師慶三

(新疆阿勒泰地區(qū)生態(tài)環(huán)境局，阿勒泰 836500)

2020 年9 月22 日，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上的講話中提出“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和”[1]。2020 年12 月12 日，習(xí)近平總書記在氣候雄心峰會上宣布“到2030 年，中國單位國內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放將比2005 年下降65%以上”[2]，提出了確切的二氧化碳減排指標(biāo)。因此，迫切需要以安全有效可持續(xù)的方式和速度減少人類活動中的CO2排放強度，減緩大氣中CO2濃度的增加趨勢。二氧化碳捕集、利用與封存(Carbon Capture，Utilization and Storage，CCUS)技術(shù)是將點源大規(guī)模排放的CO2進(jìn)行收集，在用于地層深部驅(qū)油、驅(qū)水的同時，將其長期封存到深部地層，從而實現(xiàn)溫室氣體減排。CCUS 被認(rèn)為是最重要的碳中和技術(shù)之一[3]。

新疆地區(qū)擁有巨大的煤炭儲量，擁有大量的火力發(fā)電廠、煉油廠、煤化工行業(yè)、水泥行業(yè)和鋼鐵行業(yè)，均為高CO2源。隨著西電東送項目的實施，未來會有更多的火力發(fā)電設(shè)施興建，CO2的排放量會增加，有利于實施CO2捕集。同時，新疆地區(qū)幅員遼闊，區(qū)內(nèi)擁有全國最多的儲油盆地:(1)塔里木盆地，位于天山山系與昆侖山系之間，輪廓呈菱形，是全封閉性內(nèi)陸盆地，屬于內(nèi)陸干旱盆地，盆地面積約56×104km2；(2)準(zhǔn)噶爾盆地是中國第二大盆地，位于天山山系與阿爾泰山系之間，大致呈三角形，面積約13×104km2；(3)吐哈盆地，面積約5.35×104km2。總體而言，新疆地區(qū)CO2地質(zhì)封存地區(qū)人口較少，封存風(fēng)險較小，CO2封存潛力巨大已成共識[4]。但新疆地區(qū)地質(zhì)CO2封存的主要方式有哪些，封存的理論潛力究竟有多少，如何計算，尚沒有相對統(tǒng)一的計算模式下的評估。本研究利用相對統(tǒng)一的國際公認(rèn)的方法，對新疆地區(qū)三大盆地的CO2封存理論潛力進(jìn)行了評估，可為新疆乃至全國碳中和的碳匯途徑提供對比參考。

1 CO2 地質(zhì)儲存潛力的評估類型

對二氧化碳地質(zhì)儲存潛力進(jìn)行分類可以用McCabe(1998)提出的資源金字塔模型，根據(jù)評估的目的不同可分為四類:理論儲存潛力容量、有效儲存容量、實際儲存容量和匹配儲存容量。(1)理論儲存潛力容量是理論最大上限值，但是在實際情況下由于儲層條件、技術(shù)、政策措施和經(jīng)濟(jì)方面的限制將阻礙理論儲存能力的完全使用，因此該儲能評估值并不完全準(zhǔn)確。(2)有效儲存容量是從技術(shù)層面(包括地質(zhì)和工程因素)上考慮了儲層性質(zhì)(包括滲透率、孔隙度和非均質(zhì)性等)、儲層封閉性、儲存深度、儲層壓力系統(tǒng)及孔隙體積等因素影響的儲存量，它是理論儲存量的子集。(3)實際儲存容量表示考慮到技術(shù)、法律及政策、基礎(chǔ)設(shè)施和經(jīng)濟(jì)條件等因素影響的儲存量，它是有效儲存量的子集。(4)匹配儲存容量表示考慮到二氧化碳注入能力和供給能力等因素影響的儲存量，它是實際儲存量的子集，這種儲存量相當(dāng)于礦業(yè)資源評價中的可采儲量。本次僅計算理論儲存潛力容量[5]。

2 新疆三大盆地理論儲存CO2 方式及計算方法

理論上講，新疆的三個主要盆地范圍內(nèi)的盆地儲存CO2方式主要包括:(1)油藏CO2地質(zhì)儲存潛力；(2)氣藏CO2地質(zhì)儲存潛力(3)深部咸水層CO2地質(zhì)儲存潛力；(4)深部煤層CO2地質(zhì)儲存潛力。這幾種儲存模式在美國和歐洲都已有成功的案例。

