摘 要：CO2捕獲和封存技術(shù)是一項具有廣泛應用前景的碳減排新技術(shù)，而地下咸水層是封存CO2最適宜的場所之一。首先介紹了地下咸水層封存CO2的基本原理；然后重點從三個方面論述了利用地下咸水層封存CO2的研究現(xiàn)狀，包括CO2在地下咸水層中的運移規(guī)律，地下咸水層的地質(zhì)條件分析與評價，以及CO2封存容量的估算三個方面；最后建議我國要進一步研究超臨界CO2在地下咸水層中的滲流機理，并對具有封存潛力的地下咸水層逐步開展地質(zhì)勘探與評價工作。

關(guān)鍵詞：溫室效應 氣候變化 二氧化碳封存 二氧化碳減排 地下咸水層

中圖分類號：X141 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0066-05

CO2因具有溫室效應被普遍認為是導致全球氣候變暖的重要原因之一。如何減少CO2排放，已經(jīng)成為全人類面臨的共同難題。國際社會也一直在積極尋求CO2的減排對策。絕大多數(shù)的CO2排放都是由于燃燒化石燃料引起的?；剂希ò禾?、石油、天然氣等）是世界能源的主要組成部分，在未來幾十年內(nèi)，預計化石燃料的使用和消耗將進一步增加。國際社會對化石燃料的長期依賴性迫使各國亟需尋求新的減排方法。CO2捕獲和封存技術(shù)（CO2 Capture & Storage，以下簡稱CCS）被認為是一項具有廣泛應用前景的CO2減排新技術(shù)。

CCS是一種將工業(yè)和能源等集中排放源產(chǎn)生的CO2進行收集、運輸并安全封存到某處使其長期與大氣隔離的技術(shù)。CCS主要由捕獲、運輸和封存三個環(huán)節(jié)組成。其中，關(guān)于CO2的捕獲與運輸環(huán)節(jié)，已經(jīng)有相對成熟的技術(shù)和工藝，現(xiàn)階段面臨的主要是成本問題。而最后一個環(huán)節(jié)，CO2的封存，目前仍然存在著很大的不確定性，面臨著許多挑戰(zhàn)。CO2的封存方案主要包括地質(zhì)封存和海洋封存兩大類。由于海洋封存有可能對海洋生態(tài)環(huán)境帶來災難性的影響，國際社會目前推動的主要是CO2的地質(zhì)封存。CO2的地質(zhì)封存C+68DbVm6zwUDgR0HWyitvXC94qNdD+HjFMJRZg7wes=場所主要包括：開采后期（或枯竭的）油氣層、不可開采的煤層，以及深部地下咸水層。其中，地下咸水層在世界范圍內(nèi)分布廣泛，并且擁有巨大的封存潛力，被認為是封存CO2最適宜的場所之一。但是利用地下咸水層封存CO2涉及到CO2與深部地質(zhì)環(huán)境的復雜相互作用，現(xiàn)有的知識技術(shù)水平還無法確保CO2能夠安全、穩(wěn)定和長久（幾百年甚至上千年）地封存于地下，因此需要科學家們對此開展進一步深入的研究。

1 地下咸水層封存CO2的基本原理

地下咸水層是指地底深處具有封閉構(gòu)造的含地下水鹽溶液的巖層。地下咸水層封存CO2的基本原理，就是將加壓后高密度的CO2通過注射井注入地下巖層的孔隙空間中以替代原有位置的地下咸水。在此過程中，CO2會部分溶解于地下咸水中，或者與地下咸水中的礦物成分或構(gòu)成巖石骨架的礦石顆粒發(fā)生化學反應，從而達到長期封存CO2的目的。

CO2注入地下咸水層后主要存在三種狀態(tài)：（1）溶解狀態(tài)：一部分CO2將溶解在地下水中。（2）超臨界狀態(tài)：CO2一般封存于深度大于800m的地下咸水層中，此時地下溫度和壓力均在CO2的臨界點以上，CO2將處于一種被稱作超臨界的狀態(tài)，其特點是既具有近似液體的較大密度，又具有近似氣體的良好的流動性。（3）礦物狀態(tài)：在咸水層里，部分CO2還能夠與地下水及巖層中的礦物或有機質(zhì)發(fā)生化學反應生成碳酸鹽礦物，形成最為穩(wěn)定和持久的存在形式。在這三種形式中，由于CO2在地下水中的溶解能力較小，溶解封存只占4%～6%，而礦物封存進程緩慢，需要上千年甚至更長的時間才能達到一定的封存量。因此，在科學家們所關(guān)注的時間跨度內(nèi)（幾十年至幾百年），注入地下咸水層中的CO2主要以第二種形式，即超臨界狀態(tài)存在。

