魏 寧，劉勝男，李小春，張 賢，賈國偉，魏 鳳，胡元武

(1.中國科學院 武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點試驗室，湖北 武漢 430071；2.中國21世紀議程管理中心，北京 100038； 3.中國科學院 武漢圖書情報中心，湖北 武漢 430071)

0 引 言

CO2捕集、利用與封存(CCUS)是目前實現大規(guī)?；茉戳闩欧诺闹匾夹g選擇，是未來電力、鋼鐵、水泥和化工行業(yè)的主要碳減排手段[1-5]，預計到2070年，全球上述4個行業(yè)的累計碳減排貢獻度分別可達15%、37%、50%與22%[6]。世界主要發(fā)達國家的碳中和路徑中均包含了CCUS技術[7-9]，并出臺了一系列激勵政策，如美國的45Q法案。全球范圍內大規(guī)模CCUS項目數量不斷增加[10]，CCUS已進入商業(yè)初期階段，減排規(guī)模約4 000萬t/a，規(guī)模化(百萬t/a以上規(guī)模)與集群化發(fā)展趨勢非常明顯[10]。自2004年以來我國多部委制定并發(fā)布了10余項相關國家政策和發(fā)展規(guī)劃[11-12]，有序推進CCUS技術研發(fā)和應用示范，并開展了廣泛的國際合作。目前已建成35個碳捕集與地質利用封存示范項目，累計注入CO2200萬t/a，注入能力達170萬t/a[12-14]，初步形成了CCUS技術體系。2020年，全國統(tǒng)一碳市場為CCUS技術發(fā)展提供了減排預期，碳達峰和碳中和目標對CCUS提出了更高要求[15]。

全流程CCUS主要分為CO2捕集壓縮、運輸、利用與封存環(huán)節(jié)，包含的技術、設備和材料種類多、數量大，涉及的知識產權繁雜[16]。目前鮮見各環(huán)節(jié)技術的公開研究，尤其鮮見關鍵技術現狀水平、發(fā)展特征、技術供應商等方面的評估。為推動CCUS規(guī)?；l(fā)展、關鍵技術研發(fā)示范及其知識產權保護，筆者主要采用專家評估方法對CO2地質利用與封存(CGUS)技術進行技術識別、分級、多目標與成熟度分析，最終形成關鍵技術清單和技術研發(fā)建議。

1 關鍵技術評估方法

根據魯賓斯坦(RUBENSTEIN A H)對技術評估方法的分類，評估方法有專家評估、經濟分析、運籌學評價和綜合評價4類[17-18]。專家評估法是以評價者的主觀判斷為基礎，以分數或指數等作為評價尺度，適合缺少數據資料、無法實現定量和經濟指標研究、依靠專業(yè)知識與經驗開展評估的項目。因此,現階段的CGUS關鍵技術清單研究主要采用專家評估方法。德爾菲法作為專家評估方法具有匿名性、多次反饋、小組統(tǒng)計、專家意見獨立等特點，適合研究時間長、范圍廣和資料缺乏的項目。德爾菲法技術評估流程為：

1)成立技術研究小組，技術調研、篩選、初步分類。調研分為工程現場與文獻調研，調研范圍包括中外CCUS科研技術單位、示范項目、技術設備廠家、實驗室、相關報告、著作論文、專利文獻、指南報告、技術手冊及規(guī)范材料等，調研時間為2010—2021年。

2)組成專家組。選擇具有代表性和權威性的專家，包括技術專家，研究管理人員，中石油與中石化下屬勝利油田、吉林油田、華東石油局、江蘇油田、延長油田、長慶油田、國家能源集團鄂爾多斯CCS等示范項目、華能CCS項目負責人或管理人員。

3)設計專家調查表。專家對初步篩選分類的技術從不可替代性、高效安全性、投資占比、發(fā)展?jié)摿?、技術差距與核心要素6個目標進行評分。多目標評估的評分說明見表1，最高分為5分、最低分為1分、尚無概念為0分。

技術差距是指一項技術在國內外技術成熟度的差距。技術成熟度(TRLs)是判定該技術是否優(yōu)先部署的指標[19-20]。美國能源部的研究將CCUS技術成熟度的等級分為9級[21]，考慮到有些技術在國際上已經商業(yè)化，本研究將TRLs等級增加到10級，第10級為商業(yè)化運行階段，見表2。

