香山科学会议规模化二氧化碳咸水层封存的关键科学技术问题

415：规模化二氧化碳咸水层封存的关键科学技术问题规模化二氧化碳咸水层封存的关键科学技术问题─香山科学会议第415次学术讨论会综述2009年我国政府确定了到2020年单位国内生产总值(GDP)二氧化碳排放比2005年下降40%~45%的减排目标，以促进低碳经济的进程，满足应对全球气候变化需求。而我国目前富煤、少油、缺气的能源资源状况，决定了在未来很长一段时间内煤炭依然是我国的主要能源。这就无疑成为了低碳经济发展的障碍，但又不能为了降低碳排放量而减缓经济发展。因此，采取必要的技术手段减少CO2的排放就成为确保经济发展的必要途径，也使得开展二氧化碳捕集与封存（CCS）的研究成为必然。目前，美国、欧盟、澳大利亚、加拿大、挪威等国家或政府间组织都制订了相应的CCS研究规划，开展相关的研究。在我国，CCS技术研究己被列入国家中长期科技发展规划。2006年国家中长期发展计划（2006~2020）正式指出CCS为清洁高效使用煤炭的前沿技术。2007年国家科技部在《中国应对气候变化科技专项行动》中，将CCS技术列入作为控制温室气体排放和减缓气候变化技术重点专项行动的四个主要活动领域之一，确立了CCS的投入将集中在研发与示范，并建立CCS生产基础以及进行技术示范。2007年6月国家发改委公布的《中国应对气候变化国家方案》中强调重点开发CO2的捕获和封存技术，并加强国际间气候变化技术的研发、应用与转让等。为探究储层和盖层中二氧化碳-水-岩石之间长期复杂的物理、化学相互作用机理，揭示二氧化碳在封存过程中对地下流场、水质、压力场及温度场的长期影响，量化我国规模化二氧化碳封存潜力与风险等方面建立有效的理论、实验及数值模拟方法，香山科学会议于2011年11月22~24日在北京召开以“规模化二氧化碳咸水层封存的关键科学技术问题”为主题的学术讨论会，会议由孙枢研究员、彭苏萍教授、沈平平研究员、张东晓教授担任执行主席，来自高等院校、科研院所和管理部门的40多位专家学者应邀参加了讨论会。与会专家围绕（1）中国咸水层埋藏潜力及其意义；（2）二氧化碳咸水层封存的关键科学问题；（3）二氧化碳地址封存的物理化学问题和（4）二氧化碳地下封存的地质学问题等中心议题进行深入讨论，并提出了建议。一、主题评述报告孙枢研究员作了题为“CO2地下封存的地质学问题及其对减缓气候变化的意义”的主题评述报告。他认为，人类应主动采取措施减缓或避免因气候暖化带来的危害和灾难。通过多种措施并举，方能达到2050年减少相当于1990年二氧化碳排放量的50%，本世纪增温2℃的目标。结合国内外CO2地质封存研发中存在的问题和我国地质状况，提出我国要发展CO2地下封存，必须对我国主要含油气盆地CO2封存潜力的制定研究与评估方案；大力推行CO2提高石油采收率研究与开发；加强CO2咸水层封存研究和试验以及对低渗、超低渗和大面积成藏储层封存CO2的研究。尽管我国在“十一五”期间，减排CO2达到了15亿吨，2020年要实现单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40~45%这一承诺，仍然需要从我国实际出发大力推进CCS研发、工程化及商业化，来实现我们的预定目标。他呼吁，应进一步加大CCS研发工作力度、规模和试验，尤其要重视规模化咸水层封存研究；分区按盆地对我国封存潜力进一步进行评估研究；更大规模开展油气藏的CO2-EOR（气驱强化采油）研究。提出到2015年建成三个CO2注入量约100万吨/年，持续一年以上规模的CO2封存示范点，到2020年再建5个示范点的规划设想。在2020年前建设2个CO2封存量100万吨/年，计划持续时间10年以上的商业性CO2封存区等建议。彭苏萍教授作了题为“碳捕获与存储(CCS)技术、工程与系统”的主题评述报告。他指出，面对全球能源消费的快速增长，如果不进一步采取新的减碳技术和政策，2050年全球排放量相对于2005年将会上升130%，导致全球4-7oC温升。