CO2地质封存

√华中科技大学研究生课程考试答题纸课程名称：碳捕集、利用与封存课程类别□公共课□专业课考核形式□开卷□闭卷学生类别□硕士生□博士生考试日期2015.12.24学生所在院系能源学院学号姓名任课教师题号一二三四五六七八九十总分得分题号答题部分得分论文要求撰写碳捕集、利用与封存相关论文，不低于5000字；至少10篇近三年外文文献；CO2的地质封存摘要：对CO2的三类封存技术（地质封存、海洋封存、将CO2固化成无机碳酸盐）进行了简要的概述。重点论述了三种类型的可用于CO2的地质封存的地质构造（深部盐水层构造（DSR）、石油和天然气储层用于提高采收率（EOR）和不可开采的煤层用于提高煤层气的采收率（ECBM））和封存原理。初步讨论了目前公认的适于封存CO2的不同地质媒质（深部咸水层、废弃油气藏和不可开采的煤层）的关键特征。文章最后指出我国建立CO2地质储存标准所面临的挑战，并对未来工作给出了政策建议。1.前言在全球气候变化的大背景下，CO2减排是当今国际社会已经达成共识并为之一直努力的行动目标。根据2005年2月16日正式生效的《京都议定书》规定，2010年所有发达国家二氧化碳等6种温室气体的排放量要比1990年减少5.2%。其中，欧盟率先提出到2020年温室气体排放比1990年减少20%的目标[12]。碳捕集及封存技术（Carbon√Capture&Storage，CCS）是在不降低当前化石燃料使用量的情况下，减少排入大气的CO2气体量的手段，也是世界各国普遍关注的减缓温室气体排放的重要技术之一。我国目前的CO2排放量位居全球第二，仅次于美国，而且短时间之内很难改变目前存在的能源消费方式。因此，随着我国现代化建设的推进，在经济快速增长的同时CO2排放量势必将持续增加。面临巨大的CO2减排压力，开展CCS相关技术研发是我国应对气候变化的必然选择，也是我国发展的一项重要战略。2.CO2封存技术分类CO2封存技术可以分为3类：地质封存（封存在地质构造中，例如废弃的石油田和天然气田，不可开采的煤田以及高盐含水层构造），海洋封存（直接释放到海洋水体中或海底）以及将CO2固化成无机碳酸盐。其中，地质封存技术最为成熟。（1）地质封存：在地质构造中封存CO2所使用的技术。已经由传统石油天然气开发商开发出来，并且已经被证实在特定条件下是经济可行的［13］。但将CO2封存于煤层中，其技术可行性伤未经证实。（2）海洋封存：该种封存方式可以经固定管道或移动船只将CO2注入到水体/海底中（1000m以下最为理想）。但海洋封存的有效性及其对海底生态环境的影响尚处于研究阶段。（3）将CO2固化成无机碳酸盐：CO2可以与金属氧化物反应并产生稳定的碳酸盐。金属氧化物富含于硅酸盐矿石中，还可以从废弃物流中少量获取。这项技术目前也还处于研究阶段。3.CO2的地质封存类型及原理地质学家列出了三种类型的可用于CO2的地质封存的地质构造：深部盐水层构造（DSR）、石油和天然气储层用于提高采收率（EOR）和不可开采的煤层用于提高煤层气的采收率（ECBM）。（1）深部盐水层构造（DeepSalineReservoir，DSR）将CO2压缩液注入地下的深部盐水层中，CO2应被注入并封存在800m深度以下，此时CO2通常处于超临界（super-critical）的状态。在这种条件下，CO2的密度是水密度的50%~80%，并产生驱使CO2向上的浮力。同时必须选择具有良好封闭性能的盖层也十分重要，这样才能确保把CO2限制在地下。CO2在深部盐水层中埋存的主要机理有四个：结构或地质封存、孔隙封存、溶解封存以及矿化封存。结构或地层封存主要是指上部的盖层或储层中的泥浆挡住了CO2上浮的通道，阻止CO2逃逸；孔隙封存主要是指CO2通过部分置换已经存在的流体来挤占并充满岩石中的孔隙，毛管力提供的俘获作用可将CO2留在储层构造的孔隙中；溶解封存主要是指CO2可溶于水；矿化封存主要是指CO2与岩石中的矿物质及部分例子反应，经过数百万年，部分注入的CO2将转化为坚固的碳酸盐矿物质。