中国西北地区超基性岩封存CO2潜力研究

超基性岩可通过碳酸盐化生成稳定的碳酸盐矿物，它是一种以地球化学手段有效且永久封存CO₂的矿物。在自然界中矿物封存CO₂可通过风化作用自发发生，人工干预能进一步提升碳酸盐化反应效率，促进工业化进程。笔者基于最新1∶100万西北地质图及数据库，试图对西北地区分布的超基性岩的封存潜力进行理论评估。结果表明，西北地区超基性岩封存CO₂量可达963.23亿t，其中新疆超基性岩CO₂封存量最大，可达613.52亿t，占西北地区总封存量的63.69%。西北地区超基性岩封存CO₂量大致相当于全国2021年CO₂排放量的10倍，在完全释放其固碳潜力的情况下，初步静态估算可封存全国CO₂排放量约10年。因此，西北地区超基性岩封存CO₂潜力巨大。未来，应针对单个超基性岩体收集已有大比例尺精细基础地质调查数据，并补充性开展调查及研究工作，进一步圈定CO₂地质封存的有利靶区，促进超基性岩封存CO₂     

中国第二次北极科学考察路线上温室气体瓶采样结果分析

用气相色谱和非红外色散分析方法,分析了中国第二次北极科学考察路线上采集到的气体样品中温室气体(CO₂和CH₄)的浓度,对不同纬度带上CO₂和CH₄平均浓度变化特征进行了研究.结果表明:海洋表面不同纬度带上CO₂的浓度呈现出随纬度升高而减小的趋势,这与全球范围内CO₂的年平均浓度的地理分布特征相反,显示了海洋对CO₂气体的吸收作用.45°N以北的海洋表面,CH₄浓度有随纬度升高而增大的趋势,这与全球范围内CH₄的年平均浓度的地理分布特征相同;中纬度近海岸地区温室气体浓度变化无明显规律,可能受到区域或局地气团的影响较大.     

冬春季青藏高原北麓河多年冻土活动层中气体CO2浓度分布特征

2005年1~5月在青藏高原北麓河附近的高寒干草原、高寒草甸和高寒草原3种典型草地上进行了不同深度土壤气体采样和CO₂浓度分析.结果表明:土壤剖面的土壤气体CO₂浓度呈现出上低下高的分布特征.在动态变化上,土壤中CO₂浓度在多年冻土活动层春季升温过程中出现一个峰值,经过短暂的降低后随夏季融化过程开始而升高.土壤剖面CO₂浓度与土壤有机碳、重组有机碳、轻组有机碳、水溶性有机碳、植物残体有机碳、微生物碳贮量和土壤温度呈明显的相关关系,在100 cm以上深度与土壤水分呈负相关关系.在整个观测期间,高寒干草原、高寒草原和高寒草甸植被下3种土壤剖面土壤气体CO₂浓度变化范围分别为1 052~3 050 mL·m^-3、3 425~39 144 mL·m^-3和984~12250 mL·m^-3,高于我国塿土CO₂浓度变化范围,也远远高于青藏高原五道梁地区高寒草原土壤气体CO₂浓度变化范围.石灰简育寒冻雏形土和石灰寒冻砂质新成土CO₂浓度变化范围低于国外报道的草地和农田CO₂浓度变化范围;石灰草毡寒冻雏形土CO₂浓度变化范围明显高于国外报道的草地和农田CO₂浓度变化范围.活动层冻结期,土壤CO₂的闭蓄作蓄作用比较明显.由于微地形导致土壤水分条件的差异,夏季融化过程各观测点土壤CO₂浓度开始升高时间存在差异.     

