海洋直接注入CO2封存技术方法综述

人类活动造成的CO2排放是全球气候变暖面临的主要挑战之一。CO2封存有望成为全世界减少碳排放份额最大的单项技术。海洋碳捕获、利用和封存（OCCUS）可以在较短时间内提供最大的碳封存能力,与其他地质封存方法相比更加安全有效。而且,多相态形式的CO2（气态、液态、固态和水合物）可以在海洋纵深尺度上实现直接注入。海洋碳封存是一项发展潜力巨大、优势明显的新兴碳封存技术,是实现大规模碳减排的重要措施之一,具有广阔的应用前景。因此,笔者等系统地阐述了海洋CO2直接注入、封存（OCS）的基本原理、技术现状、监测与评估,以及环境方面的影响,并对高效CO2注入技术,CO2泄漏的检测、防范与补救技术,以及海洋碳封存的生态后效等方面进行了展望。     

玄武岩封存CO2技术方法及其进展

玄武岩封存CO₂为碳捕集与封存（CCS）提供了一种新的具有潜在意义的选择。当今世界上已有三个示范工程案例,即日本Nagaoka、美国Wallula和冰岛Carbfix,这些实例初步证实了CO₂玄武岩封存的技术和经济可行性。玄武岩封存CO₂相关技术研究进展包括:（1）Carbfix项目采用水溶液替代胺溶剂来捕集烟气中的CO₂气体,以便同时对CO₂和其他可溶于水的气体进行捕获,而在排放点源只需简单加装水洗塔等设备作为气体分离装置;（2）冰岛提出了适用于CO₂饱和溶液注入与封存的Carbfix方法,设计出能分别注入气体和水溶液的专用系统;（3）Carbfix在注入与封存CO₂过程中首次采用示踪元素监测方法,并通过质量平衡方法定量估算注入CO₂发生碳酸盐化的百分比,发现往玄武岩里注入CO₂不到2年就有95%被完全矿化。今后仍需进一步研究的技术问题包括:（1）CO₂饱和溶液与超临界CO₂两种注入形式如何选择;（2）能否用海水替代淡水溶解CO₂;（3）如何提高地球化学模拟的准确性;（4）如何降低碳捕集、分离和运输环节成本。相关探讨对我国利用基性超基性岩进行CO₂封存具有一定借鉴意义。     

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的地质解决方案成为未来碳中和目标在西北地区落地实现的最优方案之一。     

煤层CO2地质封存的微观机理研究

煤层CO₂地质封存可实现CO₂减排和增产煤层气双重目标,是一种极具发展前景的碳封存技术。相对于其他封存地质体而言,煤的微孔极其发育,煤层CO₂封存机制与煤中气、水微观作用关系密切,其内在影响机理尚不清楚。以2个烟煤样品的系统煤岩学分析测试为基础,构建了煤的大分子结构及板状孔隙空间模型,进一步采用分子动力学方法模拟了不同温、压条件下、不同煤基质类型表面的CO₂和水的润湿行为,揭示煤层CO₂注入后引起的水润湿性变化规律,初步阐明煤层CO₂封存的可注性、封存潜力、封存有效性等影响因素及微观作用机理。结果表明：(1)影响煤润湿性的主要因素是煤中极性含氧官能团,其含量越高煤的润湿性越强;(2)煤中注入CO₂后,CO₂通过溶解作用穿透水分子层与水分子发生竞争吸附,从而减小水在煤表面润湿性;(3)随注入压力增大和温度降低,煤表面CO₂吸附量增多,对氢键破坏作用增强,润湿性减弱越明显;(4)亲水性煤层CO<...     

咸水层CO2地质封存地下利用空间评估方法研究

咸水层CO2地质封存技术是我国实现碳中和目标的重要支撑技术,也是一项深部地下空间开发利用技术。咸水层CO2地质封存工程利用的深部地下空间,需要在确定CO2羽流、扰动边界和经济因素“三级边界”的基础上进行综合评估。以我国唯一的深部咸水层CO2地质封存项目——国家能源集团鄂尔多斯碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage, CCS)示范工程为实例,基于封存场地储层CO2羽流监测以及扰动边界的推断预测结果综合评估,认为示范工程平面上4个1'×1'经纬度范围可作为地下利用空间平面边界,垂向上以纸坊组顶界(深度约958 m)为地下封存体顶部边界,以深度2 800 m为底板封隔层底界。提出的咸水层CO2地质封存地下利用空间评估方法,能够为未来封存工程地下利用空间审批与监管提供一定参考,但也需要进一步结合已有法律法规及规模化封存工程实践完善提升。     