（2）石油和天然气储层用于提高采收率（EOR&EGR）在石油和天然气储层中，用注入的CO2置换现场流体可为封存CO2提供大部分孔隙容积。提高采收率（EOR）方法的发展同原油驱替流体的开发密切相关［11］。CO2驱油可分为非混相驱和混相驱两种驱动类型。CO2非混相驱的主要驱油机理是降低原油粘度，使原油体积膨胀，减小界面张力等。当地层及流体的性质不适合采用非混相驱时，应用CO2非混相驱能够大大提高驱油效率，从而达到提高采收率的目的。适合CO2非混相驱的油藏类型主要包括：压力衰竭的低渗透油藏，高倾角、垂向渗透率高的油藏，重油或高黏油油藏。CO2混相驱替过程中，CO2抽提原油中的轻质成分或使其气化，从而实现混相，这是CO2驱的最重要的提高采收率的机理。当原油与CO2形成混相时，缩小了原油与CO2的粘度比，有效减弱了CO2的粘度指进，提高了驱油效率。混相驱的驱油效率一般比非混相驱高一倍左右。CO2混相驱在浅层、深层、致密层、高渗透层、碳酸盐层、砂岩中都有应用的实例。CO2混相驱适合的油藏主要有水驱效果差的低渗透油藏，水驱枯竭的砂岩油藏，接近开采经济极限的深层、轻质油藏、多盐丘油藏。目前，在加拿大的Weyburn油田正在实施有IEA领导的EOR检测项目。据《油气杂志》据《油气杂志》2006年统计，全球实施CO2-EOR项目共有94个，其中，美国82个（80个混相驱，2个非混相驱），加拿大6个，特立尼达5个，土耳其1个。可以看出，CO2-EOR技术的应用主要集中在美国，其年产油量为1186×104t/a，占世界CO2-EOR总产量的94.2%。由于美国天然二氧化碳气体资源丰富，从20世纪70年代就开始了CO2的开发利用，提高采收率就是最主要的方面。理论上，CO2混相驱可使最终采收率达90%以上。从美国CO2混相驱的矿场情况看，CO2混相驱提高采收率的幅度一般为7-20%，个别油田提高采收率的幅度可达30%。美国的实践表明，CO2提高采收率技术适用油藏类型较广、提高采收率的幅度较大、在高油价下投资回报率较高；以工业废气为主的CO2捕集封存应用一体化提高采收率技术将是今后发展的新走向，新一代二氧化碳提高采收率技术预计可将采收率提高到60%以上。（3）不可开采的煤层用于提高煤层气的采收率（ECBM）向不宜开采的深煤层中注入CO2，利用CO2在煤体表面的被吸附能力是CH4的2倍的特点来驱替吸附在煤层中的煤层气，可以同时达到提高煤层气的采收率和埋存CO2的目的。假设煤床有充分的渗透性且这些煤炭以后不可能开采，那么该煤床也可能用于封存CO2。当CO2被偏好吸收的煤或有机物丰富的页岩吸附，开始置换甲烷类气体，在这种情况下，只要压力和温度保持稳定，那么CO2将长期保持俘获状态。目前为止，在煤床中封存CO2并提高甲烷生产的方案已经处在示范阶段。4.世界部分CO2地质封存项目简介［10］（1）工业项目①挪威国家石油公司在北海开展的Sleipner天然气田的CCS项目运行时间最长。该气田于1996年投产，建有世界上第一个工业级二氧化碳捕获设施，是世界上第一个用于温室气体减排目标的二氧化碳封存项目。该项目用醇胺溶剂从天然气中吸收二氧化碳，通过回注钻孔封存于海床3000ft（914m）之下的含盐咸水底层中，处理能力约为100×104t/a。12年中累计减排二氧化碳1000×104t/a。研究表明，储存的二氧化碳没有异常活动，也没有泄漏迹象。②加拿大的Weyburn项目始于2000年，位于加拿大Saskatchewan省东南部的Weyburn油田。封存的二氧化碳是从约200mile（1mile=1.609344km）之外的美国北达科他州Beulah的大型煤气化装置中捕获并输送过来的，用于提高油田采收率，目前每年注入的二氧化碳约为150×104t。（2）研究项目①中国-欧盟二氧化碳捕集和封存合作项目［14］：中欧碳捕集与封存合作项目旨在提供技术指导，并与2010年之前在中国设计一座燃煤电厂，进行二氧化碳捕集与封存。