要将本世纪全球温升控制在2oC内，就需要发展能够使碳减排量以数量级增加的技术，CCS就是一种可以实现目标的技术，能够提供在2050年需要达到的CO2减排量的五分之一。如果不实施CCS，要达到同样的减排结果，全球减碳成本将会升高70%。根据2008年IEA（国际能源机构）对各种技术未来在全球减碳量中贡献的预测结果，他提出了在我国发展CCS应该遵循先易后难的顺序，从实施成本较低的行业开始，随着技术的不断成熟，实施成本的降低，再在减排难度较大的行业进行推广的建议。在今后CCS发展的过程中，要定量评估减碳目标与减碳政策之间定量关系，明确不同技术减碳效果的评价指标，并对截至目标年的累计碳排放削减程度和目标年的碳排放削减程度进行评估；对于目前使用较多的减碳政策——碳税、硬指标等，则应科学评估其实施效果优劣，建立减碳目标与减碳政策的定量关系，成为有效实现减碳政策发展的重要指导。讨论中，与会专家认为发展CCS是必要的。咸水层有巨大的封存潜力，开展二氧化碳咸水层埋存对二氧化碳减排的意义非常重大。我国应开展地质封存潜力、封存机理以及相关的物理化学问题等进行实验和模拟研究，以指导我国CCS行业发展进程。对我国CCS行业发展，应首先对二氧化碳咸水层封存的关键科学技术问题加强研究和试验。利用研究结果指导示范工程，以示范工程的实际数据验证研究结果，并不断完善，最后实现商业化应用。二、中国咸水层埋藏潜力及其意义与会专家在报告中，指出发展二氧化碳咸水层埋存的重要原因是由于：1）含水层圈闭构造发育普遍；2）含水层中存在着适于CO2储存的大型圈闭构造；3）深部含水层一般为含盐度较高的盐水层，不能作为水资源加以利用。针对实施CO2地质埋存的基本原则和各国已经开展的各种CO2埋存理论及实践，总结出CO2埋存场所应具备的五个条件，分析了确定典型盐水层需要考虑的因素。并计算分析了影响盐水层埋存量主要包括注入速度、不同条件下CO2在地层水中的溶解量、地层水中矿化度、CO2化学埋存量和盖层渗透性等五个主要因素。实施CO2地质储存工程至关重要的就是储存场地的选择和综合评价，选址的成功与否决定着储存工程的使用寿命和安全性。若CO2地质储存场地选址不当，将会带来诸多不利影响，甚至造成难以弥补的损失。提出了适宜于规模化CO2地质储存的深部咸水含水层的条件与选址原则，并结合CO2地质储存场地选址的诸多因素制约，建立了包括选址技术、安全性、经济适宜性和地面地质─社会环境条件四个方面的层次分析结构的选址综合评价指标体系。介绍了已运行近半年的目前国内比较重要的示范工程之一，神华CCS工程立项和建设过程的一些重要节点。神华高质量、高标准完成示范工程的过程及在整个过程中形成的技术成果，将对今后我国的CCS发展发挥积极的作用。三、CO2咸水层封存的关键科学问题与会专家在报告中，指出咸水层地质封存研究面临的各种困难和挑战。其物理化学过程复杂，而且涉及的时间、空间尺度宽广，目前需解决的关键科学技术问题可根据储层、盖岩和埋存系统来探讨。具体问题包括：储层的容量、注入和对储层的影响问题；盖岩的完整性，以及渗漏率；封存系统的压力响应、咸水运移、性能评估、风险评估和监测等等。比较有共性的困难与挑战还包括：粘性指进、重力分异、毛细圈闭、对流混合和地球化学等。建议运用理论、实验及数值模拟方法，结合天然类比分析及工程项目实际对这些关键问题进行研究，发展适合于我国典型盆地的基础理论，为规模化CO2咸水层封存提供科学依据。在地下几百米的咸水层中储存二氧化碳，一个关键的科学问题就是在水流─化学─应力─二氧化碳耦合的情况下如何确保储存的长期安全性。需要开展：包括超临界二氧化碳-咸水作用下的储存岩石的变形破坏、强度特征、水流─化学─应力─二氧化碳耦合模型与软件、二氧化碳咸水层储存盖层等稳定性的长期微震监测等水流─化学─应力─二氧化碳耦合过程的研究。CO2咸水层封存需要解决：CO2封存场储层的热特性；地质封存中CO2相关基础物性研究；多尺度、多相条件下CO2地质封存的传热及运移特性。