呂升浩

(成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059)

1 全球變暖與碳中和

工業(yè)化和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展給人類帶來極大便利，同時，CO2等溫室氣體的排放導(dǎo)致的全球變暖已嚴(yán)重的威脅著人類賴以生存的地球。為了避免溫室效應(yīng)給人類帶來的，如海平面上升、冰川融化、全球氣候異常等問題，各個國家對于碳減排都有了相應(yīng)的決定與措施。2021年，我國國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》明確指出，要持續(xù)鞏固提升碳匯能力[1]，如期實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。CO2的捕集利用與封存(Carbon Capture，Utilization and Storage)就是減少CO2的有力措施。其是指將從大型工廠排放源的CO2捕集處理并進(jìn)行壓縮，直接加以利用或用管道輸送到地下深處長期或者永久性填埋的地質(zhì)體中[2]。地質(zhì)封存是最有效和最經(jīng)濟(jì)的CO2封存技術(shù)。適合CO2儲存的地質(zhì)結(jié)構(gòu)有：油氣田、沉積在盆地內(nèi)的咸水蓄水層，已被廢棄或沒有任何商業(yè)開采價值的煤層，深海等[3-5]。地質(zhì)封存對于現(xiàn)階段CO2儲存是必要的，將CO2儲存于地下深部，可以減少溫室效應(yīng)對人們帶來的危害，改善人類的生存環(huán)境，對人類的未來與發(fā)展有著重要的實際意義。

2 地質(zhì)封存CO2發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 油氣藏封存CO2技術(shù)

油氣藏是封存CO2的一個極佳選擇，是目前最為成熟的封存技術(shù)之一。油氣藏封存CO2一般有兩種情況，一種為枯竭的油氣田封存，是指將CO2以超臨界流體的存在形式直接注入到油氣藏中[5]。油氣田長時間封閉油氣，一般都具有良好的封閉性，數(shù)萬年甚至百萬年里油氣都未泄露表明油氣藏中封存CO2具有很好的安全性與潛力。利用原有的油田技術(shù)設(shè)施也會對降低CO2的儲存成本與再建設(shè)成本，并不需要再勘探減少了人力成本。另一種為CO2驅(qū)油技術(shù)(CO2-EOR技術(shù))，在提取原油或燃?xì)獾倪^程中，為提高采收率，會將流體注入到下層的油氣藏中。將CO2變?yōu)槌R界流體的形式代替其他流體直接注入到已開采的油氣田中，CO2在高壓條件下驅(qū)動原油的流動，促使原油流向井口，其中CO2儲存于未能開采的原油與地下水體中。這種方式不僅提高了油氣的采收率，也將CO2儲存在了油氣田中。這兩種CO2封存的方式叫做油氣藏封存CO2技術(shù)。

很多國家對油氣藏封存CO2的技術(shù)展開了深入的研究。美國在20世界20年代提出了CO2驅(qū)油項目，自二十世紀(jì)七八十年代，CO2驅(qū)油項目日趨成熟。世界上最大的CO2驅(qū)油工程是2000年加拿大Weyburn[7]油田開展的，該工程將美國北達(dá)科他州一家燃料廠中捕集到的CO2用于驅(qū)油，在提高采收率的同時也大大減少了當(dāng)?shù)谻O2的排放。Weyburn油田開發(fā)時間較長，因此對地下儲存CO2認(rèn)識較為全面。目前Weyburn油田已經(jīng)累汁注入CO2超過150億噸。目前，我國的大慶油田、勝利油田也展開了CO2驅(qū)油項目，該技術(shù)較為成熟且具有較低的經(jīng)濟(jì)成本與較高的附加價值，是CO2地質(zhì)儲存的有力方法。

2.2 煤層封存CO2技術(shù)

在煤層附近的焦化廠、發(fā)電廠等會產(chǎn)生大量的CO2氣體，將處理過的氣體通過管道注入到這些不再開采的煤層中。由于煤層對CO2的吸附能力遠(yuǎn)大于其他煤層氣體(如甲烷)的吸附能力，煤層氣體在煤的表面發(fā)生脫附，可以大大的提高煤層氣的產(chǎn)出效率，并將CO2封存于煤層中，這種方法稱為CO2-ECBM技術(shù)[8]。利用煤層儲存CO2與油氣藏儲存CO2相似，其都是將碳減排與高效開發(fā)能源資源相結(jié)合，提高能源開采率的同時，并進(jìn)行了高質(zhì)量的碳儲存。