表2 技術成熟度分級Table 2 Classification of technical readiness levels

續(xù)表

4)實施組織調查。在前期調研基礎上，分別邀請專家對調查表評分，回收匯總后再分發(fā)給各位專家，讓專家比較修改自己的意見和判斷，最終匯總表格。

5)整理結果。每項技術的最終評分按照式(1)計算，評分S≥2.5確定為關鍵技術：

(1)

式中，S為總評分；W為目標權重；V為目標得分；n為目標數量。

2 CGUS技術識別與分類

CGUS由總到分、由粗到精逐級分類為技術領域、技術大類、技術子類、技術亞類和技術要素，如圖1所示(技術亞類只列舉部分技術)。技術領域包括陸上/海洋CO2強化深部咸水開采或咸水層封存(CO2-EWR)、陸上/海洋枯竭油氣田封存、強化石油開采(CO2-EOR)、強化煤層氣開采(CO2-ECBM)、強化天然氣開采(CO2-EGR)、強化地熱開采(CO2-EGS)、強化鈾礦地浸開采(CO2-EUL)等[12-13,19]。各領域大部分技術在傳統(tǒng)油氣、地礦等行業(yè)已經存在，具有一定的研發(fā)與應用基礎，一部分技術需針對CO2性質和復雜的地質條件進行改進優(yōu)化。這些正在或有待改進和優(yōu)化的技術在各技術領域中具有一定通用性，根據通用程度細分為共性技術和特需技術。共性技術在各技術領域的通用性較高；特需技術根據各領域的特定條件、工藝、方法形成。本文主要以陸上咸水層封存技術領域為例，梳理識別共性技術大類7項，分別為：A：場地表征與篩選技術，能夠為場地建模與性能評估、注入CO2的影響解釋和風險評估提供基準數據；B：鉆井、完井與固井技術，復雜地質條件下與CO2長期作用下的多次鉆井、完井、固井與修井技術；C：井場布置，包括注入井和生產井的關鍵技術與參數；D：井下操作，包括井下設備與關鍵參數；E：地面操作，包括地表設備、地面集輸、CO2注入與調控、與氣、油與咸水循環(huán)利用的分離、壓縮設備等；F：一體化監(jiān)測技術，包括大氣、地表、淺地層和深地的監(jiān)測技術與設備；G：場地評估與風險評價技術等。CGUS各技術領域的特需技術簡單分為2個技術大類：H：地下資源處理技術；I：碳封存與資源增采協(xié)同技術。

技術子類是對技術大類的進一步劃分，有些大類技術沒有子類技術，直接分為技術亞類。技術要素包含具體的材料、元件、結構、方法、代碼、工藝等，涉及數據較多。各領域的共性技術在技術要素級別上差別較大，如強化油氣開采、枯竭油氣田封存、海洋咸水層封存等與陸上咸水層封存的技術/設備并不相同。但這種差別在技術亞類上較小。本研究只評估到技術亞類，未區(qū)分此類技術在各領域的差別。

經過調研，共梳理識別出CGUS重要的技術亞類127項，包含共性技術109項，特需技術18項。圖1列舉了部分亞類技術，表3展示了各CGUS技術領域的特需亞類技術。

表3 CO2地質利用與封存的特需技術Table 3 Special technologies for CGUS

圖1 CO2地質利用與封存技術分類框架Fig.1 Classification framework of CO2 geological utilization and storage technology

3 CGUS技術評估

3.1 關鍵技術

3.1.1技術評估

127項亞類技術的多目標評估結果如圖2所示(橫坐標為子類技術的編號，如8表示A8～I8)。

圖2 CO2地質利用與封存多目標評估結果Fig.2 Multi-objective evaluation results of CGUS

1)S<2.5的技術占76%，大部分技術不是關鍵技術，在規(guī)?；こ讨锌梢员惶娲杀竞屯顿Y占比低，未來發(fā)展?jié)摿π?，且技術成熟度高。

2)S≥2.5的技術占24%，關鍵技術不可替代，成本和投資占比高，未來發(fā)展?jié)摿Υ?，但國內技術成熟度較低。

約81%的關鍵技術分布在A：場地表征與篩選、G：場地評估與風險評價、I：碳封存與資源增采協(xié)同技術大類中(圖3)。A大類可深入研發(fā)的技術包括高精度的場地表征與場地解釋技術，解釋儲蓋層及巖性的空間展布，場地封存效率研究，與集成場地表征數據的耦合模擬分析算法與軟件。G大類包含場地CO2泄漏評價、力學穩(wěn)定性評價、環(huán)境影響評價、長期風險評價預測、地層和斷層泄漏補救工藝、廢棄鉆井修復工藝等。其中儲蓋層與斷層的泄漏補救設備與工藝是基于監(jiān)測數據預測泄漏模式、路徑和規(guī)模；風險處置主要在于導向性鉆井技術及先進的封堵材料和鉆井封堵技術等。I大類為特需技術，多技術領域下全部為關鍵技術。

