中国年封存量百万吨级CO2地质封存选址策略

CO₂地质封存是实现碳中和背景下难减排产业可持续发展的重要支撑技术。相较一些发达国家已经成功实现封存量为每年百万吨级CO₂封存项目工业化,中国的CO₂地质封存项目起步较晚,以封存量为每年十万吨级CO₂封存项目为主,而针对年封存量百万吨级及以上大型CO₂封存项目的选址、封存和监测尚缺乏经验。在针对世界上15个年封存量百万吨级CO₂地质封存项目成功案例调研基础上,按照封存场地圈闭地质类型划分了构造型圈闭(背斜型、断层型和裂缝型)和岩性型圈闭(砂岩型和碳酸盐岩型)两大类。在统计不同类型封存场地地质特征参数基础上,从“规模性、注入性、安全性和经济性”4大指标入手,提出了“大(Big)、通(Permeable)、保(Preserved)、值(Value)” BPPV选址原则,明确了年封存量百万吨级CO₂地质封存场地选址原则及参数标准。我国盆地类型多样差异大,需要采取不同的CO₂封存策略。针对鄂尔多斯、大庆油田等大型坳陷型盆地,由于其构造规模大、砂体分布面广、大规模背斜和岩性圈闭发育,寻找大型整装深层盐水层或者衰竭型油气藏封存场地的潜力大;针对东部渤海湾及近海断陷型盆地,由于断层发育、断层相关圈闭多、单圈闭容量较小,封存有效性受断层影响大,宜采取圈闭群综合评价与断层活动性动态评价相结合的策略;对西部叠合盆地,盆地边缘构造冲断带一般构造应力强、地层压力高、CO₂注入难度大,但盆地中央古隆起斜坡可以成为有效的封存场地,因此对西部盆地需要采取分区分带分层评价策略。     

CO2深部咸水层封存选址的地质评价

深部咸水层封存是目前最具前景的CO2地质封存方式。本文通过调研CO2地质封存相关文献，对CO2咸水层封存选址地质评价依据进行分类，总结咸水层封存涉及的定量研究方法并探讨目前CO2地质封存中的不确定性问题。主要认识有：① CO2咸水层封存选址的地质依据可根据在评价中的作用分为两类，第一类是用于可行性评价的通用依据，第二类是用于进一步筛选优选靶区的封存适宜性和安全性指标，其中封存适宜性评价针对的是更加细致的储层特征（相较于可行性评价），而安全性评价则集中在盖层适宜性、场地地震安全性、水文地质条件、地面场地地质条件、储层盖层空间分布和构造六个方面；② 封存潜力评价方面，大范围的可行性评价可首选资料要求较低的面积法进行封存潜力评价，对小范围的优选靶区采取精度更高的容积法和包含更多封存机制的容量系数法；③ 目前CO2地质封存中的不确定性问题主要在于相同依据在不同评价方面产生的不同影响、CO2- 水- 岩反应对储集物性的影响、研究发现的特殊现象、多场耦合模拟研究不系统以及封存潜力计算中参数不确定问题。     

CO2地质封存室内实验中盐水种类对残余水形成的影响

在咸水含水层中进行CO2地质封存是通过向含水层中注入CO2驱走咸水实现的。在大部分地下水被驱走之后,仍会有部分地下水残留在原来的岩石孔隙中形成残余水。残余水的形成过程及残余水饱和度的大小对CO2地质封存潜力及地质封存安全性等都具有重要影响。本研究通过超临界CO2排驱饱水岩心实验,研究了盐水种类对残余水的形成过程及残余水饱和度大小的控制作用。实验结果表明,在盐水浓度相同（35 g/L）的情况下,超临界CO2排驱盐水的最终稳定不可再降的残余水饱和度是去离子水＜NaCl盐水＜CaCl2盐水。从实验结果看,超临界CO2排驱咸水的过程可划分为3个阶段,本文分别称他们为活塞式排驱阶段、携带式排驱阶段和溶解式排驱阶段。论文提出了一个毛细管模型,利用这一模型对这3个阶段中CO2排驱水的机理进行了分析。     

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。     

CO2地质封存工程的潜在地质环境灾害风险及防范措施

CO2地质封存技术虽是有效减排CO2和提高石油、天然气等能源采收率的技术手段,但目前该技术尚处于发展阶段.CO2地质封存工程可能诱发一些潜在的地质环境灾害风险,如浅层地表垂向差异变形、可能诱发的断层活化及地震事件、CO2逃逸导致淡水含水层的污染、CO2泄漏富集危害附近人类健康和局部生态系统等.本文分析了上述潜在地质环境...     

