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二氧化碳地质封存的环境监测
二氧化碳地质封存及其环境监测
蔡博峰/文
环境监测贯穿于CO2地质封存项目前期准备、项目运行和项目结束各个阶段，对于确定CO2地质封存安全性、对周围环境影响发挥着决定性作用。
而环境风险和环境影响直接决定了CO2地质封存环境监测监测对象、监测频率、监测布点和主要监测技术。
CO2捕集与封存（CCS）是CO2捕集、运输和地质封存一个完整过程。
CO2地质封存是CCS技术中核心内容之一，也是CCS整个过程中技术上最具挑战性一个环节。
将CO2封存于地下作为人类活动温室气体减排手段，最早是20世纪70年代提出，但直到20世纪90年代，这一观点才受到许多研究团体关注。
时至今日，CO2地质封存已经从当初一个未受关注理论概念，发展成为广为了解并被认为是全球温室气体减排重要手段之一。
国际能源署（IEA）在研究报告中认为，全球要实现2℃升温控制，则必须将大气中CO2浓度控制在450ppm，而CCS在2050年减排中将贡献19%。
CCS同时也是低成本温室气体减排技术方案重要组成部分。
如果没有CCS，全球到2050年CO2减排50%成本会提高70%。
CO2地质封存技术相对捕获和运输技术，经验要少得多。
2010年以前，除了Sleipner，InSalah和Snøhvit项目外，所有CO2地质封存项目都是CO2驱油项目，真正单纯CO2地质封存项目极少。
当前对于全球CO2地质封存地质条件、特征和资源了解几乎都是基于石油和天然气开采。
而对CO2地质封存最有潜力和封存能力最大地下咸水层，我们却知之甚少，对其CO2封存特征、环境风险等都未有深入了解。
如果CO2地质封存要在全球温室气体减排中发挥实质性作用，则必须要在安全、环保和经济条件下大规模地推广和实施。
当前国际上CO2地质封存项目发展很快，但包括加拿大Weyburn项目在内多数项目受阻和备受争议主要原因都是环境问题。
解决这一困境核心是利用科学、系统环境监测来确保公众对CO2地质封存信心。
CO2地质封存环境监测理论基础和出发点是地质封存环境风险和环境影响。
环境风险是一种潜在环境影响，并不必然发生，其度量是事件发生概率及其环境影响乘积；而环境影响往往由于项目实施而不可避免会产生。
环境风险和环境影响直接决定了地质封存环境监测监测对象、监测频率、监测布点和主要监测技术。
CO2地质封存环境监测必须与具体封存环境风险和环境影响结合起来，设计和布置不同阶段监测重点和监测频率。
基于具体情况和有侧重点地设计和构建环境监测体系有两重优势。
首先，监测可以侧重环境风险和环境影响较大方向，有放矢；其次，环境监测往往成本较高，精心设计、有所侧重环境监测可以最大限度地降低监测成本。
中国二氧化碳地质封存进展
中国是全球CO2地质封存项目发展最具潜力国家。
因为中国CO2排放量很大，并且中国以煤为主能源结构，决定了CO2地质封存在中国具有很大应用价值和潜力。
大规模成功应用CO2地质封存，可以保证中国继续利用煤炭资源，并且产生较低CO2排放。
中国政府和企业对于CO2捕获、利用和地质封存（CCUS）认知和接受程度在不断提高，并且认为CCUS会在中期和长期，在中国应对气候变化战略和CO2减排中发挥重要作用。
同时，中国在CO2地质封存应用和实践方面取得了很大进步。
如中国石油天然气股份有限公司已于2009年在吉林油田开始了每年12万吨CO2驱油项目（EOR）。
吉林油田长岭气田中CO2含量高达30%，从含CO2天然气中捕集CO2，再将其用于低渗透油藏驱油，从而实现CO2捕集、埋存和提高石油采收率目标。
中国石油化工股份有限公司于2010年，在山东省胜利油田开始CO2驱油项目（EOR），已累计注入4.3万吨CO2，累计增产原油7967吨。
