二氧化碳的地质储存

二氧化碳是地球上生命的必要物质。人类和动物吸进氧气呼出二氧化碳。同时，植物 吸收二氧化碳，通过光合作用产生氧气。二氧化碳还经常在海洋和大气之间进行交换。在其 它自然过程中也会吸收或者排放二氧化碳。将这些过程总结在一个自然系统中，就叫二氧化 碳循环，这些过程过去一致保持着二氧化碳在大气中的稳定。
二氧化碳是一种温室气体。它的一个功能就是在大气中保存太阳的能量，让气候变得足 够温暖，生命得以延续。但是这种平衡是脆弱的，当大气中的二氧化碳含量高于自然水平时， 气候就会变得温暖，在地球上的很多地方的自然平衡就会遭到破坏。这在很大范围内对环境、 资源和人类活动有着破环性的影响，而且大气温度和影响程度都会随着二氧化碳含量的升高 而升高。
二氧化碳的地质储存
1.为什么要把二氧化碳储存在底下？
2.二氧化碳是什么？
3.哪些地方可以储存二氧化碳？
4.二氧化碳地质储存该怎样进行？
5.二氧化碳会留在地下么？
6.二氧化碳地下储存会带来什么影响？
7.二氧化碳地质储存的经济价值？
1.为什么要把二氧化碳储存在底下？
从工厂的工业生产和其它人类活动过程中排放的二氧化碳，是导致全球气候变化的主要 因素之一。发电厂、炼厂、油气生产厂、钢铁工厂、水泥厂和其它一些化工厂在燃烧煤、石 油和天然气等燃料的过程中，会向空气中排放大量的二氧化碳，而二氧化碳是温室气体，其 在大气中浓度的升高对导致气候的平衡遭到破坏，
玄武岩和油页岩结构也有可能，但是目前还都停留在理论阶段。 多数情况下，注入的二氧化碳无法做到 100％的纯度，即使捕获和收集二氧化碳的效率 再高，也难免会有其他物质掺入，这些物质组要包括：氮气、氧气以及少量无法消除的氧化 硫、氧化氮和颗粒物质，还有一些烃类气体和硫化氢。因此，在注入之前， 要考虑这些气 体对二氧化碳储存的影响。 全球二氧化碳能够储存的容量 现在我们已经清楚了哪些地质构造可以用于储存二氧化碳，而且其容量远远大于我们的 需求。根据“政府间气候变化协会”IPCC 的报告，以现有的情况进行计算，全球二氧化碳 地质储存的容量如果加在一起，是每年工业排放量的数百倍之多。而且就目前来说，二氧化 碳地质储存还属于新兴产业，许多测量评估技术还有提高，因此全球可用于储存二氧化碳的 容量，必定还有很大的提升空间。
生物体一般都含有大量的水和含碳有机分子。当木材或者化石燃料（油、煤和天然气） 燃烧时，碳元素和氧元素都会组成二氧化碳排放到大气中。人类社会燃烧燃料的行为大大超 出了二氧化碳自然循环的范围。越来越多的二氧化碳被大气自然的吸收，进而助长了全球变 暖。二氧化碳地质储存的目标就是将这些原本要排向空气的碳元素封存到地下，就像几亿年 前的植物和动物的尸体埋存在地下腐烂分解成煤，油和天然气一样。
二氧化碳地质储存并不是一个新 鲜事务，在石油行业中，往衰老油田中注入二氧化碳来提高采收率已经有 30 多年的历史了， 掌握了成熟的技术和丰富的经验。从上世纪 90 年代初开始，人们开始对二氧化碳的地质储 存开展了大量的研究和开发，目的是为了降低温室气体向空气中的排放。随着人们对于环境 问题的日渐重视，这一理念也开始在许多商业性项目中得到实现。
深度不可开采煤层也是可能的存储结构。二氧化碳会进入煤块上的微小孔隙中，而且 会被粘得牢牢的，甚至都不需要盖层来封闭住。煤通常都伴随有甲烷气，二氧化碳进来之后 会驱替出这些甲烷，从而可以将它们收集起来作为燃料。这种生产甲烷气的方法被称作“增 强型煤层甲烷气生产”，目前仍处在试验阶段，需要对二氧化碳的驱替和甲烷从煤中的释放 过程进行大量的研究。
如果注入的二氧化碳多了，它会从注射地向更 远的地方扩散，由于它比盐水或油都要轻，所以会 上升到渗透岩的顶部，这时构造圈闭和地层圈闭会 发挥作用，使二氧化碳呆在原地。注入二氧化碳的 压力必须足够高，以便液态的二氧化碳能够进入到 多孔岩石中去，但是压力也不能太高，否则将突破 封闭圈上部的盖层。