国内外CO2地质封存潜力评价方法研究现状

碳捕集与封存(Carbon Capture and Storage,CCS)技术作为缓解全球气候变暖、减少CO2排放的有效路径之一,其潜力评估至关重要。目前CCS技术主要包括CO2强化石油(天然气)开采封存技术、CO2驱替煤层气封存技术以及咸水层CO2封存技术3类。各类封存技术利用了不同的封存机制,其潜力评估方法也略有差别。油气藏封存和咸水层封存主要利用了构造圈闭储存、束缚空间储存、溶解储存、矿化储存等封存机制,煤层气封存主要利用了吸附封存机制。国内外学者和机构针对各类封存技术提出了相应的计算方法,依据其计算原理可归纳为4类: 物质平衡封存量计算法、有效容积封存量计算法、溶解机制封存量计算法以及考虑多种捕获机制的综合封存量计算法。通过对各类经典方法及其计算原理进行综述,剖析潜力封存量计算方法的内涵原理和应用场景,分析了CO2地质封存潜力评价方法在实际应用中面临的问题,有助于提升我国的CCS潜力评价质量。     

玄武岩CO2矿化封存潜力评估方法研究现状及展望

二氧化碳地质封存是实现减排增汇的重要技术选择,能够将CO₂长期、安全地封存在地下岩层中。常规的CO₂封存地质体包括地下深部咸水层和枯竭油气藏,玄武岩是近年来逐渐受关注的新一类CO₂封存地质体,进一步丰富和拓展了CO₂地质封存的技术手段和碳汇潜力。封存潜力评估是CO₂地质封存技术发展的重要基础工作之一,文章系统梳理国内外玄武岩矿化封存潜力的评价方法,对比分析各类方法的原理机制和应用情景,并以冰岛活动裂谷带玄武岩为例应用、对比各类方法。研究认为目前玄武岩矿化封存潜力评估方法一般包括三类：(1)单位矿化法：基于玄武岩单位体积或单位反应面积的固碳量开展潜力评估;(2)矿物置换法：基于玄武岩中可固碳矿物的总量开展封存潜力评估;(3)孔隙充填法：基于CO₂矿化后产生次生矿物所占岩石孔隙体积比例的上限值开展封存潜力评估。单位矿化法的评估数据需进行系统的实验分析,增加了潜力评估的难度。当玄武岩储层孔隙度较大、可固碳矿物含量相对较小时,矿物置换法较为合适;反之,孔隙充填法更...     

AVOA技术在CO2地质封存地球物理监测技术中的应用

AVOA技术在CO2地质封存地球物理监测技中的应用基础理论,AVOA分析可以一定程度上反演储层弹性参数,以及流体分布状况,更重要是AVOA理论建立在各向异性介质理论基础上,更加符合地质状况,CO2地质封存过长中,储层中的流体发生变化,引起了储层弹性参数的变化,通过AVOA正反演可以预测储层流体分布,观测CO2是否扩散,是否摆脱盖层的封闭作用而泄露。可以帮助地质学家评估CO2封存的安全性[4]。     

CO2封存三维地震实验区地质条件评价

根据地质要求在伊盟地区初选CO2封存地以及对其一定范围内的地质基本条件,综合应用地震、地质、测井资料进行综合评价。重点评价地层发育的地质特征,确定地层500 m以下至3 000 m以上储盖层的组合情况、分布区域和位置及厚度、地质构造特征如厚度、特点等,对储盖层岩石的孔隙度、渗透率等做初步预测,为开展CO2封存提出封存目的层的选择建议,利用区域勘探井的相关资料对建议层位进行评价,评价结果表明研究区内石盒子组和石千峰组两套区域性层系具有较好封存条件。     

CO2强化煤层气产出与其同步封存实验研究

长期以来针对CO₂-ECBM已做了大量研究工作,然而有限的工业试验没能达到预期目的,使得这一煤层气强化技术推广应用欠缺。近些年随着各国碳中和路线的制定,CO₂封存逐渐受到重视,煤储层可否作为CO₂的封存空间、可否实现CO₂驱替CH₄和封存同步进行,又重新回归人们的视野。为此,以新疆准南区块目标煤层样为研究对象,采用不同CO₂与CH₄混合比例气体进行煤的吸附/解吸实验,探索混合气体比例对CO₂-ECBM和CO₂吸附封存潜力的影响。结果表明,随着混合气体CO₂比例减少,CH₄驱替效果降低,其中40%CH₄+60%CO₂混合气体的CO₂残余量最多,在解吸至0.7 MPa时已有83.05%的CH₄产出,而83.62%的CO₂吸附残余在煤中,表明其C...     