2 地下咸水層封存CO2的研究現(xiàn)狀

2.1 CO2在地下咸水層中的運移規(guī)律

前已述及，CO2在注入地下咸水層后主要以超臨界狀態(tài)存在。而超臨界狀態(tài)CO2在地下咸水層中的運動是一個非常復雜的多相態(tài)流動過程：一方面，超臨界狀態(tài)CO2注入地下咸水層后將在壓力梯度和濃度梯度的作用下隨地下水一起擴散；另一方面，由于超臨界狀態(tài)CO2的密度往往小于地下流體，因此會在浮力的作用下向上方運動。此外，當CO2移動通過巖層孔隙時，毛細作用會阻礙CO2的運動，有一些CO2因毛細作用力而滯留在孔隙空間中。這三種運動往往同時進行，構(gòu)成了非常復雜的滲流行為。同時，CO2的滲流過程還有可能受到許多環(huán)境因素的影響，如地層中的溫度和壓力會直接影響CO2的粘滯性，進而影響其在巖石介質(zhì)中的滲透性能；CO2-地下水-巖石三相系統(tǒng)中的礦物化學反應盡管進程緩慢，但是即使生成少量的碳酸鹽礦物也可能會使巖石介質(zhì)中的孔隙率發(fā)生變化，從而對CO2的滲透性能產(chǎn)生影響。

伴隨著CCS技術(shù)的發(fā)展，科學家們首先利用現(xiàn)場試驗和監(jiān)測數(shù)據(jù)開始研究CO2封存于地下咸水層后的運移規(guī)律。1996年，挪威的Statoil石油公司在北海的Sleipner天然氣田上開始了人類歷史上第一次把CO2封存于地下咸水層的工業(yè)實踐。該公司每年向位于海底下1000 m深的高滲透性Utsira砂巖地層中注入100萬噸左右的CO2[1]。以此為契機，國際能源署（IEA）于1996年至1999年實施了Sleipner Aquifer CO2 Storage （SACS）國際合作研究計劃[2]，采用地震波法跟蹤監(jiān)測注入地下后的CO2的遷移狀態(tài)。監(jiān)測結(jié)果顯示大部分超臨界狀態(tài)CO2在浮力作用下先逐漸上浮，達到上覆不透水巖層的底部后沿著上覆巖層的底部輪廓向四周逐步擴散。這說明浮力在超臨界狀態(tài)CO2的運動中起到非常顯著的驅(qū)動作用。2004年，美國能源局在德克薩斯州北部的Frio地層中開展了CO2咸水層封存的先導性試驗計劃[3]。該計劃利用一口注射井向Firo地層中以每天160噸左右的速率注入CO2，并利用另一口觀測井進行CO2注入前、注入過程中以及注入后的水文監(jiān)測、地球化學監(jiān)測和地球物理監(jiān)測。日本在CO2地下封存研究方面也進行了探索性的試驗項目。2000年至2007年，日本RITE研究所在長岡將大約1萬噸的CO2注入地下1200 m深的咸水層中，并采用地震波法、直接鉆孔勘查法、孔間彈性波層析法等多種手段監(jiān)測CO2在地下咸水層中的遷移狀況[4]。監(jiān)測結(jié)果表明，超臨界狀態(tài)CO2在地下咸水層中滲透速度緩慢，處于非常穩(wěn)定的封存狀態(tài)。在阿爾及利亞的In Salah地區(qū)，石油公司自2004年開始也將從天然氣中分離出來的CO2重新注入到地下咸水層中，并觀測CO2的運移過程。除了使用地震波法和鉆孔觀測等常規(guī)方法以外，還首次利用衛(wèi)星影像技術(shù)觀測注射井附近的地表運動情況[5]。此外，加拿大，德國，英國等國也先后開展了CO2在地下咸水層中封存的試驗項目研究[6]。在國內(nèi)，神華集團結(jié)合煤化油項目在內(nèi)蒙古鄂爾多斯盆地，中科院地質(zhì)與地球物理研究所龐忠和領導的研究小組結(jié)合地熱資源的利用在渤海灣盆地都開展了CO2地下咸水層封存的試驗項目。目前，相關(guān)研究正在進行之中。這兩個項目的實施將對我國今后的CO2地下咸水層封存實踐起到重要的指導作用。

