趙金洲 鄭建超 任 嵐 林 然 周 博

（1. 西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500；2. 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500；3. 天府永興實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610213）

0 引 言

CO2捕集、利用和封存（CCUS）是中國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重大需求和關(guān)鍵核心技術(shù)，也是全球研究的熱點(diǎn)，全球目前共有270 多個(gè)CCUS 研究項(xiàng)目［1］，CO2地質(zhì)封存是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，CO2地質(zhì)封存分為陸域封存和海域封存，而海域封存是今后重要的研究方向。近年來(lái)，許多國(guó)家均已開(kāi)展了CO2海洋封存相關(guān)研究與商業(yè)示范。世界上第1 個(gè)CO2海洋封存商業(yè)項(xiàng)目Sleipner 于1996 年在挪威北海投入運(yùn)行，項(xiàng)目啟動(dòng)以來(lái)已經(jīng)在水層中注入了超過(guò)2 000×104t 的CO2，封存至今已有20 多年未發(fā)生泄漏，證實(shí)了CO2長(zhǎng)期海洋封存的可行性［2］。

中國(guó)沿海地區(qū)工業(yè)發(fā)達(dá)、碳源豐富，近海盆地具有良好的儲(chǔ)蓋層物性和圈閉特征［3］，具備海上封存的適宜性條件。2023 年1 月中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局首次發(fā)布中國(guó)海域CO2地質(zhì)封存預(yù)測(cè)潛力達(dá)2.58×1012t，海上CO2地質(zhì)封存潛力巨大。2021 年8 月，中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)中海油）在珠江口盆地恩平15-1 油田群?jiǎn)?dòng)了中國(guó)首個(gè)海上CO2封存示范工程（海碳封存），已成功研發(fā)出海上平臺(tái)CO2捕集、處理、注入、封存和監(jiān)測(cè)的全套技術(shù)裝備體系。因此，海上CO2地質(zhì)封存是應(yīng)對(duì)中國(guó)濱海發(fā)達(dá)地區(qū)溫室氣體排放的重要舉措，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)［4］。

本文基于國(guó)內(nèi)外海洋CO2地質(zhì)封存的相關(guān)代表性研究工作以及示范項(xiàng)目案例，綜合分析了國(guó)內(nèi)外海洋CO2地質(zhì)封存發(fā)展歷程，系統(tǒng)梳理了國(guó)內(nèi)外海洋CO2地質(zhì)封存理論的研究現(xiàn)狀，并對(duì)CO2在井筒流動(dòng)、產(chǎn)生相變與傳熱、地質(zhì)封存CO2流體運(yùn)移與儲(chǔ)層物性參數(shù)展布規(guī)律、海洋地質(zhì)封存機(jī)制及封存潛力、地質(zhì)封存蓋層完整性及安全性評(píng)估進(jìn)行了系統(tǒng)分析，提出了未來(lái)中國(guó)近海CO2海洋封存發(fā)展趨勢(shì)，以期為中國(guó)海上CO2地質(zhì)封存的快速開(kāi)展提供參考與指導(dǎo)。

1 國(guó)內(nèi)外海洋CO2地質(zhì)封存發(fā)展歷程

CO2海洋封存分為2 類(lèi)：一類(lèi)是海洋水體封存，即在海水中和海床上進(jìn)行封存（如海底CO2湖等）；另一類(lèi)是海洋地質(zhì)封存，是在海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)層中進(jìn)行封存［5］（圖1）。海洋CO2地質(zhì)封存是將CO2通過(guò)海上注入平臺(tái)充注到海底800~3 000 m 的深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)體中（主要是咸水層和枯竭油氣藏），CO2由于深海地層中蓋層封閉、溶解、束縛、吸附、礦化等過(guò)程而被捕獲，從而達(dá)到封存目的。與陸域封存相比，海洋地質(zhì)封存遠(yuǎn)離居民區(qū)，除巖石蓋層外，表層更有海水的壓力和阻隔，系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)性大大降低，具有不占用土地、對(duì)人類(lèi)生命安全和健康影響風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)勢(shì)［6］。全球海上CO2封存目前處于蓬勃發(fā)展階段，已開(kāi)展封存先驅(qū)實(shí)驗(yàn)，部分發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)行全流程商業(yè)示范項(xiàng)目（表1），取得了較好的成效，驗(yàn)證了CO2海洋封存的可行性。中國(guó)CO2海洋封存項(xiàng)目開(kāi)展較晚，2008 年原國(guó)家海洋局啟動(dòng)“中國(guó)CO2海底封存能力評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)預(yù)研究”項(xiàng)目，開(kāi)展了沿海地區(qū)CO2大型固定排放源調(diào)查、CO2海底儲(chǔ)存區(qū)域及容量研究、海底封存泄漏風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等工作；2010 年啟動(dòng)了中英合作項(xiàng)目“廣東省CO2捕集與封存可行性研究”，探討廣東省開(kāi)展CCUS 的必要性、可能性及成本效益等問(wèn)題；2021 年8 月，中海油啟動(dòng)的珠江口盆地恩平15-1海上CO2封存示范項(xiàng)目將油氣田伴生CO2分離后注入埋深較淺的咸水層，規(guī)劃注入量可達(dá)30×104t/a，投產(chǎn)后將為中國(guó)海上CO2封存探索一條新路，也為未來(lái)推動(dòng)“岸碳入海封存”做好全面技術(shù)準(zhǔn)備；2023 年1 月簽署的《在中國(guó)大亞灣地區(qū)開(kāi)發(fā)和運(yùn)營(yíng)碳捕集、利用與封存項(xiàng)目聯(lián)合研究協(xié)議》正式啟動(dòng)了中國(guó)首個(gè)海上千萬(wàn)噸級(jí)CCUS 集群示范項(xiàng)目的聯(lián)合研究工作。

