逍遥右脑 2018-04-11 09:45
气候变化对人类生存和发展提出了严峻挑战。目前科学界主流观点认为，因人类燃烧大量化石燃料而释放的温室气体(主要是CO2)，是导致自工业化以来全球平均气温升高的主要原因。二氧化碳捕集与封存(CO2CaptureandStorage，CCS)技术作为稳定大气温室气体浓度的减缓行动组合中的一种选择方案，受到广泛关注。CCS是指“将二氧化碳从工业或相关能源的排放源分离出来，输送到一个封存地点，并且长期与大气隔绝”;包括捕集、运输、封存等环节。CO2的安全封存是CCS的最终落脚点，从某种程度上讲封存的可行性决定了CCS技术的可行性。同时，这也是碳捕集与封存过程中风险最大的一个环节，因此选择适合CO2长期封存的地质层显得尤为重要。CO2地质封存地必须使用系统的筛选过程，综合考虑盆地大小和深度、地质特性、水文地质、地质热力学特性以及自然资源、基础设施等因素，同时还与经济、政治、社会因素紧密相关。评价系统对每个标准分配适当的权重，并依据每个标准对封存场所打分然后排序。建立完善的封存场地的选择标准，是选择合适封存地点、确保安全封存的前提条件。为了确保CCS项目能够安全、顺利开展，国外有关专家、学者就封存场地的选择及特征描述进行了研究。巴楚(Bachu)在盆地级别上给出了15条对封存场地的选址标准[1]。这些标准可以分为五大类[2]：(1)地质特性;(2)水文及地热特性;(3)油气资源及产业成熟度;(4)经济合理性;(5)社会、政治因素。卡尔迪(Kaldi)和吉布森-普尔(Gibson-Poole)在巴楚(Bachu)和CSLF(碳封存领导人论坛)2007年[3]所做工作的基础上，按照研究对象尺度以及不确定性，将封存场址选择划分为地区级筛选与盆地级筛选，除建立盆地级筛选标准外，还相应提供了在国家级别上筛选沉积岩盆地的标准体系[4]。欧德伯格(Olderburg)基于CO2封存地泄露可能性及其影响建立了一套封存场地筛选及排序框架[5]。与此同时，针对目前技术上成熟的CO2地质封存媒质，肖(Shaw)等提出了用于CO2-EOR的油气藏快速筛选、排序方法[6];查德威克(Chadwick)等编制了《深部咸水层CO2封存最佳实施手册》[7]。另一方面，一些国际组织和国家政府正在改善法规管理体系和CCS推行机制，建立有利于CCS的认同以及安全、快速发展的环境。目前已出台的CCS管理法规包括欧盟《碳捕集与封存指令》[8]、美国的《CO2捕集、运输和封存指南》[9]、澳大利亚《CO2捕集与封存指南-2009》[10]以及挪威船级社(DNV)编制的《CO2QUALSTORE—CO2地质封存场地和项目的选择、特征描述和资格认证指南》[11]。这些针对CCS项目的管理文件，都涉及封存选址的制度化与规范化，为实施CO2地质封存提供了法律框架。目前国内CO2地质封存还处在示范阶段，有关注入、封存的场地选择及特征描述的实际经验不多，缺少明确的、量化的场地选择标准和场地勘察技术。因此，有必要在现有文献的基础上，着重对选址标准的关键特征进行分析与汇总，为将来中国建立CO2地质封存选址标准提供借鉴与依据。