在胜利油田，适合CO2驱油低渗透油田储量达2亿多吨，若全部采用CO2驱油，则每年可封存CO2300万吨，提高油田采收率10～15%，可新增采储量3300～4700万吨。
目前胜利发电厂正在建设100万吨/年烟气CO2捕集和封存项目，这将成为我国最大火电CO2捕集和封存项目。
神华集团于2011年在内蒙古鄂尔多斯启动了CO2深部咸水层注入项目。
该项目设计每年注入10万吨CO2。
注入深部咸水层CO2来自神华煤液化工厂（当前每年生产360万吨CO2），煤液化过程生产CO2浓度为87%，将其纯化到95%，然后通过储罐运输到注入场地。
煤制油厂与CO2注入场地之间距离约9千米。
在神华CO2注入点，从地下1000米到2500米，周边共有多组盖层-储层组合结构。
项目最终选择了地下1690～2453米深度21个盖层-储层组合结构作为项目CO2地下封存地层，总厚度达到112.6米。
除此之外，还有一些项目正在规划中（具体分布见图1）。
图1中国CO2地质封存项目（2011）
中国企业对CO2地质封存很有兴趣，政府也非常重视这一CO2减排工程手段，但CO2地质封存在中国仍处于起步阶段，对于地质封存项目环境影响评价，缺乏法规依据和案例参考，尤其缺乏较为系统环境监测方法和监测数据支持，这和我国CO2地质封存项目快速发展和应用极不相称。
因而，当前需要积极借鉴欧、美、澳在环境监测方面长达20年经验和教训，出台中国CO2地质封存环境监测导则和技术指南，建立环境监测方法体系，设定监测核心内容和关键指标，支持和保障中国CO2地质封存环境友好型发展。
全球二氧化碳地质封存现状
完整CO2地质封存过程包括4个阶段，选址和评价（约3～10年），运行地下注入（几十年），关闭（几年）和关闭后。
CO2被注入到深部地层（通常深度超过1000米）岩石空隙中，从而被封存在地层中。
一旦CO2被安全地注入到地层中，其可能被封存长达地质时期之久。
为了能更好地地质封存CO2，需要将CO2压缩，使CO2密度状态达到“超临界”，处于超临界状态CO2密度约为750千克/立方米。
此时，CO2以气体状态充满岩石空隙，同时又具有粘稠性。
能实现CO2地质封存地层需要满足以下3个主要条件：
充足储存空间和可注入性（足够孔隙度和渗透性）；安全封层（盖层），即位于储层之上具有不可渗透岩石层，这样可以防止CO2向上移动和渗漏；地层需要深于800米，这样压力和温度才能足够高，使得注入CO2达到超临界状态，从而最大化地封存CO2。
全球CCS研究所在其《全球2011年CCS现状》中称，2011年全球处于不同状态（确认、评价、决定、执行和运行）大规模完整CCS项目（包括CO2捕捉、运输和储存过程，并且规模在：
煤电厂每年CO2储存量不少于80万吨；其它高能耗设施每年CO2储存量不少于40万吨）共有74个。
在这74个项目中，8个处于运行状态，6个正在施工建设，这14个项目总CO2封存能力达到每年3300万吨。
北美和欧洲是工业规模水平CO2地质封存项目主要地区。
北美和欧洲大规模完整CCS项目分别有25个和21个，之和占总项目数62%，其次是加拿大（9个项目），澳大利亚（6个项目）和中国（6个项目）。
美国是CCS项目最为活跃地区，不仅项目数量位居全球第一，而且总CO2封存量也居世界第一。
2011年全球大规模完整CCS项目中大部分都是预计在2015-2020年才开始实施。
从CO2地质封存类型上看，46%全球大规模完整CCS项目属于EOR项目，26%属于陆地咸水层项目，14%属于海上咸水层项目，7%属于海上枯竭油气藏项目，另外其它7%处于不确定和其他类型。
二氧化碳地质封存环境风险和环境影响
1、环境风险
工业规模水平CO2地质封存项目，会将大量超临界状态CO2注入地下，这些CO2会不断发生大面积迁移，因而环境风险在很大范围都存在。