CO2在巖層中的滲透過程受到多種因素的影響，由于現(xiàn)場試驗無法對各種影響因素進行有效的控制，因此，可控條件下的室內(nèi)滲透試驗成為研究CO2滲透機理的重要基礎手段。Xue等人[7～8]開展了一系列研究CO2在巖石介質(zhì)中的滲透過程的室內(nèi)試驗。他們分別將氣態(tài)、液態(tài)和超臨界狀態(tài)的CO2注入砂巖試樣中，并用彈性波檢測不同相態(tài)的CO2在巖石中的運動情況，發(fā)現(xiàn)超臨界狀態(tài)CO2在巖石中的滲透速度要遠大于氣態(tài)和液態(tài)的CO2，并且滲透性能與巖石的孔隙結(jié)構(gòu)特征緊密相關(guān)。然而囿于試驗設備和測試手段，目前CO2滲透的室內(nèi)試驗成果還相對較少。

溶解于地下水中的CO2與地下水鹽溶液及巖石礦物成分發(fā)生的化學反應也有可能影響CO2在巖層中的滲透性能。一些學者通過室內(nèi)試驗研究了CO2-地下水-巖石系統(tǒng)中所發(fā)生的化學反應[9～10]。溶解在地下水中的CO2生成的碳酸根離子能與地下水中的金屬陽離子或是巖石中的硅酸鹽礦物發(fā)生化學反應，生成碳酸鹽礦物。盡管這是礦物封存CO2的一種穩(wěn)定方式，但是生成的碳酸鹽礦物有可能聚集在巖石孔隙中，降低巖石的孔隙率，從而降低CO2在巖層中的滲透性[11]。Xiao等人[12]對CO2注入地下咸水層后的化學反應過程進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)在注射井附近的區(qū)域由于巖層中硅酸鹽礦物的溶解會導致巖石孔隙率增大，而在遠離注射井的區(qū)域由于碳酸鹽礦物的形成，巖石的孔隙率會降低。

此外，數(shù)值建模和分析也是研究CO2在地下咸水層中運移規(guī)律的重要手段。有不少學者在這方面進行了相關(guān)的工作。例如，Weir等人[13]，Pruess等人[14]對CO2注入均質(zhì)地層后的徑向擴散流動過程進行了數(shù)值模擬分析；Lindeberg[15]在CO2流動模擬過程中考慮了斷層的影響；White等人[16]，Zhang等人[17]則通過數(shù)值模擬分析了地層的不均勻性對CO2流動過程的影響；Sasaki等人[18]對CO2的注入過程進行了數(shù)值模擬研究，主要分析了地下巖層的壓力和溫度對CO2滲透過程的影響。Yamamoto等人[19]對CO2封存于東京灣地下咸水層后的遷移狀態(tài)進行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)CO2的滲透會引起淺層地下水孔隙水壓的上升并對地下水的滲流產(chǎn)生影響。在國內(nèi)，鄭艷等人[20]對江漢盆地江陵凹陷區(qū)CO2流動過程進行了數(shù)值模擬，分析了注入CO2的運移分布和溶解擴散情況。劉永忠等人[21]通過數(shù)值模擬研究了超臨界CO2注入的過程參數(shù)和咸水層特性對CO2注入特性和咸水層中飽和度分布的影響。然而，目前的數(shù)值模擬研究采用的主要是傳統(tǒng)的多相流體在多孔介質(zhì)中的滲透理論和控制方程，而尚未考慮超臨界狀態(tài)CO2流動所具有的特殊性質(zhì)，如在壓力和溫度作用下CO2在超臨界狀態(tài)-溶解態(tài)之間的相態(tài)轉(zhuǎn)化因素等。