本次對新疆三大盆地二氧化碳地質(zhì)儲存的潛力評價，是在分析新疆地區(qū)三個主要盆地油氣田儲、蓋層組合的基礎(chǔ)上，對適宜的儲、蓋層組合系統(tǒng)以及巖層物理性特征等進(jìn)行分析描述，根據(jù)相應(yīng)的計算原則和公式進(jìn)行理論儲存潛力容量評估。本次評估主要采用碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇和美國能源部推薦的公式。

2.1 衰竭油藏的理論儲存量計算方法

新疆蘊含著豐富的油氣能源，擁有許多大、中、小型油氣田，其地質(zhì)條件基本符合二氧化碳的封存條件。有些油田面臨枯竭，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益很少，但是這些油藏的地質(zhì)條件已經(jīng)被詳細(xì)調(diào)查過，很多都具有封存條件，這樣不僅省去了地質(zhì)調(diào)查成本，而且還能對枯竭油藏進(jìn)行二次利用。

美國能源部(USDOE，United States Department of Energy)、歐盟(European Commission)及碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇等部門和組織的相關(guān)研究人員對二氧化碳在已枯竭油藏的理論儲存潛力的計算方法進(jìn)行了深入研究。本次計算采用碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇的計算方法，其基本原理為二氧化碳被注入衰竭油藏中直到儲層壓力恢復(fù)到原始儲層壓力，即油氣采出所讓出的空間都用于二氧化碳的儲存[5－6]。具體計算公式如下:

式中，MCO2to為二氧化碳在油藏中的理論儲存量，106t；ρCO2r為二氧化碳在油藏條件下的密度，kg/m3；N為原油儲量，109m3；ER為原油采收率，%；Bo為原油體積系數(shù)，m3/m3；Viw為注入油藏的水量，109m3；Vpw為從油藏產(chǎn)出的水量，109m3。

2.2 二氧化碳提高石油采收率理論儲存量計算方法

美國是采用利用二氧化碳提高采收率技術(shù)最多的國家。美國經(jīng)驗表明，所注入的二氧化碳大約有40%的量被采出。美國能源部在利用二氧化碳提高石油采收率時，油藏中的理論儲存量應(yīng)用以下兩個方程進(jìn)行計算[7－8]:

在二氧化碳突破之前:

在二氧化碳突破之后:

式中，MCO2to為二氧化碳在油藏中的理論儲存量，106t；ρCO2r為二氧化碳在油藏條件下的密度，kg/m3；N為原油儲量，109m3；Bo為原油體積系數(shù)，m3/m3；ERBT為二氧化碳突破之前原有的采收率，%；ERHCPV為注入某一烴類孔隙體積(HCPV)二氧化碳時原有的采收率，%?？紤]到注入水、采出水和溶解儲存問題等，相關(guān)公式均有改進(jìn)。

2.3 二氧化碳在氣藏中儲存潛力的計算方法

二氧化碳在氣藏中的理論儲存量計算方法與在油藏中類似，碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇提出，在氣藏中二氧化碳的理論儲存量[8－9]可以用以下公式計算:

式中，MCO2ts為二氧化碳在氣藏中的理論儲存量，106t；ρCO2r為二氧化碳在地層條件下的密度，kg/m3；G為原始天然氣地質(zhì)儲量，109m3；ERg為天然氣的采收率，%；FIG為注入氣體分?jǐn)?shù)，無量綱；Ps為地面條件下的壓力，MPa；Ts為地面條件下的溫度，K；Zs為地面條件下的天然氣氣體偏差因子，無量綱；Pr為油藏條件下的壓力，MPa；Tr為油藏條件下的溫度，K；Zr為油藏條件下的天然氣氣體壓縮系數(shù)，無量綱。

2.4 二氧化碳在深部鹽水層中儲存潛力的計算方法

深部鹽水層構(gòu)造地層儲存中的二氧化碳儲存技術(shù)與在枯竭油氣藏中的儲存技術(shù)十分類似。但通常認(rèn)為，二氧化碳在深部鹽水層中的儲存潛力計算更加困難，因為人們對鹽水層具體信息的了解更加缺乏。鹽水層不像淡水層，它具有非常有限的商業(yè)價值，所以獲得這些資料要消耗更多經(jīng)費和時間。

