劉廷， 馬鑫， 刁玉杰， 金曉琳， 付杰， 張成龍

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

0 引言

工業(yè)時代以來，溫室氣體的排放導(dǎo)致全球氣溫顯著上升，給地球環(huán)境帶來了嚴重威脅，碳減排是緩解這一威脅的必由之路。隨著經(jīng)濟發(fā)展和人口增加，碳減排的壓力與日俱增，碳捕集與封存(Carbon Capture and Storage，CCS)作為一項重要的碳減排技術(shù)，在實現(xiàn)將全球平均氣溫升幅控制在前工業(yè)水平的2 ℃內(nèi)的目標中起著重要作用[1]，被認為是有效緩解全球氣候變暖、大量減少CO2排放的最可行路徑之一[2-4]。

早在20世紀80年代，世界各國就已經(jīng)開始了CCS技術(shù)的研究及工程示范[5]，我國在21世紀初也開展了一些相關(guān)技術(shù)的理論研究及實踐，對全國各大盆地的CCS封存潛力進行了評價[6-17]，并開展了一些CO2地質(zhì)封存工程，例如： 神華集團鄂爾多斯咸水層CO2封存示范工程、中國石油吉林油田提高采收率試點項目、中國石化勝利油田碳捕集利用與封存試點項目、延長油田碳捕集利用與封存試點項目、中國石油新疆彩南油田CO2驅(qū)水與地質(zhì)封存先導(dǎo)性試驗工程等[18]。隨著我國碳排放壓力劇增，亟待開展大規(guī)模的CCS碳減排工作。

中國承諾力爭于2030年前實現(xiàn)碳達峰，努力爭取于2060年前實現(xiàn)碳中和。中國是碳排放大國，要實現(xiàn)2030年碳達峰的目標減排壓力巨大，對CCS技術(shù)有著迫切的需求。在開展規(guī)?；腃CS工程之前，面臨的首要問題是對全國的CO2地質(zhì)封存潛力作出合理有效的前期評價，為產(chǎn)業(yè)布局和規(guī)劃提供支撐。本文通過總結(jié)近年來國內(nèi)外的主流CCS技術(shù)及其機理，從計算原理出發(fā)對CO2地質(zhì)封存潛力的計算方法進行了分類綜述，擬為開展全國性的CO2封存潛力評價工作提供參考。

1 主流技術(shù)及其封存機理

早期的CCS技術(shù)包括海洋儲存、地質(zhì)儲存和表層礦物碳酸鹽化，受理論技術(shù)、環(huán)境風(fēng)險及政策法規(guī)等因素的限制，目前CCS僅指CO2在地質(zhì)介質(zhì)中的儲存。實際應(yīng)用的技術(shù)手段主要包括CO2強化石油(天然氣)開采(Enhanced Oil(Gas) Recove-ry，EOR/EGR)封存技術(shù)、CO2驅(qū)替煤層氣(Enhanced Coal Bed Methane，ECBM)封存技術(shù)和咸水層CO2封存技術(shù)[7, 19-21]。而這3類主流技術(shù)的封存機理也存在一定差異。

1.1 CO2強化石油(天然氣)開采封存技術(shù)

向地下油氣藏注入流體，增加地下流體壓力，提高油氣采收率的助采技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于油氣開采行業(yè)，CO2替代常規(guī)注入流體驅(qū)替油氣的技術(shù)不僅提高了油氣采收率，同時也降低了CO2地質(zhì)封存的成本。其基本原理是向油氣儲層注入CO2來降低油的黏度和界面張力[22]，進而推動地下油氣向井口運移。CO2的注入可以彌補油氣開采造成的儲層壓力下降，替換孔隙中的油氣，在增加油氣采收率的同時封存CO2。注入的CO2與油氣流體部分混合，提升油氣流體的壓力，降低其黏度，使油氣更易于開采。在CO2強化石油(天然氣)開采封存的過程中，CO2大部分儲存在地下的構(gòu)造空間和束縛空間，一部分溶解于地下殘余流體中，少部分礦化封存于地下巖石中(圖1)[23]，也有部分CO2隨著油氣流被回采至地面。

