氣候變化對人類生存和發(fā)展提出了嚴峻挑戰(zhàn)。目前科學(xué)界主流觀點認為，因人類燃燒大量化石燃料而釋放的溫室氣體(主要是CO2)，是導(dǎo)致自工業(yè)化以來全球平均氣溫升高的主要原因。二氧化碳捕集與封存(CO2CaptureandStorage，CCS)技術(shù)作為穩(wěn)定大氣溫室氣體濃度的減緩行動組合中的一種選擇方案，受到廣泛關(guān)注。CCS是指“將二氧化碳從工業(yè)或相關(guān)能源的排放源分離出來，輸送到一個封存地點，并且長期與大氣隔絕”;包括捕集、運輸、封存等環(huán)節(jié)。CO2的安全封存是CCS的最終落腳點，從某種程度上講封存的可行性決定了CCS技術(shù)的可行性。同時，這也是碳捕集與封存過程中風險最大的一個環(huán)節(jié)，因此選擇適合CO2長期封存的地質(zhì)層顯得尤為重要。CO2地質(zhì)封存地必須使用系統(tǒng)的篩選過程，綜合考慮盆地大小和深度、地質(zhì)特性、水文地質(zhì)、地質(zhì)熱力學(xué)特性以及自然資源、基礎(chǔ)設(shè)施等因素，同時還與經(jīng)濟、政治、社會因素緊密相關(guān)。評價系統(tǒng)對每個標準分配適當?shù)臋?quán)重，并依據(jù)每個標準對封存場所打分然后排序。建立完善的封存場地的選擇標準，是選擇合適封存地點、確保安全封存的前提條件。為了確保CCS項目能夠安全、順利開展，國外有關(guān)專家、學(xué)者就封存場地的選擇及特征描述進行了研究。巴楚(Bachu)在盆地級別上給出了15條對封存場地的選址標準[1]。這些標準可以分為五大類[2]：(1)地質(zhì)特性;(2)水文及地熱特性;(3)油氣資源及產(chǎn)業(yè)成熟度;(4)經(jīng)濟合理性;(5)社會、政治因素�？柕�(Kaldi)和吉布森-普爾(Gibson-Poole)在巴楚(Bachu)和CSLF(碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇)2007年[3]所做工作的基礎(chǔ)上，按照研究對象尺度以及不確定性，將封存場址選擇劃分為地區(qū)級篩選與盆地級篩選，除建立盆地級篩選標準外，還相應(yīng)提供了在國家級別上篩選沉積巖盆地的標準體系[4]。歐德伯格(Olderburg)基于CO2封存地泄露可能性及其影響建立了一套封存場地篩選及排序框架[5]。與此同時，針對目前技術(shù)上成熟的CO2地質(zhì)封存媒質(zhì)，肖(Shaw)等提出了用于CO2-EOR的油氣藏快速篩選、排序方法[6];查德威克(Chadwick)等編制了《深部咸水層CO2封存最佳實施手冊》[7]。另一方面，一些國際組織和國家政府正在改善法規(guī)管理體系和CCS推行機制，建立有利于CCS的認同以及安全、快速發(fā)展的環(huán)境。目前已出臺的CCS管理法規(guī)包括歐盟《碳捕集與封存指令》[8]、美國的《CO2捕集、運輸和封存指南》[9]、澳大利亞《CO2捕集與封存指南-2009》[10]以及挪威船級社(DNV)編制的《CO2QUALSTORE—CO2地質(zhì)封存場地和項目的選擇、特征描述和資格認證指南》[11]。這些針對CCS項目的管理文件，都涉及封存選址的制度化與規(guī)范化，為實施CO2地質(zhì)封存提供了法律框架。目前國內(nèi)CO2地質(zhì)封存還處在示范階段，有關(guān)注入、封存的場地選擇及特征描述的實際經(jīng)驗不多，缺少明確的、量化的場地選擇標準和場地勘察技術(shù)。因此，有必要在現(xiàn)有文獻的基礎(chǔ)上，著重對選址標準的關(guān)鍵特征進行分析與匯總，為將來中國建立CO2地質(zhì)封存選址標準提供借鑒與依據(jù)。
