二氧化碳地质封存的环境监测知识讲解

二氧化碳地质封存及其环境监测

蔡博峰/文

环境监测贯穿于CO

2地质封存项目的前期准备、项目运行和项目结束各个阶段，对于确定CO

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地质

封存的安全性、对周围环境的影响发挥着决定性作用。而环境风险和环境影响直接决定了CO

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地质封存环境监测的监测对象、监测频率、监测布点和主要监测技术。

CO2捕集与封存（CCS）是CO2捕集、运输和地质封存的一个完整过程。CO2地质封存是CCS 技术中的核心内容之一，也是CCS整个过程中技术上最具挑战性的一个环节。将CO2封存于地下作为人类活动温室气体的减排手段，最早是20世纪70年代提出的，但直到20世纪90年代，这一观点才受到许多研究团体的关注。时至今日，CO2地质封存已经从当初的一个未受关注的理论概念，发展成为广为了解并被认为是全球温室气体减排的重要手段之一。国际能源署（IEA）在研究报告中认为，全球要实现2℃升温控制，则必须将大气中CO2的浓度控制在450 ppm，而CCS在2050年的减排中将贡献19%。CCS同时也是低成本温室气体减排技术方案的重要组成部分。如果没有CCS，全球到2050年CO2减排50%的成本会提高70%。

CO2地质封存技术相对捕获和运输技术，经验要少得多。2010年以前，除了Sleipner，In Salah 和Snøhvit项目外，所有CO2地质封存项目都是CO2驱油项目，真正单纯的CO2地质封存项目极少。当前对于全球CO2地质封存的地质条件、特征和资源的了解几乎都是基于石油和天然气开采。而对CO2地质封存最有潜力和封存能力最大的地下咸水层，我们却知之甚少，对其CO2封存特征、环境风险等都未有深入了解。如果CO2地质封存要在全球温室气体减排中发挥实质性作用，则必须要在安全、环保和经济的条件下大规模地推广和实施。当前国际上CO2地质封存项目发展很快，但包括加拿大Weyburn项目在内的多数项目受阻和备受争议的主要原因都是环境问题。解决这一困境的核心是利用科学、系统的环境监测来确保公众对CO2地质封存的信心。

CO2地质封存环境监测的理论基础和出发点是地质封存的环境风险和环境影响。环境风险是一种潜在的环境影响，并不必然发生，其度量是事件发生概率及其环境影响的乘积；而环境影响往往由于项目实施而不可避免会产生。环境风险和环境影响直接决定了地质封存环境监测的监测对象、监测频率、监测布点和主要监测技术。CO2地质封存的环境监测必须与具体的封存环境风险和环境影响结合起来，设计和布置不同阶段的监测重点和监测频率。基于具体情况和有侧重点地设计和构建环境监测体系有两重优势。首先，监测可以侧重环境风险和环境影响较大的方向，有的放矢；其次，环境监测往往成本较高，精心设计、有所侧重的环境监测可以最大限度地降低监测成本。

中国二氧化碳地质封存进展

中国是全球CO2地质封存项目发展最具潜力的国家。因为中国的CO2排放量很大，并且中国以煤为主的能源结构，决定了CO2地质封存在中国具有很大的应用价值和潜力。大规模成功应用CO2地质封存，可以保证中国继续利用煤炭资源，并且产生较低的CO2排放。

中国政府和企业对于CO2捕获、利用和地质封存（CCUS）的认知和接受程度在不断提高，并且认为CCUS会在中期和长期，在中国应对气候变化战略和CO2减排中发挥重要作用。

同时，中国在CO2地质封存应用和实践方面取得了很大进步。如中国石油天然气股份有限公司

已于2009年在吉林油田开始了每年12万吨的CO2驱油项目（EOR）。吉林油田的长岭气田中CO2含量高达30%，从含CO2天然气中捕集CO2，再将其用于低渗透油藏驱油，从而实现CO2捕集、埋存和提高石油采收率的目标。中国石油化工股份有限公司于2010年，在山东省胜利油田开始CO2驱油项目（EOR），已累计注入4.3万吨CO2，累计增产原油7967 吨。在胜利油田，适合CO2驱油的低渗透油田储量达2亿多吨，若全部采用CO2驱油，则每年可封存CO2 300万吨，提高油田采收率10～15%，可新增采储量3300～4700万吨。目前胜利发电厂正在建设100万吨/年烟气CO2捕集和封存项目，这将成为我国最大的火电CO2捕集和封存项目。神华集团于2011年在内蒙古鄂尔多斯启动了CO2深部咸水层注入项目。该项目设计每年注入10万吨CO2。注入深部咸水层的CO2来自神华的煤液化工厂（当前每年生产360万吨CO2），煤液化过程生产的CO2浓度为87%，将其纯化到95%，然后通过储罐运输到注入场地。煤制油厂与CO2注入场地之间距离约9千米。在神华CO2注入点，从地下1000米到2500米，周边共有多组盖层-储层组合结构。项目最终选择了地下1690～2453米深度的21个盖层-储层组合结构作为项目的CO2地下封存地层，总厚度达到112.6米。除此之外，还有一些项目正在规划中（具体分布见图1）。

