葛秀珍 崔秀凌 范基姣

(1.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;2.湖南省核工業(yè)地質(zhì)局三O一大隊(duì)，湖南長(zhǎng)沙410114)

CO2地質(zhì)儲(chǔ)存研究歷時(shí)尚短，但是，它對(duì)于世界各國(guó)的意義重大，由于其特殊的復(fù)雜性和可能引發(fā)的安全和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問題，人們已經(jīng)意識(shí)到制定系列法律、法規(guī)以規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，是推廣CO2地質(zhì)儲(chǔ)存技術(shù)前必須加以謹(jǐn)慎解決的問題［1］。無論國(guó)外、國(guó)內(nèi)，已有的法律、法規(guī)同CO2地質(zhì)儲(chǔ)存發(fā)展的需要都存在一定的差距。到目前為止，歐盟、美國(guó)、澳大利亞、挪威等國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)在制定專門的CO2地質(zhì)儲(chǔ)存法律、法規(guī)方面做出了嘗試，我國(guó)在這一方面僅剛剛起步［2］。

1 國(guó)外選址方法

近十年來，美國(guó)、澳大利亞、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、挪威和荷蘭等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼發(fā)布了CO2地質(zhì)儲(chǔ)存選址方法研究不斷趨于成熟。最近，美加兩國(guó)的科學(xué)家正在聯(lián)合制定CO2地質(zhì)儲(chǔ)存的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。一般而言，CO2地質(zhì)儲(chǔ)存場(chǎng)地選址通常包括2至3個(gè)階段，即初步篩選、場(chǎng)地選擇和場(chǎng)地初步鑒定。各國(guó)的研究在選址階段劃分上雖略有不同，但實(shí)質(zhì)內(nèi)容極其相似。不管劃分為幾個(gè)選址階段，其實(shí)質(zhì)問題主要是解決儲(chǔ)存量、儲(chǔ)蓋層屬性、安全評(píng)估、成本，以及場(chǎng)地地質(zhì)特征、地球化學(xué)和巖土力學(xué)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、監(jiān)測(cè)、運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)問題。

在場(chǎng)地屬性表征與評(píng)價(jià)方法上，多是根據(jù)選定的指標(biāo)按權(quán)重賦值評(píng)價(jià)。在CO2儲(chǔ)存選址評(píng)價(jià)因子研究上，通常認(rèn)為最重要的因子包括4個(gè)方面即儲(chǔ)存容量、可灌注性、長(zhǎng)期運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)性。在CO2地質(zhì)儲(chǔ)存目標(biāo)儲(chǔ)層研究方面，各國(guó)不約而同地指向3種類型目標(biāo)儲(chǔ)層，即已經(jīng)枯竭和即將枯竭的油氣藏儲(chǔ)層、深部咸水層儲(chǔ)層和因技術(shù)或經(jīng)濟(jì)原因而棄采的深部煤層儲(chǔ)層。其中，油氣藏儲(chǔ)層儲(chǔ)存CO2的研究，旨在實(shí)現(xiàn)CO2儲(chǔ)存與石油增采的雙贏［2］。

使用CO2提高石油采收率(CO2－EOR)已有近40年的研究歷史。加拿大Weyburn油田是目前世界上將CO2地質(zhì)儲(chǔ)存與提高石油采收率相結(jié)合比較成功的實(shí)例。Weyburn油田位于加拿大Saskatchewan省Williston盆地中北部，面積約180km2，原油儲(chǔ)量約14×108t。Weyburn油田CO2-EOR項(xiàng)目是加拿大能源公司的商業(yè)項(xiàng)目，2000年9月，在19井陣中首先進(jìn)行注入CO2提高石油采收率的方案，初期注氣量為每天269×104m3。目前的注氣量為每天339×104m3。其中，每天有71×104m3的CO2通過生產(chǎn)井進(jìn)行再循環(huán)。該項(xiàng)目通過把加壓的CO2氣體注入到油田儲(chǔ)層中提高了石油采收率，通過綜合監(jiān)測(cè)，查明了CO2注入儲(chǔ)層后的運(yùn)移規(guī)律，從而為建立長(zhǎng)期、安全的CO2地質(zhì)儲(chǔ)存技術(shù)提供了一個(gè)成功的范例。盡管CO2－EOR的初衷并不是為了儲(chǔ)存CO2，但是CO2－EOR的成功實(shí)施間接證明已經(jīng)枯竭和即將枯竭的油田是很好的CO2地質(zhì)儲(chǔ)存場(chǎng)地，而且在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是可行的［3］。