圖3 CO2地質利用與封存關鍵技術占比Fig.3 Proportion of key technologies in CGUS

從5個評估目標來看，100%關鍵技術具有不可替代性，93%技術涉及場地的高效與安全性，3D/4D/VSP高精度地震與解釋技術投資占比最高，48%技術中國內外技術差距不大于1；81%技術發(fā)展?jié)摿^大(圖4，1～5為S技術評分)，如廢棄鉆井勘察與評估技術、斷層勘察與表征、源匯匹配、場地性能評估技術、鉆井修復工藝、衛(wèi)星或機載光譜成像、數據同化與泄漏風險預測、鉆井完整性測試與評價、大規(guī)模注入誘發(fā)地震監(jiān)測與風險評估等技術。

3.1.2技術清單

CGUS關鍵技術清單及技術的國內外成熟度分析如圖5所示。總體上國內關鍵技術的技術水平比國外落后1～2個級別，部分關鍵技術與國際水平差距不大。關鍵技術的特征分布主要分為4種情況：

圖5 CGUS關鍵技術清單Fig.5 Inventory of CGUS key technologies

1)國內外都比較成熟，水平相差不大的技術(TRLs=7～8，差距為0～2)，占比10%，如衛(wèi)星或機載多光譜成像及多參數聯(lián)合解釋、3D地震/VSP地震。

2)國內外均剛起步的技術(TRLs=5，差距為0～1)，占比29%，如斷層勘察與表征、熱儲的換熱效率提升技術、力學穩(wěn)定性監(jiān)測與評估(力學長期穩(wěn)定性與變形分析)、高溫鉆完井與調控技術、地下水/地熱增采與CO2封存協(xié)同優(yōu)化、大規(guī)模注氣與控制技術等。其中注入控制技術需實現單層/多地層內壓力與CO2暈遷移控制，在具有復雜沉積環(huán)境與構造的儲層內實現CO2高效與安全注入，并控制注入活動的影響范圍，充分利用地下孔隙空間的同時實現地下資源增采。此技術需針對油田、氣田和咸水層的不同對象與條件進行調整優(yōu)化。

3)必須突破且難度較大的技術(TRLs=5，差距為2～4)，占比23%，廢棄鉆井勘察與評估技術、多參數綜合分析與取值、鉆井修復工藝、蓋層泄漏監(jiān)測與風險評估、場地尺度地質建模工具(用于場地評估)、場地性能模擬分析軟件等。

4)當前需著力突破的，在即將啟動的示范工程中可能用到，或短期可以突破的技術(TRLs=6，差距為0～2)，占比39%，我國示范工程通過優(yōu)選場地與工藝路線，不需用到所有關鍵技術，也不要求這些技術必須達到商業(yè)化水平，如監(jiān)測數據同化與泄漏風險預測技術、井底設備(封堵)及關鍵參數、鉆井完整性測試與評價、場地評估與篩選方法(源匯匹配、場地性能評價與可研技術)、原油增采與CO2封存協(xié)同優(yōu)化、深部熱儲的高效構建-高溫鉆完井與監(jiān)控技術、鈾資源增采與CO2封存協(xié)同優(yōu)化、煤層氣增采與CO2封存協(xié)同優(yōu)化等碳封存與資源增采協(xié)同技術。

3.2 監(jiān)測技術

場地監(jiān)測技術是涉及CGUS安全性的關鍵技術[22]。監(jiān)測目的是為評估項目運行狀況和風險管理提供基礎信息，同時也為量化核查CO2減排量提供依據[23]。場地監(jiān)測技術亦為場地表征技術的時移過程，完整的動態(tài)監(jiān)測周期包括注入前、注入、注入后與閉場4個階段[24-25]。雖然不同階段監(jiān)測的目的和手段不同，總體上監(jiān)測技術主要監(jiān)測CO2時移變化量。