表1 國(guó)外海洋CO2地質(zhì)封存典型項(xiàng)目Table 1 Typical marine CO2 geological storage projects abroad

圖1 海洋CO2封存示意Fig. 1 Schematic of marine CO2 storage

2 海洋CO2地質(zhì)封存理論研究進(jìn)展及存在的問(wèn)題

海洋CO2封存的概念在20 世紀(jì)70 年代由C.Marchetti［7］首次提出，但海洋封存的研究直到20 世紀(jì)90 年代才真正開(kāi)始；F.M.orr［8］對(duì)近海岸海洋地質(zhì)封存方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹；2021 年，蔡博峰等［9］在中國(guó)CO2捕集利用與封存（CCUS）年度報(bào)告（2021）中闡述了CO2捕集、輸送、利用與封存技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展水平（圖2）。

圖2 國(guó)內(nèi)外CCUS技術(shù)發(fā)展水平(據(jù)文獻(xiàn)[9]修改)Fig. 2 Development level of CCUS technology in China and abroad（modified from reference[9]）

2.1 井筒流動(dòng)、相變與傳熱

注入到海底的CO2會(huì)經(jīng)過(guò)2 階段：一是通過(guò)海上注入平臺(tái)注入到海底泥線(xiàn)處，此階段井筒始終處于海水中，而海水中的溫度會(huì)隨著深度的增加而逐漸下降，這與地溫梯度的變化相反，CO2從井口以低溫注入，由于其初始溫度低于海水溫度，CO2在下降的過(guò)程中不斷吸收海水中的熱量，但其增加幅度隨著靠近海底而減小，直至到達(dá)海底泥線(xiàn)處；二是從海底泥線(xiàn)處注入到海底800~3 000 m 的深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)體中，由于此階段井筒處在地層中，溫度壓力變化同陸上保持一致，隨著深度的增加，井筒中的溫度和壓力不斷增大，井筒內(nèi)CO2相態(tài)和流動(dòng)狀態(tài)隨之發(fā)生變化。因此準(zhǔn)確預(yù)測(cè)井內(nèi)溫度與壓力是研究井筒中CO2流動(dòng)與相變的關(guān)鍵基礎(chǔ)。在早期的鉆采工程中，井筒壓力和溫度模型是相對(duì)獨(dú)立的，隨著計(jì)算能力的飛速發(fā)展，發(fā)展了一系列的井筒流動(dòng)與傳熱耦合模型［10］。

然而，對(duì)于海洋CO2地質(zhì)封存工程來(lái)講，井筒內(nèi)的流體介質(zhì)主要是CO2以及CO2-鹽水等混合物，CO2在井筒流動(dòng)過(guò)程中，其相態(tài)以及熱物性參數(shù)是壓力與溫度的函數(shù)（圖3），隨著井筒深度不斷變化［11］；井筒外部既包括地層環(huán)境還存在海水環(huán)境，而井筒在海水環(huán)境中的溫度梯度與地層條件的溫度梯度變化截然不同，所以針對(duì)油氣田領(lǐng)域中所涉及石油、天然氣、水等常規(guī)流體介質(zhì)而發(fā)展的傳統(tǒng)井筒流動(dòng)與傳熱模型并不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出CO2注入井的溫度和壓力分布。因此，需要進(jìn)一步研究在海洋條件下井筒及儲(chǔ)層CO2的流動(dòng)與傳熱過(guò)程，進(jìn)而預(yù)測(cè)井下CO2相態(tài)轉(zhuǎn)變，這將有助于優(yōu)化井口注入?yún)?shù)，確保CO2封存效率和工程場(chǎng)地的安全性。

