探索海上CO2封存新路徑

在做好現有CCUS技術路線的基礎上，海上CO2固化封存是一個值得積極探索的方向。

“我們對中國成為全球首個具備商業化海洋CO2水合物固化封存能力的國家充滿信心。”

周守為，中國工程院院士，中國科學技術協會第九屆全國委員會副主席，中國海油原黨組成員、副總經理，中國工程院能源與礦業工程學部主任。長期從事海洋油氣開發技術裝備的研究工作。曾獲國家科技進步特等獎1項、一等獎1項、二等獎5項。

專 家 簡 介

聚焦落實“雙碳”目標任務，從頂層設計到具體落實，我國推進“雙碳”工作蹄疾步穩，取得積極進展。其中，CCUS（CO2捕集、封存和利用）作為全球應對氣候變化和實現“雙碳”目標的關鍵技術，正日益成為我國企業爭相布局的重要領域，已投運和規劃建設中的CO2捕集利用與封存項目已接近百個。

中國工程院院士、中國海油杰出高級專家周守為指出，適合CO2封存的地質結構，既存在于陸地，也存在于海底。在做好現有CCUS技術路徑的基礎上，海上CO2固化封存是一個值得積極探索的新方向。

遠遠沒有達到兜底效果

中國石油石化：周院士，您好！根據您的觀察，當前CCUS為什么如此受重視？

周守為：2023年，全球化石燃料CO2排放量達368億噸，溫室氣體總排放量達409億噸，CO2濃度已達到歷史上的最高值。2023年，我國CO2排放量達126億噸，溫室氣體總排放量達144.65億噸，高居全球第一。

溫室氣體引發的氣候問題愈發嚴峻，碳達峰、碳中和已成為人類應對氣候變化的政治共識。基于推動構建人類命運共同體的責任擔當和實現可持續發展的內在要求，我國提出了“雙碳”目標。這也是順應綠色發展時代潮流、推動經濟社會高質量發展的必由之路。

CCUS已經成為應對氣候變化的重要技術手段，而且被認為是未來實現碳中和的兜底保障。IEA《能源技術展望報告》指出，要達到巴黎氣候協定提出的將全球平均氣溫較工業化前水平升高幅度控制在2℃以內，并努力將升溫幅度控制在1.5℃以內的目標，到2060年，14%的CO2減排量將來自CCUS。因此，各國政府及能源公司爭相布局CCUS。

中國石油石化：目前CCUS對CO2減排貢獻如何？

周守為：國內外常規CCUS項目，CO2封存有兩種主流模式。一是利用CO2驅油，提高油氣采收率，同時部分CO2在油氣田的地質空間進行封存；二是利用地下咸水層進行CO2封存。從CO2封存模式上看，目前CO2驅油模式占比超過70%；但從未來趨勢來看，咸水層封存模式占比將提高。從規模上看，CS/CCS （CO2封存/CO2捕集、封存）樞紐建設加速，CCUS項目單體規模普遍大于300萬～500萬噸/年，千萬噸CCUS產業集群項目成為熱點。

過去3年，全球超過45個國家共宣布了400多個新的CCUS項目。但是，從目前整體應用情況看，現有的CCUS項目還遠遠沒有達到兜底的效果。從捕集能力上看，截至2023年，全球運營或建設中的CCUS項目有140余個，CO2捕集能力4900萬噸/年，僅占2023年全球368億噸全球化石燃料CO2排放量的1.33‰，與2060年達到14%的CO2減排量差距巨大。

中國煤電、石油石化行業及相關產業都開展了CCUS技術攻關研究工程示范，中國華能、中國石油、中國石化、中國海油、中國神華等都已著手開展CCUS項目研究和產業化。其中，中國石化已建成國內首個百萬噸級CCUS全流程項目。但是，我國整體CCUS規模仍然較小。2023年，我國CO2捕集規模600萬噸/年，僅占我國2023年126億噸CO2排放量的0.476‰，較全球水平差距很大，較2060年的目標水平差距更大。

總體來看，要使CCUS真正成為實現碳中和的兜底技術，我們還有很多工作要去做。

我國已具備咸水層封存實力

中國石油石化：近年來，海上CCUS項目備受關注。目前整體發展情況如何？

周守為：適合CO2封存的地質結構既存在于陸地，也存在于海底。相較于陸地封存，CO2海底地質封存具有封存潛力大、不占用陸地資源、對人類健康和安全影響較小等優勢。但是，目前海上CCUS項目較陸上CCUS項目少得多。