当CO2注入到地下储层中时，其可能会通过如下途径发生泄漏：
通过低渗透率盖层（例如页岩）岩石空隙泄漏；通过不整合面（位于不同地质年代岩石层之间显示沉积作用非连续性侵蚀面）或者岩石空隙横向移动；通过盖层裂隙、断裂或者地质断层泄漏；通过人为因素导致途径，例如未进行完整密封钻井或者废弃油井等泄漏。
开采枯竭油藏和气藏，由于研究数据和开发利用较为充分，因而是CO2地质封存较为安全和理想地层类型。
但是，由于开采枯竭油藏和气藏区域内会存在很多钻井，其中包括许多未被利用钻井，很多钻井状况很差，因此这类地层风险是，CO2可能通过钻井而泄漏。
特别是那些未被发现或者未能妥善废弃钻井是开采枯竭油藏和气藏重要风险源。
石油行业经验表明，由于操作不当或者油井套管、封隔器或者灌注水泥等退化，油井往往是重要泄漏途径之一。
油井完整性缺失长期以来一直被认为是CO2地质封存最有可能泄漏途径，尤其是当存在废弃油井或者老油井时。
通过废弃油井泄漏CO2风险受影响于在CO2地层活动范围内油井个数、深度及其废弃处理过程。
深部咸水层封存CO2泄漏途径也主要是上述途径，它与枯竭油气藏主要差异是，其盖层对CO2密闭性没有经过时间考验。
另一个差异是当CO2注入到深部咸水层时，会引起储层压力增加，因为只有将咸水层岩石空隙中盐水挤压出来，才有空间储存CO2。
对于煤层封存，当出现煤矿开采等情况，导致煤层内部压力降低时，吸附于煤基质之上CO2就会释放出来。
如果煤层压力大幅降低，大量吸附于煤基质上CO2就会通过煤层割理系统（割理系统是广泛存在于煤层中内生裂隙系统，是煤层经过干缩作用、煤化作用、岩化作用和构造压力等各种过程形成天然裂隙）自由流动。
地质断层、人工开矿导致地层裂隙或者未能妥善处理废弃煤矿井都可能成为CO2从地层中泄漏出来途径。
由于CO2地质封存仍然是一个新现象，所以尚未有评价CO2地质封存环境风险较为成熟、完整方法体系。
一系列方法体系已经或者正在被应用和使用，其中一些是定量研究，一些是定性研究。
但绝大多数方法都是基于具体CO2地质封存项目和特定假设条件。
许多正在应用CO2地质封存风险评价方法都是基于特征、事件和过程方法学，来确定、分类和甄选可能影响CO2地质封存各类因子。
在这种体系下，特征是指一系列参数，例如储层渗透性、盖层厚度和钻井个数等。
事件包括了地震事件、钻井井喷和新钻井穿透储层事件等。
过程是指物理和化学反应过程，例如多相流（两种或两种以上不同相流体混合在一起流动）、可能影响储层能力和安全化学反应及地球化学环境变化等。
一些风险评价利用了情景分析来表征CO2泄漏可能出现不同情况。
一些风险评价确定一个基准情景，代表了最有可能出现情况。
风险评价核心是确定最有可能出现泄漏事件以及它们概率。
比较能达成共识是，泄漏高风险可能会出现在CO2地质封存项目注入阶段或者注入结束后短期阶段（可能是结束后几十年内）。
支持这一结论依据主要有：
首先，储层压力会在CO2注入期间达到最高；其次，注入结束后，固定和捕获CO2物理和化学过程开始活跃。
2、环境影响
CO2地质封存项目可能会导致两个层面环境影响：
全球尺度和地方尺度。
全球尺度：
CO2释放于大气，则增加大气中CO2浓度，对全球气候变化发生作用，这是对全球尺度环境影响。
CO2地质封存根本目是减少大气中CO2量，将CO2从排放源提取出来，直接封存于地下。
但如果封存于地下CO2重新释放回大气，则CO2地质封存项目本身也就失败了。
因此CO2地质封存全球环境影响可以认为是CO2封存有效性失败。
关键问题是，泄漏多少CO2才能认为是有全球环境影响，或者说才能认定一个CO2封存项目是失败。
尽管关于可接受泄漏水平没有一个较为确定范围（主要取决于不同方法对CO2地质封存在全球CO2减排中作用和贡献设定），但许多研究者还是认为每年泄漏率应当低于0.1%。