1CO2地质封存选址的一般流程及主要标准CO2地质封存选址是一个系统的过程。根据欧盟《碳捕集与封存指令》，描述场地、评估封存可行性及潜力分为三步：首先收集潜在封存场地的数据信息;第二步建立封存场地的3D静态地质模型;第三步是描述封存地的动态特性，对其进行敏感性分析及风险评估，论证在允许的注入速度下，能够埋存特定量的CO2，并且不会造成不可接受的风险。本文关注的是选址标准的静态特征，未涉及后期的动态模拟仿真及敏感性分析、风险评估。此外根据研究对象的规模，需要对潜在的CO2封存场地进行逐级遴选。借鉴两阶段筛选法[4]，首先是在盆地级别上进行评估，该过程往往用在进行封存容量评估和现场勘察前，大尺度评估一个沉积盆地封存CO2潜能的优劣，确定沉积盆地的适宜性;而后在此基础上对具体的封存场地进行更为详尽的挑选。随着研究对象不断具体与细化，对筛选标准的详细程度和数据的精确性要求不断提高，相应地，需要投入更多的时间和成本。CO2地质封存选址的一般流程如图1所示。无论是地区级筛选还是盆地级筛选，其筛选标准都可分为排除标准和适宜条件两类。一旦满足某一排除标准，一般便不对其作进一步考虑，比如不可接受的泄露风险或者遭到公众强烈反对。个别排除标准会随着时间发生改变，比如项目的经济性、尚在生产中的油气田的可行性。所谓适宜条件是指一些筛选特征可以使得一个研究对象优于另一个。适宜条件是一系列理想指标，这些标准需要平等对待。即使一个场地没有满足其中一个标准，不能立刻将其剔除，只是降低了它的可取性或适宜度。
根据目前国内外对场地选择标准的基本认识，封存场地必须具备以下特征：足够大的封存容量和可注入性;密封性良好的盖层;稳定的地层。此外还要考虑盆地特征(构造活动、沉积类型、地热及水力学状态);盆地资源(碳氢化合物、煤、盐分);工业成熟度及基础设施;经济发展水平;环境问题;公众教育及对封存态度等社会问题等其他因素。本文将选址标准划分为地质特征、工程特性、社会-经济特性三大维度。表1列出了CO2地质封存选址主要涉及到的地质特征及工程特性两大类的筛选标准。考虑到社会环境因素的影响，以下地区不适宜用作CO2封存：(1)场地位于保护区或保留地，比如国家公园、自然保护区、军事区或禁止钻井和开发地区(比如美国和加拿大部分水域)。(2)由于各种原因没有获得场地的使用权不适宜用作CO2封存。(3)由于第三方权益使得潜在场地，比如油气藏不能用于CO2封存。(4)场地位于高密度居民区，会引起公众反对。(5)封存场地可能影响其他动植物栖息、矿产资源开发等。(6)不具备监控潜力的场地。法律要求场地的审批、施工和废弃都应包括对注入CO2的监测，缺乏监控能力或者监控能力很弱的场地一般不会通过审批。
2目前成熟的适于CO2地质封存的媒质特征可以利用的CO2地下封存场所多种多样，深部咸水层、油气藏和煤层等都可以为CO2地质封存提供有效场所。其中深部咸水层的封存潜力最大，其次为油气藏，不可开采的煤层再次之。在满足上述的一般选址标准下，本节将详细讨论这三类适于CO2封存的媒质所具备的特征。
2.1深部咸水层适合CO2地下地质封存的地下咸水层一般是指一定深度下，被微咸或半咸的水充填的具有较高孔渗特性的岩层。这类咸水不适于农业及人类生产生活使用。挪威斯莱普纳(Sleipner)项目是目前世界上最成功的CO2咸水层封存项目，每年向于特西拉(Utsira)储层注入约1×106tCO2。
