CO2地质储存研究现状与启示

葛秀珍 崔秀凌 范基姣

(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定071051;2.湖南省核工业地质局三O一大队，湖南长沙410114)

CO2地质储存研究历时尚短，但是，它对于世界各国的意义重大，由于其特殊的复杂性和可能引发的安全和环境风险问题，人们已经意识到制定系列法律、法规以规避风险，是推广CO2地质储存技术前必须加以谨慎解决的问题［1］。无论国外、国内，已有的法律、法规同CO2地质储存发展的需要都存在一定的差距。到目前为止，欧盟、美国、澳大利亚、挪威等国家和地区已经在制定专门的CO2地质储存法律、法规方面做出了尝试，我国在这一方面仅刚刚起步［2］。

1 国外选址方法

近十年来，美国、澳大利亚、英国、法国、德国、挪威和荷兰等发达国家相继发布了CO2地质储存选址方法研究不断趋于成熟。最近，美加两国的科学家正在联合制定CO2地质储存的国家标准。一般而言，CO2地质储存场地选址通常包括2至3个阶段，即初步筛选、场地选择和场地初步鉴定。各国的研究在选址阶段划分上虽略有不同，但实质内容极其相似。不管划分为几个选址阶段，其实质问题主要是解决储存量、储盖层属性、安全评估、成本，以及场地地质特征、地球化学和岩土力学评价、风险评估、监测、运输等相关问题。

在场地属性表征与评价方法上，多是根据选定的指标按权重赋值评价。在CO2储存选址评价因子研究上，通常认为最重要的因子包括4个方面即储存容量、可灌注性、长期运行的安全风险和经济性。在CO2地质储存目标储层研究方面，各国不约而同地指向3种类型目标储层，即已经枯竭和即将枯竭的油气藏储层、深部咸水层储层和因技术或经济原因而弃采的深部煤层储层。其中，油气藏储层储存CO2的研究，旨在实现CO2储存与石油增采的双赢［2］。

使用CO2提高石油采收率(CO2－EOR)已有近40年的研究历史。加拿大Weyburn油田是目前世界上将CO2地质储存与提高石油采收率相结合比较成功的实例。Weyburn油田位于加拿大Saskatchewan省Williston盆地中北部，面积约180km2，原油储量约14×108t。Weyburn油田CO2-EOR项目是加拿大能源公司的商业项目，2000年9月，在19井阵中首先进行注入CO2提高石油采收率的方案，初期注气量为每天269×104m3。目前的注气量为每天339×104m3。其中，每天有71×104m3的CO2通过生产井进行再循环。该项目通过把加压的CO2气体注入到油田储层中提高了石油采收率，通过综合监测，查明了CO2注入储层后的运移规律，从而为建立长期、安全的CO2地质储存技术提供了一个成功的范例。尽管CO2－EOR的初衷并不是为了储存CO2，但是CO2－EOR的成功实施间接证明已经枯竭和即将枯竭的油田是很好的CO2地质储存场地，而且在技术和经济上都是可行的［3］。

由英国石油公司(33%)、阿尔及利亚国家石油公司(35%)和挪威国家石油公司(32%)合资而成的In Salah Gas公司，从2004年开始在阿尔及利亚Krechba油田进行了注CO2提高天然气采收率(CO2-EGR)项目，这是世界上第一个大规模将CO2储存于天然气藏中的项目。预计在设计年限内，累计CO2地质储存量可达到0.17×108t。该工程由4个生产井和3个灌注井组成，通过1.5km的水平井将CO2灌注至背斜构造中渗透率只有约0.5×10－3tμm2的砂岩储层内［4］。这一渗透率水平的砂岩储层在欧洲、北美和中国大陆都分布得相当广泛。

假设地下深部的煤层具有良好的渗透性，且这些煤层以后不可能被开采，那么，该煤层也可用于CO2地质储存。向某些不可开采的深部煤层中灌注CO2，利用CO2在煤表面的被吸附能力是CH4(甲烷)的2倍的特点来驱替吸附在煤层中的煤层气，可以在实现CO2地质储存的同时，达到提高煤层气采收率(CO2-ECBM)的目的［5］。目前，在煤层中储存CO2并提高CH4生产的方案仍处在示范阶段。另外，如果把CO2灌注到较浅的煤层里，首先驱替出浅部煤层中的CH4，既可以充分开采利用浅部煤层中的煤层气，同时又可以有效地避免发生煤矿瓦斯爆炸的危险。但在采掘这些煤的过程中，煤层吸附的CO2又会重新释放到大气环境中，还是无法达到减少温室气体排放的目的。

根据国内外科学家的研究［6］，在所有可能的CO2地质储存选项中，深部咸水层CO2地质储存在全球具有最大的规模潜力。挪威国家石油公司的北海Sleipner项目是世界上第一个商业规模的CO2深部咸水层储存项目，而且这是一个离挪威海岸约250km的离岸CCS项目。在咸水层中，Sleipner天然气田每年可以储存大约100×104t的CO2。自1996年以来，该储存场地还没有发现过任何CO2泄漏的现象，其成功的运行已证明深部咸水层CO2地质储存在技术上是可行的［2］。

