■ 張超宇/李勝濤/楊豐田/張森琦/李旭峰

（1.中國(guó)國(guó)土資源經(jīng)濟(jì)研究院，北京 101149；2.中國(guó)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；3. 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029.）

開展二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)深度減排

■ 張超宇1/李勝濤2/楊豐田3/張森琦2/李旭峰2

（1.中國(guó)國(guó)土資源經(jīng)濟(jì)研究院，北京 101149；2.中國(guó)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；3. 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029.）

二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存是實(shí)現(xiàn)二氧化碳深度減排的安全、經(jīng)濟(jì)、有效的措施之一。適合地質(zhì)儲(chǔ)存的地質(zhì)體有深部咸水層、油氣藏和不可采煤層。目前，二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存研究在世界上方興未艾，我國(guó)地質(zhì)儲(chǔ)存相關(guān)項(xiàng)目也已啟動(dòng)，為二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了條件。開展二氧化碳的地質(zhì)儲(chǔ)存，將為我國(guó)以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的維持和調(diào)整提供保障。

地質(zhì)儲(chǔ)存，二氧化碳，深度減排，咸水層

二氧化碳排放問題， 由于其對(duì)人類以及整個(gè)地球環(huán)境系統(tǒng)可能產(chǎn)生的危害， 已經(jīng)引起世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。二氧化碳是引起溫室效應(yīng)的主要溫室氣體，在全球變暖問題中扮演著重要的角色[1]。如何降低空氣中的二氧化碳含量成為遏制溫室效應(yīng)和全球變暖，倡導(dǎo)低碳生活的核心問題。

我國(guó)是二氧化碳排放的大國(guó)之一。環(huán)球能源網(wǎng)根據(jù)碳監(jiān)測(cè)行動(dòng)（CARMA）網(wǎng)站提供的數(shù)據(jù)，對(duì)全球各國(guó)的CO2排放量進(jìn)行了比較排行， 按總排放量計(jì)算， 我國(guó)高居世界第2位（表1）。

1997年在日本京都召開的聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約大會(huì)通過了《京都協(xié)議書》，京都協(xié)議提出了發(fā)達(dá)國(guó)家減少排放的指標(biāo)。但是，由于大部分國(guó)家都以化石燃料作為主要能源，二氧化碳的減排直接影響到一個(gè)時(shí)期國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。因此， 圍繞二氧化碳的減排問題成為國(guó)際政治和外交談判中涉及國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大問題[1—3]。開展二氧化碳減排研究不僅成為技術(shù)領(lǐng)域的重要問題，也成為爭(zhēng)取國(guó)際話語權(quán)的重要政治問題。

2 二氧化碳的地質(zhì)儲(chǔ)存

20世紀(jì)70年代有人提出，利用二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存技術(shù)作為減少人類活動(dòng)造成的二氧化碳排放的措施，但在20世紀(jì)90年代以前，只有少量研究。直到20世紀(jì)90年代以來，部分學(xué)者和研究組進(jìn)行了大量具體的二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存研究。以艾伯塔（Alberta）研究院為主，加拿大在1993-1995年以艾伯塔盆地為背景，通過計(jì)算機(jī)模擬分析了二氧化碳在含水層的流動(dòng)、擴(kuò)散及其與礦物的化學(xué)反應(yīng)過程，明確了二氧化碳的存儲(chǔ)機(jī)理。1999-2000年期間，在艾伯塔的Fenn-Big河谷地區(qū)還開展了利用二氧化碳提高煤層氣回采率的試驗(yàn)研究項(xiàng)目。研究證明了這種方法在理論上的可行性[4]。

二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存是指將二氧化碳從工業(yè)或相關(guān)能源的集中排放源中分離出來（捕獲），輸送到經(jīng)過選擇的地點(diǎn)并注入地下深部適宜的地層中，通過物理、化學(xué)等作用將其安全可靠地儲(chǔ)存于地下，且長(zhǎng)期與大氣隔絕的過程?？捎糜诙趸嫉刭|(zhì)儲(chǔ)存的場(chǎng)地有：廢棄或無商業(yè)開采價(jià)值的油氣田；沉積盆地內(nèi)的深部咸水含水層；開采的油氣田(提高油氣采收率) ；無商業(yè)開采價(jià)值的深部煤層(加強(qiáng)煤層中天然氣的回收)。