由英國(guó)石油公司(33%)、阿爾及利亞國(guó)家石油公司(35%)和挪威國(guó)家石油公司(32%)合資而成的In Salah Gas公司，從2004年開始在阿爾及利亞Krechba油田進(jìn)行了注CO2提高天然氣采收率(CO2-EGR)項(xiàng)目，這是世界上第一個(gè)大規(guī)模將CO2儲(chǔ)存于天然氣藏中的項(xiàng)目。預(yù)計(jì)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)，累計(jì)CO2地質(zhì)儲(chǔ)存量可達(dá)到0.17×108t。該工程由4個(gè)生產(chǎn)井和3個(gè)灌注井組成，通過1.5km的水平井將CO2灌注至背斜構(gòu)造中滲透率只有約0.5×10－3tμm2的砂巖儲(chǔ)層內(nèi)［4］。這一滲透率水平的砂巖儲(chǔ)層在歐洲、北美和中國(guó)大陸都分布得相當(dāng)廣泛。

假設(shè)地下深部的煤層具有良好的滲透性，且這些煤層以后不可能被開采，那么，該煤層也可用于CO2地質(zhì)儲(chǔ)存。向某些不可開采的深部煤層中灌注CO2，利用CO2在煤表面的被吸附能力是CH4(甲烷)的2倍的特點(diǎn)來驅(qū)替吸附在煤層中的煤層氣，可以在實(shí)現(xiàn)CO2地質(zhì)儲(chǔ)存的同時(shí)，達(dá)到提高煤層氣采收率(CO2-ECBM)的目的［5］。目前，在煤層中儲(chǔ)存CO2并提高CH4生產(chǎn)的方案仍處在示范階段。另外，如果把CO2灌注到較淺的煤層里，首先驅(qū)替出淺部煤層中的CH4，既可以充分開采利用淺部煤層中的煤層氣，同時(shí)又可以有效地避免發(fā)生煤礦瓦斯爆炸的危險(xiǎn)。但在采掘這些煤的過程中，煤層吸附的CO2又會(huì)重新釋放到大氣環(huán)境中，還是無法達(dá)到減少溫室氣體排放的目的。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的研究［6］，在所有可能的CO2地質(zhì)儲(chǔ)存選項(xiàng)中，深部咸水層CO2地質(zhì)儲(chǔ)存在全球具有最大的規(guī)模潛力。挪威國(guó)家石油公司的北海Sleipner項(xiàng)目是世界上第一個(gè)商業(yè)規(guī)模的CO2深部咸水層儲(chǔ)存項(xiàng)目，而且這是一個(gè)離挪威海岸約250km的離岸CCS項(xiàng)目。在咸水層中，Sleipner天然氣田每年可以儲(chǔ)存大約100×104t的CO2。自1996年以來，該儲(chǔ)存場(chǎng)地還沒有發(fā)現(xiàn)過任何CO2泄漏的現(xiàn)象，其成功的運(yùn)行已證明深部咸水層CO2地質(zhì)儲(chǔ)存在技術(shù)上是可行的［2］。

深部咸水層CO2地質(zhì)儲(chǔ)存和沉積盆地的研究有著非常密切的關(guān)系，這在發(fā)達(dá)的工業(yè)化國(guó)家已經(jīng)有很長(zhǎng)的研究歷史，可追溯到20世紀(jì)70年代，90年代以后得以迅速發(fā)展，隨著以氣候變化為核心的全球環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，目前，世界各國(guó)對(duì)CCS或者CCUS(CO2的捕集、利用和儲(chǔ)存)表現(xiàn)出極大的關(guān)注。美國(guó)、歐盟、挪威、日本、澳大利亞和加拿大等都制訂了相應(yīng)的規(guī)劃，開展CCS/CCUS技術(shù)的理念、試驗(yàn)、示范及應(yīng)用研究［11］。其中，挪威針對(duì)CCS中的儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，提出了一個(gè)頗為全面的關(guān)于CO2地質(zhì)儲(chǔ)存場(chǎng)地選擇和資格鑒定的指南［12］。另外美國(guó)的科研規(guī)劃、組織實(shí)施較為周密完善，并制訂了詳細(xì)的技術(shù)路線圖，而日本的研究規(guī)劃考慮地震與活斷層最為縝密［7］。