2.1.1储层性质(1)地质特征。断层、断裂和不完整等构造可能形成CO2向上运移通道，逸出地表，不利于封存。有一定倾角的地层是CO2封存理想场地，可加强垂向运移，缩短最大水平运移距离;同时可增加残余气捕获。(2)岩石矿物成分。岩石组成对于CO2封存及地质化学反应影响重大。在地下深部咸水层中，最利于CO2地质封存的是砂岩。由于CO2的密度小于地层水的密度，因此注入咸水层中的CO2会在浮力的作用下向上移动。这种运动由于受到低渗透性岩层(如泥岩薄层)或透镜体(如泥岩或页岩透镜体)的遮挡而呈现出不规则性，遇到合适的地层或构造圈闭就会存储起来。另外，一般砂岩或碳酸盐岩中孔隙或裂缝发育程度较好，大部分易被水充填形成咸水层。相反，结晶和变质的岩石，如花岗岩不适宜形成咸水层，也就不适合封存CO2。(3)储层厚度。相比薄层，厚的储层更适宜封存CO2，不仅因其有更大的封存容量，同时它可以允许不同的注入策略，比如在底部注入，让CO2羽流上升。CO2羽流越小，与蓄水层水接触面积越大，增加CO2溶解，增强残留气捕获，通过地球物理学方法来监测CO2羽流的可能性增强。建议地下咸水层的厚度应大于50m[7]。(4)孔隙度及渗透性。研究[12]表明，平均横向渗透率对CO2量和注入能力的影响最大。研究[13]建议，适合储存CO2的地下咸水体，孔隙度应大于20%，渗透系数应大于500mD。
2.1.2盖层性质盖层封堵性：地下咸水层应具有低渗透性的盖层(如泥岩、页岩)，和允许地下咸水体透过的边界，以便注入的CO2得到地下咸水的置换空间。建议盖层的厚度应大于100m[7]。盖层承压情况：为了保证封存的安全性，避免由于CO2注入导致盖层断裂引起泄露，要求盖层所承受压力必须大于注入CO2产生的最大压力。
2.1.3储层流体性质流体性质，如成分及矿化度、黏度、密度、压力、温度等都是重要参数，它们直接影响了CO2物相、溶解度和分解，这些都影响捕获的效率。比如，咸水层中含盐量高，将导致较低的CO2溶解度。地下咸水矿化度：我国规定矿化度超过1g/L即为咸水;美国地质勘查局按矿化度将咸水分为三类，微咸水：1～3g/L，中度咸水：3～10g/L，高度咸水：10～35g/L。研究[7]建议适于封存CO2的深部咸水的矿化度应大于100g/L，避免破坏地下饮用水源。水动力条件：深部咸水封存达数万年至数十万年，运移极其缓慢，使得更多的CO2在其流到盆地边缘之前与其围岩中矿物反应形成碳酸盐而固定下来，因此极其有利于CO2储存[13]。地层水压力：地层水压力过高，导致注入技术要求提高的同时也增加了安全的风险性。一般的地层水压力相对较低的盆地多发育于大陆内部、靠近稳定大陆板块边缘或位于板块碰撞带的山后地带，这些盆地比较适合CO2存储。推荐地层压力小于静液压。
2.2油气藏油藏可以提供安全的地质圈闭，是CO2封存的首选场地。能够实施CO2封存的油田分为两种：一种则是废弃的油田，利用废弃的原始储油层封存CO2，无附加收益;另一种是正在开采中的油田，即有条件实施CO2-EOR的油田，可以应用注入CO2强化采油相关技术提高石油的采收率，获得额外收益，降低CCS项目成本。
2.2.1废弃油气藏废弃的油气藏一般是指经过三采以后，丧失进行经济开采效益的油气藏。由于废弃的油气藏是既有储层，原有的油气储层已经得到认证，相关参数齐全，油气田开发用的部分气井和地面设施可重复用于地下储气库，因此是进行CO2处置的重点地带。油气田枯竭后注入CO2，亏空体积被CO2替换;无边水或底水侵入，当地层压力恢复到原始压力时停注。在废弃油气藏中埋存CO2，需要在原有围绕油气勘探和开发的研究工作基础上，重新对储层的沉积类型(碎屑岩或碳酸盐岩)、储层的埋深、厚度和三维几何形态和完整性以及储层的物性和非均质性进行评价，从而对CO2存储能力做出客观、翔实的评估。针对废弃的油气藏，除应具备与深部盐水层相似的标准外，需要注意以下几个问题：(1)是否存在强大的蓄水层。