数值模拟在CO2地质封存示范项目中的应用

CO2深部咸水层地质封存被认为是减缓温室效应的一种有效的工程技术手段。针对神华鄂尔多斯105 t/a CO2捕集与封存(CCS)示范项目,用数值模拟方法对CO2在地层中的运移过程进行了详细地刻画,分析了CO2的流动迁移、地层压力积聚过程及地层封存潜力。数值模型不但可以为工程的顺利进行提供技术支撑,而且可以节省人力财力。首先,根据实际监测数据对模拟参数进行校准,得到了合适的压力拟合曲线,确定了主要的水文地质参数。然后,对为期3 a的CO2续注工程进行预测,详细分析了CO2的晕扩散、溶解情况、地层压力变化情况、储层封存潜力等。得到如下结论：CO2在3 a内的最大迁移距离约为350 m;水裂可以有效提高CO2的注入性;隔离层能有效防止CO2逃逸。研究表明,尽管鄂尔多斯盆地属于低渗咸水层仍然能够有效安全地封存CO2。     

一种新型浅层井CO2监测系统的研发

碳捕集、利用与封存（CCUS）能够有效降低传统能源产业CO2排放量,缓解气候变化。地层中CO2泄漏,作为潜在风险之一,可能改变浅层地下水水质,影响地表动植物生长,甚至危及周围人群安全。为监测CO2是否泄漏至地表并评估泄漏对浅层地下水的影响,进行浅层地下水连续取样十分必要,为此开发了一种新型浅层井CO2监测系统。详细介绍了该系统的构成、工作原理、技术难点应对措施和操作步骤。该系统基于U形管原理：渗入井筒的地下水通过单向阀进入U形管内,而后采用氮气对U形管的一端加压,U形管的另一端得到样品。该系统能连续对地下不同层位（层位数根据实际需求确定）进行取样,为封存现场环境风险预警系统提供组成数据。     

中国CO2地质埋存条件分析及有关建议

化石燃料燃烧产生的温室气体导致全球气候变暖是人类共同面临的重大环境问题.本文提出减排大气CO2含量最为现实和有效的对策是采取CO2地质埋存技术.在总结国际CO2地质埋存研究成果的基础上,全面分析了中国适宜CO2埋存的地质条件和潜在的埋存区域.初步估算,中国CO2地下贮存总容量约为14548×108t.建议近期加强中国CO2埋存地质条件调查和相关重大科技问题的研究.     

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。     

Short term validated geochemical model of CO2 sequestration

In this work we present a new approach to modeling the effects of CO2 sequestration that was tested in the Weyburn test site. The Weyburn oil-pull is recovered from Midale Beds （at 1300-1500 m depth）. This formation consists of Mississippian shallow marine evaporific carbonates that can be divided into two units： （1） the dolomific ＂Marly＂ and ii） the underlying calcitic ＂Vuggy＇, sealed by an anhydrite cap-rock. Presently, about 3 billions mc of supercrifical CO2 have been injected into the ＂Phase Al＂ injection area. The aim of our model is to reconstruct （1） the chemical composition of the reservoir; （2） the geochemical evolution of the reservoir with time as CO2 is injected and （3） the boundary conditions. The geochemical modeling was performed by using the code PRHEEQC （V2.11） software package. The ＂primitive brine＂ composition was calculated on the basis of the chemical equilibriums among the various phases, assuming reservoir equilibrium conditions for the mineral assemblage with respect to a Na-Cl （Cl/Na= 1.2） water, at T of 62℃ and P of 150 bars via thermodynamic corrections to the code database. A comparison between the chemical composition of the ＂primitive brine＂ and that analytically determined on water samples collected before the CO2 injection shows an agreement within 10%. Furthermore, we computed the kinetic evolution of the reservoir by considering the local equilibrium and the kinetically controlled reactions while taking it into account the CO2 injected during four years of monitoring. The calculated chemical composition after CO2 injection is consistent with the analytical data of samples collected in 2004, with the exception of calcium and magnesium contents.     

二氧化碳在海洋深层水中隔离的数值模拟

随着对大气中二氧化碳浓度的持续增加所产生的潜在全球气候变化问题的认识逐步加深,人们在进一步理解全球碳循环问题的同时,正在寻求遏止大气CO2浓度快速增加的方法。文章在讨论一些可能的途径后,着重探讨了作为其中一种选择的CO2海洋封存的有效性问题。使用北太平洋海洋环流模式,研究了人为隔离CO2在海洋中的行为。在北太平洋中选择了1个位置,在不同的深度人为投放CO2。模拟结果表明,隔离有效性随隔离的深度增加而增加。总的来说,当注入深度超过1500m,其海洋中隔离CO2在50a后仍可达注入量的95%以上。当隔离深度超过2000m后,深度增加对隔离效果的影响变小,50a后的差异均小于1%。     

CO2地质封存时移垂直地震监测技术

神华CO2捕获和封存（carbon capture and storage,CCS）示范项目是我国首个全流程煤基CO2捕获和在低孔低渗深部咸水层进行多层注入的CO2封存示范项目,意在通过时移垂直地震（VSP）监测CO2地质封存状况。介绍了CO2地质封存时移VSP技术和监测效果。通过注气前后3次VSP观测,得到了高品质时移VSP资料,研究了一致性处理技术、矢量波场分离和多波成像技术,获得了高分辨率的多波时移VSP剖面,通过深度域标定和多种属性解释对比,分析了注气前后VSP地震响应特征,预测了CO2地下运移范围,达到CCS项目预期监测目标。结果证明,时移VSP技术是监测CO2地质封存与运移的有效技术手段。