1CO2地質(zhì)封存選址的一般流程及主要標準CO2地質(zhì)封存選址是一個系統(tǒng)的過程。根據(jù)歐盟《碳捕集與封存指令》，描述場地、評估封存可行性及潛力分為三步：首先收集潛在封存場地的數(shù)據(jù)信息;第二步建立封存場地的3D靜態(tài)地質(zhì)模型;第三步是描述封存地的動態(tài)特性，對其進行敏感性分析及風險評估，論證在允許的注入速度下，能夠埋存特定量的CO2，并且不會造成不可接受的風險。本文關(guān)注的是選址標準的靜態(tài)特征，未涉及后期的動態(tài)模擬仿真及敏感性分析、風險評估。此外根據(jù)研究對象的規(guī)模，需要對潛在的CO2封存場地進行逐級遴選。借鑒兩階段篩選法[4]，首先是在盆地級別上進行評估，該過程往往用在進行封存容量評估和現(xiàn)場勘察前，大尺度評估一個沉積盆地封存CO2潛能的優(yōu)劣，確定沉積盆地的適宜性;而后在此基礎(chǔ)上對具體的封存場地進行更為詳盡的挑選。隨著研究對象不斷具體與細化，對篩選標準的詳細程度和數(shù)據(jù)的精確性要求不斷提高，相應(yīng)地，需要投入更多的時間和成本。CO2地質(zhì)封存選址的一般流程如圖1所示。無論是地區(qū)級篩選還是盆地級篩選，其篩選標準都可分為排除標準和適宜條件兩類。一旦滿足某一排除標準，一般便不對其作進一步考慮，比如不可接受的泄露風險或者遭到公眾強烈反對。個別排除標準會隨著時間發(fā)生改變，比如項目的經(jīng)濟性、尚在生產(chǎn)中的油氣田的可行性。所謂適宜條件是指一些篩選特征可以使得一個研究對象優(yōu)于另一個。適宜條件是一系列理想指標，這些標準需要平等對待。即使一個場地沒有滿足其中一個標準，不能立刻將其剔除，只是降低了它的可取性或適宜度。
根據(jù)目前國內(nèi)外對場地選擇標準的基本認識，封存場地必須具備以下特征：足夠大的封存容量和可注入性;密封性良好的蓋層;穩(wěn)定的地層。此外還要考慮盆地特征(構(gòu)造活動、沉積類型、地熱及水力學(xué)狀態(tài));盆地資源(碳氫化合物、煤、鹽分);工業(yè)成熟度及基礎(chǔ)設(shè)施;經(jīng)濟發(fā)展水平;環(huán)境問題;公眾教育及對封存態(tài)度等社會問題等其他因素。本文將選址標準劃分為地質(zhì)特征、工程特性、社會-經(jīng)濟特性三大維度。表1列出了CO2地質(zhì)封存選址主要涉及到的地質(zhì)特征及工程特性兩大類的篩選標準。考慮到社會環(huán)境因素的影響，以下地區(qū)不適宜用作CO2封存：(1)場地位于保護區(qū)或保留地，比如國家公園、自然保護區(qū)、軍事區(qū)或禁止鉆井和開發(fā)地區(qū)(比如美國和加拿大部分水域)。(2)由于各種原因沒有獲得場地的使用權(quán)不適宜用作CO2封存。(3)由于第三方權(quán)益使得潛在場地，比如油氣藏不能用于CO2封存。(4)場地位于高密度居民區(qū)，會引起公眾反對。(5)封存場地可能影響其他動植物棲息、礦產(chǎn)資源開發(fā)等。(6)不具備監(jiān)控潛力的場地。法律要求場地的審批、施工和廢棄都應(yīng)包括對注入CO2的監(jiān)測，缺乏監(jiān)控能力或者監(jiān)控能力很弱的場地一般不會通過審批。