许多注入的二氧化碳最后会溶解于残留的盐水 或石油之中，这就有点像糖溶解在水中形成甜水一 样。这个过程，进一步圈闭了二氧化碳，就叫做溶 解圈闭。由溶解圈闭形成的密度更高的流体，会沉到储存结构的最底部。根据周围岩石结构 的不同，溶解的二氧化碳可能会与附近的岩石发生化学反应，形成更加稳定的矿物。而我们 所知道的矿物圈闭，是最安全的二氧化碳储存方式，但是过程却很慢，通常需要上千年的时
适合二氧化碳地质储存的几种圈闭构造 圈闭是指由不易渗透的岩石结构将地下流体封闭起来，使其不能移动。适合二氧化碳地 质储存的圈闭构造主要有以下几种：地层圈闭、构造圈闭、残留圈闭、溶解圈闭和矿石圈闭。 圈闭结构主要和当地的地质构造有关，有时是几种圈闭一起发挥作用。其中，地层圈闭、构 造圈闭或者两种圈闭相结合是比较常见的。
二氧化碳也有一些实际用途。例如，它可以应用在化学、金属、食物和饮料、保健、 造纸，发电和污水处理等领域。它可以用来制造肥料；用来制造碳酸饮料的气泡效果；它的 冷冻形态（如干冰）还可以用于商业用途。但是可以用于这些用途的二氧化碳的数量要远远 低于燃烧化石燃料所排放的量。
3.哪些地方可以储存二氧化碳？
在地质储存的过程中，二氧化碳在高压的条件下注入很深的地层结构中。这些地层结构
在地层圈闭中，由非渗透的岩石组成的盖层（有时还会加上同一层中的其他岩石）会形 成一个封闭的容器来圈闭二氧化碳；在构造圈闭中，二氧化碳是由地层中的褶皱或中断形成 的非渗透岩来封闭住。另外，储存二氧化碳的岩石表面会被其他岩层分别覆盖，形成辅助封 闭；残留圈闭通常发生在注射结束以后，二氧化碳由于毛细压力而停留在岩石的孔隙中，这 时周围岩石中的水会回流到充满二氧化碳的孔隙中，彻底封住二氧化碳。
2.二氧化碳是什么？
二氧化碳是由一个碳原子和两个氧原子组成的自然物质，碳和氧都是地球上很常见的元 素。在正常的大气条件下，二氧化碳是气态的。它可以被压缩成液体，冷冻成固体（如干冰）
或者溶解于水中（如碳酸饮料，啤酒和汽酒）。空气中的二氧化碳含量为 0.04％。在地下 和水中都含有二氧化碳。二氧化碳无毒，不可燃，也不会爆炸，可被用来做灭火剂。
4.二氧化碳地质储存该怎样进行？
虽然每个地质储存的项目都不尽相同，但是一般都包括以下三个阶段：规划与建设、注 气、注气后。
规划与建设阶段 整个项目的规划一般从工厂捕获二氧化碳开始，将需要捕获的量先计划好，同时开始 寻找适合二氧化碳地质储存的地点。将来，火力发电厂的选址会选在靠近适合地质储存的地 点。一般的规划方案需要考虑以下几个问题：
最后，如果研究结果可以接受，必要的许可和执照也拿到了，那就可以打注气井了！ 有时，监测二氧化碳用的分离井也需要打。
注射和注射后 二氧化碳是被压缩成超临界流体并且在高压作用下注入地下存储结构的。这类的注射技 术和设备已经在油气行业很广泛地得到应用，完全可以实现商业化运作。事实上，注二氧化 碳的井比油气开采用的井要更加安全，因为二氧化碳是无色无味无毒、既不会燃烧也不会爆 炸的气体。 在注射过程中和注射完成之后，需要对储存的二氧化碳进行测量、监测和证实工作（简 称 MMV），以确保适量的二氧化碳被注入，注射过程有效、安全，没有发生偏移。此时， 电脑会根据实时测量得出的结果与之前计划阶段所做的建模进行对比。在注射完成后，MMV 工作也要进行一段时间，以确保没有意外发生。
可行性 储存地点要让二氧化碳源能够便宜地输送；负责储存的组织要获得相关法律程序上的 批准 存储能力 当地的地质结构要有足够的孔隙度和渗透率来储存二氧化碳，而且储存能力要能于气 源匹配得上。 注射能力 只要注射速度能够满足要求即可 储存安全性 储存地点要有明确的圈闭机制；二氧化碳要被注入足够的深度来保持超临界状态；盖 层岩要有足够的非渗透性、连续性和厚度来确保气体不会发生移动；地质环境要足够稳定， 以确保整个储存地点的完整性；储存地点附近没有可供二氧化碳逸出的路径或封闭不正确的 废弃井。
二氧化碳地质储存，就是指将这 些工厂排放的二氧化碳进行分离和收 集，不向大气中排放，而是注入到合 适的深层地质结构中，永久性地埋存 在地下，这样一来可以大大地减少二 氧化碳的排量，是应对全球气候变化 的有力武器。另外，提高能源使用效 率、转变能源消费模式和利用可再生 能源也都是降低二氧化碳排放的有效 手段。