基于活度计算的碳酸平衡研究

研究考虑活度情况下地下水开放系统在不同温度和CO₂分压下碳酸的3种存在形式与pH值之间的关系.分析地下水中CO₂分压为10～105Pa,温度为0～30℃变化时pH₀的变化情况,发现在一定CO₂分压下,pH₀值随温度的升高而降低并趋于一个稳定的值.在一定温度下,pH₀值随CO₂分压的升高而降低.但不论地下水的温度和CO₂分压如何变化,pH₀=7.92～8.60.这些结论更符合地下水实际情况,更有利于对水分析资料的审查.     

高压条件下CO2对页岩微观孔隙结构影响及其在页岩中的吸附特征

为了解高压条件下二氧化碳（CO₂）对页岩微观孔隙结构改造及吸附行为,以四川盆地焦页6井页岩为研究对象,通过低温N₂吸附和重量法等温吸附实验,研究了不同温压条件下CO₂处理前后的页岩微观结构特征及CO₂在页岩中的吸附行为.研究表明随处理温度升高,CO₂作用后的页岩比表面积呈下降趋势,平均孔径和孔体积呈上升趋势,微孔、中孔比例减少,宏孔比例增大.CO₂会改变页岩孔隙结构,改变程度与温度呈正相关关系.研究同时表明页岩对CO₂的过剩吸附量随压力增大而增加直至达到最大值,后随压力增大而减小;绝对吸附量随压力增大而增加,在40 MPa之后,吸附量趋于稳定.页岩对CO₂的吸附行为与温度压力有关,在高压条件下,Langmuir模型依然能较好地拟合CO₂在页岩中的吸附.      

热力耦合条件下超临界CO2驱替煤层CH4实验

为提高煤层CH₄抽采效率,利用自主研发的实验系统,模拟超临界CO₂在深部煤层中驱替CH₄的过程,开展了不同温度和注入压力条件下原煤试样中超临界CO₂渗流、吸附及驱替CH₄实验。结果表明:在恒定温度条件下,随着超临界CO₂注入压力逐渐增大,煤体渗透率提高,CO₂吸附量增加。超临界CO₂注入压力和温度对驱替效果影响显著。不同温度条件下,当超临界CO₂注入压力从8 MPa增至12 MPa,CH₄驱替量平均增长了0.076 cm3/g,CH₄驱替效率增加了17%~23%,超临界CO₂置换体积比呈线性递减趋势;相同注入压力条件下,温度每升高10℃,驱替效率平均增加8%,置换体积比平均下降0.5。研究结果为高效抽采煤层CH₄和实现CO₂封存提供理论依据。      

CO2分压条件下煤中矿物质溶解度数值模拟

查明煤中矿物质在不同温度和CO₂分压条件下溶解度变化规律,能为注入CO₂过程中煤储层渗透率分析提供重要依据。借助水文地球化学模拟软件PHREEQC对在不同温度和CO₂分压条件下煤中各矿物的溶解度进行了水化学模拟,得出不同温度和CO₂分压条件下矿物质溶解度的变化规律。结果表明:在无CO₂分压时,随着温度的升高各矿物的溶解度增加;当溶液中CO₂分压增加到一定程度时,随着温度的升高各矿物的溶解度降低（石英除外）;在温度相同时,随着CO₂分压的增加,所有矿物（石英除外）溶解度均增加,方解石的溶解度随着CO₂分压的升高呈现出迅速增加的趋势,其他矿物随着CO₂分压的升高,溶解度增加的速率较为缓慢。      

使用水力屏障控制单一倾斜储层中CO2羽的迁移

摘要:在单一倾斜含水层中封存CO₂时,在浮力作用下,CO₂会向地层上升一侧快速运移,不利于封存安全.可在倾斜地层的上升一侧,距离CO₂注入井一定位置设置注水井,创造水力屏障,以阻止CO₂向上移动.建立了数值模型来探讨这一方法的有效性,分析注水位置、距离、速度等因素的影响.结果表明注水形成的水力屏障能有效阻挡CO₂羽的向上迁移,且能促进CO₂溶解,抽水能显著降低地层压力.为了确保能完全阻挡CO₂运移,需要注水长度大于CO₂羽的厚度,甚至是在全部储层注水.注水速度是影响水力屏障效果的关键因素.注水距离越近阻挡效果越好.可以在CO₂羽即将到达之前注水,以减少注水量和能源消耗.      