2目前成熟的適于CO2地質(zhì)封存的媒質(zhì)特征可以利用的CO2地下封存場所多種多樣，深部咸水層、油氣藏和煤層等都可以為CO2地質(zhì)封存提供有效場所。其中深部咸水層的封存潛力最大，其次為油氣藏，不可開采的煤層再次之。在滿足上述的一般選址標準下，本節(jié)將詳細討論這三類適于CO2封存的媒質(zhì)所具備的特征。
2.1深部咸水層適合CO2地下地質(zhì)封存的地下咸水層一般是指一定深度下，被微咸或半咸的水充填的具有較高孔滲特性的巖層。這類咸水不適于農(nóng)業(yè)及人類生產(chǎn)生活使用。挪威斯萊普納(Sleipner)項目是目前世界上最成功的CO2咸水層封存項目，每年向于特西拉(Utsira)儲層注入約1×106tCO2。
2.1.1儲層性質(zhì)(1)地質(zhì)特征。斷層、斷裂和不完整等構(gòu)造可能形成CO2向上運移通道，逸出地表，不利于封存。有一定傾角的地層是CO2封存理想場地，可加強垂向運移，縮短最大水平運移距離;同時可增加殘余氣捕獲。(2)巖石礦物成分。巖石組成對于CO2封存及地質(zhì)化學(xué)反應(yīng)影響重大。在地下深部咸水層中，最利于CO2地質(zhì)封存的是砂巖。由于CO2的密度小于地層水的密度，因此注入咸水層中的CO2會在浮力的作用下向上移動。這種運動由于受到低滲透性巖層(如泥巖薄層)或透鏡體(如泥巖或頁巖透鏡體)的遮擋而呈現(xiàn)出不規(guī)則性，遇到合適的地層或構(gòu)造圈閉就會存儲起來。另外，一般砂巖或碳酸鹽巖中孔隙或裂縫發(fā)育程度較好，大部分易被水充填形成咸水層。相反，結(jié)晶和變質(zhì)的巖石，如花崗巖不適宜形成咸水層，也就不適合封存CO2。(3)儲層厚度。相比薄層，厚的儲層更適宜封存CO2，不僅因其有更大的封存容量，同時它可以允許不同的注入策略，比如在底部注入，讓CO2羽流上升。CO2羽流越小，與蓄水層水接觸面積越大，增加CO2溶解，增強殘留氣捕獲，通過地球物理學(xué)方法來監(jiān)測CO2羽流的可能性增強。建議地下咸水層的厚度應(yīng)大于50m[7]。(4)孔隙度及滲透性。研究[12]表明，平均橫向滲透率對CO2量和注入能力的影響最大。研究[13]建議，適合儲存CO2的地下咸水體，孔隙度應(yīng)大于20%，滲透系數(shù)應(yīng)大于500mD。
2.1.2蓋層性質(zhì)蓋層封堵性：地下咸水層應(yīng)具有低滲透性的蓋層(如泥巖、頁巖)，和允許地下咸水體透過的邊界，以便注入的CO2得到地下咸水的置換空間。建議蓋層的厚度應(yīng)大于100m[7]。蓋層承壓情況：為了保證封存的安全性，避免由于CO2注入導(dǎo)致蓋層斷裂引起泄露，要求蓋層所承受壓力必須大于注入CO2產(chǎn)生的最大壓力。
2.1.3儲層流體性質(zhì)流體性質(zhì)，如成分及礦化度、黏度、密度、壓力、溫度等都是重要參數(shù)，它們直接影響了CO2物相、溶解度和分解，這些都影響捕獲的效率。比如，咸水層中含鹽量高，將導(dǎo)致較低的CO2溶解度。地下咸水礦化度：我國規(guī)定礦化度超過1g/L即為咸水;美國地質(zhì)勘查局按礦化度將咸水分為三類，微咸水：1～3g/L，中度咸水：3～10g/L，高度咸水：10～35g/L。研究[7]建議適于封存CO2的深部咸水的礦化度應(yīng)大于100g/L，避免破壞地下飲用水源。水動力條件：深部咸水封存達數(shù)萬年至數(shù)十萬年，運移極其緩慢，使得更多的CO2在其流到盆地邊緣之前與其圍巖中礦物反應(yīng)形成碳酸鹽而固定下來，因此極其有利于CO2儲存[13]。地層水壓力：地層水壓力過高，導(dǎo)致注入技術(shù)要求提高的同時也增加了安全的風險性。一般的地層水壓力相對較低的盆地多發(fā)育于大陸內(nèi)部、靠近穩(wěn)定大陸板塊邊緣或位于板塊碰撞帶的山后地帶，這些盆地比較適合CO2存儲。推薦地層壓力小于靜液壓。