20世紀(jì)90年代，美國提出了注入CO2、N2等氣體來強(qiáng)化開采煤層氣的理論。經(jīng)過三十年的發(fā)展，該技術(shù)已日趨成熟，但與較為成熟的CO2-EOR技術(shù)相比，略顯稚嫩，其技術(shù)難度也較大，且仍有許多待解決的科學(xué)問題，如煤層的厚度、臨界參數(shù)、滲透率等。在我國，埋深大于 1000 m 的煤層中煤層氣資源量約為 23×1012m3，占全國煤層氣資源量的61%，開發(fā)潛力巨大，但普遍具有高煤級與低滲透率的特征，直接開發(fā)難度較大。這些因為技術(shù)原因或經(jīng)濟(jì)原因而得不到深度開發(fā)利用的煤層，具有極大潛力的儲存CO2的構(gòu)造。現(xiàn)階段來講，二氧化碳驅(qū)替煤層氣利用目前處于先導(dǎo)試驗階段，2004年中聯(lián)煤組織在沁水-臨汾盆地的柳林和柿莊開展了一系列試注與監(jiān)測研究，為煤層封存CO2邁出了堅實一步。我國是用煤產(chǎn)煤的大國，大力探索煤層儲存的方案，對于我國固碳事業(yè)具有重要的意義。

2.3 深部咸水封存CO2技術(shù)

深部咸水是指賦存于地下深處，且礦化程度極高的地下水，含水層的深度一般大于 1000 m 。從工廠排放的CO2經(jīng)過處理后通過鹽井管道排放到深部的地下咸水中封存起來。CO2在水中的溶解度隨環(huán)境溫度、壓力和鹽度的不同而變化，深部的壓力、溫度以及較高的鹽度保證了CO2能夠很好的溶解于深部咸水中。當(dāng)CO2在儲集巖孔隙中運移并與水體接觸時就會溶解在其中，即發(fā)生溶解儲存；當(dāng)CO2溶解于鹵水中變成碳酸根離子與碳酸氫根離子，其與水中的Ca2+、Mg2+、Ba2+等陽離子發(fā)生反應(yīng)，生成了碳酸鹽沉淀，發(fā)生礦物儲存。CO2最終以礦物的形式被固定下來。

咸水儲存CO2的技術(shù)較為成熟，且簡單，由于其能夠?qū)O2變成碳酸鹽的形式沉淀下來，故其封存時間達(dá)百萬年甚至更久，可以避免CO2泄露的問題，被認(rèn)為是封存CO2的一個極佳途徑。2010年，我國鄂爾多斯盆地咸水層封存計劃啟動，這是我國首個實現(xiàn)咸水CO2封存的項目。在我國其他地區(qū)如渤海灣盆地，塔里木盆地地下深部也具有很多礦化度很高的咸水但開采價值不高，故咸水封存具有極高的潛力與應(yīng)用前景。

2.4 海洋封存CO2

海洋是自然界中最大的碳庫，在地球碳循環(huán)的尺度上，大氣中的CO2相對于海洋中的碳總量來講是微不足道的，目前大氣中有80%的CO2被海洋所吸收。通過人工將CO2封存到海洋中是非常有潛力的方法。海洋封存CO2的方法很多，也很復(fù)雜，其中最主要的方式有三種：海洋水柱封存，海洋沉積物封存以及生物封存[9-10]。海洋水柱封存是指利用船舶與管道直接將CO2注入到海水中，當(dāng)水深在 1000～2500 m 的區(qū)域，在壓力的作用下，CO2能很好地溶解于水中。這個深度為CO2的臨界深度，CO2不易上浮到大氣之中。當(dāng)水深大于 2500 m 時，CO2變?yōu)橐簯B(tài)且密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于海水，CO2下沉在低洼處聚集形成特殊的“碳湖”。海洋沉積物封存是指在低溫高壓的深海環(huán)境下，CO2會形成一種晶狀水合物，這種狀態(tài)下CO2溶解速率小，減少海底沉積物孔隙度與滲透率，阻止CO2向上擴(kuò)散，從而達(dá)到封存CO2的目的。生物封存是指將海洋中投放營養(yǎng)素來增加浮游生物的數(shù)量，浮游生物通過光合作用，將CO2由無機(jī)形式轉(zhuǎn)為有機(jī)碳形式，從而使得大氣中的CO2減少，實現(xiàn)CO2的封存。