超临界状态下煤岩吸附/解吸二氧化碳的实验

查明超临界状态下煤岩对CO₂的吸附/解吸特征,能为煤层气开采现场注CO₂的注入参数选取提供理论依据。以山西屯留矿的瘦煤和寺河矿的无烟煤为研究对象,借助ISO-300型等温吸附实验仪分别进行了不同温度(35℃、45℃、55℃)、最高压力达到CO₂临界压力以上时的吸附/解吸实验。结果表明:超临界状态下,随着压力升高,容量法测得的吸附量存在最大值,不代表煤样的绝对吸附量,而是Gibbs吸附量;根据煤岩在高压下吸附CO₂的本质,计算出超临界状态下煤岩吸附/解吸CO₂的真实量。超临界状态下煤岩吸附CO₂的真实量与压力之间符合langmuir吸附曲线,随着吸附压力的升高,Gibbs吸附量与绝对吸附量之间的差值越来越大;随着温度的升高,煤样的饱和吸附量降低;同样条件下,高变质程度的无烟煤对CO₂的饱和吸附量大于瘦煤;超临界状态下煤样对CO₂的绝对吸附等温线和绝对解吸等温线是可逆的。      

绿泥石对CO2-水-岩石相互作用的影响

为了解关键性矿物在“超临界CO₂-水-岩石”系统中的地球化学作用,利用先进的数值模拟软件TOUGHREACT,结合我国鄂尔多斯盆地深部咸水含水层的基础地质条件,建立一维垂向模型,研究了盖层中绿泥石含量分别为3%、9%、15%时对CO₂-水-岩石相互作用的影响.发现CO₂进入盖层后,盖层的矿物成分和渗透率发生了较大变化.当绿泥石体积分数为3%时,盖层渗透率在5 000 a期间一直处于增大状态,不适合CO₂封存;当绿泥石体积分数为9%和15%时,盖层渗透率呈现先增大后减小的趋势,产生自封闭现象,有利于CO₂封存.结果表明,绿泥石的溶解为盖层中钙蒙脱石、铁白云石、片钠铝石、菱镁矿的沉淀提供了必要的Mg2+、Fe2+、AlO₂-等离子.绿泥石含量越多,CO₂矿化捕集量越大,盖层的自封闭效应越明显,其渗透率最大减少10%.本研究结果可为CO₂地质封存的长期性和稳定性评价提供理论依据.      

人类活动引起的我国西北地区21世纪温度和降水变化情景分析

使用IPCCWG1第三次科学评估报告中给出的7个全球气候系统模式的模拟预测结果,分析了人类活动对中国西北地区气候变化的影响.模拟结果表明,由于温室气体增加(GG)或温室气体与硫化物气溶胶(GS)增加,21世纪西北地区气温将可能平均变暖42～60℃·100a^-1.降水的变化较为复杂,由于温室气体的影响,未来西北地区降水将增加;考虑温室气体和硫化物气溶胶的共同影响,则略有增加.模式平均结果表明,未来西北地区降水将可能增加15～39mm·100a^-1.     

Evolution of fluids associated with metasedimentary sequences from Chaves (North Portugal)

In order to identify and characterise fluids associated with metamorphic rocks from the Chaves region (North Portugal), fluid inclusions were studied in quartz veinlets, concordant with the main foliation, in graphitic-rich and nongraphitic-rich lithologies from areas with distinct metamorphic grade. The study indicates multiple fluid circulation events with a variety of compositions, broadly within the C–H–O–N–salt system. Primary fluid inclusions in quartz contain low salinity aqueous–carbonic, H₂O–CH₄–N₂–NaCl fluids that were trapped near the peak of regional metamorphism, which occurred during or immediately after D2. The calculated P–T conditions for the western area of Chaves (CW) is P=300–350 MPa and T500 °C, and for the eastern area (CE), P=200–250 MPa and T=400–450 °C. A first generation of secondary fluid inclusions is restricted to discrete cracks at the grain boundaries of quartz and consists of low salinity aqueous–carbonic, H₂O–CO₂–CH₄–N₂–NaCl fluids. P–T conditions from the fluid inclusions indicate that they were trapped during a thermal event, probably related with the emplacement of the two-mica granites.