深部咸水层CO2地质储存和沉积盆地的研究有着非常密切的关系，这在发达的工业化国家已经有很长的研究历史，可追溯到20世纪70年代，90年代以后得以迅速发展，随着以气候变化为核心的全球环境问题日益严峻，目前，世界各国对CCS或者CCUS(CO2的捕集、利用和储存)表现出极大的关注。美国、欧盟、挪威、日本、澳大利亚和加拿大等都制订了相应的规划，开展CCS/CCUS技术的理念、试验、示范及应用研究［11］。其中，挪威针对CCS中的储存环节，提出了一个颇为全面的关于CO2地质储存场地选择和资格鉴定的指南［12］。另外美国的科研规划、组织实施较为周密完善，并制订了详细的技术路线图，而日本的研究规划考虑地震与活断层最为缜密［7］。

加拿大科学家Bachu认为，评价一个沉积盆地的CO2地质储存潜力时必须考虑几个标准，即它们所处的构造背景和地质特征、盆地地热特征、地下水的水动力特征、盆地的油气潜力和成熟度、基础设施和交通等经济因素，以及社会政治条件。如果考虑上述条件和气候条件、交通便利性、基础设施以及CO2捕获和灌注成本，适宜CO2地质储存的沉积盆地的范围将会显著地减少。

Bachu在借鉴高放射性核废料储存评价格条件的基础上，从区域构造、盆地几何形态、地质条件和油气潜力等方面，提出了盆地级别的CO2地质储存适宜性系统化评估体系。该体系包括15个评价指标，每个指标在体系中赋予明确的权重，通过对每个指标赋予不同的权值(5个不同的权值选择)来为不同的盆地进行打分，从而确定评价盆地的适宜性和潜力。在15个评价指标中，只有板块构造和地质特征与盆地的力学稳地性紧密相关。这个评价方法非常灵活而且易于计算，因为它允许同时变化各指标在体系中的权重(相对重要性)和每个指标的具体赋予的权值(绝对重要性)，而且所有的运算都是简单的多项式操作。Bachu根据加拿大Alberta盆地的实践应用验证了该评价体系的可行性［9］。

澳大利亚地球科学局(Geoscience Australia)在Bachu提出的CO2地质储存潜力与适宜性评价指标体系的基础上，面向盆地级别的评价筛选出了20项指标，据此将澳大利亚适宜储存CO2的盆地进行排序并编制了相关图集，但未研究过大比例尺场地级别的评价指标［8］(Rick Causebrook’s Talk at CAGS 2010)。CO2CRC于2008年发布的《CO2储存项目储存容量估计、选址与鉴定》(Storage Capacity Estimation，Site Selection and Characterization for CO2Storage Projects)报告中的选址方法使用了Gibson-Poole推荐的二氧化碳地质储存的场地鉴定工作流程的修正版评价技巧研究了澳大利亚Gippsland盆地灌注CO2过程中断层的再激活可能性［10］。

2 分析与启示

国外的CCS指南都强调了与现行法律/法规的一致性，以及各储存技术环节的环境与安全问题。从各个指南的总体内容来看，主要包括场地选择、环境与安全风险评估、运行和监测，以及场地关闭问题等部分。其中，前三个部分是指南的核心内容，大部分指南对于场地关闭和关闭后条件，以及事故处理方面的内容涉及不多。从场地选择方面来看，大部分指南将初筛、评估、选址等作为重点;从监测方面看，挪威提出“监测、验证、计算与报告”(MMV)的监测方法;在环境风险评估方面，所有的指南都指出要确定可能的风险和不确定性，对风险进行评估分级，确定必要的防护措施等。各指南在方法应用、技术范围以及具体实施的刚柔性等方面各具特点。美国的储存指南偏重于技术方面的较多，对环境影响评价的建议较少;欧盟更多地强调了储存过程的风险评价;英国的CCS储存指南是针对咸水层储存的实践指南;挪威的储存掼对场地的筛选、评估和选择，运行和许可审查以及关闭等方面都进行了详细地阐述;澳大利亚针对环境影响评价提出了相对具体可行的评价范围和措施等。

我国是全球第一大CO2排放国，虽然在CCS方面起步较晚，但是，今后一段时期，由煤炭发电仍然是我国电力的主要来源，因此，有效解决煤炭发电而产生的CO2排放问题，是我国未来能源安全和可持续发展的一个重要因素，也是实现我国CO2排放目标的一个关键因素。如果跟踪发达国家的做法和经验，尽快开展好具有中国特色的CO2地质储存研究，是我国未来电力能源发展/减少外交纠纷和分歧、履行我国承诺的一条重要道路和途径。

(编辑:李 望)

［1］气候组织.CCS在中国现状/挑战和机遇.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。产业技术综合开发机构，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.