挪威北極光項目（Northern Light）是全球第一個允許跨境運輸CO2并實施海底地質封存的項目。2021年3月，挪威政府正式批準由挪威國家石油公司、荷蘭皇家殼牌集團和道達爾公司開發北極光CCS項目。該項目是挪威開展的第三個CO2離岸封存CCS項目，投資15億美元。項目捕集的CO2經壓縮后跨境運送至位于北海的封存場地，注入并封存在北海海床下的咸水層。預計從2024年底起，北極光項目每年能夠處理和封存150萬噸CO2，后期CO2的年封存量將達到500萬噸。

從地質結構特點、沿海產業布局等方面看，我國具有顯著的開展海上CCUS項目的優勢，珠江口盆地、東海陸架盆地、渤海盆地等都具有良好的CO2封存適宜性。但是，目前國內處于運行階段的8個CCS項目中，只有恩平項目為海上咸水層封存項目。恩平項目由中國海油實施，在南海珠江口盆地恩平15-1油田群開展CO2封存。作為恩平15-1油田群開發的環保配套項目，該項目是我國第一個海上CO2封存項目，也是我國第一個咸水層CO2封存項目，咸水層埋深830～920米，于2023年6月正式投入使用，預計CO2封存量超過30萬噸/年，累計可封存CO2超過150萬噸。截至目前，已注入2000萬立方米CO2，穩定運行超過了一年，證明我國已具備咸水層CO2封存實力。

中國石油石化：相較于陸上CCUS，海上CCUS有何特點？

周守為：與煤電、鋼鐵等行業相比，油氣行業具有發展CCUS業務的天然優勢。一方面，具備承擔投資的能力、開發大型設施的經驗，另一方面具備鉆井、建井和油藏方面的技術積累等。在地質工程上，海上封存CO2跟陸上是一樣的，但因為多了一層海水，以及受海上平臺空間的限制，海上CO2封存工藝設計和設備運行存在更多挑戰。由于海上CCUS項目成本更高、工藝更復雜，要實施就要求規模大，要打斜井或水平井，配備CO2長距離海運或者管輸等。

探索海上CCUS新路徑

中國石油石化：在做好現有海上CCUS技術路徑的同時，還能不能找到新的路徑？

周守為：跟海洋打了半輩子交道，我有一個深刻的體會：深邃的海洋不僅僅為人類提供了豐富的寶藏，也給了人類智慧的啟迪。自然的力量是最大的力量，我們要順應自然、師法自然、仿真自然、加速自然。比如，人類從島礁形成中獲得啟發，吹填出了人工島礁。

在現有的CCUS技術路徑形成的CO2封存模式下，CO2呈現氣體或液體。因為都是流體形式，易發生泄漏。探索海上CCUS新路徑，我們從海洋蘊藏的天然氣水合物中得到了啟發，正在開展積極研究，想辦法將天然氣水合物開發的難點轉化為CO2水合物海底封存的優勢。

中國石油石化：具體來說，海洋天然氣水合物開發給海上CO2封存帶來了哪些啟示？

周守為：天然氣水合物，業內并不陌生。它是甲烷等烴類氣體和水在高壓、低溫條件下形成的結晶狀籠型化合物，俗稱“可燃冰”。特點是低密度、高熱值。據理論計算，1立方米的天然氣水合物可釋放出164立方米的甲烷氣和0.8立方米的水。

近年來，全世界包括我國在內對海洋天然氣水合物做了很多研究，還進行了試采，獲得了多項突破。但是，因為開采難度大，海洋天然氣水合物尚未進行商業性開發。這種難度，以逆向思維來看，正好是封存CO2的優勢。