A second generation of secondary inclusions occurs in intergranular fractures and is characterised by two types of aqueous inclusions. One type is a low salinity, H₂O–NaCl fluid and the second consists of a high salinity, H₂O–NaCl–CaCl₂ fluid. These fluid inclusions are not related to the metamorphic process and have been trapped after D3 at relatively low P (hydrostatic)–T conditions (P<100 MPa and T<300 °C).

Both the early H₂O–CH₄–N₂–NaCl fluids in quartz from the graphitic-rich lithologies and the later H₂O–CO₂–CH₄–N₂–NaCl carbonic fluid in quartz from graphitic-rich and nongraphitic-rich lithologies seem to have a common origin and evolution. They have low salinity, probably resulting from connate waters that were diluted by the water released from mineral dehydration during metamorphism. Their main component is water, but the early H₂O–CH₄–N₂–NaCl fluids are enriched in CH₄ due to interaction with the C-rich host rocks.

From the early H₂O–CH₄–N₂–NaCl to the later aqueous–carbonic H₂O–CO₂–CH₄–N₂–NaCl fluids, there is an enrichment in CO₂ that is more significant for the fluids associated with nongraphitic-rich lithologies.

The aqueous–carbonic fluids, enriched in H₂O and CH₄, are primarily associated with graphitic-rich lithologies. However, the aqueous–carbonic CO₂-rich fluids were found in both graphitic and nongraphitic-rich units from both the CW and CE studied areas, which are of medium and low metamorphic grade, respectively.     

海上CO2地质封存监测现状及建议

海上二氧化碳(CO₂)地质封存是中国应对滨海地区温室气体排放的重要举措,是实现“碳达峰、碳中和”目标不可或缺的关键技术。中国沿海地区工业发达、碳源丰富,近海盆地具有良好的储盖层物性和圈闭特征,封存潜力巨大,目前中国首个海上CO₂地质封存示范工程已在南海珠江口盆地正式启动。CO₂监测作为CCUS技术的重要组成部分,贯穿CO₂地质封存的全生命周期,是确保封存工程安全性和合理性的必要手段。然而,中国海上CO₂地质封存技术处于起步阶段,海上监测任务颇具挑战。文章回顾了国际上海上CO₂地质封存的相关代表性研究工作以及示范项目案例,对监测指标、技术、监测方案等进行分析,提出海上CO₂地质封存监测技术筛选优化方法和监测建议,旨在为中国海上CO₂地质封存示范项目的开展提供参考依据。     

煤基CO2地质封存对顶板裂缝导流能力影响实验研究

煤基CO₂地质封存是温室气体减排的重要方式,但也存在地下CO₂泄露的安全风险。为了评估煤基CO₂地质封存的安全性,采集沁水盆地南部胡底矿3号煤顶板泥质粉砂岩样品,模拟实验研究“CO₂-H₂O-岩”反应中柱状试样人工裂缝形貌、全岩矿物组成与CO₂导流能力变化。结果表明:方解石脉溶蚀、次生矿物充填与外部有效应力共同影响试样裂缝导流能力。原始渗透率为0.016×10–3μm2的低渗试样,方解石脉溶蚀导致实验前期渗透率升高;随着反应进行,有效应力主导下裂缝闭合,渗透率呈“先升后降”变化趋势;原始渗透率为3.785×10–3μm2的高渗试样,H₂CO₃不断溶蚀裂缝壁面长石等矿物,并产生高岭石等次生矿物混合充填于裂缝中,使渗透率持续降低。煤基CO₂地质封存过程中,较高的注入压力导致顶板产生人工裂缝;CO₂注入施工结束后,次生矿物充填及有效应力增大使裂缝导流能力快速下降,因此,煤中封存CO₂沿顶板裂缝长期泄露的风险较低。      