在生产油气过程中，由于压力作用下，蓄水层中的水可以进入储层，从而恢复压力，减少储层空间。同理，若经过二次采油或三次采油，空隙已充满水或气体、溶剂，压力很接近原始储层压力，不应考虑用于CO2封存。(2)废弃油气藏的封堵层位及井眼需要重新标示并评估。在湿环境下，CO2会对水泥石产生侵蚀，增加泄漏风险。(3)相应的辅助条件，如开采特征及现状、目前油气层油气水分布情况、油气藏驱动方式等。针对废弃油气藏一个重要的指标就是时间的可行性，也就是废弃的时间。若储层区还在生产，在一个特定的时期内，将不予考虑用于CO2封存。
2.2.2开采中的油气藏在增采过程中使得CO2保存在油气藏中是CO2封存的特殊情况，不是所有的油藏都适合CO2-EOR。除了项目的经济性外，还需要其他额外指标来筛选适宜注入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多个CO2-EOR项目的特征，表2可以用来确定油藏是否适用于混相CO2-EOR项目。与CO2-EOR混相驱油项目相比，目前非混相驱油项目很少，研究[18]推荐的适合CO2-EOR非混相驱油的条件如下：(1)储层纵向上渗透率高。(2)储层中大量的原油形成油柱。(3)储层具有可以形成气顶的圈闭构造，储层连通性好。(4)储层中没有导致驱油效率降低的断层和断裂。表3列出了影响非混相驱的主要指标及推荐的最佳取值范围。
2.3不可开采的煤层由于煤炭作为一种自然资源，具有当前及未来潜在的经济价值;只有不经济的煤田方可考虑用作封存CO2。然而，什么是不经济的煤田目前还没有清晰和公认的界定。它会随着经济条件、具体地点等发生改变。煤的经济价值由地质特征决定，如厚度、埋深、煤层的数目、现有技术标准以及经济盈利性等。目前含煤地层中因技术或经济原因而弃采的薄煤层、超过终采线的深部煤层和构造破坏严重的煤层可以考虑用来埋存CO2。比如，在弗雷利(Frailey)等人的研究[19]中，针对美国的伊利诺斯盆地的煤层，认为埋深在152～305m，厚度在0.46～1.1m，以及埋深超过305m，厚度大于1.1m的煤层是不可开采的煤层，可以作为CO2的封存场所。针对封存CO2的煤层以及煤层气采收应满足：煤质等级：一般在相同的深度和压力下，褐煤、次烟煤、烟煤、无烟煤含气量依次增加。考虑到无烟煤的经济价值，因此适宜封存CO2的是烟煤或次烟煤[1,4]。煤层渗透率：煤层渗透率是CO2封存地可行性的决定性因素。为保证注入，渗透率至少需要1mD。煤层深度：浅煤层可进行露天开采，同时考虑到保护地下水资源，因此不适宜封存CO2。然而，随着深度的增加，煤的渗透率减少，因此埋藏不能过深。综合以上考虑，在巴楚(Bachu)的研究中，可用于CO2封存的煤层埋深限制在1000～1500m[20]，沈平平等人推荐煤层埋深在300～1500m[16]，CO2CRC推荐的煤层埋深为800～3500m[4]。埋深取决于煤田沉积历史、压力机制及岩石性能。在已有的示范项目中，用于注入CO2的煤层深度差别很大，如伯灵顿资源(BurlingtonResources)在圣胡安(SanJuan)盆地的阿利森(Allison)示范项目埋深950m[21]，加拿大的示范项目埋深1300m[22]，我国在沁水盆地开展的CO2-ECBM微型先导性试验，试验煤层的深度为472～478m[23]。
