把二氧化碳“埋”在地下

我国二氧化碳地质封存研究及示范成果扫描

作者:高慧丽 范基姣 发布时间:2021-05-09

全球气候变化已成为全人类面临的共同挑战。气候变化导致的气温增高、海平面上升、极端天气和气候事件频发等问题日益凸显,并且已由科学问题演变为全球经济和政治问题。为应对气候变化,我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和”等目标承诺。

“双碳”目标下,作为可以实现化石能源大规模低碳利用的重要技术途径,碳捕集、利用和封存技术成为当下研究热点。

在自然资源部中国地质调查局的推动下,我国二氧化碳地质封存技术研究与工程示范已取得初步进展,如今正在加快研究步伐,力争为我国实现碳中和作出更大贡献。记者近日走访了我国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)产业技术创新战略联盟理事单位——自然资源部永利总站ylzz55(以下简称“永利总站ylzz55”)的相关负责人和专家。

我国二氧化碳地质封存潜力大,深部咸水层是主力储存空间

永利总站ylzz55专家介绍,二氧化碳地质封存,是指通过工程技术手段将从碳排放工业源捕集的二氧化碳直接注入至地下800-3500米深度范围内的深部咸水层、枯竭油气藏等地质构造中,通过一系列的岩石物理束缚、溶解和矿化作用而被封存在地质体中。可用于封存二氧化碳的地质体有陆上咸水层、海底咸水层、枯竭油气田等。

当前,全球二氧化碳地质利用与封存技术以二氧化碳驱油和深部咸水层地质封存最为成熟,驱油工程已安全投入商业运营近50年。截至2020年底,全球目前共有26个正在运行的商业项目,合计捕集二氧化碳规模约4000万吨/年,主要包括石油公司二氧化碳驱油和深部咸水层地质封存两类。就深部咸水层储集介质来看,截至2020年底,全球拟建和在建的地质封存或具有驱水理念的地质封存项目超过了12个,且正在逐步从小规模示范向大规模集成项目过渡。

永利总站ylzz55主任文冬光介绍,我国二氧化碳地质储存研究起步较晚,直至2009年,原国土资源部将二氧化碳地质储存调查评价纳入《地质矿产保障工程实施方案(2010-2020)》。随后,中国地质调查局先后启动了我国二氧化碳地质储存关键技术研究、全国二氧化碳地质储存潜力评价与示范工程、二氧化碳地质储存调查与资源化利用、准噶尔等盆地二氧化碳地质储存综合地质调查等项目,由永利总站ylzz55组织实施。“十二五”期间,与神华煤制油化工有限公司合作建成了我国首个30万吨级深部咸水层二氧化碳地质储存示范工程;2018年,与新疆油田合作,在准东彩南油田近枯竭油藏实施了二氧化碳强化深部咸水开采与封存先导性现场试验。

由永利总站ylzz55主编的《中国及毗邻海域主要沉积盆地二氧化碳地质储存适宜性评价图(1:500万)》,2018年正式出版。这是第一幅展示我国二氧化碳地质储存综合适宜条件的专业性图件。该图显示,我国深部咸水层二氧化碳地质储存潜力巨大,占总潜力的90%以上,远远超过油田、天然气田和煤层气田,是实现未来我国规模化二氧化碳地质储存的主力储存空间。适宜—较适宜二氧化碳地质储存的盆地或构造单元有111处,占所评价盆地总面积的38%;一般适宜的有329处,占全国评价盆地总面积的43%。其中,我国陆域塔里木、鄂尔多斯、松辽等13个大中型盆地,以及海域东海陆架/渤海、珠江口等16个大中型沉积盆地,储存潜力大,储盖层条件相对较好。

二氧化碳地质封存示范工程的实施,验证了技术的可行性和地质安全性

瞄准深部咸水层,永利总站ylzz55研究团队自2009年起开展了对二氧化碳地质储存从基础理论、场地勘查技术方法、完井技术与灌注试验、安全与环境风险评价,直至后期环境监测的全过程研究,攻克了一系列技术难题。比如:提出了综合咸水层地质条件、储存量、勘探成本的地球物理圈闭识别与评价体系;提出了二氧化碳地质封存潜力评价有效系数取值评估准则;创新了深部咸水层二氧化碳地质储存工程完井与灌注试验技术等。

永利总站ylzz55与神华煤制油化工有限公司合作,在内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗实施了我国首个二氧化碳捕集、运输与深部地质封存全流程示范工程。其中,永利总站ylzz55主导完成了示范工程封存场地的调查勘查,并实施一口监测井,建立了“大气—地表—地下”立体化监测系统,对示范工程地下空间储层中二氧化碳扩散及分布状态进行监测。该示范工程于201159日开始实施二氧化碳灌注实验,截至20154月实现累计注入二氧化碳30.2万吨。持续监测结果表明,示范工程场地未出现二氧化碳泄漏。该工程的实施,初步形成了十万吨/年二氧化碳地质封存技术体系,同时为每年百万吨级规模化封存工程和产业化实施储备了一批关键技术。

准噶尔盆地作为我国主要大型含油气盆地之一,盆地内部赋存有丰富的油气资源,同时也蕴藏着丰富的煤层气和页岩气资源,为在该区开展二氧化碳地质利用技术与工程示范提供了良好的基础。结合准东地区低碳减排、水资源短缺的强烈需求,以及该区二氧化碳捕集、利用与储存较好发展前景,永利总站ylzz55与中石油新疆油田分公司合作,通过调查研究,选定彩南油田作为实施二氧化碳强化深部咸水开采与储存先导性试验示范场地。