國際上有許多國家和組織以及研究人員對二氧化碳在深部鹽水層中的儲存潛力進(jìn)行了計算，并提出了許多計算方法。為保證標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，采用美國能源部的計算方法[10－11]。

式中，MCO2ts為二氧化碳在深部鹽水層中的理論儲存量，106t；ρCO2r為在地層條件下二氧化碳的密度，kg/m3；A為深部鹽水層所在盆地的面積，km2；H為鹽水層厚度，m；Φ為深部鹽水層掩飾的孔隙度，%。

2.5 二氧化碳在煤層中儲存潛力的計算方法

二氧化碳在煤層中的儲存主要是通過煤層對二氧化碳的吸附來實現(xiàn)的。由于在不同壓力下，煤層對二氧化碳的吸附量要比煤層氣(甲烷)大得多，所以利用煤層對二氧化碳和煤層氣吸附能力的差異，實現(xiàn)二氧化碳排替甲烷，可獲得更多的甲烷。這就是二氧化碳提高煤層氣采收率技術(shù)(CO2—ECBMR)，同時也封存了二氧化碳。煤層中二氧化碳儲存技術(shù)目前僅處于論證階段的工藝技術(shù)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC，政府間氣候變化專門委員會，2005)。

碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇認(rèn)為在氣體已被煤層吸附的情況下，煤層中的理論儲存量計算公式通常為[12－13]:

式中，MCO2tc為二氧化碳在不能開采煤層中的理論埋存量，106t；ρCO2s為二氧化碳在標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度條件下的密度，kg/m3，通常等于1.977t/m3。IGIP為煤層中原始?xì)怏w(甲烷氣體)的地質(zhì)儲量，106m3。

2.6 計算說明

在前述公式中，每一個公式的參數(shù)又被擴展為一個新的公式，例如公式6 中煤層中原始?xì)怏w(甲烷氣體)地質(zhì)儲量(IGIP)由下式計算[5，12]:

式中，A為煤層盆地的表面積，km2；H為煤層的累計厚度，m；nc為煤的密度，t/m3，通常取1.4t/m3；fa為煤中的灰分占煤的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；fm為煤中的水分占煤的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Gc為煤層氣體含量(吸附量)，m3(氣)/t(煤)。

而公式7 中Gc(煤層氣體含量)由Langmuir等溫吸附公式計算獲得:

式中，VL為Langmuir 體積，即給定溫度下煤層的最大氣體吸附量，m3/t；PL為Langmuir 壓力，即最大氣體吸附量時煤層中的壓力，MPa；P為當(dāng)前煤層中的壓力，MPa。

3 結(jié)果與討論

3.1 新疆三大盆地CO2 地質(zhì)儲存主要參數(shù)

理論上講，新疆的三個主要盆地范圍內(nèi)的整個油氣儲層、深部咸水層、深部不可采煤層都可以進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)儲存，公式1～公式5 及參數(shù)擴展計算公式相對繁雜、參數(shù)眾多，主要通過公開的論文資料和部分內(nèi)部資料數(shù)據(jù)計算[14－46]。因個別盆地缺少地層延展、斷層斷裂發(fā)育、礦產(chǎn)開發(fā)利用的詳細(xì)資料，故進(jìn)行了宏觀估算。參見表1。

表1 新疆三大盆地CO2 地質(zhì)封存主要參數(shù)

3.2 計算結(jié)果

計算結(jié)果主要用于在相同公式、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)計算下的宏觀對比分析。計算、分析得出新疆CO2儲存潛力估算，見表2。

表2 新疆塔里木、準(zhǔn)噶爾、吐哈三大盆地CO2 理論儲存潛力評估

3.3 討論

以上計算分析表明，本次計算評估偏重于宏觀地分析新疆三大盆地總的CO2理論存儲潛力，這里的理論儲量相當(dāng)于預(yù)測遠(yuǎn)景儲量。通過計算三大盆地油藏、氣藏、深部咸水層、深部煤層的CO2理論儲存潛力，在不同盆地和類型中構(gòu)建框架和體系。而與其他研究人員的前期研究相比，由于數(shù)據(jù)資料和計算公式的不同，結(jié)果有不同程度的差異。例如，庫力孜那(2016)對吐哈盆地CO2的D 級預(yù)測總量為44×108t，僅相當(dāng)于本次理論潛力評估的十分之一；馮偉(2015)對塔里木盆地構(gòu)造CO2儲存潛力的評估值為496.18×108t，偏差約為本次評估的40%。不同研究人員的評估等級不同，類型也不同。因此，本次評估與其他研究缺乏對比性。