在大量可行性研究、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究和計(jì)算機(jī)模擬研究的基礎(chǔ)上，部分國(guó)家實(shí)施了一批二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存實(shí)際工程。這些工程的實(shí)施既促進(jìn)了二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存理論研究，又從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性，為其他國(guó)家開展二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存研究和實(shí)踐提供了強(qiáng)有力的支持。目前全球已開展或規(guī)劃開展二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存的主要工程見表2[5]。

二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存技術(shù)被美國(guó)、英國(guó)、加拿大、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家認(rèn)為是21世紀(jì)最具潛力的二氧化碳減排措施，開展了二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存機(jī)理研究、潛力評(píng)價(jià)并實(shí)施了工程項(xiàng)目。我國(guó)政府也已著手通過國(guó)際合作和增加國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)科研投入，提升二氧化碳地質(zhì)處置技術(shù)的研究水平[6-11]。

3 二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存技術(shù)

在絕大多數(shù)情況下，在深度大于800米的地下，二氧化碳將呈超臨界狀態(tài)，其密度為0.4-0.6g/ cm3，而非氣態(tài)。把二氧化碳隔離在該深度以下，有利于充分利用地下空間。二氧化碳離開注入井以后，因其密度小于地層水，會(huì)被浮力上推直到蓋層（caprock）的底部，形成氣泡。在超臨界二氧化碳-蓋層-孔隙水交界面處存在著毛細(xì)管力。毛細(xì)管力阻止二氧化碳進(jìn)入蓋層。只要排斥力大于二氧化碳的壓力，二氧化碳就不能滲入蓋層。這就是地層隔離中重要的水力學(xué)機(jī)理。

這種技術(shù)已經(jīng)由石油和天然氣工業(yè)開發(fā)出來，并且已經(jīng)證明對(duì)于石油和天然氣田以及深部咸水層而言，在特定條件下是經(jīng)濟(jì)可行的，其儲(chǔ)存（封存）方案概況如右圖[5]。

二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存方案概況圖

經(jīng)相關(guān)研究，三種類型的地質(zhì)構(gòu)造可用于二氧化碳的地質(zhì)儲(chǔ)存：石油和天然氣儲(chǔ)層、咸水層和不可開采的煤層。在每種類型中，二氧化碳的地質(zhì)封存都將二氧化碳?jí)嚎s液注入地下巖石構(gòu)造中。含流體或曾經(jīng)含流體（如天然氣、石油或鹽水等）的多孔巖石構(gòu)造（如枯竭的油氣儲(chǔ)層）都是潛在的儲(chǔ)存二氧化碳地點(diǎn)。在沿岸和沿海的沉積盆地（充有沉積物的地殼內(nèi)的大規(guī)模天然凹地）中存在合適的封存構(gòu)造。假設(shè)煤床有充分的滲透性且這些煤炭以后不可能開采，那么該煤床也可能用于儲(chǔ)存二氧化碳，在煤床中儲(chǔ)存二氧化碳的同時(shí)，有希望提高甲烷生產(chǎn)效率。但是對(duì)無法開采的煤層而言，這種技術(shù)的可行性尚未經(jīng)過驗(yàn)證，目前國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)，如中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心等，正在研究這種技術(shù)的可行性。

表2 全球已開展二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存的工程項(xiàng)目

4 我國(guó)開展二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存的現(xiàn)狀與展望

我國(guó)二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存技術(shù)的研究始于提高石油回采率。目前新疆、大慶、勝利油田都已進(jìn)行了一定規(guī)模的礦場(chǎng)應(yīng)用。雖然與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已開展的大量可行性研究、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究、計(jì)算機(jī)模擬研究、實(shí)際工程相比，我國(guó)在二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存科學(xué)問題研究上還處于初級(jí)階段，但是依然取得了巨大的成績(jī)。