場地監(jiān)測技術是現有技術水平與CGUS規(guī)?；痉豆こ绦枨笾g存在較大差距的技術。大部分監(jiān)測技術本身已經成熟且在多行業(yè)內商業(yè)化應用，但暫時不滿足CGUS大規(guī)模工程需求。CGUS工程需要在CO2環(huán)境中具有耐久性、高可靠性與高精度的連續(xù)監(jiān)測設備。因此盡管大部分監(jiān)測技術未歸類到關鍵技術，但還需進一步研發(fā)和驗證，適應CO2環(huán)境和深地環(huán)境，提高長期耐久性、監(jiān)測精度和結果解釋的可靠性。為了解監(jiān)測技術的適用范圍、技術局限、應用程度和研發(fā)方向，根據美國國家能源技術國家實驗室(NETL)的監(jiān)測技術指南和監(jiān)測技術文獻綜述[12,20,25-28]，介紹了F：一體化監(jiān)測技術的技術亞類，具體見表4。

表4 CGUS的主要監(jiān)測技術[12,20,25-28]Table 4 Main monitoring techniques for CGUS[12,20,25-28]

續(xù)表

大氣監(jiān)測主要是監(jiān)測大氣CO2體積分數；地表與淺表監(jiān)測主要監(jiān)測地表與淺表的水氣成分與通量、地表形變、土壤水氣理化參數與生態(tài)環(huán)境等；地下監(jiān)測和評估的內容包括鉆孔的完整性與蓋層密封性、CO2與反應物運移(溶質遷移)范圍、地下壓力影響范圍、地質力學影響等；并在地下監(jiān)測基礎上開展相應的安全評估與風險管理。目前已經用于示范工程的場地監(jiān)測技術包括三維地震探測、多分量微震監(jiān)測、微震監(jiān)測、地球物理測井、地球化學測井、井底壓力/溫度監(jiān)測、氣泡檢測和土壤氣體濃度與通量等，但這些技術在針對CO2特征監(jiān)測與結果解釋的精度和可靠性上還需進一步提升。

場地監(jiān)測技術需要研發(fā)一體化監(jiān)測體系，建立預測性強且操作性好的預警指標與判據，形成滿足監(jiān)測需求的經濟性與空間覆蓋最優(yōu)的監(jiān)測網絡。大部分亞類監(jiān)測技術的技術要素都需要加強研究，如星載光譜成像監(jiān)測技術要重點研究大范圍、低成本、高精度的地表三維變形、溫度、氣體濃度、植被與泄漏點早期識別等；近地表土壤氣分布式遠程監(jiān)測技術需重點監(jiān)測地表土壤中CO2等關鍵污染物質含量；深層流體狀態(tài)監(jiān)測技術的關鍵是對深層流體狀態(tài)與成分的多變量監(jiān)測；流體運移與地層破裂的微震監(jiān)測與解釋，重點是耐久、高靈敏度的地下傳感器及監(jiān)測結果的高精度解釋方法[29-33]。

3.3 其他可研發(fā)技術

除了關鍵技術和監(jiān)測技術，還有部分技術需進一步研發(fā)：

1)鉆井、完井與固井。包括針對儲蓋層精細表征的導向鉆完井技術、應對長期CO2腐蝕的固井水泥、套管與井下作業(yè)設備等。

2)井下操作的長壽命耐腐蝕技術。主要包括耐高壓高溫、高濃度CO2與鹽水腐蝕的井下設備和材料。

3)井場布置。針對CO2低驅替效率進行優(yōu)化，通過鉆井布置實現強非均質地層內的驅替剖面調控；同時控制CO2遷移范圍、壓力集聚邊界、地層變形及其對敏感目標的影響。

3.4 研究不足

本文開展了長期綜述及定性結合定量的評估工作，但研究方法還存在諸多不足，如技術清單不完整、篩選指標的評分存在一定主觀性。未來規(guī)模化封存中可能出現對封存安全、封存效率與成本產生顛覆性影響的新技術，本文未作出相應的預測與判斷。

關鍵技術的研究還需在廣度和深度2方面拓展。擴大技術清單范圍，深入研究技術要素級別或更細級別；精度與可靠性的刻畫需要細化到具體參數。本類工作需要隨科學認識、技術發(fā)展、工程應用的范圍與深度不斷拓展而更新。