CO2纯度对咸水层碳封存过程中残余水的影响

CO₂在地下深部咸水含水层的封存过程中,岩石孔隙内形成的残余水对CO₂可注入性、封存量及安全性都有负面影响,因此深入探究各因素影响下残余水的形成演化具有重要意义。文章利用取自鄂尔多斯盆地深部储层的天然岩心,在40℃和8 MPa的实验条件下利用3种纯度的CO₂(99.999%CO₂、75%CO₂+25%N₂以及50%CO₂+25%N₂)进行饱水岩心驱替实验,以探究CO₂纯度对残余水的影响。实验表明,在3种CO₂纯度下的岩心驱替实验中,达到突破点和排水终点所需时间排序均为：99.999%CO₂<75%CO₂+25%N₂<50%CO₂+50%N₂;不可再降残余水饱和度大小排序为：99.999%CO₂<75%CO₂     

CO2矿化封存条件下玄武岩溶解反应速率模型

实施CO2补集与地质封存是目前降低大气中CO2含量、减轻温室效应的有效途径。在所能利用的封存方式中,CO2矿化封存最为安全、稳定。在能实施矿化封存的岩石介质中,玄武岩封存潜力巨大,且岩石溶解反应过程是矿化沉淀过程的基础;因此,研究玄武岩溶解反应速率十分必要。在构成玄武岩的单一矿物与缓冲溶剂的反应速率模型的基础上,提出不同温度下玄武岩样品在超临界CO2水溶液中的溶解速率模型,并通过室内实验,利用采自山东省临朐县的玄武岩岩心样品,在45~100 ℃、10 MPa条件下,与超临界CO2－纯水反应,并运用最小二乘法确定模型中相关参数。同时利用57 ℃、72 ℃、92 ℃ 3个温度下的模型计算值与实验值对模型进行验证,结果证明了模型的准确性和可靠性,研究结果可直接应用于CO2地质封存条件下玄武岩溶解速率的计算。     

CO2地质封存三维地质结构建模与表征研究进展

碳捕集、利用与封存(CCUS)技术在快速、大规模地减排二氧化碳和实现我国"碳达峰"和"碳中和"的"双碳"目标等方面具有非常重要的应用价值。CCUS技术的成功实施离不开对目标封存场址的储层、盖层及地质结构的精细描述与定量刻画, 因此, 亟需对CO2地质封存场址的三维地质结构进行精细化建模和透明化表征。本文简要阐述了三维地质建模技术在CCUS工程应用中的研究进展, 归纳了适用于CCUS技术的三维地质结构透明化表征方法和流程, 指出了目前三维地质建模精度和效率等与CCUS实践需求不适应的问题, 并提出了针对性的建议, 为推动我国CCUS领域三维地质建模和结构表征方法的研究与软件开发提供了重要的理论和技术支撑。     

苏北盆地盐城组咸水层CO2 地质封存泄漏风险的全局敏感性分析

      基于对苏北盆地盐城组下段沉积旋回地层概化,建立了一个含有断层的二维剖面模型,采用TOUGH2/ECO2N 程序对 注入到深部咸水层中CO2 的运移分布特征及沿断层的泄漏过程进行了数值模拟。结果表明,尽管盐城组下段地层具有3层旋 回结构且砂岩层属高孔高渗储层,但由于泥层厚度较小且渗透率相对较高,多层封盖效果不佳。在存在导通断层时,CO2 泄露风险较大。应用Morris 法以断层中气相CO2 总量作为输出变量,对模型参数进行了全局敏感性分析。研究显示,当仅 改变断层参数时,与毛细压力相关的参数对气相CO2 沿断层泄漏影响程度最高;当考虑系统参数整体变化时则以砂岩含水 层和泥岩的渗透率敏感性最高,其次为与毛细压力相关的参数（进气压力、残余液体饱和度及孔隙分布指数）。两种情形下 孔隙度与盐度的敏感性均很小。     