圖3 CO2流體相態(tài)變化Fig. 3 Variation of CO2 fluid phase

考慮到海洋CO2地質(zhì)封存工程對(duì)于安全性的特殊要求，必須基于不同狀態(tài)的CO2熱物性參數(shù)計(jì)算，發(fā)展專(zhuān)門(mén)適用于CO2流體特性的井筒流動(dòng)與傳熱模型。在這方面已經(jīng)有許多國(guó)外學(xué)者做出了研究，其中Span-Wagner 模型［12］和Vesovic 模型［13］的應(yīng)用最為廣泛。通過(guò)采用數(shù)值方法耦合求解描述流體運(yùn)移的質(zhì)量方程、動(dòng)量方程以及能量方程，發(fā)展出了研究CO2及其混合物流動(dòng)行為的數(shù)值程序［11］；同時(shí)考慮到漂移模型能較好地描述復(fù)雜滲流的物理現(xiàn)象，提出了描述CO2-鹽水兩相瞬時(shí)流動(dòng)的數(shù)值井筒流動(dòng)與傳熱模型，并將其編譯成數(shù)值模擬器T2Well［14］。另外，國(guó)外學(xué)者發(fā)展了一系列CO2井筒流動(dòng)與傳熱模型［15-18］，并在工程應(yīng)用與驗(yàn)證方面作出了一定的貢獻(xiàn)。

國(guó)內(nèi)研究者采用Span-Wagner 模型計(jì)算CO2密度、比熱容，采用Vesovic 模型計(jì)算CO2黏度和導(dǎo)熱系數(shù)，根據(jù)傳熱學(xué)和垂直管流理論、流體動(dòng)力學(xué)，建立了井筒溫度壓力耦合模型［19-24］，得到CO2從氣態(tài)或液態(tài)轉(zhuǎn)變到超臨界態(tài)過(guò)程中其物性參數(shù)呈連續(xù)性變化的結(jié)論，并通過(guò)該模型進(jìn)行耦合計(jì)算和分析井筒傳熱規(guī)律［25］。在CO2封存過(guò)程中，考慮到井筒中流體摩擦生熱、軸向傳熱以及井壁圍巖的溫度變化對(duì)流場(chǎng)的影響［26］，建立了考慮熱源項(xiàng)的CO2井筒流動(dòng)解析模型，實(shí)現(xiàn)了井深和徑向方向的雙重耦合數(shù)值求解［27］。在海洋CO2封存過(guò)程中，由于海洋井筒外界環(huán)境復(fù)雜，通過(guò)對(duì)井筒中流場(chǎng)壓力參數(shù)、溫度參數(shù)與CO2物性參數(shù)的耦合計(jì)算與分析，明晰了海洋井筒中CO2流動(dòng)規(guī)律［28］；建立了深水井筒中多相流控制方程，能夠?qū)ι钏鳂I(yè)過(guò)程中井筒流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行模擬［29］；通過(guò)模擬深海條件以及利用“模擬深水井筒氣液兩相流傳熱系統(tǒng)”進(jìn)行了管內(nèi)氣液兩相流傳熱規(guī)律實(shí)驗(yàn)，得出了不同流型的傳熱方程計(jì)算式并建立了深水井井筒傳熱模型［30］。在CO2泡沫壓裂研究中，考慮CO2可壓縮性以及井筒壓力傳遞特性，并通過(guò)體積平均法將支撐劑固相與CO2泡沫耦合，建立了CO2壓裂井筒流動(dòng)換熱和儲(chǔ)層熱-流-固耦合的數(shù)學(xué)模型，以鄂爾多斯盆地神木氣田致密砂巖氣藏SH52 井為例，對(duì)CO2注入―壓裂―返排的全過(guò)程CO2相態(tài)特征進(jìn)行模擬［31］，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度數(shù)據(jù)對(duì)比誤差較小，具有一定的可靠性。

目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者開(kāi)展了對(duì)CO2陸地井筒與注常規(guī)流體的深水井筒等方面的研究，但對(duì)注CO2深水井筒流動(dòng)規(guī)律方面的研究尚未開(kāi)展，相比于陸地井來(lái)說(shuō)，深水井筒外界環(huán)境溫度變化更加復(fù)雜，因此準(zhǔn)確建立注CO2流體深水井筒流動(dòng)和傳熱模型，探明CO2在井筒中的相態(tài)及熱物性參數(shù)變化將會(huì)為海洋CO2地質(zhì)封存的成功開(kāi)展提供更多的理論支持。

2.2 地質(zhì)封存CO2流體運(yùn)移與儲(chǔ)層物性參數(shù)展布規(guī)律

CO2通過(guò)海上注入平臺(tái)充注到海底800~3 000 m 的深層地質(zhì)結(jié)構(gòu)體中，其封存儲(chǔ)層主要是咸水層和枯竭油氣藏，CO2在封存儲(chǔ)層中的流動(dòng)比較復(fù)雜（圖4），同海底儲(chǔ)層孔隙水、巖石體系間的物理化學(xué)作用會(huì)影響儲(chǔ)層物性。因此明確儲(chǔ)層物性展布規(guī)律與CO2運(yùn)移規(guī)律響應(yīng)關(guān)系是明晰CO2地質(zhì)封存過(guò)程中超臨界CO2運(yùn)移及封存的研究基礎(chǔ)，揭示CO2運(yùn)移規(guī)律與井筒、儲(chǔ)層之間的熱-流-化-力耦合關(guān)系成為研究CO2地質(zhì)封存機(jī)制的關(guān)鍵，對(duì)儲(chǔ)層封存潛力評(píng)估及CO2封存安全性評(píng)價(jià)有著顯著意義。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)儲(chǔ)層流體運(yùn)移與儲(chǔ)層物性參數(shù)展布規(guī)律開(kāi)展了大量研究。

