CO2地質封存環境風險評價
——以沁水煤田沁縣封存區為例

文_田晶晶 山西省煤炭地質資源環境調查院

1 山西省CO2地質封存區的選定

CO2封存場址的選擇是CO2地質封存成功與否的關鍵因素。主要考慮因素：①CO2封存量；②儲集層可灌注性；③CO2封存有效性；④地面場址適合性；⑤其他天然資源。

根據山西省煤層氣資源特點及開發現狀，結合CO2地質封存選址因素，確定山西省CO2地質封存區的選區原則：①山西省沉積煤盆地的煤層氣資源相對富集區；②煤層埋深≥1500m以深的煤炭資源遠景區；③煤層氣開發的封存區；④距離工業經濟相對發達的CO2排放源相對較近，便于CO2的捕集運輸和封存，同時也利于CO2在未來的資源化開發和利用；⑤具有較好的安全環境，距離大中城市相對較遠和較為穩定的區域工程地質條件。并從封存安全性、有效性和經濟成本上講，CO2地質封存的首選區除應符合法律要求并被公眾所認可接受外，綜合考慮以上幾方面的因素，選擇沁水煤田的沁縣規劃區為理想的CO2地質封存首選區。

2 沁縣封存區CO2地質封存環境風險識別

2.1 環境風險保護目標

根據本項目風險評價工作等級的劃分及所在區域環境情況，確定風險評價的重點保護目標為封存區范圍內的人口集中居住區和社會關注區，主要為位于封存區西北部的古城鎮、漳源鎮、牛寺鎮，東北部的石北、郝北鎮，東南部的次村、亭鎮、新店鎮等18個村鎮及水源保護區（濁漳河源頭自然保護區）。

2.2 環境風險源的識別

本項目的環境風險識別：一是從項目所涉及的原料、輔料和產品入手，了解這些化學物質的潛在危險性，包括閃點、熔點、沸點、自燃點、爆炸極限、危險分類和毒性分類等；二是從生產工藝過程和設計方案入手，了解項目的裝置組成和相應的配套、輔助設施，了解各裝置的重要生產設備及其工藝參數、物料數量，分析各裝置的重點部位、薄弱環節和事故排放的潛在因素。

2.2.1 風險物質確定

本項目涉及到的主要原材料及中間產品中屬于風險物質的是煤層氣和CO2，煤層氣成分主要是甲烷、CO2和氮。

煤層氣主要由甲烷組成，其性質與純甲烷相似，屬“單純窒息性”氣體，高濃度時因缺氧而引起窒息。若發生泄漏等情況，可對環境造成污染，危害人群健康。同時，煤層氣燃燒不充分則會產生一氧化碳而導致中毒，煤層氣具有火災爆炸危險，泄漏后遇明火可導致火災爆炸。

CO2屬窒息性氣體，容器損漏時，該液體能迅速蒸發造成空氣中CO2過飽和，在密閉容器中可致人窒息死亡。正常情況下不燃，但在日光暴曬下，或搬運時猛烈摔甩，或者遇高熱，容器內壓增大，有開裂和爆炸的危險。外部過多的CO2將阻礙人體對氧氣的吸收，長時間的缺氧會引起窒息死亡。

2.2.2 CO2地質封存過程風險源

（1）施工過程

CO2地質封存的主要工藝是采用向深部煤層注入CO2，提高煤層的有效滲透率，促進CH4的解吸，封存CO2的同時提高煤層氣采收率。風險事件包括地震事件、鉆井井噴和新鉆井穿透儲層事件等。

儲層壓力會在CO2注入期間達到最高，注入結束后，固定和捕獲CO2的物理和化學過程開始活躍。風險評價的核心是確定最有可能出現的泄漏事件以及它們的概率。

為了保證將CO2有效地注入至儲集層，鉆井的注入壓力必須大于儲層流體的壓力。但當壓力增加到一定程度后，很容易誘發地層中潛在的微裂縫或裂隙產生。

（2）儲運過程

CO2地質封存氣體輸送過程有發生管道事故的可能。管道事故通常是指使氣體從管道內釋放并影響正常輸氣的意外事件。當出現意外時，集輸氣管道及場站所屬高壓容器釋放出的氣體可能帶來下列危害：煤層氣若立即著火即產生燃燒熱輻射，在危險距離內的人會受到熱輻射傷害；煤層氣未立即著火可形成爆炸氣體云團，遇火就會發生爆炸，若煤層氣及CO2的濃度過高時，可能會導致泄漏點附近人員窒息。