從表2 看，新疆塔里木、準(zhǔn)噶爾、吐哈三大盆地CO2理論存儲潛力評估總值為4875.73×108t，其中塔里木盆地為3254.77×108t，占據(jù)了66%。但其周邊CO2源相對較少，使其作為碳匯的適宜性、匹配性降低。準(zhǔn)噶爾盆地為1166.42×108t，位居第二，占比24%，但是新疆的主要經(jīng)濟(jì)區(qū)域——天山北坡經(jīng)濟(jì)帶位于準(zhǔn)噶爾盆地周邊，具有最好的碳源—碳匯匹配性。吐哈盆地相對占比10%，周邊也有一些工業(yè)區(qū)，具有一定的匹配性。

從類型上看，深部咸水層具有最大的潛力，但其經(jīng)濟(jì)價值不高，目前不具有開發(fā)優(yōu)勢。如果能從深部咸水層中提取高價值礦物資源，則具有CO2儲存的應(yīng)用前景。利用CO2驅(qū)油技術(shù)進(jìn)行CO2儲存的同時采集油氣藏，是目前技術(shù)上相對成熟且具有經(jīng)濟(jì)價值的方法。深部不可采煤層的CO2驅(qū)動CH4在理論上具有優(yōu)勢，但在技術(shù)上還需要進(jìn)行更多的投入。

就目前來說，CO2儲存是規(guī)?；瘻p排最有效的手段之一。但這只是CCUS 中的一個環(huán)節(jié)，還需要在整體上開發(fā)利用該技術(shù)，實施優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)部門的CCUS 技術(shù)集成。新疆作為一個以高碳能源為主的資源依賴型地區(qū)，依托新疆的煤炭、石油和天然氣礦產(chǎn)資源優(yōu)勢，實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展，但同時也存在能源消耗量大、人均碳排放量高等問題。隨著經(jīng)濟(jì)的增長、工業(yè)化的加快和人口的不斷增加，能源消費和二氧化碳排放量也將會持續(xù)增長。作為欠發(fā)達(dá)地區(qū)，無論是為應(yīng)對氣候變化，還是積極響應(yīng)國家總體發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)勢在必行。新疆是我國實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的重點區(qū)域，中央新疆工作座談會以來，新疆形成了全面建設(shè)、全面開放、全面發(fā)展的經(jīng)濟(jì)格局，但在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時也帶來了生態(tài)環(huán)境問題，CCUS 技術(shù)的出現(xiàn)為新疆解決生態(tài)環(huán)境問題提供了一條切實可行的途徑。新疆在CCUS 技術(shù)實施方面具有很大的潛力，碳源、碳匯和運輸?shù)葪l件都適宜新疆實施CCUS 技術(shù)。

從CCUS 技術(shù)的發(fā)展歷史來看，CCUS 整體化、規(guī)模化實施還需要國家的相關(guān)政策配合，需要跨產(chǎn)業(yè)部門的技術(shù)集成與工業(yè)化CCUS 技術(shù)，以及投融資政策、財稅政策、生態(tài)環(huán)境管理、安全管理等配套政策的支持。

4 結(jié)論

(1)新疆塔里木、準(zhǔn)噶爾、吐哈三大盆地CO2理論存儲潛力評估總值為4875.73×108t。新疆具有廣闊的碳匯儲存前景，這為在新疆及全國范圍內(nèi)開展碳中和提供了一個規(guī)?；瘜嵤﹨^(qū)域。

(2)從空間匹配性的宏觀分析發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)噶爾盆地是目前最好的碳源—碳匯工程實施區(qū)域；塔里木盆地儲量最大，具有巨大潛力，但目前其周邊CO2源相對較少，作為碳匯的匹配性不足。

(3)CO2儲存是規(guī)?；瘻p排最有效的手段之一，但這只是CCUS 中的一個環(huán)節(jié)，還需要從CCUS 整體上開發(fā)利用該技術(shù)，以降低成本，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的可能性。

(4)CCUS 的整體化、規(guī)?；瘜嵤┻€需要國家相關(guān)政策的配合，需要科技投入、試驗示范、投融資政策、環(huán)境管理、安全管理等各方面政策的系統(tǒng)協(xié)調(diào)推進(jìn)。