加拿大科學(xué)家Bachu認(rèn)為，評(píng)價(jià)一個(gè)沉積盆地的CO2地質(zhì)儲(chǔ)存潛力時(shí)必須考慮幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即它們所處的構(gòu)造背景和地質(zhì)特征、盆地地?zé)崽卣?、地下水的水?dòng)力特征、盆地的油氣潛力和成熟度、基礎(chǔ)設(shè)施和交通等經(jīng)濟(jì)因素，以及社會(huì)政治條件。如果考慮上述條件和氣候條件、交通便利性、基礎(chǔ)設(shè)施以及CO2捕獲和灌注成本，適宜CO2地質(zhì)儲(chǔ)存的沉積盆地的范圍將會(huì)顯著地減少。

Bachu在借鑒高放射性核廢料儲(chǔ)存評(píng)價(jià)格條件的基礎(chǔ)上，從區(qū)域構(gòu)造、盆地幾何形態(tài)、地質(zhì)條件和油氣潛力等方面，提出了盆地級(jí)別的CO2地質(zhì)儲(chǔ)存適宜性系統(tǒng)化評(píng)估體系。該體系包括15個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，每個(gè)指標(biāo)在體系中賦予明確的權(quán)重，通過對(duì)每個(gè)指標(biāo)賦予不同的權(quán)值(5個(gè)不同的權(quán)值選擇)來為不同的盆地進(jìn)行打分，從而確定評(píng)價(jià)盆地的適宜性和潛力。在15個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，只有板塊構(gòu)造和地質(zhì)特征與盆地的力學(xué)穩(wěn)地性緊密相關(guān)。這個(gè)評(píng)價(jià)方法非常靈活而且易于計(jì)算，因?yàn)樗试S同時(shí)變化各指標(biāo)在體系中的權(quán)重(相對(duì)重要性)和每個(gè)指標(biāo)的具體賦予的權(quán)值(絕對(duì)重要性)，而且所有的運(yùn)算都是簡(jiǎn)單的多項(xiàng)式操作。Bachu根據(jù)加拿大Alberta盆地的實(shí)踐應(yīng)用驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)體系的可行性［9］。

澳大利亞地球科學(xué)局(Geoscience Australia)在Bachu提出的CO2地質(zhì)儲(chǔ)存潛力與適宜性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，面向盆地級(jí)別的評(píng)價(jià)篩選出了20項(xiàng)指標(biāo)，據(jù)此將澳大利亞適宜儲(chǔ)存CO2的盆地進(jìn)行排序并編制了相關(guān)圖集，但未研究過大比例尺場(chǎng)地級(jí)別的評(píng)價(jià)指標(biāo)［8］(Rick Causebrook’s Talk at CAGS 2010)。CO2CRC于2008年發(fā)布的《CO2儲(chǔ)存項(xiàng)目?jī)?chǔ)存容量估計(jì)、選址與鑒定》(Storage Capacity Estimation，Site Selection and Characterization for CO2Storage Projects)報(bào)告中的選址方法使用了Gibson-Poole推薦的二氧化碳地質(zhì)儲(chǔ)存的場(chǎng)地鑒定工作流程的修正版評(píng)價(jià)技巧研究了澳大利亞Gippsland盆地灌注CO2過程中斷層的再激活可能性［10］。

2 分析與啟示

國(guó)外的CCS指南都強(qiáng)調(diào)了與現(xiàn)行法律/法規(guī)的一致性，以及各儲(chǔ)存技術(shù)環(huán)節(jié)的環(huán)境與安全問題。從各個(gè)指南的總體內(nèi)容來看，主要包括場(chǎng)地選擇、環(huán)境與安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、運(yùn)行和監(jiān)測(cè)，以及場(chǎng)地關(guān)閉問題等部分。其中，前三個(gè)部分是指南的核心內(nèi)容，大部分指南對(duì)于場(chǎng)地關(guān)閉和關(guān)閉后條件，以及事故處理方面的內(nèi)容涉及不多。從場(chǎng)地選擇方面來看，大部分指南將初篩、評(píng)估、選址等作為重點(diǎn);從監(jiān)測(cè)方面看，挪威提出“監(jiān)測(cè)、驗(yàn)證、計(jì)算與報(bào)告”(MMV)的監(jiān)測(cè)方法;在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面，所有的指南都指出要確定可能的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估分級(jí)，確定必要的防護(hù)措施等。各指南在方法應(yīng)用、技術(shù)范圍以及具體實(shí)施的剛?cè)嵝缘确矫娓骶咛攸c(diǎn)。美國(guó)的儲(chǔ)存指南偏重于技術(shù)方面的較多，對(duì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)的建議較少;歐盟更多地強(qiáng)調(diào)了儲(chǔ)存過程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià);英國(guó)的CCS儲(chǔ)存指南是針對(duì)咸水層儲(chǔ)存的實(shí)踐指南;挪威的儲(chǔ)存摜對(duì)場(chǎng)地的篩選、評(píng)估和選擇，運(yùn)行和許可審查以及關(guān)閉等方面都進(jìn)行了詳細(xì)地闡述;澳大利亞針對(duì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)提出了相對(duì)具體可行的評(píng)價(jià)范圍和措施等。