2.2 地下咸水層的地質(zhì)條件分析與評價

考慮到CO2地下封存的安全性和空間封存效率，適合于封存CO2的地下咸水層必須滿足如下四個方面的標準[6]：（1）深度大于800 m，此時地層的溫度和壓力均在CO2的臨界點以上，能保證CO2處于超臨界狀態(tài)，具有較大的密度和較好的流動性。（2）具有容納和封存CO2的能力，即地下咸水層必須具有較大的體積規(guī)模，較大的孔隙率和較高的滲透性。（3）具有良好的封閉構(gòu)造，保證注入的CO2不會逃逸返回至大氣層。（4）處于穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境中，發(fā)生地質(zhì)構(gòu)造運動的概率小。這四個方面的要求都與CO2儲層和蓋層的地質(zhì)條件緊密相關(guān)，因此在選擇封存場所時必須對地下咸水層儲層和蓋層的地質(zhì)特征做綜合的評價。孫樞[22]總結(jié)了CO2地下封存選址時需要考慮的地質(zhì)因素，指出CO2封存場所應優(yōu)先選擇巖層完整性較好的沉積盆地，并進一步考慮其①封存介質(zhì)的特征，包括它們的幾何形態(tài)、內(nèi)部架構(gòu)、巖石學-礦物學特征、孔隙度-滲透率、非均質(zhì)性、巖石力學性質(zhì)、破裂程度和整體完整性等。②現(xiàn)場（原地）條件特征，包括應力條件、壓力、溫度、流體流動方向、地下水鹽度等。要綜合考慮這些因素必須掌握足夠的地質(zhì)勘探信息。然而對于大多數(shù)的地下咸水層，科學家們目前掌握的信息并不充分，因此在很多情況下只能從宏觀尺度上粗略地判斷某個地下巖層用于封存CO2的可行性。

為了克服認知上的不足，不少國家已經(jīng)開展了針對具有CO2封存前景的地下巖層的地質(zhì)勘探與評價工作。如Chadwick等人[23]結(jié)合挪威北海的Sleipner項目，分析了用于封存CO2的Utsira砂巖層及其上覆巖層的地質(zhì)特征。Bradshaw等人[24]對澳大利亞有可能用于封存CO2的100個沉積盆地進行了調(diào)查和分析，著重考慮它們的地質(zhì)構(gòu)造特點及用于封存CO2的可行性。日本也對具有封存潛力的地下巖層的地質(zhì)特征進行了調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)滿足封存條件的地下咸水層主要分布在近海大陸架區(qū)域[25]。在國內(nèi)，張洪濤等人[26]從我國主要的沉積盆地的地質(zhì)成因出發(fā)，分析了中國適宜CO2埋存的地質(zhì)條件和潛在的埋存區(qū)域，指出受新構(gòu)造運動的影響，我國主要大型盆地均沉積了多層組合的沉積體系，形成了較好的封存條件。如在松遼平原、黃淮海平原、長江三角洲、西北內(nèi)陸盆地、四川盆地，都有可能分布有滿足CO2封存要求的地下咸水層。但是，國內(nèi)目前關(guān)于CO2地下封存的地質(zhì)條件的調(diào)查與評價方面的具體工作尚未全面開展。

2.3 CO2封存容量的估算

在CO2地下封存實施之前，除了要對CO2封存的穩(wěn)定性進行評價以外，還必須對它的封存容量進行估算。正確可靠的估算對于封存選址以及封存方案的制定等都具有重大的意義。不少科研機構(gòu)和科學家已經(jīng)對全球或某個區(qū)域等不同尺度的CO2地下咸水層封存容量進行了評估。例如，歐洲多個研究機構(gòu)于2006年共同發(fā)起了EU-GeoCapacity項目，專門致力于評價歐洲范圍內(nèi)不同地區(qū)的CO2地質(zhì)封存潛力[27～32]。Shafeen等人[33]對加拿大Ontario地區(qū)的兩個地下咸水層的封存容量進行了計算。Ogawa等人[34]評估了日本的地下咸水層的封存潛力。國內(nèi)的相關(guān)工作也已經(jīng)逐步開展。李小春等[35]利用溶解度法估算了中國24個主要沉積盆地1000～3000m深度范圍內(nèi)的CO2封存容量。任相坤等人[36]對鄂爾多斯盆地的CO2地質(zhì)封存潛力進行了分析，初步預測CO2的封存容量大約為數(shù)百億噸。張亮等人[37]對我國南海西部的5個地下咸水層的封存潛力進行了測算。周蒂等人[38]對廣東珠江口盆地的CO2封存潛力進行了估算，預測其封存容量可達308Gt，能夠容納廣東省上百年的工業(yè)CO2排放量。