鄂尔多斯深部咸水层CO_2地质封存效果评价

中国首个陆上咸水层CO_2地质封存全流程示范项目于2010年正式实施。为更加清晰、准确地了解注入场地储层的注入性能和注入封存过程中可能遇到的潜在问题,基于场地储层结构和注入监测数据,采用储层多相流模拟软件TOUGH2-MP/ECO_2N对鄂尔多斯105 t/a CO_2注入1 620 m以深的特低渗砂岩咸水含水层进行数值模拟,对储层的压力积聚和CO_2羽体扩散的动态演化以及储层封存量进行评估。结果表明,所建立的模型比较准确地反映了实际注入过程和注入效果。3a注入引起的最大压力抬升小于15 MPa,CO_2在含水层中总体呈均匀扩散,CO_2注入地下3a和53a后,羽体在刘家沟储层中的横向迁移距离分别为550 m和700 m左右。在目前的统注方案下,CO_2主要封存层位在储层上部的刘家沟组(埋深为1 690~1 699 m),其吸气量占整个储层封存量的80%以上,储层吸气能力具有由浅到深变差的特征。53a模拟期内,进入泥岩盖层的CO_2总量不及注入总量的0.05%。     

Feasibility study of CO2 geological storage in China

It has been proved to be one effective means to reduce emissions of CO2 to mitigate the worsening global climate change through lots of projects and tests about CO2 geological storage. The sites that are suitable for CO2 geological storage include coal seams that can not be mined, deep saline aquifers, oil fields, and depleted gas fields. The emission of CO2 from fuel combustion is about 3.54 Gt in China in 2003, which is the second biggest in the world. Because the energy consumption in China mainly depends on fossil fuels for a long time in the future, China will become a country with the biggest emission of CO2 in the world, which will make China have to reduce the emissions of CO2 by some methods including geological storage. Based on lots of information about the reserves of coal seam methane and the rank of coal in the 68 coal basins in China, the total CO2 storage capacity in these coal basins was estimated according to the recovery coefficient and exchange ratio of CO2 to CHa.The total storage capacity in deep saline aquifers can be regarded as the total quantity of CO2 that can be dissolved in the saline aquifers at the depth from 1000m to 3000m under ground. The quantity can be estimated by multiplying the solubility of CO2 in the saline water and the volume of the appropriate aquifers. According to the reserve and quality of crude oil in 46 main oil basins in China, the CO2 storage capacity and the quantity of enhanced oil were calculated. The storage capacity of depleted gas fields can be derived from the reserve and depth of the gas fields. The total CO2 geological storage capacity is about 196.2 Gt CO2 that is as against 55.4 times the CO2 emission from fuel combustion in China in 2003. According to the results of the finished projects and tests about CO2-EOR and CO2-ECBM, the CO2 geological storage capacities in coal seams, deep saline aquifers, oil fields and depleted gas fields will be estimated.     

深部咸水层CO2地质储存地质安全性评价方法研究

CO2地质储存工程属于环保型工程项目,地质安全性是影响CO2长期封存的首要因素。深部咸水层CO2地质储存地质安全性影响因素主要包括盖层适宜性、场地地震安全性、水文地质条件、地面场地地质条件四个方面,其中盖层适宜性是CO2安全储存的最关键因素,场地地震安全性和水文地质条件次之,而地面场地地质条件也是影响工程施工的重要因素。本文基于CO2地质储存的地质安全性影响因素分析,建立了层次分析结构的地质安全性评价指标体系,并初步计算了评价指标的权重;提出可以利用模糊综合评价方法进行深部咸水层CO2地质储存地质安全性综合评价,为中国深部咸水层CO2地质储存的地质安全性评价方法和安全选址指明了方向。     