(a) 構(gòu)造圈閉儲存機理 (b) 束縛空間儲存機理

該技術(shù)在CCS領(lǐng)域應(yīng)用較多，目前國內(nèi)外開展的封存工程大多為強化油氣開采封存工程，技術(shù)較為成熟。

1.2 CO2驅(qū)替煤層氣封存技術(shù)

CO2驅(qū)替煤層氣封存技術(shù)主要針對的是地下深部的不可采含氣煤層，此類煤層頂板大多發(fā)育泥巖或頁巖等非滲透性巖層，通過向煤層中注入CO2驅(qū)替置換煤層裂隙或孔隙中賦存的煤層氣，可以在封存CO2的同時輔助采集煤層氣，而開采煤層氣產(chǎn)生的經(jīng)濟效益可以在一定程度上降低CO2的封存成本[24-25]。

煤層氣的主要成分是CH4，煤層對CO2的吸附能力約是對CH4的吸附能力的2倍，該技術(shù)利用煤層中CO2與CH4之間存在競爭吸附關(guān)系，注入的CO2在通過競爭吸附置換出CH4的同時被封存于煤層之中。吸附是煤層封存CO2的主要機制，也是煤層封存CO2不同于其他封存技術(shù)的特點之一[19, 26]。

CO2驅(qū)替煤層氣封存技術(shù)目前還尚未成熟，部分技術(shù)問題有待解決，還需要進一步研究，如注入CO2會導(dǎo)致煤層滲透性降低，使CO2無法繼續(xù)注入。此外，不可采煤層的判定受特定時期經(jīng)濟和技術(shù)條件限制，隨著經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展，不可采煤層可以轉(zhuǎn)變?yōu)榭刹擅簩樱坏┳⑷隒O2未來就難以被重新開采利用[27-28]。

1.3 咸水層CO2封存技術(shù)

在地下深部分布有大量的含鹵水地層，這些含鹵水地層大多沒有經(jīng)濟利用價值，但可以用來儲存CO2。注入深部地層的CO2在多孔介質(zhì)中擴散，驅(qū)替地層水，在發(fā)生一系列物理和化學(xué)作用后被封存于地下。封存機制包括構(gòu)造圈閉儲存、束縛空間儲存、溶解儲存以及礦化儲存(圖1)。此外，即使上述機制無法捕獲CO2，在某些有利條件下，地層內(nèi)流體的流速較低，CO2流體運移到地表需要上百萬年。大量CO2可以通過這種方法被潛在儲存，這種方式稱為流體動力捕獲機制[28]。

咸水層CO2封存技術(shù)充分利用了CO2的超臨界性質(zhì)[24]，CO2在超臨界狀態(tài)(溫度不低于31.1 ℃，壓力不小于7.38 MPa)下會轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N超臨界流體，此時的CO2具有像液體一樣的高密度(約為大氣壓下密度的80～400倍)和像氣體一樣的流動性，能夠在地層中大量迅速地運移并占據(jù)地層的孔隙或裂隙空間[29]。CO2的超臨界性質(zhì)使咸水層中少量的孔隙便能存儲相當規(guī)模的CO2。相關(guān)研究表明在當前主流的CO2地質(zhì)封存技術(shù)中，深部咸水層的潛力封存量最大[28]，深部咸水層的CO2儲存潛力可達400～10 000 Gt，枯竭油氣田潛力為920 Gt，不可開采煤層潛力為415 Gt[7]。張洪濤等[30]2005年估算的中國CO2地質(zhì)潛力封存量約為1 454.8 Gt，其中深部咸水層封存量就達到1 435 Gt，約占總量的98.64%，由此可見深部咸水層CO2地質(zhì)封存的潛力巨大，對我國CCS潛力評價有著重要意義。

2 CO2地質(zhì)封存量計算方法

CO2地質(zhì)封存量分為理論封存量、有效封存量、實際封存量和匹配封存量4個層次[5]，各層次封存量對應(yīng)不同的工作階段，本文旨在通過對理論封存量計算方法進行綜述，為我國盆地級、區(qū)域級的CCS潛力評價工作提供參考。

CO2封存機理的差異導(dǎo)致其封存量的計算方法也不盡相同。不同學(xué)者根據(jù)對各類技術(shù)和封存機理的認識提出了相應(yīng)的封存量計算方法，包括物質(zhì)平衡封存量計算法、有效容積封存量計算法、溶解機制封存量計算法以及考慮多種捕獲機制的綜合封存量計算法，下面按照計算理論分類對這些方法進行綜述。