2.2油氣藏油藏可以提供安全的地質(zhì)圈閉，是CO2封存的首選場地。能夠?qū)嵤〤O2封存的油田分為兩種：一種則是廢棄的油田，利用廢棄的原始儲油層封存CO2，無附加收益;另一種是正在開采中的油田，即有條件實施CO2-EOR的油田，可以應(yīng)用注入CO2強化采油相關(guān)技術(shù)提高石油的采收率，獲得額外收益，降低CCS項目成本。
2.2.1廢棄油氣藏廢棄的油氣藏一般是指經(jīng)過三采以后，喪失進行經(jīng)濟開采效益的油氣藏。由于廢棄的油氣藏是既有儲層，原有的油氣儲層已經(jīng)得到認證，相關(guān)參數(shù)齊全，油氣田開發(fā)用的部分氣井和地面設(shè)施可重復(fù)用于地下儲氣庫，因此是進行CO2處置的重點地帶。油氣田枯竭后注入CO2，虧空體積被CO2替換;無邊水或底水侵入，當?shù)貙訅毫謴?fù)到原始壓力時停注。在廢棄油氣藏中埋存CO2，需要在原有圍繞油氣勘探和開發(fā)的研究工作基礎(chǔ)上，重新對儲層的沉積類型(碎屑巖或碳酸鹽巖)、儲層的埋深、厚度和三維幾何形態(tài)和完整性以及儲層的物性和非均質(zhì)性進行評價，從而對CO2存儲能力做出客觀、翔實的評估。針對廢棄的油氣藏，除應(yīng)具備與深部鹽水層相似的標準外，需要注意以下幾個問題：(1)是否存在強大的蓄水層。在生產(chǎn)油氣過程中，由于壓力作用下，蓄水層中的水可以進入儲層，從而恢復(fù)壓力，減少儲層空間。同理，若經(jīng)過二次采油或三次采油，空隙已充滿水或氣體、溶劑，壓力很接近原始儲層壓力，不應(yīng)考慮用于CO2封存。(2)廢棄油氣藏的封堵層位及井眼需要重新標示并評估。在濕環(huán)境下，CO2會對水泥石產(chǎn)生侵蝕，增加泄漏風險。(3)相應(yīng)的輔助條件，如開采特征及現(xiàn)狀、目前油氣層油氣水分布情況、油氣藏驅(qū)動方式等。針對廢棄油氣藏一個重要的指標就是時間的可行性，也就是廢棄的時間。若儲層區(qū)還在生產(chǎn)，在一個特定的時期內(nèi)，將不予考慮用于CO2封存。
2.2.2開采中的油氣藏在增采過程中使得CO2保存在油氣藏中是CO2封存的特殊情況，不是所有的油藏都適合CO2-EOR。除了項目的經(jīng)濟性外，還需要其他額外指標來篩選適宜注入CO2提高采收率的油藏。基于前面的分析以及北美在2007年底100多個CO2-EOR項目的特征，表2可以用來確定油藏是否適用于混相CO2-EOR項目。與CO2-EOR混相驅(qū)油項目相比，目前非混相驅(qū)油項目很少，研究[18]推薦的適合CO2-EOR非混相驅(qū)油的條件如下：(1)儲層縱向上滲透率高。(2)儲層中大量的原油形成油柱。(3)儲層具有可以形成氣頂?shù)娜﹂]構(gòu)造，儲層連通性好。(4)儲層中沒有導(dǎo)致驅(qū)油效率降低的斷層和斷裂。表3列出了影響非混相驅(qū)的主要指標及推薦的最佳取值范圍。