4）；CO2封存过程中水－岩相互作用机理。四、二氧化碳地址封存的物理化学问题与会专家在报告中，指出二氧化碳数值模拟是研究二氧化碳地质储存中有关多相流及地球化学反应机理的一种重要手段，可以解决储存优选、入注相关问题、二氧化碳储存机理、迁移规律、盖层封闭性以及泄露等多个方面的问题。目前，有关二氧化碳数值模拟能够在一定程度上解释CO2多相渗流、部分化学反应及影响、盖层和断层的封闭性等问题。时间尺度和空间尺度大是地质埋存最为显著的特征，但是数值模型的正确性、模型参数的选择、尺度效应等也是影响模拟结果的关键和所面临的挑战。天然CO2系统与地质埋存在时间、深度、岩石组成等方面具有相似性，因而具有可比性。但是，实验室论证以及如何从天然类比中得到可靠的定量结论还需进一步研究。CO2埋存可与利用相结合，如CO2-EOR（气驱强化采油）、CO2-ECBM（开采煤层气）、CO2-EATER（提高地热采收率）等，以增加经济效益，降低埋存成本。有关咸水层的CO2封存还存在着场地选择、封存机理、封存量及场地尺度储量评价、风险评估、泄露检测等问题需要进一步研究。五、二氧化碳地下封存的地质学问题与会专家在报告中，指出中国深部咸水层具有巨大的封存潜力，但大规模CO2咸水层封存的长期力学稳定性问题及其评价方法尚未有系统的研究。应开展规模化CO2咸水层封存力学稳定性的关键理论研究，充分认识潜在失稳模式、临界条件、判断准则，开发模拟分析技术，为咸水层封存工程的实施提供科学依据和技术保障。应关注：注气压力的控制标准和压裂增渗机理，CO2–水与盖层的相互作用及盖层的长期封闭性和稳定性，以及考虑多尺度及多场耦合作用的数值模拟方法。发展适合于我国典型盆地的规模化CO2咸水层封存的力学稳定性本构理论、评价指标、判断准则和模拟方法。虽然规模化咸水层CO2地质封存具有很大的发展潜力，但也带来对地质结构、自然生态、人体健康和地球循环系统极大的不确定性。要确定的是评价工作等级和评价范围，根据评价工作等级，开展风险识别、风险评价和风险管理。研发一种全新的安全评价流程、风险评价方法和评价体系。介绍了美国依照地下灌注控制程序制定的关于CO2地质封存井（第Ⅵ类灌注井）的联邦要求，并以中国石油安全环保技术院按照美国法规开展的某化工废液地下灌注工程环境影响评价项目为例，介绍了开展危险废液地下灌注选址与评价的经验和做法。会议总结与专家建议在经过广泛交流和深入讨论后，针对我国发展规模化二氧化碳咸水层埋存的关键科学技术问题，与会专家达成了一定共识，并就今后要进行的相关科学研究提出了相应的看法和建议。大家一致认为发展规模化咸水层二氧化碳埋存需要研究的内容和相应的关键科学技术问题有：1．我国咸水层二氧化碳封存潜力研究；2．多重物理、化学作用的二氧化碳动态运移规律和封存机理研究；3．二氧化碳-水-盖岩相互作用的盖层长期封闭性和稳定性研究；4．规模化二氧化碳咸水层封存对盆地尺度地下水、生态和环境影响的评估研究；5．多尺度的流动运移-化学反应-力学响应等过程的耦合机理研究；6．基于天然二氧化碳气藏等类比物的二氧化碳─岩石长期相互作用特征和机理研究；7．典型盆地规模化二氧化碳封存的适宜性和可行性分析。（二）与会专家就二氧化碳地质埋存的实施和应用提出如下建议：1．我国CCS行业发展，遵循先易后难的顺序，从实施成本较低的行业开始，随着技术的不断成熟、实施成本的降低，再在减排难度较大的行业进行推广；2．在2015年之前在我国建立30-100万吨/年的示范工程，在工程实践中解决支撑选址的一系列技术问题，如容量评估、密封性、可注入性、稳定性等等。同时工程数据可以支持理论和数值模拟研究的进展，为规模化发展打好理论基础；3．在我国开展适用于二氧化碳封存的咸水层的水文地质、地球化学和力学稳定性进行调查和其分布特征进行评估。根据评估结果划分出不同的类型，确定其进行CCS或CCUS的适宜性；4．对示范工程进行监测研究，从物性角度分类研究盖层变化情况，分析监测数据样本，建立评价技术指标，分析工程存在的风险系数，确定能够保障安全的时间尺度