Thermodynamic modelling of C–O–H fluids

H₂O, CO₂, CH₄, CO, H₂ and O₂ are the most important species in crustal fluids. The composition of these C–O–H fluids can be calculated if the pressure, temperature, carbon activity, and either the oxygen fugacity or the atomic H/O ratio of the fluid is known. The calculation methods are discussed and calculation results are illustrated with isobaric T–X_i, P–T, and isobaric–isothermal ternary C–O–H diagrams. Fluid inclusion compositions, in particular, the X_CO2/(X_CO2+X_CH4) ratio, can be used for C–O–H model calculations. However, care should be taken about possible post-entrapment changes, which may have modified the chemical composition of the fluid inclusion.     

气候变化对中国农业温度阈值影响研究及其不确定性分析

气候变化影响的温度阈值已经成为国际谈判的焦点问题。利用区域气候模式和作物模型相连接的方法，在50 km×50 km的网格尺度上模拟了IPCC (International Panel of Climate Change) SRES (Special Report on Emissions Scenarios) A2和B2情景下2011—2040年、2041—2070年和2071—2100年我国3种主要粮食作物（水稻、小麦和玉米）的平均单产变化情景，结合同时段的中国地区温度升高状况分析了造成我国主要粮食作物产量持续下降的升温阈值，并对阈值研究中的不确定性进行了初步分析。结果表明：如果同时考虑升温和CO2的肥效作用对作物的影响，目前预测的气温升高范围（0.9～3.9℃）中将不存在威胁我国粮食生产的温度阈值；而如果仅考虑升温对作物的影响时，全国平均温度升高2℃以后，将导致我国粮食单产水平的持续下降，威胁未来的粮食生产；气候变化适应措施如充分灌溉、播种期的调整和品种更替对阈值的确定有一定的影响，如单考虑充分灌溉可以使上述升温阈值延后到2.5℃左右，而播种期的调整和品种的更替也会对产量和产量变率造成一定的影响，进而调整温度阈值；目前研究的不确定性主要来源于情景、方法和适应措施3个方面。     

鄂尔多斯盆地山西组地下咸水CO2溶解能力

实施CO₂的地质储存是目前公认的减缓全球变暖的有效途径之一.潜在的储存场所包括衰竭的油气藏、深部不可开采煤层及深部咸水层.其中, 深部咸水层储存潜力最大.在发挥作用的诸多机理中, 溶解埋存具有埋存量大、作用时间较长以及安全性高的特点.在评价深部咸水含水层CO₂溶解储存潜力时, 溶解度是一个关键参数.提出了测定咸水含水层地层水CO₂溶解度的方法, 并将其实际应用于鄂尔多斯盆地山西组地层水.鄂尔多斯盆地是我国重要的能源基地, CO₂排放量大, 排放浓度高.采集了野外实地水样, 进行了化学成分分析, 并人工合成该水样; 测定了40~80 ℃、8~12 MPa条件下CO₂在该水样中的溶解度, 其结果可为评价鄂尔多斯盆地深部咸水含水层埋存能力提供依据.      