20186月,从克拉玛依市捕集的二氧化碳,用槽车沿沙漠公路运至彩南油田。一场二氧化碳驱水与地质储存一体化的先导性试验准备就绪。试验井组由一眼注入井、3眼一线监测井、6眼二线监测井组成。从6291630分,试验开始注入二氧化碳,至201871622:00结束注入,累计注入二氧化碳1010吨。整个试验过程在保持一定注入速度和注入压力下平稳进行,现场监测结果显示,二氧化碳在地下储层中运移规律与预期较吻合,地表没有发现气态二氧化碳泄漏。由此可见,二氧化碳驱水封存技术是可行的,也是可以安全实施的。

这次试验,只是揭开了准噶尔盆地二氧化碳地质储存潜力的冰山一角。评估结果表明,通过咸水层二氧化碳地质储存或二氧化碳驱水技术,准噶尔盆地可实现二氧化碳的地质储存量480×108-1640×108吨。而且,准噶尔盆地源汇匹配情况较好。典型的源汇匹配条件好的区域位于准东和准西地区。尤其是,准东五彩湾工业园区的排放源附近有成片连接的咸水层储存场地,不仅有适宜性很好的咸水层,同时也是多个大型油田的所在地,是进行二氧化碳驱替咸水利用,或者二氧化碳驱替石油技术的良好场地。

开展二氧化碳地质封存环境风险监测研究,取得一系列科技创新成果

把二氧化碳“埋”在地下,保障地质封存工程的安全性至关重要。存入地下的二氧化碳气体,一方面由于其自身具有较强的穿透性,另一方面由于地下储存空间不可预知的裂隙或隐伏断裂等地质构造的原因,都可能造成二氧化碳的泄漏。在陆地上储存二氧化碳时,最可能发生的问题是二氧化碳泄漏进入地下水补给层,即使是少量的泄漏,也可能造成饮用地下水质量的明显下降。一旦二氧化碳突破水力圈闭,将会向上进入浅层土壤,从而改变土壤物化性质,影响土壤生物,进而进入包气带和大气环境中,连锁影响地下水、土壤、生态系统、大气环境和人群健康。

为保障二氧化碳地质封存工程的安全性,必须合理选择工程场地,提高施工质量,并加强对封存全过程的监测。专家强调。而我国以陆相沉积的为主要特征的沉积盆地复杂区域地质条件,使得二氧化碳地质储存相对于国外已有工程面临更大的挑战。

正是认识到这一点,除了在二氧化碳地质储存场地选址阶段进行详细调查和综合评价,永利总站ylzz55的研究团队创新开展了二氧化碳地质储存的环境风险监测研究,确定了二氧化碳地质储存盖层力学作用机制,提出了盖层力学稳定性标准,以指导储存场地的选址及工程注入压力设计;阐释了二氧化碳一旦泄漏可能对地下水和地表生态环境的影响机理。

此外,该团队研发的二氧化碳迁移转化的数值模拟系统(二氧化碳–GSM),达到国际先进水平,可满足二氧化碳地质储存储层建模、评价预测等技术需求。研发了深层pH值原位监测系统,填补了国内pH值深层原位监测技术空白,满足1500米以深的监测技术要求。

永利总站ylzz55还在陕西西安建设了人工控制二氧化碳泄漏环境影响及监测试验场地,在青海平安建设了天然二氧化碳泄漏环境影响及监测野外科研观测基地,基于人工模拟试验与天然二氧化碳泄漏环境影响观测,建立了二氧化碳地质封存对大气、土壤、水、生态系统等环境影响评价方法与指标体系,以及监测技术方法,为生态环境部制定《二氧化碳捕集、利用与封存环境风险评估技术指南(试行)》提供了技术支撑。

我国二氧化碳地质封存技术还处于示范研究阶段,亟待加大深入研究

当前中国距离实现碳达峰目标已不足10年,从碳达峰到实现碳中和目标也仅有30年,与发达国家相比,我国实现碳达峰、碳中和远景目标时间更紧、幅度更大、困难更多、任务异常艰巨。当前,在我国以煤为主的能源消耗结构短期内难以改变的形势下,开展二氧化碳地质储存是实现我国碳减排承诺的一项有效措施。

近年来,我国二氧化碳地质储存在区域调查评价、关键技术研究和工程示范等领域有了较快的发展,二氧化碳地质利用与储存技术渐成体系,但总体上仍处于示范研究阶段,继续开展二氧化碳地质储存调查评价、技术方法创新,不断加大研究深度,对我国碳捕集、利用与储存规划与实施具有重要意义。

为支撑我国碳中和目标,“十四五”期间,永利总站ylzz55将进一步聚焦重大需求,在鄂尔多斯盆地、东北等国家级能源基地,以及京津冀、长三角、粤港澳大湾区等高碳排放源集中区,开展区域二氧化碳地质封存潜力评价与封存场地调查。同时,创新合作机制,实施二氧化碳地质封存示范工程,研发关键技术,形成潜力评价、调查选址等技术标准;统筹考虑地下多种资源空间叠置及相互影响等因素,探索提出地下空间利用与资源影响国土空间规划利用与管理建议。