例如，通常情況下，海洋天然氣水合物的形成條件為水深大于600米、溫度為0～3℃；而海洋CO2水合物形成的條件相對寬泛——水深大于500米、溫度低于10℃。CO2水合物比天然氣水合物更容易形成，能形成天然氣水合物的地方一般可以形成CO2水合物。海洋天然氣水合物大多不具有密封性的圈閉構造和致密蓋層，穩定分布在海底淺表層或深海海底的淺層。低溫高壓的海洋環境，使天然氣水合物狀態穩定，很難氣化，不易開發?，F有的CO2封存模式一般要選擇合適的圈閉和構造，因此封存規模受限，而CO2水合物固化封存不需圈閉、不需構造。如果條件合適，原則上封存量無規模限制。為了防止泄漏，常規CO2封存模式必須對地質圈閉進行密封性評價，而固化的CO2水合物長期穩定，不易氣化，不易移動，更易封存，且無需進行嚴格的密封性評價。目前CO2封存地點為密閉地質構造或者咸水層，CO2水合物固化封存在海底或者深海淺層，埋存地點的選擇更加寬泛。深海淺層多為泥質粉砂或不成巖的膠結疏松的泥、沙、水混合層，更易于CO2的注入和CO2水合物的形成、封存。

通過分析，我們提出了CO2海上封存的新路徑，即借鑒海洋天然氣水合物的自然形成原理，人為加快CO2水合物的生成速度，實現CO2水合物在深海海底或深海淺層的固化封存。

推進海洋CO2固化封存研究

中國石油石化：這種新路徑的可行性經過驗證了嗎？

周守為：CO2水合物固化封存的原理，是讓CO2在海底一定溫壓條件下形成CO2水合物，以“碳礦”的形式永久封存。為驗證其可行性，我們開展了多方面的研究試驗。

例如，通過開展海洋環境CO2水合物基礎物理特性測試及認識研究，我們發現CO2水溶液的密度值隨壓力的升高而升高，并且呈線性變化。進行比較發現，CO2水溶液的密度隨CO2的濃度增大而增大；隨著溫度升高，溶液密度降低，且溶液之間的密度差逐漸減小。不考慮海床深度條件下，當水深超過2768米時，CO2密度大于海水密度；考慮海床位置的影響，海床深度3000米時，CO2密度大于海水密度的區間為2768～3103米，適合進行封存。當然，具體的封存層位還要進行全方位的評價和分析。

我們開展了海洋環境CO2水合物海底生成模擬實驗，模擬了人工“碳礦”形成、固化條件、形成時間、溶解與再生成，評價了海底“碳礦”的封存效果。通過試驗，我們發現海水中CO2水合物成型較好，可實現CO2水合物封存，能夠實現“碳礦”封存“生得成”目標；海底壓力波動對CO2水合物穩定性的影響不大，可以達到“碳礦”封存“穩得住”目標。

試驗證明，海洋條件下能快速生成CO2水合物；在有誘導微粒的條件下，CO2水合物形成更快；添加適當強化劑，有助于CO2水合物的固化。經過初步驗證，海洋CO2固化封存的方向是正確的，但仍有大量難題需探索。例如，CO2水合物溶解與再生成規律。雖然CO2水合物穩定難以氣化，但一旦氣化不好控制，存在泄漏及生態影響風險，安全生產控制存在難點。

中國石油石化：根據目前的研究成果，未來海洋CO2固化封存的研究方向是什么？

周守為：海洋CO2固化封存的研究方向及目標，一是注得進，需要建立注入口CO2水合物堵塞解堵技術及多層系聯儲動態調控技術；二是生得成，需要揭示海洋環境CO2水合物快速生成機制，形成CO2水合物規?；杉夹g；三是封得住，需要建立深海CO2多相態穩定封存技術工藝及裝備；四是看得見，需要形成海洋CO2固化和地質封存全時空一體化監測技術及體系；五是生態美，CO2固化封存后，作為海洋生態的組成部分，長期穩定，對環境友好。

展望未來，我們將著力建立3000米深水CO2水合物多相態、多層系固化封存技術體系，形成海洋CO2水合物封存產業鏈，最終目標是建立海上多能種一體化開發利用模式。我們對中國成為全球首個具備商業化海洋CO2水合物固化封存能力的國家充滿信心，將努力為全球CO2的低成本大規模封存探索出一條新的路徑。

責任編輯：石杏茹

znshixingru@163.com

適合CO2封存的地質結構，既存在于陸地，也存在于海底。海上CO2固化封存是一個值得積極探索的新方向。

廣闊而深邃的海洋，為CO2固化封存提供了更多的想象空間。 供圖/視覺中國