2.3不可開采的煤層由于煤炭作為一種自然資源，具有當前及未來潛在的經(jīng)濟價值;只有不經(jīng)濟的煤田方可考慮用作封存CO2。然而，什么是不經(jīng)濟的煤田目前還沒有清晰和公認的界定。它會隨著經(jīng)濟條件、具體地點等發(fā)生改變。煤的經(jīng)濟價值由地質(zhì)特征決定，如厚度、埋深、煤層的數(shù)目、現(xiàn)有技術(shù)標準以及經(jīng)濟盈利性等。目前含煤地層中因技術(shù)或經(jīng)濟原因而棄采的薄煤層、超過終采線的深部煤層和構(gòu)造破壞嚴重的煤層可以考慮用來埋存CO2。比如，在弗雷利(Frailey)等人的研究[19]中，針對美國的伊利諾斯盆地的煤層，認為埋深在152～305m，厚度在0.46～1.1m，以及埋深超過305m，厚度大于1.1m的煤層是不可開采的煤層，可以作為CO2的封存場所。針對封存CO2的煤層以及煤層氣采收應(yīng)滿足：煤質(zhì)等級：一般在相同的深度和壓力下，褐煤、次煙煤、煙煤、無煙煤含氣量依次增加�？紤]到無煙煤的經(jīng)濟價值，因此適宜封存CO2的是煙煤或次煙煤[1,4]。煤層滲透率：煤層滲透率是CO2封存地可行性的決定性因素。為保證注入，滲透率至少需要1mD。煤層深度：淺煤層可進行露天開采，同時考慮到保護地下水資源，因此不適宜封存CO2。然而，隨著深度的增加，煤的滲透率減少，因此埋藏不能過深。綜合以上考慮，在巴楚(Bachu)的研究中，可用于CO2封存的煤層埋深限制在1000～1500m[20]，沈平平等人推薦煤層埋深在300～1500m[16]，CO2CRC推薦的煤層埋深為800～3500m[4]。埋深取決于煤田沉積歷史、壓力機制及巖石性能。在已有的示范項目中，用于注入CO2的煤層深度差別很大，如伯靈頓資源(BurlingtonResources)在圣胡安(SanJuan)盆地的阿利森(Allison)示范項目埋深950m[21]，加拿大的示范項目埋深1300m[22]，我國在沁水盆地開展的CO2-ECBM微型先導(dǎo)性試驗，試驗煤層的深度為472～478m[23]。
含水飽和度：CO2封存之前要對煤層進行脫水，因此含水飽和度低的煤層相對更好。含氣飽和度：考慮到替換出來的甲烷具有經(jīng)濟價值，因此含氣飽和度高的煤層更有優(yōu)勢。其他指標：除前面的指標外，適宜性評價還應(yīng)考慮技術(shù)性、經(jīng)濟可行性以及政策法規(guī)等方面。比如，在煤田中封存CO2需要大量基礎(chǔ)設(shè)施，包括高密度的注入井和管道布局、以及為收集甲烷需要建設(shè)同樣高密度的生產(chǎn)井及管道，造成煤層甲烷收集系統(tǒng)的投資費用較高。
3中國建立CO2地質(zhì)封存選址標準所面臨的挑戰(zhàn)及相關(guān)建議分析上述封存場地篩選標準體系及相關(guān)法律框架，主要存在以下兩方面不足：第一，缺乏一套國際通用的技術(shù)標準�，F(xiàn)有篩選標準紛雜，關(guān)鍵篩選指標不統(tǒng)一;對于同一篩選指標，取值往往也有不同。第二，目前的選址標準體系中量化程度不高，一些關(guān)鍵特征例如斷裂程度、密閉性等還停留于定性描述，有待進一步完善。目前，我國現(xiàn)有的CO2地質(zhì)封存還處在示范階段，缺少明確的、量化的場地選擇標準和場地勘察技術(shù)。另外，我國本身的地質(zhì)和構(gòu)造特別復(fù)雜，無法簡單套用國外已有的選址標準。因此亟待建立一套與國際通用技術(shù)標準接軌的CO2封存選址標準，同時又充分考慮在中國實際封存過程中的適用性。中國建立CO2地質(zhì)封存選址標準，還存在著技術(shù)成熟度不高、成本昂貴、行業(yè)標準和法律框架尚未健全、公眾接受程度不高等諸多問題和障礙。技術(shù)問題：在注入及封存過程中CO2和礦物、原位液體之間的相互作用;非均質(zhì)性的影響，特別是垂直地層分層;超臨界CO2長期封存過程的動態(tài)行為建模與仿真;監(jiān)測技術(shù)(油田，跨井以及井眼的監(jiān)測);泄露的應(yīng)急補救等課題還有待進一步研究。經(jīng)濟挑戰(zhàn)：發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施，盡量減少具有不同生命周期的項目的CO2交貨成本;進一步深入全局性的源匯匹配研究。