规模化深部咸水含水层CO2地质储存选址方法研究

本文依据中国沉积盆地CO2地质储存潜力评价结果,认为深部咸水含水层是实现规模化CO2地质储存的主体,进而对适宜CO2地质储存的深部咸水含水层属性进行了界定。提出了深部咸水含水层CO2地质储存选址原则,合理划分了选址工作阶段。建立了选址技术指标、安全性评价指标、经济适宜性和地面地质-社会环境选址指标4个指标层,60余个指标的选址指标体系,提出了基于层次分析(AHP)的多因子排序选址评价方法。本文的研究成果对中国深部咸水含水层CO2地质储存场地选址具有一定的指导意义。     

我国沉积盆地CO2地质储存的地热条件适宜性评价

CO2地质储存是减少人类活动产生的CO2向大气排放的有效措施之一。目前CO2地质储存适宜性评价中仅把地热条件作为单一因子进行考虑,难以准确评价地热条件对CO2地质储存的影响,评价精度较差。为此本文采用加权法将地热条件三因素(大地热流、地温梯度与地表年均气温)进行CO2地质储存适宜性评价,提高了精度。表明:我国总体上较适宜CO2地质储存,储存空间大。2.1%(8.5×104km2)沉积盆地适宜CO2地质储存,68.6%(274.0×104km2)较适宜,24.6%(98.4×104km2)一般适宜,4.7%较不适宜(18.7×104km2),无不适宜区。     

On the risk of hydraulic fracturing in CO2 geological storage

We present a contribution on the risk of hydraulic fracturing in CO₂ geological storage using an analytical model of hydraulic fracturing in weak formations. The work is based on a Mohr–Coulomb dislocation model that is extended to account for material with fracture toughness. The complete slip process that is distributed around the crack tip is replaced by superdislocations that are placed in the effective centers. The analytical model enables the identification of a dominant parameter, which defines the regimes of brittle to ductile propagation and the limit at which a mode‐1 fracture cannot advance. We examine also how the corrosive effect of CO₂ on rock strength may affect hydraulic fracture propagation. We found that a hydraulically induced vertical fracture from CO₂ injection is more likely to propagate horizontally than vertically, remaining contained in the storage zone. The horizontal fracture propagation will have a positive effect on the injectivity and storage capacity of the formation. The containment in the vertical direction will mitigate the risk of fracturing and migration of CO₂ to upper layers and back to the atmosphere. Although the corrosive effect of CO₂ is expected to decrease the rock toughness and the resistance to fracturing, the overall decrease of rock strength promotes ductile behavior with the energy dissipated in plastic deformation and hence mitigates the mode‐1 fracture propagation. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

CO_2注入下岩层变形和流体运移分析(I):两相流-岩层耦合模型

目前国内关于CO2咸水层封存尚处于先导性和试验性研究阶段,对超临界CO2注入过程中岩层力学响应和流体运移的理论与技术方面的认识还不完善。为研究CO2注入下岩层变形和流体运移,基于两相流动数学模型,给出了超临界CO2和咸水质量守恒方程;采用毛细压力和有效饱和度的关系式,将质量守恒方程变换成以毛细压力为变量的表达式,以便于考虑流体压力对岩层的影响。提出了无流体压力影响下的岩层力学本构模型,该模型能够同时考虑岩层的塑性变形和损伤。分析了两相流体-岩层相互作用机制:一方面,采用有效应力原理,考虑流体压力对岩层的力学影响;另一方面,通过岩层固有渗透率变化考虑岩层变形对流体运移的影响。     

CO_2地质储存潜力与适宜性评价编图方法研究

借鉴国外CO2地质储存潜力与适宜性调查评价工作程序,将我国CO2地质储存潜力与适宜性评价工作划分为五个阶段。影响盆地评价阶段CO2地质储存适宜性的因素很多,本文分别从盆地本身物理条件、数据源和资源潜力、地壳稳定性、温度以及经济适宜性五个影响方面形成单因子图,此五类单因子图件的编图基础为中国1∶500万地质图,利用图层属性的加权计算、叠加的成图方法,综合单因子图件形成我国CO2地质储存远景区划图件。     

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.     

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。