4 技術研發(fā)與示范建議

4.1 技術研發(fā)方向

CO2地質利用與封存的關鍵技術主要集中在場地表征與篩選、場地評估與風險評價、碳封存與資源增采協(xié)同、地下資源處理、場地監(jiān)測與風險管理等技術大類?，F有的技術基本可滿足部分技術領域開展大規(guī)模示范工程的需求，但一些關鍵技術與國際水平還有一定差距，特別是技術的精度與可靠性方面。因此，CGUS必須提升已有技術的精度與可靠性，并分類別突破，為構建CCUS產業(yè)的核心競爭力奠定基礎。

1)技術研發(fā)的目的是降低關鍵技術成本與提高技術精度，針對提高地下封存CO2的安全性、高效性與可靠性方向進行改進。

對于共性技術需要開展適應CO2環(huán)境和復雜地質條件的研發(fā)，包括并不限于：① 高精度地層層序勘探、儲蓋層與巖性解釋；② 高效率、高精度、高可靠性地震勘探設備、測井設備及數據解釋技術(針對地層對CO2反饋特征)；③ 地層數據聚合技術，以開發(fā)高采集效率和低成本的方法獲得多分量地震數據為發(fā)展方向；④ 場地性能模擬與地層評價的技術、軟件與綜合平臺；⑤ 基于精細表征的自動智能導向鉆完井技術和相應裝備；⑥ 抗CO2腐蝕和高可靠性的井下與地表設備；⑦ 高效、低成本與長期運行的場地監(jiān)測技術體系；⑧ CO2地質封存風險預測與風險管理技術及相應裝備等。

對于特需技術需要開展針對性研發(fā)與示范，在CGUS實施規(guī)?；瘻p排前，提高技術成熟度和經濟性。關注地下空間管理與優(yōu)化、地下儲蓋層空間地質模型(大尺度地質大數據)、精細地質模型(巖性與參數空間展布)、碳封存與資源增采協(xié)同優(yōu)化方法等關鍵技術。

2)開展核心技術要素的研發(fā)，提高技術含金量與附加價值。具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g要素包含高精度傳感器、高可靠元件、耐腐蝕材料、新型結構、新型加工工藝、核心算法與代碼等。這些要素的技術水平與國際水平存在很大差距，目前高度依賴進口，直接影響到關鍵技術與設備的研發(fā)與大規(guī)模應用。核心要素的突破可能帶來整個技術性能和可行性的飛躍，如高精度溫度、壓力、pH、化學成分等物理參數與化學參數傳感器，耐CO2密封元件，井下試劑或緩釋劑(井下防腐)，CO2行為預測、完井水泥(耐CO2長期腐蝕)等。即使未列入關鍵技術清單的技術和設備也可通過材料、結構、算法、軟件、工藝等方面技術要素進步，大幅提高相關技術與裝備的精度與可靠性，助力規(guī)?；疌O2地質利用與封存。

3)除具體技術外，宏觀研究方面需部署化石基能源與工業(yè)減排戰(zhàn)略、產業(yè)規(guī)劃研究、CO2排放源和CO2適宜封存場地的源匯匹配、CCUS與多行業(yè)集成戰(zhàn)略等，對具有CCUS優(yōu)勢的產業(yè)基地開展CCUS預留的戰(zhàn)略布局，為未來碳深度減排提供產業(yè)基礎與地下空間。

4.2 技術研發(fā)策略

通過技術清單的分析，依據不同技術類別可進行針對性技術研發(fā)策略：

1)加快部署關鍵技術的研發(fā)，開展知識產權申請和保護，縮小關鍵技術和設備在知識產權方面與國際的差距。有針對性、分類、有秩序地提出CCUS的專利布局。

2)探索CO2利用國家重大基礎設施研發(fā)平臺，有效整合產學研用等力量，結合不同領域、行業(yè)與企業(yè)的研發(fā)力量，重點開展CO2驅替資源技術與場地安全性驗證裝置建設，支撐規(guī)?；疌O2利用與封存工程的關鍵特需技術突破，同時實現其他共性技術的提升與驗證。

3)對于現有性能與大規(guī)模工程實施要求差距較大的技術，建議依據不同階段對其展開不同的研發(fā)策略。積極開展地質條件特需設備與軟件技術研發(fā)，如針對CO2運移的高精度3D地震監(jiān)測與精細解釋等；對成熟度較低的技術和設備，充分利用國內資源吸引企業(yè)參與技術和裝備研發(fā)；通過多個示范工程提升并整合CGUS的技術、裝備、軟件與人才，形成相應的產業(yè)鏈。