圖4 CO2在儲(chǔ)層中流動(dòng)示意Fig. 4 Schematic flow of CO2 in reservoirs

國(guó)外對(duì)于封存儲(chǔ)層CO2流體運(yùn)移與儲(chǔ)層物性參數(shù)研究早于中國(guó)，B.Bennion 等［32］首先探究了在砂巖地層開(kāi)展CO2地質(zhì)封存的可行性。隨后有學(xué)者研究了咸水層中CO2封存運(yùn)移規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)CO2注儲(chǔ)于咸水層中，由于密度差和注入壓力的作用會(huì)向上遷移，密度較小的CO2將會(huì)向上運(yùn)移，大量聚集在蓋層之下，形成圈閉空間進(jìn)而將CO2儲(chǔ)存起來(lái)。如果海底發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害或地殼運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致咸水層蓋層發(fā)生裂隙，CO2將發(fā)生局部泄漏，透過(guò)裂隙向上運(yùn)移。由于海底平面和海底深部咸水層中間的沉積物層中構(gòu)成了CO2水合物生成的有利空間和環(huán)境條件，形成了不可滲透或超低滲透的水合物蓋層，從而阻擋了泄漏的CO2進(jìn)一步向上運(yùn)移，實(shí)現(xiàn)CO2的二次阻隔［33-35］。K.Z.House 等［36］通過(guò)理論分析認(rèn)為影響CO2運(yùn)移的因素主要是：①流體運(yùn)移與注入過(guò)程產(chǎn)生的壓力梯度；②液態(tài)CO2和咸水層流體間因密度差引起的浮力；③在咸水層中溶解、礦化或水合物的形成對(duì)孔隙的“阻塞”等。同時(shí)，也有學(xué)者通過(guò)進(jìn)一步研究滲透率和毛細(xì)管壓力等地層物性參數(shù)對(duì)CO2運(yùn)移的影響［37-38］，并結(jié)合CT 掃描技術(shù)，闡述了巖石非均質(zhì)性及注入速率對(duì)儲(chǔ)層中CO2飽和度的影響［39］。

國(guó)外的大量研究結(jié)果表明［40-46］，儲(chǔ)層溫度、壓力、孔隙度、滲透率、鹽水礦化度等儲(chǔ)層物性參數(shù)對(duì)探究CO2在儲(chǔ)層分布情況及儲(chǔ)層內(nèi)部CO2運(yùn)移機(jī)制有顯著意義。在海洋CO2地質(zhì)封存工程中，掌握CO2運(yùn)移狀態(tài)是判定儲(chǔ)層封存潛力和封存穩(wěn)定性的前提。隨著碳捕集、碳封存技術(shù)的發(fā)展，國(guó)外在CO2運(yùn)移監(jiān)測(cè)方面主要采用地球物理技術(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)手段。基于井間地震層析成像、測(cè)井和原位流體監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，分別從微觀(guān)和宏觀(guān)尺度研究了CO2運(yùn)移規(guī)律及分布特征［47-48］，并利用可控源大地音頻電磁法分析了CO2運(yùn)移監(jiān)測(cè)的靈敏性［49］。也有學(xué)者基于四維地震監(jiān)測(cè)資料，利用歷史擬合方法以及黑箱模型研究了CO2的運(yùn)移規(guī)律［50］。

國(guó)內(nèi)對(duì)于地質(zhì)封存CO2流體運(yùn)移與儲(chǔ)層物性參數(shù)展布的研究，主要集中在多相復(fù)雜流體運(yùn)移規(guī)律及相態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)理方面。針對(duì)CO2在儲(chǔ)層當(dāng)中的相態(tài)變化及空間展布規(guī)律開(kāi)展了廣泛研究，構(gòu)建了高精度CO2流體相態(tài)變化特征預(yù)測(cè)模型，在理論上支撐了CO2地質(zhì)封存施工及優(yōu)化設(shè)計(jì)［51-53］。W.F.Pu等［54-62］深入研究了CO2封存輔助提高采收率（CO2-EOR）技術(shù)機(jī)制，其研究結(jié)果系統(tǒng)性地探討了井筒及儲(chǔ)層中超臨界CO2與油水的耦合關(guān)系及運(yùn)移機(jī)理，并評(píng)估了向特定儲(chǔ)層注入CO2的可行性。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者分別從宏觀(guān)和微觀(guān)角度分析了不同因素對(duì)CO2埋存及運(yùn)移規(guī)律的影響，明晰了儲(chǔ)層中氣-水兩相運(yùn)移特征的重要參數(shù)及超臨界CO2埋存潛力與不同韻律剖面模型的響應(yīng)關(guān)系［63-65］。