在这种情况下，年注入量为100万吨CO2地质封存项目，0.1%泄漏率意味着每年泄漏量不能超过1000吨。
地方尺度：
如果CO2从地下储层中泄漏出来，进入浅表层，则地下水资源、土壤、植被、大气等都有可能受到其负面影响。
如果CO2从地下储层泄漏出来，进入浅层地下水层，则会逐渐溶解进入地下水，溶解CO2会提高地下水碳酸浓度，降低地下水pH值，地下水酸性提高会增加地下水中主要元素和微量元素变化，恶化地下水水质。
溶解CO2还会提高地下水中有毒金属、硫酸盐、氯化物移动能力，从而可能会给地下水带来异常气味、颜色或者异常味道。
酸化地下水可以通过溶解、吸附和离子交换等反应，使微量金属元素从周围环境中释放进入地下水中。
而许多微量金属元素都属于重金属，例如铅（Pb），镉（Cd）以及砷（As），这些元素会对地下水产生较为严重毒理作用。
CO2进入土壤后，会造成土壤局部地区CO2浓度升高，达到一定程度时，会对土壤生物系统以及植被根系产生较为严重影响。
泄漏CO2进入近地表植被生态系统时，开始可能会产生施肥效果，从而促进植被生长，但当CO2浓度在土壤中逐渐升高并导致土壤中氧气浓度降低时，植物开始出现胁迫效应，并且植被胁迫效应会逐渐大于植被施肥效应。
土壤气体中CO2浓度超过5%时，就会对植被产生负面影响，当超过10%时，就会导致根系窒息，当达到20%时，CO2就会成为植物毒素。
许多有潜力CO2地质封存地层都位于海底，因此研究CO2泄漏对于海洋生态系统影响非常重要。
很明显，从海底地层泄漏CO2造成环境风险要小于从陆地地层中泄漏出来CO2造成环境风险。
二氧化碳地质封存环境监测
对于CO2地质封存项目，当前已经逐步建立起了一个较为体系和完整监测系统，包括地震测量技术（2D，3D，4D，垂直地震廓线和微地震测量技术）、电子和电磁测量技术、重力测量技术、地球化学分析等（图2）。
环境监测是CO2地质封存监测系统中核心部分之一，并且对于CO2地质封存项目成败具有关键作用。
环境监测贯穿CO2地质封存项目前期准备、项目运行和项目结束各个阶段。
环境监测对于确定CO2地质封存安全性、其对周围环境影响，以及其全球尺度温室气体减排都发挥着决定性作用。
CO2地质封存环境监测总体目标是向决策者、监管者以及公众表明，CO2地质封存不会对环境产生显著负面影响，并且是一种非常有效全球温室气体减排手段。
具体讲，CO2地质封存环境监测目标包括：
①提高对CO2地质封存理解水平，进一步确定其温室气体减排效果；②评估泄漏对于环境、安全和健康影响；③为公众提供及时有效信息，确保公众了解和掌握CO2地质封存环境影响，增强公众对于CO2地质封存信心和理解；④建立CO2地质封存市场信息，验证封存量，从而使得封存于地质层内CO2可以作为减排信用进入CO2交易市场；⑤对各类CO2地质封存项目与环境相关争议和法律问题解决提供技术支持，包括地下水、地表、土壤及植被和作物损失等。
图2CO2地质封存监测系统
（图片来源:
翻译和修改自Schlumerger图片）
1、环境监测方法
CO2地质封存环境监测核心是地下（地下水）、近地表（土壤和植被）和地上（大气）。
一个完整CO2地质封存项目生命周期中应该包括4个阶段，而环境监测活动和布局也应该基于不同阶段进行调整和设置。
运行前阶段：
CO2地质封存运行前阶段环境监测重点是建立封存场址周边环境本底值，确定主要环境风险。
环境本底值对于CO2注入开始以后泄漏及环境影响评价和监测具有决定性作用，只有建立了较为稳定、可靠环境本底值，才能较为可信地判断今后CO2浓度异常和各类环境影响是否为地质封存导致，是否超过了环境影响可接受限度。
因此，环境本底监测需要充分了解地质封存可能发生泄漏或渗透特殊区域CO2浓度和各类环境指标波动特征和范围。
近地表和大气基准监测数据用于评价周边环境大气CO2浓度特征和土壤气体中CO2含量。