2006年5月30日～6月1日在北京召開了以“溫室氣體（二氧化碳）控制技術(shù)及關(guān)鍵問題”為主題的第279次學(xué)術(shù)討論會(huì)。徐建中院士、費(fèi)維揚(yáng)院士、張新時(shí)院士和張懿院士擔(dān)任了本次會(huì)議的執(zhí)行主席。會(huì)議就二氧化碳分離方法、能源系統(tǒng)中二氧化碳控制技術(shù)、二氧化碳的固定與利用技術(shù)和生物固碳與碳貿(mào)易等四個(gè)中心議題進(jìn)行了研討。2007年在吉林油田公司啟動(dòng)了中國(guó)石油股份公司重大科技專項(xiàng)“吉林油田含二氧化碳天然氣開發(fā)和二氧化碳埋存及資源綜合利用研究” 項(xiàng)目。中國(guó)科技部與英國(guó)政府啟動(dòng)了煤炭利用近零排放合作項(xiàng)目，研發(fā)碳捕集與封存技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)煤炭利用過程中幾乎不再向大氣排放二氧化碳的目標(biāo)。中聯(lián)煤與加拿大公司在山西沁水盆地實(shí)施二氧化碳驅(qū)煤層氣試驗(yàn)已取得了一批理想成果，相關(guān)公司正在積極籌備規(guī)?；_采。國(guó)家“973”項(xiàng)目“溫室氣體提高石油采收率的資源化利用及地下埋存” 在利用二氧化碳提高油氣采取率方面做了大量的理論研究和試驗(yàn)工作。

除二氧化碳資源化利用研究，我國(guó)針對(duì)二氧化碳咸水層封存方面的研究項(xiàng)目和工程也已啟動(dòng)。

2008年，由中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所、大連理工大學(xué)、天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計(jì)院和中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所等單位承擔(dān)的科技部863重點(diǎn)項(xiàng)目課題“二氧化碳的封存技術(shù)”立項(xiàng)。課題擬以天津市館陶組咸水層為試驗(yàn)?zāi)康膶樱C合運(yùn)用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等多種手段，研究CO2/CO2-咸水混合流體的物理化學(xué)特性，認(rèn)識(shí)CO2注入地下咸水層后的運(yùn)移規(guī)律以及環(huán)境效應(yīng)，通過突破關(guān)鍵技術(shù)，形成適合我國(guó)陸相沉積盆地地質(zhì)條件的低成本、實(shí)用性CO2封存量評(píng)價(jià)技術(shù)、安全性評(píng)價(jià)技術(shù)和環(huán)境效應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

2010年，由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心、中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、北京大學(xué)、中國(guó)神華煤制油化工有限公司、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所等單位承擔(dān)的國(guó)土資源部二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存綜合研究項(xiàng)目“我國(guó)二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存調(diào)查”立項(xiàng)。擬對(duì)我國(guó)二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存適宜性及潛力進(jìn)行評(píng)價(jià)和區(qū)劃，并選定典型地區(qū)開展儲(chǔ)存示范工程；開展我國(guó)二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存基礎(chǔ)理論、技術(shù)方法和法規(guī)政策研究，形成完整的二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存基本理論體系和場(chǎng)址選擇、儲(chǔ)存能力評(píng)價(jià)、安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、二氧化碳逃逸監(jiān)測(cè)和地理信息系統(tǒng)建設(shè)方法體系，為我國(guó)二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存工程提供技術(shù)支撐。

相信不久的將來，隨著大量科研力量和經(jīng)費(fèi)的投入，我國(guó)二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存也將進(jìn)入實(shí)質(zhì)性生產(chǎn)階段。作為一個(gè)負(fù)責(zé)的大國(guó)，我國(guó)正以實(shí)際行動(dòng)開展二氧化碳減排研究，倡導(dǎo)低碳生活，為全人類的福祉做出自己的貢獻(xiàn)！