為了進(jìn)一步揭示儲(chǔ)層中CO2運(yùn)移機(jī)理及展布規(guī)律，Y.Tang 等［66］考慮到CO2埋存過(guò)程中CO2與地層水及巖石的相互作用，結(jié)合巖石礦物質(zhì)量、表面微觀(guān)形貌、地層水溶液pH、毛細(xì)管壓力等因素，建立CO2擴(kuò)散滲流模型［67］。同時(shí)，相關(guān)學(xué)者結(jié)合CO2埋存過(guò)程中儲(chǔ)層流體運(yùn)移特性申報(bào)了多項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利，對(duì)CO2地質(zhì)封存過(guò)程中流型流態(tài)監(jiān)測(cè)及運(yùn)移規(guī)律的工程實(shí)測(cè)逐漸增多。

2.3 海洋地質(zhì)封存機(jī)制及封存潛力

海洋CO2地質(zhì)封存機(jī)制和封存潛力是海洋封存研究的核心問(wèn)題之一，中國(guó)海域地殼穩(wěn)定性好、沉積盆地分布廣、地層厚度大、構(gòu)造地層圈閉多，具備封存CO2的良好地質(zhì)條件。相對(duì)陸上碳封存而言，中國(guó)的海洋地質(zhì)碳封存研究仍以碳封存潛力評(píng)估為主（不同地區(qū)封存量如表2 所示），對(duì)于海洋地質(zhì)封存機(jī)制研究較少，因此圍繞典型海底儲(chǔ)層條件下構(gòu)造封存、殘余氣（束縛）封存、溶解封存、礦物封存等不同CO2封存機(jī)制（圖5）及儲(chǔ)層封存潛力問(wèn)題進(jìn)行深入研究，對(duì)于海洋CO2地質(zhì)封存增效封存方法的建立具有重要的牽引作用。

表2 中國(guó)近海盆地封存潛力評(píng)估[1]Table 2 Assessment of storage potential of offshore basins in China[1]

圖5 常見(jiàn)CO2封存機(jī)制Fig. 5 Common CO2 storage mechanisms

國(guó)外對(duì)海洋CO2封存機(jī)制及封存潛力的研究可以追溯到20 世紀(jì)。1996 年，挪威北海投運(yùn)了世界上第1 個(gè)CO2海洋封存商業(yè)項(xiàng)目Sleipner，項(xiàng)目啟動(dòng)以來(lái)，已經(jīng)向水層中注入了逾2 000×104t 的CO2，封存至今20 多年均未發(fā)生泄漏，證實(shí)了CO2長(zhǎng)期海洋封存可行性。隨后，愈來(lái)愈多的學(xué)者投入到海洋CO2封存的研究，F(xiàn).M.Orr［8］對(duì)近海岸海洋地質(zhì)封存方法及相應(yīng)機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)介紹。S.Bachu［68］論證了加拿大咸水層CO2封存的機(jī)制，評(píng)估了CO2封存效率和安全性，并給出了CO2封存量的計(jì)算方法。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究，國(guó)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)阻礙CO2地質(zhì)封存技術(shù)順利實(shí)施的因素很多，技術(shù)上主要包括對(duì)潛在CO2封存區(qū)的適宜性、封存機(jī)制和封存能力評(píng)估上的認(rèn)識(shí)不足［69-71］。在評(píng)價(jià)潛在CO2封存區(qū)的適宜性時(shí)，需要對(duì)不同封存機(jī)制的微觀(guān)捕獲機(jī)理和封存作用時(shí)間十分清楚［71-73］。同時(shí)，儲(chǔ)層封存能力的評(píng)估與封存量、注入能力、注入時(shí)間等眾多參數(shù)相關(guān)，其中封存量的確定至關(guān)重要［74］。

從封存機(jī)制角度來(lái)看，不同機(jī)制考慮的儲(chǔ)層性質(zhì)參數(shù)不同，故可承載的封存量也不同；同時(shí)不同地質(zhì)體中的主要封存機(jī)制存在差異，CO2封存量的計(jì)算方法也有所不同，CO2地質(zhì)封存量分為理論封存量、有效封存量、實(shí)際封存量和匹配封存量4 個(gè)層次［75］，各層次封存量對(duì)應(yīng)不同的工作階段。根據(jù)對(duì)各類(lèi)技術(shù)和封存機(jī)理的認(rèn)識(shí)，現(xiàn)階段提出了4種封存量計(jì)算方法［76-79］：①基于物質(zhì)平衡計(jì)算理論，在碳封存領(lǐng)導(dǎo)人論壇上給出了咸水層、枯竭油氣藏和不可開(kāi)采煤層的CO2潛力封存量計(jì)算公式；②基于有效儲(chǔ)集空間與儲(chǔ)層條件下的CO2密度，美國(guó)能源部提出了利用油氣藏孔隙體積結(jié)合存儲(chǔ)效率因子計(jì)算封存量公式；③利用CO2的溶解機(jī)制估算咸水中的CO2理論儲(chǔ)存能力的計(jì)算方法；④考慮CO2深部地層中的封存量受多種機(jī)制共同影響的一種注水開(kāi)發(fā)油藏的CO2理論封存量計(jì)算方法。