自然和人类活动（火电厂、水泥、机动车等）都是影响大气CO2浓度重要因素，因此为了避免对CO2注入阶段判断偏差，需要充分了解非CO2地质封存各类CO2排放源，并且环境基准监测周期和频率要足以准确把握这些排放源波动特征，例如自然源往往至少需要监测1年（完整季相和植被物候期）。
运行阶段：
主要是CO2地质注入阶段，环境监测方法、技术及频率都是整个CO2地质封存项目生命周期中最全面和最高。
在CO2地质封存运行期间（注入阶段），要提高对地下水取样分析频率，以确保地下饮用水没有受到显著影响，及时发现问题。
需要连续监测大气CO2浓度，从而实时在线监控CO2浓度变化，判断浓度异常情况，及时发现、上报和处理CO2泄漏情况。
同样，土壤气体监测频率也要提高，在CO2地质封存注入阶段，要提高土壤气体监测空间精度。
土壤气体监测样点覆盖范围可以比运行前阶段相对小一些，但是样点网格空间分布需要更加密集。
关闭阶段：
CO2地质注入停止及注入井水泥浇灌封闭阶段，主要项目施工设施在这一阶段逐渐拆除，达成CO2地质封存场地环境恢复协议，保留部分必要环境监测设备。
在CO2地质注入关闭阶段，主要工程措施是对注入井进行水泥浇灌和封闭，因此环境监测应当侧重注入井及周边异常变化及可能CO2泄漏。
同时密切监测地下水，确保地下水在关闭阶段没有受到影响。
关闭后阶段：
CO2地质注入井封闭后相当长一段时间。
环境监测要确保CO2地质封存场地环境状况与模型模拟及预期保持一致，没有造成显著环境影响。
一旦充分表明封存场地表现是稳定、安全和对环境友好，并且泄漏风险极小，则环境监测即可以停止，除非出现环境影响争议或者不确定情况。
在CO2地质封存关闭后阶段，环境监测依然非常必要。
但是环境监测频率和持续时间很难确定，因为不同地质封存情况可能差异很大。
此阶段环境监测可以适当简化，但需要根据运行阶段、环境风险判断和模型模拟确定重点监测指标。
2、环境监测技术
许多环境监测技术和方法都已经被广泛应用于当前工业规模水平和实验规模水平CO2地质封存项目中。
这些环境监测方法包括直接监测CO2浓度，也包括间接监测CO2扩散和泄漏手段，例如对地下水、土壤和植被监测等。
图3显示了当前主要CO2地质封存环境监测特征。
图3CO2地质封存环境监测布局
3、环境监测相关法规
世界各国都把建立法律法规作为规范和推动CO2地质封存发展及最大限度降低其风险重要措施之一。
法律法规也是政府和公众监管和监督CO2地质封存项目主要依据。
项目执行者需要依据法律法规向政府和公众证明CO2地质封存是严格按照法律法规执行和操作，是安全和对环境没有显著影响，并且在长期将保持稳定表现。
欧盟2008年1月23日出台CCS指令中明确要求对CO2地质封存初始环境状态（本底）和整个运行过程进行监测。
欧盟2009年再次出台了CCS指令（《EUDIRECTIVE2009/31/ECOFTHEEUROPEANPARLIAMENTANDOFTHECOUNCILof23April2009onthegeologicalstorageofcarbondioxide》），其中指出监测对于评价是否泄漏以及泄漏造成环境和人体健康影响非常重要。
指令要求监测必须足以探测到CO2泄漏对于周边环境（特别是用于饮用或者周边生态系统使用地下水）显著负面影响。
对于海底CO2地质封存，监测设计必须充分考虑海洋环境和生态系统特征。
美国环保署针对CCS项目在2010年11月22日提出了新法规，其中基于饮用水保护地下灌注控制计划，针对CO2地质封存建立了新地下注入类型VI，并设定了地下饮用水保护要求。
该法规要求进行地下水质监测（包括对储层以上地球化学变化阶段性监测）、地表大气监测和土壤气体监测（按照地下灌注控制计划要求）。
