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。     

CO2地质封存与利用示范工程进展及典型案例分析

CO₂地质封存与利用工程实施具有十分可观的CO₂减排效果,推行CO₂地质封存与利用项目对于缓解全球气候变暖、践行我国可持续发展战略具有重要意义。梳理了目前主要的CO₂地质封存与利用方式,统计了全球范围内的CO₂地质封存与利用示范工程,重点介绍了我国典型CO₂地质封存与利用示范工程案例,并对CO₂地质封存与利用技术发展趋势进行了展望。目前,CO₂地质封存与利用方式主要包括CO₂驱油封存、CO₂驱替煤层气封存、CO₂咸水层封存、CO₂枯竭油气藏封存、CO₂驱替页岩气封存、CO₂深部咸水层封存与采水、CO₂封存与增强型地热发电、CO₂封存与铀矿地浸开采等;国内外在CO₂驱油封存、CO₂咸水层封存以及CO...     

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。     

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。     

海底碳封存监测技术体系研究及未来发展

海底碳封存是减少全球温室气体排放的重要途径之一。为确保高效安全地封存CO₂,需要在封存前、封存期间和封存后对CO₂的潜在运移空间进行勘探、评估和监测。当前可用于海底碳封存监测的方式主要有聚焦海底井筒的内置传感监测、聚焦储层和盖层的地球物理监测以及聚焦海床和海水层的海底环境监测。这3种方式在海底碳封存监测中分别可获得注入、监测井筒附近的温度、压力和声学等数据,深部储层和盖层地震、电磁、重力等数据,以及浅部沉积层和海水层声学、化学和海洋学等数据,对这些数据进行分析有助于识别注入地层CO₂的运移特征。但欲获取海底碳封存监测的相关数据,必须首先实现针对相关监测技术和研究方法的集成应用和优质方案的设计,这也成为当前学术界和工程界亟待解决的难题。本着尽可能降本增效的原则,为实现科学有序地进行海底碳封存监测,整理了不同监测方式和相关支撑技术的工作原理、应用现状以及面临的挑战,并展望了海底碳封存监测技术的未来发展。研究结果将为我国海底碳封存作业的实施和发展提供基础指引。     

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。     

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。     

不同成分盐水驱CO2的残余气饱和度

CO₂在地下深部咸水含水层地质封存的多种封存机理中,束缚气封存的潜力很大,可占封存总量的30%左右。残余气饱和度是评价束缚气封存量的一个十分重要的参数。通过测定不同成分盐水驱CO₂的残余CO₂饱和度,对不同咸水含水层的束缚气封存潜力进行定性的评价,进一步为深部咸水含水层的CO₂封存量的评估提供了参数依据。同时也对深部咸水含水层CO₂地质封存的工程选址和目标含水层的选择具有一定的指导和借鉴意义。实验使用饱和CO₂的蒸馏水、NaCl溶液、CaCl₂溶液以及NaCl和CaCl₂的混合溶液(质量比1∶1),溶液质量浓度都为10%,驱替饱和CO₂的岩心,最后计算残余CO₂饱和度。饱和CO₂的溶液驱替CO₂的过程可以分为两个阶段：活塞式驱替和携带式驱替。实验结果显示,4种液体驱替实验的残余CO₂饱和度由小到大依次为：蒸馏水、混合溶液、NaCl溶液、CaCl₂溶液。结果表明：在界面张力和流体粘性共同作用下,界面张力对岩心中CO₂驱替效果的影响起主导作用;这3种类型盐水中,Cl-Ca型水束缚气封存潜力最大,其次是Cl-Na型水,Cl-Na·Ca型水最差。     

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。     

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。     

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...     

泄漏情景下碳封存项目的环境影响监测技术方法

CO₂环境影响监测技术作为碳捕集、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)体系的重要组成部分,贯穿整个储存过程,决定着CCUS工程的成败,对CCUS工程的有效性、持续性、安全性及碳减排效果的评估发挥着举足轻重的作用。为确保碳封存项目安全可靠运行,需要对环境影响、地层响应和CO₂地下运移等多个监测指标开展全流程测量和监控。不同监测阶段、不同监测指标下CO₂环境影响监测的重点会有所不同,相应的监测技术组合也略有差别。围绕地质封存中CO₂泄漏监测及泄漏源监测识别问题,系统剖析了CO₂环境影响监测技术的特点和应用场景,阐述了不同监测阶段、不同监测指标下CO₂环境影响监测技术方法的研究进展,总结了不同泄漏情景下CO₂环境影响监测技术方法的选择及其在实际应用中面临的问题,认为实时连续的监测设备研发、“大气-地表-地下”立体化快速监测技术体系以及长期有效的CO₂监测管理系统构建将是CO₂环境影响监测技术的发展方向。可为未来开展百万吨级碳封存工程的环境影响监测提供参考和借鉴。     