國(guó)內(nèi)對(duì)于海洋CO2封存機(jī)制及封存潛力的研究起步相對(duì)較晚，早期的研究主要集中在CO2-EOR（圖6）過(guò)程中的CO2-地層流體-巖石相互作用機(jī)制［80-81］。近年來(lái)，在環(huán)境保護(hù)和“雙碳”目標(biāo)的要求下，中國(guó)開(kāi)始高度重視CCUS 技術(shù)研究和相關(guān)項(xiàng)目的建設(shè)，對(duì)CO2不同封存機(jī)理的研究及封存潛力的評(píng)估逐漸增多［82-84］。針對(duì)封存潛力評(píng)估，2008年，原國(guó)家海洋局發(fā)起了“中國(guó)CO2海底封存能力評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)控制技術(shù)預(yù)研究”重點(diǎn)公益性項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)中國(guó)CO2海底封存區(qū)域安全性及封存潛力研究、海底地質(zhì)封存潛在泄露風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)、海底CO2實(shí)驗(yàn)性封存，綜合評(píng)估中國(guó)CO2海底地質(zhì)封存潛力，規(guī)劃海洋碳封存區(qū)域，為國(guó)家實(shí)施CO2海底地質(zhì)封存提供戰(zhàn)略決策依據(jù)和必要的管理技術(shù)儲(chǔ)備。

圖6 CO2-EOR示意Fig. 6 Schematic diagram of CO2-EOR

研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)近岸分布著11 個(gè)大型沉積盆地，封存總?cè)萘考s為25 000×108t，具有開(kāi)展CO2海底地質(zhì)封存的良好條件。同時(shí)，建立了海底CO2地質(zhì)封存規(guī)劃基礎(chǔ)資料空間矢量數(shù)據(jù)庫(kù)和適合中國(guó)國(guó)情的近海CO2地質(zhì)封存潛力評(píng)價(jià)方法，并根據(jù)適宜封存級(jí)別及封存潛力大小繪制海底CO2封存區(qū)域規(guī)劃圖，提出了中國(guó)開(kāi)展海底CO2封存的戰(zhàn)略建議［85］。針對(duì)封存機(jī)理研究，許多學(xué)者不僅對(duì)咸水層、枯竭或開(kāi)采后期的油氣藏和不能開(kāi)采的煤層進(jìn)行構(gòu)造、殘余氣、溶解、礦化、吸附等封存機(jī)制及封存潛力開(kāi)展研究［86-90］，還在玄武巖CO2封存、水合物法CO2封存等前沿研究領(lǐng)域取得了大量的研究進(jìn)展［91-93］。

2.4 地質(zhì)封存蓋層完整性及安全性評(píng)估

將大量CO2持續(xù)注入地質(zhì)封存體內(nèi)會(huì)引發(fā)一定范圍內(nèi)的壓力傳播、流體運(yùn)移現(xiàn)象，在此過(guò)程中CO2將與環(huán)境中的部分礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而改變巖石孔隙結(jié)構(gòu)，影響封存儲(chǔ)層的力學(xué)穩(wěn)定性，引發(fā)CO2泄漏（圖7）、地表隆起變形、地震等安全性問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、有效的CO2埋存，對(duì)CO2注入后封存儲(chǔ)層力學(xué)及安全性評(píng)估開(kāi)展了研究。

圖7 咸水層CO2封存機(jī)制及蓋層CO2泄漏示意Fig. 7 Schematic diagram of mechanism of CO2 storage in saline aquifer and CO2 leakage in caprock

國(guó)外在CO2地質(zhì)封存儲(chǔ)層力學(xué)及安全性評(píng)估方面起步較早，開(kāi)展了相關(guān)的CO2封存工程，并在已開(kāi)展的CO2封存項(xiàng)目中監(jiān)測(cè)到了地表隆起、地震等現(xiàn)象［94-95］。相關(guān)理論認(rèn)識(shí)及工程應(yīng)用均早于中國(guó)。在對(duì)長(zhǎng)期封存的認(rèn)識(shí)方面，國(guó)外的研究集中于對(duì)蓋層穩(wěn)定性的分析，認(rèn)為要保證CO2穩(wěn)定封存不逸散，關(guān)鍵在于正確評(píng)價(jià)蓋層力學(xué)完整性。國(guó)外學(xué)者對(duì)CO2注入引起蓋層完整性的變化進(jìn)行了大量力學(xué)方面的研究，形成了CO2泄漏和擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，對(duì)CO2地質(zhì)封存的儲(chǔ)、蓋層變形屈服過(guò)程及穩(wěn)定性有更加深刻的認(rèn)識(shí)［96-99］。同時(shí)，在CO2封存壓力分析及安全監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的研究更成體系。對(duì)已開(kāi)展的Sleipner、Weyburn 等CO2地質(zhì)埋存示范工程中均開(kāi)展了四維地震研究［100］。