5 政策與建議

（1）我國(guó)是二氧化碳的排放大國(guó)，應(yīng)該借鑒西方發(fā)達(dá)國(guó)家在二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存研究領(lǐng)域的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。建立國(guó)際合作組織，安排技術(shù)人員赴國(guó)外進(jìn)行考察和學(xué)術(shù)交流，從而有效評(píng)估我國(guó)二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存潛力，確定應(yīng)用于二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存的相關(guān)技術(shù)、設(shè)施和政策法規(guī)。有助于推動(dòng)二氧化碳地質(zhì)封存技術(shù)在中國(guó)的開展。

（2）積極探索地質(zhì)、陸地以及海洋儲(chǔ)存二氧化碳的安全性能，運(yùn)用系統(tǒng)優(yōu)化方法，確立一套安全合理的儲(chǔ)存方案。充分利用地質(zhì)、海洋、森林、濕地、城市綠化等多種途徑進(jìn)行二氧化碳儲(chǔ)存，做到因地制宜，合理儲(chǔ)存。

（3）通過轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、提高能源效率和節(jié)約能源促進(jìn)低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。應(yīng)著重開展太陽能、海洋能、風(fēng)能、地?zé)豳Y源和生物質(zhì)能等新能源的開發(fā)和利用。（4）政府可制定能源環(huán)境稅收政策，來提高能源利用效率，減少大氣污染和溫室氣體排放。在新能源的開發(fā)利用方面，政府可以提供資金支持，以政府補(bǔ)貼鼓勵(lì)人們使用節(jié)能產(chǎn)品。大力宣傳節(jié)能減排知識(shí)，提高人們節(jié)能減排意識(shí)。

[1]曾榮樹,孫樞,陳代釗,段振豪,等.減少二氧化碳向大氣層的排放—二氧化碳地下儲(chǔ)存研究[J].中國(guó)科學(xué)基金,2004,18(4):196-200.

[2]World Resources Institute.World Resources 1996-1997[M].London:Oxford University Press,1996:326-327.

[3]Hoffert M I et al.Advanced technology paths to global climate stability:energy for a greenhouse planet[J].Science,2002(1):981-987.

[4]Bachu S.Indentification of best sites and means for CO2sequestration in the alberta basin,Canada[R]. Association of Petroleum Geologists 2001 Annual Meeting and Annual Meeting Expanded Abstracts-American Association of Petroleum Geologists in American,2001.

[5]BertMetz,OgunladeDavidson,Hele en deConinck,Manuela Loos,Leo Meyer,etal.Carbon Dioxide Capture and Storage [R].Intergovernmental Panel on Climate Change,2008.

[6]沈平平,等.利用工業(yè)CO2廢氣改善低滲油氣藏的開發(fā)效果[C].中美清潔能源技術(shù)論壇文集（中文版）[A].北京：中華人民共和國(guó)科技部、美國(guó)能源部，2001,Ⅲ-1-7.

[7]劉延鋒,李小春,方志明,白冰.中國(guó)天然氣田CO2儲(chǔ)存容量初步評(píng)價(jià)[J].巖土力學(xué),2006,27(12):2277-2281.

[8]劉延鋒,李小春,白冰.中國(guó)CO2煤層儲(chǔ)存容量初步評(píng)價(jià)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,24(16):2947-2 952.

[9]Dahowski R T,Dooley J J,Davidson C L,et al.A CO2storage supply curve for North America[R].IEA Greenhouse Gas R&D Programme,2004:20-25.

[10]張煒,李義連.二氧化碳儲(chǔ)存技術(shù)的研究現(xiàn)狀和展望[J].環(huán)境污染與防治,2006,28(12): 950-953.

[11]張麗君.二氧化碳捕集與地下埋存國(guó)際進(jìn)展[J].國(guó)土資源情報(bào),2007,(11):16-21.

F124.5; X37

C

1672-6995（2010）04-0024-03

2010-04-15

張超宇（1981-），男，內(nèi)蒙古赤峰市人，中國(guó)國(guó)土資源經(jīng)濟(jì)研究院研究實(shí)習(xí)員，工學(xué)碩士，主要研究方向環(huán)境經(jīng)濟(jì)。