隨著以氣候變化為核心的全球環境問題日益嚴峻，目前，世界各國對CCS或者CCUS(CO2的捕集、利用和儲存)表現出極大的關注。美國、歐盟、挪威、日本、澳大利亞和加拿大等都制訂了相應的規劃，開展CCS/CCUS技術的理念、試驗、示范及應用研究［11］。其中，挪威針對CCS中的儲存環節，提出了一個頗為全面的關于CO2地質儲存場地選擇和資格鑒定的指南［12］。另外美國的科研規劃、組織實施較為周密完善，并制訂了詳細的技術路線圖，而日本的研究規劃考慮地震與活斷層最為縝密［7］。

加拿大科學家Bachu認為，評價一個沉積盆地的CO2地質儲存潛力時必須考慮幾個標準，即它們所處的構造背景和地質特征、盆地地熱特征、地下水的水動力特征、盆地的油氣潛力和成熟度、基礎設施和交通等經濟因素，以及社會政治條件。如果考慮上述條件和氣候條件、交通便利性、基礎設施以及CO2捕獲和灌注成本，適宜CO2地質儲存的沉積盆地的范圍將會顯著地減少。

Bachu在借鑒高放射性核廢料儲存評價格條件的基礎上，從區域構造、盆地幾何形態、地質條件和油氣潛力等方面，提出了盆地級別的CO2地質儲存適宜性系統化評估體系。該體系包括15個評價指標，每個指標在體系中賦予明確的權重，通過對每個指標賦予不同的權值(5個不同的權值選擇)來為不同的盆地進行打分，從而確定評價盆地的適宜性和潛力。在15個評價指標中，只有板塊構造和地質特征與盆地的力學穩地性緊密相關。這個評價方法非常靈活而且易于計算，因為它允許同時變化各指標在體系中的權重(相對重要性)和每個指標的具體賦予的權值(絕對重要性)，而且所有的運算都是簡單的多項式操作。Bachu根據加拿大Alberta盆地的實踐應用驗證了該評價體系的可行性［9］。

澳大利亞地球科學局(Geoscience Australia)在Bachu提出的CO2地質儲存潛力與適宜性評價指標體系的基礎上，面向盆地級別的評價篩選出了20項指標，據此將澳大利亞適宜儲存CO2的盆地進行排序并編制了相關圖集，但未研究過大比例尺場地級別的評價指標［8］(Rick Causebrook’s Talk at CAGS 2010)。CO2CRC于2008年發布的《CO2儲存項目儲存容量估計、選址與鑒定》(Storage Capacity Estimation，Site Selection and Characterization for CO2Storage Projects)報告中的選址方法使用了Gibson-Poole推薦的二氧化碳地質儲存的場地鑒定工作流程的修正版評價技巧研究了澳大利亞Gippsland盆地灌注CO2過程中斷層的再激活可能性［10］。

2 分析與啟示

國外的CCS指南都強調了與現行法律/法規的一致性，以及各儲存技術環節的環境與安全問題。從各個指南的總體內容來看，主要包括場地選擇、環境與安全風險評估、運行和監測，以及場地關閉問題等部分。其中，前三個部分是指南的核心內容，大部分指南對于場地關閉和關閉后條件，以及事故處理方面的內容涉及不多。從場地選擇方面來看，大部分指南將初篩、評估、選址等作為重點;從監測方面看，挪威提出“監測、驗證、計算與報告”(MMV)的監測方法;在環境風險評估方面，所有的指南都指出要確定可能的風險和不確定性，對風險進行評估分級，確定必要的防護措施等。各指南在方法應用、技術范圍以及具體實施的剛柔性等方面各具特點。美國的儲存指南偏重于技術方面的較多，對環境影響評價的建議較少;歐盟更多地強調了儲存過程的風險評價;英國的CCS儲存指南是針對咸水層儲存的實踐指南;挪威的儲存摜對場地的篩選、評估和選擇，運行和許可審查以及關閉等方面都進行了詳細地闡述;澳大利亞針對環境影響評價提出了相對具體可行的評價范圍和措施等。

我國是全球第一大CO2排放國，雖然在CCS方面起步較晚，但是，今后一段時期，由煤炭發電仍然是我國電力的主要來源，因此，有效解決煤炭發電而產生的CO2排放問題，是我國未來能源安全和可持續發展的一個重要因素，也是實現我國CO2排放目標的一個關鍵因素。如果跟蹤發達國家的做法和經驗，盡快開展好具有中國特色的CO2地質儲存研究，是我國未來電力能源發展/減少外交糾紛和分歧、履行我國承諾的一條重要道路和途徑。

(編輯:李 望)

［1］氣候組織.CCS在中國現狀/挑戰和機遇.http://www.the climategroup.org.cn/publications/2010-07-Carbon_Capture_and_Stouage.pdf.

［2］ Metz et al.，IPCC 2005:IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storgae.Cambridge University Press，Cambridge，UK，P.431.

［3］Brown et al.，2001.Role of Enhanced Oil Recovery in carbon sequestration:The Weyburn Monitoring Project，a case study.Pan Canadian Petroleum Ltd，Calgary，Canada，p.8.;IEA GHG，2006.

［4］Riddiford et al.Monitoring Geological Storage:The In Salah Gas CO2Storage project，seventh International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies，Regina，Canada，2004:1 －6.

［5］Wong et al.Enhanced Coalbed Methane:Micro － Pilot Test at South Qinshui，Shanxi，Chin，Eighth International Conference on Greenhouse Gas Control Techonlogies，Trondheim，Norway，2006:1 －6.

［6］Metz et al，2005;Li et al.，2009.CO2point emission and geological storage capacity in China.Energy Procedia 1，2793 －2800.

［7］Li et al.Numerical simulation on faults activities induced by the injection of CO2in deep saline aquifers，XXIII General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics(IUGG2003)Sapporo，Japan;National Energy Technology Laboratory，2010;OECD/IEA，2010.

［8］Gibson-Poole，et al.2008.Site characterization of a basin － scale CO2geological storage system:Gipposland Basin，Southeast Australia［J］.Environmental Geology，2008，54:1583 －1606.

［9］Bachu S.Screening and ranking of sedimentary basins for sequestration of CO2in geological media in response to climate change［J］.Environmental Geology，2003:44，277 －289.

［10］Van Ruth，et al.Fault reactivation potential during CO2injection in the Gippland Bsin，Australia.Exploration GEOPHYSICS，2006，37:50－59.

［11］(Bachu，S.2008.CO2storage in geological media:Role Means，Status and Barrier to Deployment.Progress In Energy and Combustion Scienec 34，254 －273;Bradshaw，J.Cook，P.，2001.Geological Sequestration of Carbon Dioxide.Environmental Geosciences 8，149 －151;Holloway，2005.Underground sequestration of carbon dioxide － a vible greenhouse gas mitigation option.Energy 30，2318 －2333;IEA GHG，R?D Programme.2007.Building Confidence in Geological Storage of Carbon Dioxide，Cheltenham，UK，p.53;Socolow，R.H.2005.Can we bury global warming?Scientific American 293，49 －55;新エネルギヘ。產業技術綜合開發機構，2002)

［12］Det Norske Veritas，2009.CO2QUALSTORE:Guidelin for Selection and Qualification of Sites and Projects for Geological of CO2.Det Norske Veritas，Hovik，Norway，p.77.