國(guó)內(nèi)的研究集中于對(duì)CO2注入過(guò)程中的參數(shù)動(dòng)變規(guī)律研究，通過(guò)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬手段對(duì)CO2注入過(guò)程中巖石力學(xué)強(qiáng)度變化、蓋層力學(xué)完整性、孔隙壓力和地層應(yīng)力的時(shí)空分布等問(wèn)題總結(jié)了相關(guān)規(guī)律［101-103］。部分學(xué)者開(kāi)展了滲流研究和超臨界CO2壓裂煤巖、頁(yè)巖儲(chǔ)層等的裂紋擴(kuò)展、延伸機(jī)理研究，在儲(chǔ)層壓裂及儲(chǔ)層損傷評(píng)價(jià)方面取得了一定認(rèn)識(shí)［104］。在安全性評(píng)價(jià)方面，部分研究對(duì)咸水層CO2封存過(guò)程中的地質(zhì)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，提出了羽化流、泄漏斷層的滲流數(shù)學(xué)模型及流動(dòng)特征診斷方法，對(duì)影響封存安全性的主要因素進(jìn)行了敏感性分析［105］。也有研究以某油田的CO2驅(qū)油項(xiàng)目為背景，分析了儲(chǔ)層中發(fā)生泄漏可能性的影響，還分別提出了監(jiān)測(cè)CO2泄漏的相關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及評(píng)價(jià)方法［106］。

2.5 海洋CO2地質(zhì)封存理論研究存在的問(wèn)題

綜合海洋CO2地質(zhì)封存理論研究現(xiàn)狀，認(rèn)識(shí)到國(guó)內(nèi)外海洋CO2地質(zhì)封存存在4 個(gè)方面的問(wèn)題：

（1）國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有CO2井筒流動(dòng)與傳熱模型以穩(wěn)態(tài)溫-壓耦合計(jì)算為主，多數(shù)模型將CO2的物性參數(shù)視為常數(shù)，對(duì)于CO2地質(zhì)封存工程而言，目前尚無(wú)可靠的CO2深水井筒非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)與傳熱耦合模型，也缺乏與封存地質(zhì)結(jié)構(gòu)體溫壓及物性參數(shù)動(dòng)態(tài)耦合的研究。

（2）現(xiàn)階段大多數(shù)研究集中在某單一因素對(duì)儲(chǔ)層多相流體復(fù)雜運(yùn)移的影響，未充分考慮流體、溫度、壓力等多因素耦合作用，缺乏超臨界CO2與地層流體、巖石長(zhǎng)期相互作用的運(yùn)移機(jī)制和CO2封存可靠性系統(tǒng)性研究。CO2封存過(guò)程中地質(zhì)結(jié)構(gòu)體流體運(yùn)移和溫度、壓力、孔隙度、滲透率、飽和度等參數(shù)演化規(guī)律是研究的重點(diǎn)和發(fā)展方向。

（3）國(guó)內(nèi)外研究對(duì)不同CO2封存機(jī)制的適用范圍和相互耦合作用關(guān)系認(rèn)識(shí)不清，導(dǎo)致理論封存量與實(shí)際封存量之間存在較大差異。目前CO2地質(zhì)封存容量主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件、地質(zhì)條件等采用理論計(jì)算方式確定，其評(píng)價(jià)指標(biāo)及分析方法尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和原則。需要深入研究封存機(jī)制，進(jìn)一步評(píng)估目標(biāo)靶區(qū)封存潛力，探明不同封存機(jī)制對(duì)封存量的影響，探索可用的CO2儲(chǔ)層增效封存方法并評(píng)價(jià)其適應(yīng)性。

（4）對(duì)于地質(zhì)封存儲(chǔ)層力學(xué)及安全性評(píng)估研究，國(guó)內(nèi)外已取得部分研究成果但尚未形成完整的評(píng)價(jià)體系。在CO2封存的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體屈服變形過(guò)程及上覆層（蓋層）力學(xué)穩(wěn)定性等方面缺乏系統(tǒng)性研究，相關(guān)監(jiān)測(cè)手段局限性較大，難以反映真實(shí)情況，需要構(gòu)建多維度CO2地質(zhì)封存環(huán)境監(jiān)測(cè)評(píng)估體系。

3 中國(guó)海洋CO2地質(zhì)封存發(fā)展趨勢(shì)