项目与2006年11月在北京正式启动，是欧盟第六框架计划可持续能源体系下的合作项目。项目主要活动包括在燃煤电厂申请碳捕集技术、评估中国二氧化碳的封存潜能、研究相关法规和融资机制。此外，项目也致力于提高公众意识和碳捕集与封存能力建设。②由英国能源与气候变化部与中国科技部共同投资，在中国执行的中国先进电厂碳捕集方案（CAPPCCO）。英国针对气候变化的减缓政策已经明确指出，快速减少全球二氧化碳排放必不可少，因此，解决中国和其他地方燃煤电厂的排放对于应对全球气候变化就显得至关重要。CAPPCCO项目的原则实在新建电厂实现二氧化碳捕集预留。如果运作得当，将二氧化碳捕集与封存技术应用于电厂改造不需要额外投入及成本。但如果将二氧化碳捕集与封存技术应用于尚未备妥的电厂会有一定的难度，甚至于只有重建电厂才能实现。CAPPCCO项目将把有关英国煤炭特性的专门技术引入中国市场，必要时进行改良以适应中国煤炭和锅炉技术的特殊要求。包括帮助提供捕集改造必须的清洁烟气，通过改进低氮氧化物燃烧系统的性能及更好的认识碳燃尽过程中对煤炭特性的作用。CAPPCCO项目致力于为现有及规划电厂开发一个碳捕集特征数据库；为新规划的粉煤电厂开发及评估捕集方案；调查研究在中国电厂应用碳捕集技术及装置过程中的特殊问题，如需水量、冷却要求、煤的特性、中国易变气候条件下的捕集性能；调查研究捕集预留及改造的融资方案。5.CO2地质封存选址标准CO2的安全封存是CCS的最终落脚点，从某种程度上讲，封存的可行性决定了CCS技术的可行性。同时，这也是碳捕集与封存过程中风险最大的一个环节，因此选择适合CO2长期封存的地质层显得尤为重要。CO2地质封存地必须使用系统的筛选过程，综合考虑盆地大小和深度、地质特性、水文地质、地质热力学特性以及自然资源、基础设施等因素，同时还与经济、政治、社会因素紧密相关。可以利用的CO2地下封存场所多种多样，深部咸水层、油气藏和煤层都可以作为CO2地质封存的有效场所。其中深部咸水层的封存潜力最大，其次为油气藏，最次为不可开采的煤层［9］。（1）深部咸水层适合CO2地下地质封存的地下咸水层一般是指一定深度下，被微咸或半咸的水填充的具有较高孔渗特性的岩层。这类咸水不适于农业以及人类生产生活用水。①地质特征：断层、断裂和不完整等钩子可能形成CO2向上运移通道，溢出地表，不利于封存。有一定倾角的底层是CO2封存的理想场地，可加强垂向运输，缩短最大水平运移距离，同时可增加残余气体捕获。②岩石矿物成分：岩石组成对于CO2封存及地质化学反应影响重大。在地下深部咸水层中，最利于CO2地质封存的是砂岩。由于CO2的密度小于地层水的密度，因此注入咸水层中的CO2会在浮力的作用下向上移动。这种运动由于受到低渗透性岩层（泥岩薄层）或透镜体（泥岩或页岩透镜体）的遮挡而呈现出不规则性，遇到合适的底层或构造圈闭就会存储起来。③储层厚度：相比薄层，厚的储层更适宜封存CO2，不仅因其有更大的封存容量，同时它还允许不同的注入策略［6］。④孔隙度及渗透性：研究［7］表明，平均横向渗透率对CO2量和注入能力的影响最大。研究［8］建议，适合储存CO2的地下咸水体，孔隙度应大于20%，渗透系数应大于500mD。⑤盖层封堵性：地下咸水层应具有低渗透性的盖层（如泥岩，页岩），和允许地下咸水体透过的边界，以便注入的CO2得到地下咸水的置换空间。建议盖层的厚度应大于100m［6］。⑥盖层承压情况：为了保证封存的安全性，避免由于CO2的注入导致盖层断裂引起泄露，要求盖层所承受的压力必须大于注入CO2所产生的最大压力。⑦地层水压力：地层水压力过高，导致注入技术要求提高的同时也增加了安全的风险性［6］。（2）废弃油气藏废弃的油气藏一般是指经过三采以后，丧失进行经济开采效益的油气藏。在废弃油气藏中埋存CO2，需要在原有围绕油气勘探和开发的研究工作基础上，重新对储层的沉积类型（碎屑岩或碳酸盐岩），储层的埋深、厚度和三维几何形态和完整性以及