新疆准东地区场地尺度二氧化碳地质封存联合深部咸水开采潜力评估

二氧化碳地质封存联合深部咸水开采技术（CO₂-EWR）被认为是有效的碳减排途径之一。在新疆准东地区率先开展CO₂-EWR技术,可在实现CO₂减排的同时获得咸水,在一定程度上缓解当地的水资源短缺问题,取得环境经济双重效益。以往研究大多以概化模型为主,缺乏工程实践依托,根据准噶尔盆地东部CO₂源汇匹配适宜性评价结果,基于我国首个CO₂-EWR野外先导性工程试验场地资料,构建拟选CO₂-EWR场地西山窑组三维（3D）非均质模型开展了场地尺度CO₂-EWR技术潜力研究。研究表明,拟选场地CO₂理论封存量为1.72×106（P₅₀）t,动态封存量为2.14×106 t。采用CO₂-EWR技术可实现CO₂动态封存量11.18×106 t,较单独CO₂地质封存提升5.22倍,同时可增采咸水资源10.17×106 t,CO₂采水比率为1∶0.91。同时,该技术可有效缓解因CO₂大量注入引起的储层压力累积,提高CO₂封存效率,增加咸水开采潜力。本研究可为新疆准东地区实施规模化CO₂地质封存联合深部咸水开采工程提供理论依据和技术支撑。     

二氧化碳地质存储与煤层气强化开发有效性研究述评

煤层CO₂地质存储与CH₄强化开采（CO₂-ECBM）技术融温室气体减排与化石新能源开发为一体,极具发展前景。CO₂-ECBM技术有效性是经济性、长期性和安全性的基础和前提,建立深部煤层CO₂-ECBM有效性理论和生产技术在中国的需求尤为迫切。中国、美国、英国、澳大利亚、日本等国家在该领域开展了大量实验模拟、数值模拟和工程探索研究。研究工作表明:CO₂可注性、CO₂封存机制与存储容量、CH₄增产效果构成了CO₂-ECBM有效性的核心内涵,其中CO₂可注性更为关键;CO₂注入时煤储层发生体积应变效应和地球化学反应效应,其导致的渗透率快速衰减与可注性变差制约着CO₂-ECBM的有效性;CO₂/CH₄竞争吸附与置换是主要的CO₂封存机制,地层条件下CO₂/CH₄竞争吸附与置换封存决定了有效存储容量的主体,对于超临界CO₂,改进的吸附势模型（Modified D-R model）表征计算结果与实验模拟结果的拟合度最好;通过优化注入参数、间歇性注入、先压后注、与N₂交替注入等方式可以提高深部煤层的CO₂可注性,试验井组煤层气生产井可实现最高3.8倍的增产效果;沁水盆地深部无烟煤CO₂-ECBM技术的有效性已得到实验室研究和工程试验的初步证实。中国科学家在持续开展和不断深化CO₂-ECBM技术的研究工作,CO₂-ECBM有效性的关键科学技术问题有望在中国得到破解。      

Research Progress of 4D Multicomponent Seismic Monitoring Techniquein Carbon Capture and Storage

Carbon Capture and Storage (CCS) technology is currently recognized as the most effective way to mitigate greenhouse gas. CO₂ geological storage is the key technique in CCS, and monitoring the safety of CO₂ geological storage runs through the whole CCS project from CO₂ injection and after closure. 4D seismic monitoring technique is the most effective way to monitor the leakage of CO₂ and to confirm the safety of CO₂ sequestration. Traditional 4D seismic technology predicts saturation of CO₂ and pressure distribution in reservoir by comparing two vintages seismic amplitude and travel time from two or repeated 3D seismic data before and after CO₂ injection or between two different injection stages. 4D multicomponent seismic monitoring has a great potential to be explored. Because shear wave velocity is sensitive to pressure, we may discriminate pore pressure distribution by using 4D multicomponent seismic information. For anisotropy reservoir, we may confirm the change of reservoir fissures and fractures as well as reservoir and caprock stress status before and after CO₂ injection through comparing difference of travel time and amplitude of PS₁ and PS₂ wave in two vintages seismic acquisition. Furthermore, we will find out potential CO₂ leakage risk area more accurately and evaluate the safety of CO₂ sequestration more reliablely by combining rock physics experiment and dipole sonic log data with 4D multicomponent seismic monitoring.