2.1 物質(zhì)平衡封存量計算法

物質(zhì)平衡封存量計算法主要應(yīng)用于油氣藏和不可采煤層的CO2封存量計算。其理論建立在“油氣或煤層氣開采所讓出的空間被等量CO2占據(jù)”的理想假設(shè)之上，只關(guān)注理論存儲體積，不考慮CO2溶解等捕獲機制。該方法主要通過將可采油氣資源量換算為儲層原位條件下的空間體積，利用儲層條件下的CO2密度進一步換算為潛力封存量。

基于物質(zhì)平衡計算理論，碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇(Carbon Sequestration Leadership Forum,CSLF)給出了油氣藏和不可采煤層的CO2潛力封存量計算公式[31]。

油藏潛力封存量計算公式為

，

(1)

氣藏潛力封存量計算公式為

(2)

根據(jù)儲層幾何形狀參數(shù)(面積和厚度)改進的油氣藏中CO2潛力封存量計算公式為

MCO2t=ρCO2r[Rf·A·h·φ(1-Sw)-

Viw+Vpw]。

(3)

式(1)-(3)中：MCO2t為CO2潛力封存量，kg；ρCO2r為地層條件下CO2的密度，kg·m-3；Rf為采收率；A為油氣藏面積，m2；h為油氣藏有效厚度，m；φ為平均孔隙度；Sw為儲層平均含水飽和度，1-Sw表示含油氣飽和度；FIG為井口采收CO2的氣體占比；P為壓力，MPa；T為溫度，K；Z為氣體壓縮因子； 下標r和s分別表示油藏條件和地表條件；Bf為地層體積因子(單位質(zhì)量原油標準條件下體積與地層原位條件下體積之比)；VOOIP和VOGIP分別為石油和天然氣原始地質(zhì)儲量，m3；Viw和Vpw是注入水和產(chǎn)出水的量，m3。

不可采煤層CO2潛力封存量計算公式為

。

(4)

2.2 有效容積封存量計算法

有效容積封存量計算法是基于地質(zhì)體有效儲集空間的概念建立起來的，其方法原理是通過計算有效儲集空間，包括構(gòu)造儲集空間和束縛儲集空間，利用有效儲集空間與儲層條件下的CO2密度計算得到CO2有效封存量。該方法可應(yīng)用于油氣藏、不可采煤層和咸水層的CO2潛力封存量計算。

在油氣藏潛力封存量計算方面，美國能源部(United States Department of Energy，US-DOE)提出了利用油氣藏孔隙體積結(jié)合存儲效率因子計算CO2潛力封存量的計算方法[27]。公式為

MCO2t=ρCO2r·A·h·φ(1-Sw)B·E。

(5)

式中：MCO2t為CO2潛力封存量，kg；ρCO2r為地層條件下CO2的密度，kg·m-3；A為油氣藏面積，m2；h為油氣藏有效厚度，m；φ為平均孔隙度；Sw為儲層平均含水飽和度，1-Sw表示含油氣飽和度；B為體積系數(shù)(單位質(zhì)量的油氣在油藏壓力下的體積與其在標準大氣壓下的體積之比)；E為存儲效率因子(儲存的CO2體積與采出原油的體積之比)。

對于不可采煤層，有效容積與煤層特有的吸附機制密切相關(guān)。US-DOE利用極限吸附空間作為有效容積，提出了不可開采煤層CO2潛力封存量的計算方法[27]。公式為

MCO2t=A·hg·Csmax·ρCO2s·Ecoal。

(6)

式中：MCO2t為CO2潛力封存量，kg；A為評價區(qū)面積，m2；hg為評價區(qū)煤層厚度，m；Csmax為單位體積原煤最大吸附的CO2在標準條件下的體積(假設(shè)注入后煤層CO2完全飽和)；ρCO2s為標準溫壓條件下CO2的密度，kg·m-3；Ecoal為煤層的CO2存儲效率因子。

該計算方法中的關(guān)鍵參數(shù)是Csmax和Ecoal。煤在飽和狀態(tài)下的最大CO2吸附量(Csmax)取決于煤的特性及溫度。Ecoal為煤層的CO2儲存效率因子，反映CO2接觸的煤體積占總煤體積的比例。該算式中A·hg部分計算的是不可采煤層體積，實際應(yīng)用中根據(jù)已有數(shù)據(jù)情況，可以通過煤炭資源儲量和原煤密度計算取得。相關(guān)研究認為在10%～90%的置信區(qū)間內(nèi)，煤層CO2存儲效率因子(Ecoal)的取值范圍在21%～48%之間[27]。