（3）地質封存長期影響

對注入井和廢棄井的不封閉處理被認為是造成CO2滲漏最主要的途徑之一。隨著勘探開發的深入，廢棄井的數量龐大，多數情況下它們沒有進行防滲漏或封閉處理。同時，隨著鉆井的廢棄，先前使用的一些材料、設備，如水泥和套管等也被遺棄在井下。

通過對CO2地質封存項目事故資料的調查分析，表明在施工、儲運、地質封存等過程中，煤層氣和CO2有可能發生泄漏，當泄漏數量較大，達到在空氣中的爆炸極限或遇明火時就會發生爆炸，給周圍環境和生產、生活設施造成嚴重的破壞，存在一定的安全隱患。

3 沁縣封存區主要環境風險因素的評估

3.1 大氣環境影響預測

通過對CO2地質封存過程風險源的識別，認為對大氣環境影響主要發生在施工過程及儲運過程中煤層氣及CO2的泄漏。

對沁縣封存區各塊段3號和15號煤層進行CO2注入的數值模擬研究：對3號煤層而言，產氣能力最強的區塊，1md滲透率下平均產氣量能達到2900m3/d；產氣量較低的區塊，0.1md時平均產氣量分別為155m3/d，1md滲透率下均不到1500m3/d。15號煤層而言，產氣能力最強的區塊，1md時日產氣量達到3640m3/d；其余區塊產氣能力基本相近，0.1md時日產氣量800～2000m3/d，1md時日產氣量3200～3400 m3/d。

假定氣體的特性是理想氣體，計算氣體泄漏速度。釋放源強隨風速增大有明顯的增大，不穩定下的擴散大于穩定態。擴散后，大氣污染程度在靜小風氣象條件下以近距離范圍為主，正常風條件下大氣受污染范圍距離相對較大。泄漏事故發生后，泄漏物向大氣環境轉移量的大小取決于釋放面積、釋放時間、物質的飽和蒸氣壓以及環境大氣的氣象條件（風速和穩定度）。但在總體上，由于所評價的物料在毒性上不高，因此擴散后影響程度不很嚴重。根據相關統計資料，在正常的設備維護條件下，煤層氣泄漏事故出現機率較小，概率為0.3次/a。

計算CO2地質封存事故風險時，不僅要考慮事故發生的概率，也應考慮不利氣象條件出現的概率及下風向的人口分布，根據本工程廠址周圍情況，選擇污染物朝敏感點(濁漳河源頭自然保護區和農村居民點)吹的風向為最不利氣象條件。

3.2 水環境影響分析

煤層氣輸送過程發生泄漏事故時，污染物只要以氣相狀態擴散到環境空氣中，但在處理泄漏裝置時，有少量煤層氣會微溶在噴淋水中，并產生大量的消防污水，這些污水通過廠區排水管網而進入地表水，甚至滲入地下污染濁漳河源頭，因此需要對其進行截流、回收處理。

目前相關法規還沒有CO2在地層中擴散泄漏計算的模式，無法對泄漏的CO2進行定量的計算，只能對其開展定性描述。長期儲存的CO2通過未檢測到的縫隙、破損或是油井逐漸滲漏，在地下淺層CO2濃度升高的影響包括對于植物及土層動物的致命影響和地下水污染。CO2在地層中擴散泄漏將導致地下水的酸度增強，影響飲用水水質，同時地下水中相應的液態組分的濃度發生變化，將對人類的生產生活產生不利的影響。

4 結語

CO2地質封存項目涉及的危險物質主要為煤層氣和CO2，危險特性為易燃物質及爆炸物質，根據危險物質在生產中產生量及生產場所臨時存儲量情況，以煤層氣作為物質最大風險因子。本項目風險保護目標主要包括封存區內的農村居民點及濁漳河源頭自然保護區。潛在的事故風險存在于施工過程、儲運過程及地質封存的長期影響。

為防范事故和減少危害，需制定災害事故的應急預案。當出現事故時，要采取緊急的工程應急措施，如必要，要采取社會應急措施，以控制事故和減少對環境造成的危害。