含水饱和度：CO2封存之前要对煤层进行脱水，因此含水饱和度低的煤层相对更好。含气饱和度：考虑到替换出来的甲烷具有经济价值，因此含气饱和度高的煤层更有优势。其他指标：除前面的指标外，适宜性评价还应考虑技术性、经济可行性以及政策法规等方面。比如，在煤田中封存CO2需要大量基础设施，包括高密度的注入井和管道布局、以及为收集甲烷需要建设同样高密度的生产井及管道，造成煤层甲烷收集系统的投资费用较高。
3中国建立CO2地质封存选址标准所面临的挑战及相关建议分析上述封存场地筛选标准体系及相关法律框架，主要存在以下两方面不足：第一，缺乏一套国际通用的技术标准。现有筛选标准纷杂，关键筛选指标不统一;对于同一筛选指标，取值往往也有不同。第二，目前的选址标准体系中量化程度不高，一些关键特征例如断裂程度、密闭性等还停留于定性描述，有待进一步完善。目前，我国现有的CO2地质封存还处在示范阶段，缺少明确的、量化的场地选择标准和场地勘察技术。另外，我国本身的地质和构造特别复杂，无法简单套用国外已有的选址标准。因此亟待建立一套与国际通用技术标准接轨的CO2封存选址标准，同时又充分考虑在中国实际封存过程中的适用性。中国建立CO2地质封存选址标准，还存在着技术成熟度不高、成本昂贵、行业标准和法律框架尚未健全、公众接受程度不高等诸多问题和障碍。技术问题：在注入及封存过程中CO2和矿物、原位液体之间的相互作用;非均质性的影响，特别是垂直地层分层;超临界CO2长期封存过程的动态行为建模与仿真;监测技术(油田，跨井以及井眼的监测);泄露的应急补救等课题还有待进一步研究。经济挑战：发展基础设施，尽量减少具有不同生命周期的项目的CO2交货成本;进一步深入全局性的源汇匹配研究。
行业标准：场地勘测与选择、风险评估与控制、环境监测等，缺乏统一的标准;法律框架：目前国内与CO2地质封存相关的法律法规还未建立。因此亟待制定一整套与之相适应的、各方责任明确、审核流程严谨、监管机制完善的标准规范，做到有法可依，从而有助于降低CCS项目潜在的对环境和人体健康的威胁。公众接受：当前国内公众对CCS技术知之甚少。而公众对CCS的认可与支持极其重要，本身就是重要的选址标准。因此必须建立执行有效的沟通策略，改善公众对CCS风险的认识，提升公众对CO2地质封存的支持。在这些问题面前，政府可以学习发达国家在CO2地质封存研究项目中积累的先进经验，借鉴国际上目前已颁布的CO2地质封存的指导书及法律法规，加大科研投资力度，对技术发展加以扶持，及早确定应用于CO2地质封存的相关技术、设施和政策法规，有助于推动CO2地质封存技术在中国的开展。主要的工作包括：(1)加大科研投入，解决CO2地质封存中的关键技术性问题。(2)制订与国际通用技术标准接轨的CO2地质封存的标准体系，如CO2封存场址的确定、风险评估、监测准则、长期核查机制等，为我国开展CO2地质储存工程提供技术依据。(3)系统调研、评估我国潜在的CO2地质封存场地，包括深部咸水层、煤层和废弃的油气藏。收集选址需要的信息，包括地质构造、水文地质、工程特性、地球化学、地质力学等。建立关于CO2排放源、潜在储存场地、相关基础设施等在内的地理信息数据库。(4)加大对公众的CCS宣传力度，信息透明，增进公众对CO2封存的了解与认可。(5)参考先进国家的立法模式与经验，逐步建立适用的法律法规，为推行CO2封存项目商业化提供基础架构。(6)加快研究配套政策。研究CO2地质封存项目申请与核准、环境影响评估、场地关闭条件、事故应急处理等专门程序，为CO2地质封存的大规模实施做好铺垫。
来源：精品学习网