對于咸水層，US-DOE給出了一個相對簡單的計算公式[32]。公式為

MCO2t=A·hg·φ·ρCO2r·E。

(7)

式中：MCO2t為CO2潛力封存量，kg；A為評價區(qū)總面積，m2；hg為評價區(qū)儲層有效厚度，m；φ為評價區(qū)儲層平均孔隙度；ρCO2r為地層條件下CO2的密度，kg·m-3;E為存儲效率因子。

存儲效率因子(E)是有效封存量與理想條件下理論封存量之間的比值，用于矯正理想儲層的厚度、面積、孔隙度與有效儲層厚度、有效面積、有效孔隙度之間的差異。存儲效率因子受儲層地質(zhì)特征、儲存機理、地球化學(xué)、壓力、溫度、相對滲透率等多因素的影響，與US-DOE的方法類似，CSLF也提出了基于有效容積理論的咸水層封存潛力計算方法[28]。公式為

MCO2t=ρCO2r·A·h·φ(1-Swirr)Cc。

(8)

式中：MCO2t為咸水層CO2潛力封存量，kg；ρCO2r為地層條件下的CO2密度，kg·m-3；A為評價區(qū)面積，m2；h為平均厚度，m；φ為平均孔隙度；Swirr為束縛水飽和度；Cc為容量系數(shù)，包含了圈閉非均質(zhì)性、CO2浮力和波及效率的累積效應(yīng)。

其他學(xué)者也利用有效容積理論提出了不同的計算公式[33]，但本質(zhì)都是通過計算有效封存體積的方法評估CO2潛力封存量。US-DOE和CSLF方法由于理論可靠，計算簡便被廣泛推廣和應(yīng)用。

2.3 溶解機制封存量計算法

上述US-DOE和CSLF方法中，在估算咸水層CO2潛力封存量時只考慮了構(gòu)造圈閉封存機制和束縛空間封存機制，沒有考慮咸水中的CO2溶解和礦物沉淀。注入深部地層的CO2溶解于咸水并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進而形成碳酸鹽礦物是一個復(fù)雜的過程，與溫度、壓力、水化學(xué)以及CO2與地層中水巖之間的接觸效率等因素相關(guān)[28]，且時間尺度在數(shù)百至數(shù)千年之間，CO2溶解發(fā)生在注入的早期階段，其封存量不容忽視[34]。

Bachu等[29]認為在盆地和區(qū)域尺度上可利用CO2的溶解機制估算咸水中的CO2理論儲存能力。計算公式為

。

(9)

2.4 考慮多種捕獲機制的綜合封存量計算法

上述3類計算方法只考慮了單一封存機制，但CO2在深部地層中的封存量受多種機制共同影響，在咸水層中除構(gòu)造圈閉封存和孔隙束縛外，溶解于地下咸水中的CO2占比較大，有學(xué)者在封存模擬研究中發(fā)現(xiàn)忽略溶解的影響會導(dǎo)致存儲容量被低估高達16%[35]。

基于此認識，Bachu等[36]提出了一種注水開發(fā)油藏的CO2理論封存量計算方法，沈平平等[5]基于Bachu等的計算方法提出了考慮CO2溶解的注水開發(fā)油氣藏的CO2理論封存量計算公式。公式為

MCO2t=ρCO2r[ER·A·h·φ(1-Swi)-Viw+Vpw+Cws(A·h·φ·Swi+Viw-Vpw)+Cos(1-ER)A·h·φ(1-Swi)]。

(10)

式中：MCO2t為CO2潛力封存量，kg；ρCO2r為CO2在油藏條件下的密度，kg·m-3；ER為原油的采收率；A為油藏面積，m2；h為油藏厚度，m；φ為油藏平均孔隙度；Swi為油藏束縛水飽和度；Viw為注入油藏的水量，m3；Vpw為從油藏產(chǎn)出的水量，m3；Cws為CO2在水中的溶解系數(shù)；Cos為CO2在油中的溶解系數(shù)。