图1中国CO2地质封存项目（2011）

中国企业对CO2地质封存很有兴趣，政府也非常重视这一CO2减排的工程手段，但CO2地质封存在中国仍处于起步阶段，对于地质封存项目的环境影响评价，缺乏法规依据和案例参考，尤其缺乏较为系统的环境监测方法和监测数据的支持，这和我国CO2地质封存项目的快速发展和应用极不相称。因而，当前需要积极借鉴欧、美、澳在环境监测方面长达20年的经验和教训，出台中国CO2地质封存的环境监测导则和技术指南，建立环境监测方法体系，设定监测的核心内容和关键指标，支持和保障中国CO2地质封存的环境友好型发展。

全球二氧化碳地质封存现状

完整的CO2地质封存过程包括4个阶段，选址和评价（约3～10年），运行地下注入（几十年），关闭（几年）和关闭后。CO2被注入到深部地层（通常深度超过1000米）的岩石空隙中，从而被封存在地层中。一旦CO2被安全地注入到地层中，其可能被封存长达地质时期之久。为了能更好地地质封存CO2，需要将CO2压缩，使CO2的密度状态达到“超临界”，处于超临界状态的CO2密度约为750千克/立方米。此时，CO2以气体状态充满岩石空隙，同时又具有粘稠性。能实现CO2地质封存的地层需要满足以下3个主要条件：充足的储存空间和可注入性（足够的孔隙度和渗透性）；安全的封层（盖层），即位于储层之上具有不可渗透岩石层，这样可以防止CO2向上移动和渗漏；地层需要深于800米，这样压力和温度才能足够高，使得注入的CO2达到超临界状态，从而最大化地封存CO2。

全球CCS研究所在其《全球2011年CCS现状》中称，2011年全球处于不同状态（确认、评价、决定、执行和运行）的大规模完整CCS项目（包括CO2捕捉、运输和储存过程，并且规模在：煤电厂每年CO2储存量不少于80万吨；其它高能耗设施每年CO2储存量不少于40万吨）共有74个。在这74个项目中，8个处于运行状态，6个正在施工建设，这14个项目总CO2封存能力达到每年3300万吨。北美和欧洲是工业规模水平CO2地质封存项目的主要地区。北美和欧洲的大规模完整CCS项目分别有25个和21个，之和占总项目数的62%，其次是加拿大（9个项目），澳大利亚（6个项目）和中国（6个项目）。美国是CCS项目最为活跃的地区，不仅项目数量位居全球第一，而且总CO2封存量也居世界第一。2011年全球大规模完整CCS项目中的大部分都是预计在2015-2020年才开始实施。从CO2地质封存类型上看，46%的全球大规模完整CCS项目属于EOR项目，26%属于陆地咸水层项目，14%属于海上咸水层项目，7%属于海上枯竭油气藏项目，另外其它7%处于不确定和其他类型。

二氧化碳地质封存的环境风险和环境影响

1、环境风险

工业规模水平的CO2地质封存项目，会将大量超临界状态的CO2注入地下，这些CO2会不断发生大面积迁移，因而环境风险在很大范围都存在。当CO2注入到地下储层中时，其可能会通过如下途径发生泄漏：通过低渗透率的盖层（例如页岩）的岩石空隙泄漏；通过不整合面（位于不同地质年代的岩石层之间显示沉积作用非连续性的侵蚀面）或者岩石空隙横向移动；通过盖层的裂隙、断裂或者地质断层泄漏；通过人为因素导致的途径，例如未进行完整密封的钻井或者废弃油井等泄漏。

开采枯竭的油藏和气藏，由于研究数据和开发利用较为充分，因而是CO2地质封存较为安全和理想的地层类型。但是，由于开采枯竭的油藏和气藏区域内会存在很多钻井，其中包括许多未被利用的钻井，很多钻井的状况很差，因此这类地层的风险是，CO2可能通过钻井而泄漏。特别是那些未被发现或者未能妥善废弃的钻井是开采枯竭的油藏和气藏的重要风险源。

石油行业的经验表明，由于操作不当或者油井套管、封隔器或者灌注水泥等的退化，油井往往是重要的泄漏途径之一。油井完整性的缺失长期以来一直被认为是CO2地质封存最有可能的泄漏途径，尤其是当存在废弃油井或者老油井时。通过废弃油井泄漏CO2的风险受影响于在CO2地层活动范围内油井的个数、深度及其废弃处理过程。