在监测要求中，所有者或项目方必须提交一系列地下水质指标数据，包括pH、电导率、温度、CO2浓度、主要阳离子和阴离子、金属元素、总含盐量和碳氢化合物等。
为了保证CO2地质封存项目安全性和环境友好性，环境监测需要在CO2注入结束后持续很长一段时间。
尽管在CO2注入结束后，泄漏和环境风险会逐步降低，但注入CO2依然会不断地移动，直到所有CO2都被物理和化学捕获。
CO2地质封存项目监测责任是项目责任权利一部分。
通常讲，在项目结束后，CO2地质封存项目将从项目方转移给政府，而政府则永久性地负责该CO2地质封存项目管理和监测。
环境监测责任也就随着CO2地质封存项目转移而自动发生转移。
政府部门允许CO2地质封存项目转交或允许终止监测前提条件是，政府必须确保地质封存项目安全可靠和环境友好，其封存点表现和模型预测一致，并且模型预测各种情景都在可接受范围内。
监测责任是CO2地质封存项目长期责任核心内容之一，在满足三个条件情况下，CO2地质封存项目责任可以从项目方转交给政府部门。
首先，证明没有显著泄漏或者渗漏风险；其次，在CO2注入结束后经历了一个有最短要求时间段；最后，达成长期责任资金承担方案，从而减轻政府资金压力。
表1总结了典型国家关于CCS项目权责管理内容。
表1典型国家和地区关于CCS项目责权管理
政府
CCS责权管理
应用
澳大利亚
澳大利亚联邦政府接受80%CCS责任，西澳大利亚州承担20%责任。
Gorgon项目
加拿大
针对CCS项目没有特定责权要求，其要求同石油和天然气项目相同，但艾伯塔省和萨斯喀彻温省已经开始考虑设定针对CCS法规。
所有CCS项目
欧盟
当项目方证明没有显著泄漏风险，并且CO2注入结束后经过了20年，CCS责权转移到成员国政府。
所有CCS项目
美国
7个州政府已经建立了州层面上不同法规，包括项目方长久承担责任，州政府接收项目全部责权。
没有联邦政府层面法规要求。
特定州CCS项目
英国
接受欧盟CCS指令，政府接收CCS责权。
所有CCS项目
在这些国家，所有管理者都要求在CO2注入结束后，经历一个最短时间段。
在这一时间段内，CO2封存点周边和被封存CO2都被严格地监测。
这一最短时间段在不同政府要求有所不同，一般是20年到50年，但政府有权利根据情况修改时间长短。
欧盟CCS指令要求最短时间为20年。
英国、意大利和波兰都遵从这一指令内容，直接或者准备实施20年最短时限。
法国和德国则不同，这两国确定最小时限是30年，以提高公众对于CO2地质封存项目信心，防止项目方逃避责任。
在美国联邦政府层面，美国环保署VI注入类型法规（专门针对CO2地质封存）要求项目方在CO2注入结束后50年内承担责任，但这一时间可以根据政府做适当调整。
同样，所有政府在接收CO2地质封存项目时候，都需要一个资金承担方案，用以解决长期包括环境监测各类经费支出。
对于资金承担方案中，资金如何筹集，各方出资多少，以及如何管理和运作资金，不同政府要求和方法各不相同。
资金筹集机制包括特许税费、收费、信托基金和保险。
信托基金是应用最多形式。
信托基金优势是其可以在项目运行过程中建立，并且可以联合多个项目共同筹建基金以减少风险。
德国是为数不多确定CO2地质封存项目长期责权经费分担机制国家，要求项目方每年将因CO2地质封存而出售于碳市场减排配额收入3%，用于长期责权资金储备。
CO2地质封存为全球CO2减排提供了一个非常现实、可行技术途径。
但是，要实现全球CO2地质封存大规模应用，就要求其必须在环境方面是可持续发展。
因此必须开展必要环境监测以确保CO2地质封存环境影响在可接受范围内。
随着CO2地质封存快速发展（预计从2010年到2050年，全球平均每年会增加85个项目），环境监测将会发挥越来越重要作用。
作者单位：
环境保护部环境规划院
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