CO2地质封存缓释预警系统、应急系统及地面植物增强吸收系统研究

CCUS是实现化石能源低碳化利用的唯一技术选择,是保持电力系统灵活性的主要技术方法,是钢铁水泥行业低碳化不可或缺的技术手段,是实现碳中和的重要技术保障。CO₂地质封存是CCUS技术的重要组成部分。但是CO₂地质封存的缓释现象是CCUS不可逾越的障碍,应构建科学合理的缓释监测预警及应急系统和最后一道CO₂拦截系统地面植物增强吸收系统,最大限度吸收缓释二氧化碳,同时增加土地利用收益。     

深部咸水层CO2地质储存工程场地选址技术方法

CO₂地质储存作为环保型工程项目,其合理的工程场址是实现长期、安全封存CO₂的首要前提。我国CO₂地质储存工作刚刚起步,尚未形成成熟的选址技术方法体系。CO₂地质储存工程场地选址应遵循目标储层有效储存量大、安全、经济、符合一般建设项目环境保护选址条件、不受外部不良地质因素影响的原则,选址技术宜采用多尺度目标逼近法,选址程序包括规划选址和工程选址两大阶段。规划选址包括国家级、盆地级和目标区级潜力评价3个阶段;工程选址旨在通过目标靶区确定、综合地质调查、钻探及灌注试验和选定场地多因子排序综合评价,最终选出良好的工程场址。深部咸水层CO₂地质储存工程场地多尺度目标逼近选址技术方法对我国批量开展CO₂地质储存工程场地选址具有一定的指导意义。     

广东雷州半岛火山岩二氧化碳矿化封存潜力评估

火山岩的矿物固碳作用为减少大气中的二氧化碳(CO₂)提供了一种永久性的封存解决方案,是一种经济、安全的碳捕集封存(CCS)方式。中国火山岩分布广泛,但对火山岩固碳潜力的研究还很欠缺。文章选择广东省雷州半岛火山岩为研究区,利用MapGis软件,建立雷州半岛火山岩厚度分布的矢量地理信息数据库,插值得到三维网格化数据体;基于火山岩矿化封存机制和CO₂矿化封存潜力评估方法,对雷州半岛火山岩CO₂理论矿化封存潜力进行了计算。结果表明,雷州半岛火山岩总面积约3940 km²,总体积约257 km3,CO₂理论矿化封存量在19～459亿吨之间。其中以雷南火山岩区潜力最大,理论封存量为13～326亿吨;其次为雷北遂溪县以东、湛江市西部区域的火山岩区,理论封存量为2～56亿吨;东海岛区域火山岩,理论矿化封存量虽然不大(1.5～35亿吨),但因其与周边工业排放源较近,具有较好的源汇匹配条件,具备CCS潜力。研究结果不仅对于优选封存CO₂火山岩储集区带提供重要依据,同时为未来开...     

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<...     

苏北盆地层状盐穴储气库CO2封存数值模拟研究

地下盐岩溶腔是CO₂封存的有效地质体,CO₂沿盐岩软弱夹层和盐层-夹层交界面泄漏是制约地下盐岩溶腔CO₂安全封存的关键。以苏北盆地金坛地区CO₂盐穴储气库为研究对象,建立了层状盐穴储气库CO₂封存的流-固耦合数学模型,分析了盐岩及泥岩夹层中CO₂运移泄漏规律及其对CO₂安全封存的影响,并探讨了盐岩及泥岩夹层渗透率的动态响应特征。结果表明：渗透率是决定盐岩层中CO₂运移速率和泄漏范围的关键,在其影响下,相同封存时间内泥岩夹层中CO₂运移速率和影响范围远大于盐岩,但随封存时间延长,盐岩和泥岩夹层中CO₂运移速率和压力增幅均呈降低趋势,并随着CO₂压力传播至模拟边界而趋于稳定。渗透率动态变化是上覆地层压力负效应与盐岩层中CO₂压力正效应共同作用的结果,并受盐岩和泥岩夹层力学性质的影响。CO₂封存时间<3 ...     

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。      

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     

深部咸水层CO2地质储存适宜性评价方法研究

随着温室效应的加剧,CO₂地质储存已成为减缓全球气候变暖的有效方法之一. 可用于CO₂ 地下储存的场地主要有枯竭的油气田、深部咸水层和深部不可开采的煤层等,我国深部咸水层CO₂地质储存潜力占总潜力的98%以上. 在全面分析CO₂ 地质储存适宜性影响因素的基础上,建立了适宜于沉积盆地深部咸水层CO₂ 地质储存的适宜性评价体系,主要包括地质安全性、储存规模、社会环境风险和经济适宜性4大指标层,共计28个评价指标,评价方法以层次分析法及指标叠加法为主. 以西宁盆地为研究实例,通过基于排除法的地质条件综合分析与层次分析法的定量评价相互验证,表明该指标体系和评价方法具有广泛的应用价值. 结果表明,西宁盆地一级构造单元中双树坳陷最适宜CO₂地质储存,可作为CO₂地质储存的优先选区.