我國(guó)是全球第一大CO2排放國(guó)，雖然在CCS方面起步較晚，但是，今后一段時(shí)期，由煤炭發(fā)電仍然是我國(guó)電力的主要來源，因此，有效解決煤炭發(fā)電而產(chǎn)生的CO2排放問題，是我國(guó)未來能源安全和可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要因素，也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)CO2排放目標(biāo)的一個(gè)關(guān)鍵因素。如果跟蹤發(fā)達(dá)國(guó)家的做法和經(jīng)驗(yàn)，盡快開展好具有中國(guó)特色的CO2地質(zhì)儲(chǔ)存研究，是我國(guó)未來電力能源發(fā)展/減少外交糾紛和分歧、履行我國(guó)承諾的一條重要道路和途徑。

(編輯:李 望)

［1］氣候組織.CCS在中國(guó)現(xiàn)狀/挑戰(zhàn)和機(jī)遇.http://www.the climategroup.org.cn/publications/2010-07-Carbon_Capture_and_Stouage.pdf.

［2］ Metz et al.，IPCC 2005:IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storgae.Cambridge University Press，Cambridge，UK，P.431.

［3］Brown et al.，2001.Role of Enhanced Oil Recovery in carbon sequestration:The Weyburn Monitoring Project，a case study.Pan Canadian Petroleum Ltd，Calgary，Canada，p.8.;IEA GHG，2006.

［4］Riddiford et al.Monitoring Geological Storage:The In Salah Gas CO2Storage project，seventh International Conference on Greenhouse Gas Control Technologies，Regina，Canada，2004:1 －6.

［5］Wong et al.Enhanced Coalbed Methane:Micro － Pilot Test at South Qinshui，Shanxi，Chin，Eighth International Conference on Greenhouse Gas Control Techonlogies，Trondheim，Norway，2006:1 －6.

［6］Metz et al，2005;Li et al.，2009.CO2point emission and geological storage capacity in China.Energy Procedia 1，2793 －2800.

［7］Li et al.Numerical simulation on faults activities induced by the injection of CO2in deep saline aquifers，XXIII General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics(IUGG2003)Sapporo，Japan;National Energy Technology Laboratory，2010;OECD/IEA，2010.

［8］Gibson-Poole，et al.2008.Site characterization of a basin － scale CO2geological storage system:Gipposland Basin，Southeast Australia［J］.Environmental Geology，2008，54:1583 －1606.

［9］Bachu S.Screening and ranking of sedimentary basins for sequestration of CO2in geological media in response to climate change［J］.Environmental Geology，2003:44，277 －289.

［10］Van Ruth，et al.Fault reactivation potential during CO2injection in the Gippland Bsin，Australia.Exploration GEOPHYSICS，2006，37:50－59.

［11］(Bachu，S.2008.CO2storage in geological media:Role Means，Status and Barrier to Deployment.Progress In Energy and Combustion Scienec 34，254 －273;Bradshaw，J.Cook，P.，2001.Geological Sequestration of Carbon Dioxide.Environmental Geosciences 8，149 －151;Holloway，2005.Underground sequestration of carbon dioxide － a vible greenhouse gas mitigation option.Energy 30，2318 －2333;IEA GHG，R?D Programme.2007.Building Confidence in Geological Storage of Carbon Dioxide，Cheltenham，UK，p.53;Socolow，R.H.2005.Can we bury global warming?Scientific American 293，49 －55;新エネルギヘ。產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)，2002)

［12］Det Norske Veritas，2009.CO2QUALSTORE:Guidelin for Selection and Qualification of Sites and Projects for Geological of CO2.Det Norske Veritas，Hovik，Norway，p.77.