海洋封存CO2雖然有著巨大的前景，但其仍存在著許多問題。相較于陸地封存來說，海洋封存CO2往往意味著更高昂的成本，例如，運輸CO2的成本以及海洋施工的難度都對其發(fā)展帶來了不小的難度。更大的問題是生態(tài)問題，無論以任何方式的封存方法，其都會伴隨著泄露問題的存在，泄露的CO2導(dǎo)致海洋的pH變低，從而對海洋生物的多樣性以及生存帶來嚴(yán)重影響。我國有著漫長的海岸線以及沿海工業(yè)設(shè)施，海洋封存雖然有許多的問題，但是其巨大封存潛力依舊被人們所重視，海洋封存CO2依舊任重而道遠(yuǎn)。

3 幾種封存方式的比較

3.1 封存潛力

全球范圍內(nèi)，海洋是最大的碳庫，封存CO2的潛力巨大。全球陸上理論封存容量為(6～42)萬億噸，其中深部咸水層容量占到了陸地封存容量的98%，其他方式只占到封存容量的2%。我國地質(zhì)封存潛力約為(1.21～4.13)萬億噸[6]。

3.2 泄露風(fēng)險

對于CO2封存，最大的風(fēng)險與問題便是CO2的泄露。CO2在地質(zhì)體中的穩(wěn)定程度直接影響到CO2封存的前景。如果CO2出現(xiàn)大規(guī)模的泄露，直接影響到全球生物的命運與未來。對于咸水封存與礦物封存來說，其最大的優(yōu)勢在于能夠直接將CO2轉(zhuǎn)化為固體的形式封存下來，時間可達(dá)百萬年甚至更久。油氣田儲存則是將CO2以超臨界流體的方式注入到地層深部，能維持百年或千年以上的穩(wěn)定，隨著時間的推移，仍有一定的泄露風(fēng)險。海洋封存中，CO2的泄露更易于發(fā)生，并直接會影響到附近的生態(tài)環(huán)境。

3.3 封存成本

CO2封存成本極大。除前期勘探鉆井等成本外，鋪設(shè)與維護(hù)管道的成本極高。此外，封存CO2的同時很難有額外的經(jīng)濟(jì)回報，造成企業(yè)的動力不足。油氣藏封存與煤層儲存都可將油氣開發(fā)與封存CO2結(jié)合起來，既在固碳的同時，又增加了油氣開發(fā)的采收率。礦物封存的過程中，亦可實現(xiàn)附加產(chǎn)品如碳酸鈣、碳酸鎂的產(chǎn)生，但離商業(yè)化還有很長的距離。咸水層與海洋很難有附加的經(jīng)濟(jì)價值，造成固碳成本居高不下，必須有政府與相關(guān)部門的支持。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，相信固碳的成本會逐步降低。

綜上所述，各個地質(zhì)封存CO2的方法具有一定的優(yōu)勢與局限性。目前我國開展了很多地質(zhì)封存CO2的項目，其中可以看到油氣藏封存CO2技術(shù)走在最前列，各大油田都有著自己的規(guī)劃與發(fā)展。深部咸水層與煤層封存CO2技術(shù)亦在我國各地有所開展。

4 結(jié)語

我國是一個發(fā)展迅速的大國，積極參加CO2減排行動，體現(xiàn)了作為一個大國的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。CO2的地質(zhì)封存是極具價值且富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。油氣藏封存CO2技術(shù)、煤層封存CO2技術(shù)、深部咸水封存CO2技術(shù)、海洋封存CO2這幾種封存方式各有優(yōu)劣且潛力巨大。選擇合適的方式，積極地通過數(shù)值模擬與實地監(jiān)測，完善相關(guān)的法律法規(guī)，CO2的封存在未來一定會有廣闊的前景。