部分學者也提出了一些通用化的估算方法[39～42]。這些方法主要是通過地下咸水層的儲層體積來估算CO2的封存容量。首先根據(jù)儲層的幾何尺寸估算其體積大小，然后測算單位體積的儲層所能容納CO2的數(shù)量，進而估算整個咸水層的CO2封存容量。然而，由于在評估過程中所做的基本假定，所采用的估算手段，以及所使用的基礎數(shù)據(jù)的不同，即使對同一個封存區(qū)域，不同的科學家所得到的估算結(jié)果也往往大不相同。Bradshaw等人[43]總結(jié)了43個由不同科學家或研究機構(gòu)對世界及區(qū)域范圍內(nèi)CO2地下封存容量所做的估算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同學者對同一區(qū)域的估算結(jié)果可能存在數(shù)量級上的差異。為了克服這一困難，碳封存領導人論壇（Carbon Sequestration Leadership Forum， CSLF）已經(jīng)著手制定標準化的統(tǒng)一的評估方法來消除分歧[44]。然而，評估結(jié)果的可靠性依然取決于輸入信息的準確度，因此，通過地質(zhì)勘探和現(xiàn)場試驗研究獲取更加完整和準確的儲蓋層信息資料對于CO2封存容量的評估具有重要的意義。

3 結(jié)論與展望

作為發(fā)展中國家，我國在目前階段尚未承擔強制性的減排任務，但是我國CO2排放量已位居世界第一，面臨著巨大的減排壓力。研究開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的、經(jīng)濟高效的CO2地下咸水層封存技術(shù)，推動CO2減排，對于實現(xiàn)我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和營造良好的國際環(huán)境具有重要意義。但是，利用地下咸水層封存CO2還面臨著許多困難和挑戰(zhàn)，有許多問題需要開展進一步的研究。

（1）CO2注入地下咸水層以后，將主要以超臨界狀態(tài)的方式存在。因此，研究超臨界狀態(tài)CO2在地下咸水層中的運動與變化機理對于CO2封存的安全性和穩(wěn)定性評估具有重要的意義。目前，科學家們主要是通過CO2封存的現(xiàn)場試驗和監(jiān)測數(shù)據(jù)研究CO2封存于地下咸水層后的運動與變化規(guī)律。也有部分學者通過室內(nèi)試驗以及數(shù)值模擬分析的方法進行研究。

（2）適合于封存CO2的地下咸水層必須滿足一定的標準，這些標準涉及到地下咸水層的地質(zhì)條件的各個方面。要想全面獲得這些信息，需要進行大量和艱巨的地質(zhì)勘探和現(xiàn)場試驗工作?，F(xiàn)階段，對于大多數(shù)的地下咸水層，科學家們對相關(guān)信息掌握得還不充分，因此在很多情況下只能從宏觀尺度上粗略地判斷某個地下巖層用于封存CO2的可行性。

（3）關(guān)于CO2地下咸水層封存容量的評估，不同學者得到的估算結(jié)果存在巨大的差異，這是由于學者們所做的基本假定，所采用的估算方法，以及所使用的基礎數(shù)據(jù)的不同而造成的。為此，碳封存領導人論壇（CSLF）提出了統(tǒng)一的CO2封存能力評估的標準化方法，但是估算結(jié)果的可靠性依然取決于輸入信息的準確度。因此，通過地質(zhì)勘探和現(xiàn)場試驗等研究手段獲取更加完整和準確的地下咸水層的地質(zhì)信息對于CO2封存容量的評估具有重要的意義。

與先進國家相比，我國關(guān)于地下咸水層封存CO2方面的研究工作起步相對較晚，但是從總體上來說，國際上研究的歷史也并不算太長，世界各國整體均多處在試驗階段。因此，我國仍然具有趕超國際先進水平的機會。綜合本文的分析結(jié)果，筆者認為我國現(xiàn)階段應當加強超臨界CO2在地下咸水層中的滲流機理方面的研究工作，并在全國范圍內(nèi)對具有封存潛力的地下咸水層逐步開展地質(zhì)勘探與評價工作。

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