中國(guó)現(xiàn)有CO2地質(zhì)封存研究成果大多只適用于陸地且處于科研攻關(guān)和示范階段，在安全性、高效性、環(huán)保性等方面還有諸多不足。關(guān)于中國(guó)海洋CO2地質(zhì)封存的未來(lái)發(fā)展主要包括3 個(gè)方面：

（1）海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)中CO2注入過(guò)程多相態(tài)轉(zhuǎn)化、溶解、捕獲傳質(zhì)特征及動(dòng)力學(xué)特性認(rèn)識(shí)不足，目前尚無(wú)可靠的海洋井筒非穩(wěn)態(tài)流動(dòng)與傳熱耦合模型來(lái)模擬CO2注入過(guò)程井筒管流特征和相變機(jī)理。亟需開(kāi)展在海洋環(huán)境下CO2注入井內(nèi)熱量傳遞特性、流體流動(dòng)規(guī)律、CO2物性參數(shù)與井筒溫壓耦合關(guān)系研究，建立CO2注入井井筒非穩(wěn)態(tài)溫壓耦合數(shù)學(xué)模型和CO2注入井筒-地質(zhì)構(gòu)造體耦合流動(dòng)分析方法，揭示海洋地質(zhì)構(gòu)造體CO2注入過(guò)程多相態(tài)轉(zhuǎn)化、溶解、礦化、捕獲傳質(zhì)規(guī)律及動(dòng)態(tài)遷移機(jī)理。

（2）對(duì)海洋封存機(jī)制及不同封存機(jī)制之間的相互作用機(jī)理尚不明確，相關(guān)基礎(chǔ)研究存在空白。需要結(jié)合物理模擬和數(shù)值模擬，研究不同封存機(jī)制的理論有效封存量，闡明CO2封存量主控因素；研究CO2封存機(jī)制及其耦合作用，探明地質(zhì)封存過(guò)程中相態(tài)轉(zhuǎn)化、傳熱及流體運(yùn)移特性，揭示海洋CO2地質(zhì)封存機(jī)制。

（3）缺乏海洋CO2增效封存方法，尚未建立完整的海洋CO2地質(zhì)封存技術(shù)體系和封存方案。通過(guò)開(kāi)展CO2地質(zhì)封存空間可塑性評(píng)價(jià)，揭示不同注入?yún)?shù)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造體物性的影響規(guī)律，明確CO2封存效率的主控因素，探索增效封存方法，形成適用于中國(guó)海洋CO2封存大規(guī)模高效注入和增效封存新技術(shù)。

4 結(jié) 論

（1）中國(guó)目前對(duì)海底地質(zhì)結(jié)構(gòu)中CO2注入過(guò)程多相態(tài)轉(zhuǎn)化、溶解、捕獲傳質(zhì)特征及動(dòng)力學(xué)特性認(rèn)識(shí)方面的研究不足，缺乏專(zhuān)門(mén)針對(duì)海底封存CO2的深水井筒流動(dòng)規(guī)律方面的研究，對(duì)中國(guó)海洋封存機(jī)制及不同封存機(jī)制之間的相互作用對(duì)封存量的影響尚不明確，對(duì)CO2封存的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體屈服變形過(guò)程及上覆層（蓋層）力學(xué)穩(wěn)定性等方面缺乏系統(tǒng)性研究，嚴(yán)重影響到中國(guó)海洋CO2地質(zhì)封存的工程實(shí)施和現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。

（2）中國(guó)未來(lái)應(yīng)開(kāi)展海洋CO2動(dòng)態(tài)地質(zhì)封存空間重構(gòu)機(jī)制研究，解決地質(zhì)封存相態(tài)轉(zhuǎn)化及流體動(dòng)態(tài)遷移機(jī)理等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，包括開(kāi)展CO2注入井內(nèi)熱量傳遞特性、流體流動(dòng)規(guī)律、CO2物性參數(shù)與井筒溫壓耦合關(guān)系研究，建立海洋CO2注入井井筒非穩(wěn)態(tài)溫壓耦合數(shù)學(xué)模型，揭示海洋地質(zhì)構(gòu)造體CO2注入過(guò)程多相態(tài)轉(zhuǎn)化、溶解、礦化、捕獲傳質(zhì)規(guī)律及動(dòng)態(tài)遷移機(jī)理；結(jié)合物理模擬和數(shù)值模擬，研究不同封存機(jī)制的理論有效封存量，闡明CO2封存量主控因素；研究CO2封存機(jī)制及其耦合作用，揭示海洋CO2地質(zhì)封存機(jī)制相互作用機(jī)理；開(kāi)展CO2地質(zhì)封存空間可塑性評(píng)價(jià)，揭示不同注入?yún)?shù)對(duì)地質(zhì)構(gòu)造體物性的影響規(guī)律，明確CO2封存效率的主控因素，形成適用于中國(guó)海洋地質(zhì)封存CO2高效注入和增效封存方法，助推中國(guó)“雙碳”目標(biāo)達(dá)成。