于不正确的封闭，将来可能会成为二氧化碳逸出的路径。 深层盐水结构是在很深很深的地下，其岩石孔隙上附着的水由于含盐和矿物质太高而
无法使用。这种地质结构全世界到处都有，包括一些没有油气开采潜力的地方。这种结构符 合所有能够长期储存二氧化碳的条件。二氧化碳注入到这些已经被圈闭住的流体之中，最终 溶解于这些盐水之中，并与周围的岩石进行化学反应而进一步结合。深层盐水结构被认为是 世界上能存储二氧化碳容量最大的地质结构，而且遍布世界各地。
如果二氧化碳注射地点和捕获不在一起， 那么二氧化碳必须经过液化，通过管道或者其 他工具来输送。这其中管道是一个比较成熟的 方案。仅在美国可供输送二氧化碳的管道就有 4800 多公里。目前世界上最大最成功的注二 氧化碳提高采收率项目，就是通过 320 公里的 管道将美国北达科他州的二氧化碳送到加拿 大萨斯喀彻温省的 Weyburn。
有些已经安全地封存了石油、天然气或盐水 等地下流体长达数百万年，因此对二氧化碳 来说也适用。全世界的许多地方本身也有天 然的地下二氧化碳气藏。地质专家们通过对 这些成功的圈闭结构进行研究，总结出适合 封存二氧化碳几种地质结构。
超临界二氧化碳的注入 地质封存的二氧化碳，是在高温高压的 条件下，以超临界流体的形态注入地下的。 超临界二氧化碳流体看上去像气体，可以轻 易地在固体缝隙中扩散，同时他们也是液 体，所占空间比气体小很多。超临界二氧化 碳会随着地下深度的增加而进一步压缩，在 地下岩石的缝隙中可以装下更多的二氧化 碳，只要深度大于 800 米，地下的高压环境 就能维持其超临界流体的状态。
以上几种圈闭机制对于二氧化碳的储 存时间也是不同的，一般来说，存储的时间 越长，我们认为这种圈闭机制越安全可靠， 当然，这也受周围地质环境的影响。 适合进行二氧化碳地质储存的几个位置 适合二氧化碳地质储存的位置包括：衰竭的油气田、深层盐水结构和深度不可开采煤 层。其中衰竭油气田和深层盐水结构会用到前面提到的五种圈闭结构。在这些结构中，储存 二氧化碳的沉积岩上部都有盖层。不可开采煤层目前还只是潜在的一个备选方案，因为它的 储存二氧化碳的圈闭机制稍有不同，有时是填充在煤炭的颗粒当中。未来十年，我们还需要 针对世界范围内不同的地质构造进行储存二氧化碳可行性的研究。 在衰竭油气田中，二氧化碳填充在原先储存油和气的岩石孔中。这也是最早的一种适 于储存二氧化碳的地方，由于它会驱走残留在油田中的残余油，人们在 30 年前就开始往地 下注入二氧化碳来提高老油田的采收率。提高的那部分产量还可以补偿捕获与储存二氧化碳 的成本。另外，人们对老油田的地质构造信息掌握的更加全面，研究的更加透彻，当初对地 下流体进行的建模同样可以用于二氧化碳。唯一需要注意的油田里废弃的油井，有些油井由
间。目前，针对矿物圈闭的原理和在不同地质条件中二氧化碳对流体与岩石的长期影响的研 究正在进行之中。
适合封存二氧化碳的岩石，需要有高孔隙度来为二氧化碳提供存储空间，高渗透率来 让二氧化碳流到这些孔隙当中，然后由低渗透率的岩石来形成圈闭，阻止其流动。对于储存
二氧化碳的另一个重要因素是注射能力。它 是指二氧化碳被注入封闭结构的速度。一般 来说，二氧化碳的注射速度和它被捕获时的 速度是一致的。注射速率、油藏储存能力和 封存效果之间的关系是复杂的，还需要地质 学家和地理工程师们进行更仔细的研究。
注射地点的特征描述一般是从地质结构、 地下水和岩石化学性质开始。大多数的分析集 中在圈闭机制和它上边的盖层，因为这里将提供主要的封存。另外还需要对二氧化碳的长期 表现进行模拟，针对模拟效果还要进行测试。有些资料是已经现成的，有些特殊资料则需要 自己做地震调查或钻井测试来获取。
在这些资料的基础上，项目规划要做的尽量详细，要把工厂在正常情况和可能发生意 外的情况都考虑进去，最好风险评估和紧急预案。在油气行业，类似的针对注入操作的风险 评估是例行的，并且Βιβλιοθήκη Baidu着相当丰富的经验。