行業(yè)標準：場地勘測與選擇、風險評估與控制、環(huán)境監(jiān)測等，缺乏統(tǒng)一的標準;法律框架：目前國內(nèi)與CO2地質(zhì)封存相關(guān)的法律法規(guī)還未建立。因此亟待制定一整套與之相適應(yīng)的、各方責任明確、審核流程嚴謹、監(jiān)管機制完善的標準規(guī)范，做到有法可依，從而有助于降低CCS項目潛在的對環(huán)境和人體健康的威脅。公眾接受：當前國內(nèi)公眾對CCS技術(shù)知之甚少。而公眾對CCS的認可與支持極其重要，本身就是重要的選址標準。因此必須建立執(zhí)行有效的溝通策略，改善公眾對CCS風險的認識，提升公眾對CO2地質(zhì)封存的支持。在這些問題面前，政府可以學(xué)習發(fā)達國家在CO2地質(zhì)封存研究項目中積累的先進經(jīng)驗，借鑒國際上目前已頒布的CO2地質(zhì)封存的指導(dǎo)書及法律法規(guī)，加大科研投資力度，對技術(shù)發(fā)展加以扶持，及早確定應(yīng)用于CO2地質(zhì)封存的相關(guān)技術(shù)、設(shè)施和政策法規(guī)，有助于推動CO2地質(zhì)封存技術(shù)在中國的開展。主要的工作包括：(1)加大科研投入，解決CO2地質(zhì)封存中的關(guān)鍵技術(shù)性問題。(2)制訂與國際通用技術(shù)標準接軌的CO2地質(zhì)封存的標準體系，如CO2封存場址的確定、風險評估、監(jiān)測準則、長期核查機制等，為我國開展CO2地質(zhì)儲存工程提供技術(shù)依據(jù)。(3)系統(tǒng)調(diào)研、評估我國潛在的CO2地質(zhì)封存場地，包括深部咸水層、煤層和廢棄的油氣藏。收集選址需要的信息，包括地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、工程特性、地球化學(xué)、地質(zhì)力學(xué)等。建立關(guān)于CO2排放源、潛在儲存場地、相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施等在內(nèi)的地理信息數(shù)據(jù)庫。(4)加大對公眾的CCS宣傳力度，信息透明，增進公眾對CO2封存的了解與認可。(5)參考先進國家的立法模式與經(jīng)驗，逐步建立適用的法律法規(guī)，為推行CO2封存項目商業(yè)化提供基礎(chǔ)架構(gòu)。(6)加快研究配套政策。研究CO2地質(zhì)封存項目申請與核準、環(huán)境影響評估、場地關(guān)閉條件、事故應(yīng)急處理等專門程序，為CO2地質(zhì)封存的大規(guī)模實施做好鋪墊。
來源：精品學(xué)習網(wǎng)
本文來自：逍遙右腦記憶 http://www.yy-art.cn/gaozhong/1033838.html
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