3 實際應(yīng)用中面臨的問題

上述理論封存量計算公式多年來被廣泛用于盆地級、區(qū)域級CO2地質(zhì)封存量潛力的計算，但在實際應(yīng)用中研究人員發(fā)現(xiàn)不同計算方法的結(jié)果差異較大，導(dǎo)致這些差異的主要原因有2個： 一是計算公式中引入的存儲效率因子取值問題，存儲效率因子受多種因素影響，不同計算方法對其定義不同，其內(nèi)在影響機理尚無定論，目前還難以精準計算； 二是由于儲層的非均質(zhì)性，孔隙度與厚度等數(shù)據(jù)通常選取區(qū)域平均值，這也會給計算結(jié)果帶來一定影響。

針對存儲效率因子的取值問題國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，到目前為止還未形成公認的計算方法，各自所得的存儲效率因子(E)也不盡相同，且差異較大，例如： CSLF[37]提出的E取值為1%～4%； Van等[33]認為E取2%更加可靠； US-DOE[32]提出E的取值為0.8%～6%； 國際能源機構(gòu)溫室氣體研發(fā)計劃中心[38]提出E取值為2.4%～10%。我國學(xué)者針對E的取值也作了相應(yīng)研究，刁玉杰等[23]建立了主要影響參數(shù)與E值的評判矩陣來獲得E的取值，并與前人數(shù)值模擬研究結(jié)果相互驗證以提升可信度。我國地質(zhì)背景復(fù)雜，各大盆地儲層參數(shù)差異較大，有必要開展相關(guān)模擬和實驗研究，提出我國的評價參數(shù)獲取方法以確定相對精準、可靠的存儲效率因子。在無法定量表達存儲效率因子與地層溫度、地層壓力、地層水礦化度等影響因素之間函數(shù)關(guān)系的情況下，可基于國內(nèi)外大量的CCS工程樣本，探索利用機器學(xué)習(xí)方法獲取有效存儲效率因子。

非均質(zhì)儲層取平均值的計算對潛力評價結(jié)果的影響較大。相比于各類方法的選擇，地層參數(shù)的不確定性對評價結(jié)果的影響更大[39]，選擇平均化地層參數(shù)評價CO2封存潛力的結(jié)果往往與實際偏差較大，極大降低了評價結(jié)果的可信度。實際工作中，部分地區(qū)過往已開展過詳細的深部地層劃分、物探、鉆探等地質(zhì)工作，獲取了計算CO2潛力封存量的相關(guān)參數(shù)，這些地區(qū)的潛力封存量計算結(jié)果較為可信。其他地區(qū)由于缺乏相關(guān)的地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)資料，或僅有埋深、厚度、分布范圍等基本地層資料，缺乏評價必須的孔隙度等參數(shù)，其潛力封存量計算結(jié)果可信度相對較低。因此，本文提出針對盆地級或區(qū)域級的CO2封存潛力評價工作可根據(jù)掌握資料的詳細程度，進一步劃分為預(yù)測潛力封存量、控制潛力封存量、探明潛力封存量3個等級，以此提升評價結(jié)果的可用性，具體分類及定義見表1。

表1 潛力封存量類別劃分

4 結(jié)論與展望

(1)CO2地質(zhì)封存潛力評價結(jié)果受評價方法、地層參數(shù)和存儲效率因子的綜合影響。在潛力評價中應(yīng)充分收集已有數(shù)據(jù)，研判封存機制，優(yōu)選評價方法，加強對存儲效率因子的測試和研究，提升評價結(jié)果質(zhì)量。

(2)在開展盆地級或區(qū)域級的CO2地質(zhì)封存潛力評價時，可依據(jù)勘查程度和研究水平，按照預(yù)測潛力封存量、控制潛力封存量和探明潛力封存量3個層次進行評價，提升結(jié)果的可用性。

(3)隨著未來CCS規(guī)?；瘧?yīng)用，工程樣本的增加將為存儲效率因子等參數(shù)的研究提供大量個案，有望突破存儲效率因子獲取方法?？梢酝ㄟ^機器學(xué)習(xí)技術(shù)開展研究，提升潛力評價的可信度。

(4)潛力評價有廣義和狹義之分，本文重點討論了狹義的潛力評價，單純從封存機理和理論計算方法論述潛力封存量，并未考慮安全、環(huán)境、政策法規(guī)等問題。狹義潛力評價結(jié)果作為廣義潛力評價的評價指標之一，其結(jié)果不宜指導(dǎo)CO2注入工程選址。