地下咸水层封存CO的研究现状及展望.docx

1、地下咸水层封存CO的研究现状及展望地下咸水层封存CO的研究现状及展望摘要:CO2捕获和封存技术是一项具有广泛应用前景的碳减排新技术,而地下咸水层是封存CO2最适宜的场所之一。首先介绍了地下咸水层封存CO2的基本原理;然后重点从三个方面论述了利用地下咸水层封存CO2的研究现状,包括CO2在地下咸水层中的运移规律,地下咸水层的地质条件分析与评价,以及CO2封存容量的估算三个方面;最后建议我国要进一步研究超临界CO2在地下咸水层中的渗流机理,并对具有封存潜力的地下咸水层逐步开展地质勘探与评价工作。关键词:温室效应 气候变化 二氧化碳封存 二氧化碳减排 地下咸水层RESEARCH STATUS AND

2、 PROSPECT OF CO2 SEQUESTRATION IN DEEP SALINE AQUIFERAbstract: CO2 Capture and Storage is an efficient CO2 emission reduction technology with wide application prospect. Deep saline aquifer is considered to be the most suitable site for CO2 sequestration. Firstly, the basic principle of CO2 sequestra

3、tion in deep saline aquifer was introduced; secondly, research status and prospect of CO2 sequestration in deep saline aquifer were discussed from three aspects, including transport and transformation mechanisms of CO2 in deep saline aquifer, investigation and assessment of geological conditions of

4、deep saline aquifer, and estimation of CO2 sequestration capacity; finally, it was advised that the seepage mechanism of CO2 after injected into deep saline aquifer should be further studied, and China should start the work of geological investigation for potential sites that are possible to be used

5、 for CO2 sequestration.Key Words:Greenhouse effect;Climate change;CO2 sequestration,CO2 emission reduction;Deep saline aquiferCO2因具有温室效应被普遍认为是导致全球气候变暖的重要原因之一。如何减少CO2排放,已经成为全人类面临的共同难题。国际社会也一直在积极寻求CO2的减排对策。绝大多数的CO2排放都是由于燃烧化石燃料引起的。化石燃料(包括煤炭、石油、天然气等)是世界能源的主要组成部分,在未来几十年内,预计化石燃料的使用和消耗将进一步增加。国际社会对化石燃料的长期依赖

6、性迫使各国亟需寻求新的减排方法。CO2捕获和封存技术(CO2 Capture & Storage,以下简称CCS)被认为是一项具有广泛应用前景的CO2减排新技术。CCS是一种将工业和能源等集中排放源产生的CO2进行收集、运输并安全封存到某处使其长期与大气隔离的技术。CCS主要由捕获、运输和封存三个环节组成。其中,关于CO2的捕获与运输环节,已经有相对成熟的技术和工艺,现阶段面临的主要是成本问题。而最后一个环节,CO2的封存,目前仍然存在着很大的不确定性,面临着许多挑战。CO2的封存方案主要包括地质封存和海洋封存两大类。由于海洋封存有可能对海洋生态环境带来灾难性的影响,国际社会目前推动的

7、主要是CO2的地质封存。CO2的地质封存场所主要包括:开采后期(或枯竭的)油气层、不可开采的煤层,以及深部地下咸水层。其中,地下咸水层在世界范围内分布广泛,并且拥有巨大的封存潜力,被认为是封存CO2最适宜的场所之一。但是利用地下咸水层封存CO2涉及到CO2与深部地质环境的复杂相互作用,现有的知识技术水平还无法确保CO2能够安全、稳定和长久(几百年甚至上千年)地封存于地下,因此需要科学家们对此开展进一步深入的研究。1 地下咸水层封存CO2的基本原理地下咸水层是指地底深处具有封闭构造的含地下水盐溶液的岩层。地下咸水层封存CO2的基本原理,就是将加压后高密度的CO2通过注射井注入地下岩层的孔隙空间中

8、以替代原有位置的地下咸水。在此过程中,CO2会部分溶解于地下咸水中,或者与地下咸水中的矿物成分或构成岩石骨架的矿石颗粒发生化学反应,从而达到长期封存CO2的目的。CO2注入地下咸水层后主要存在三种状态:(1)溶解状态:一部分CO2将溶解在地下水中。(2)超临界状态:CO2一般封存于深度大于800m的地下咸水层中,此时地下温度和压力均在CO2的临界点以上,CO2将处于一种被称作超临界的状态,其特点是既具有近似液体的较大密度,又具有近似气体的良好的流动性。(3)矿物状态:在咸水层里,部分CO2还能够与地下水及岩层中的矿物或有机质发生化学反应生成碳酸盐矿物,形成最为稳定和持久的存在形式。在这三种形式

9、中,由于CO2在地下水中的溶解能力较小,溶解封存只占4%6%,而矿物封存进程缓慢,需要上千年甚至更长的时间才能达到一定的封存量。因此,在科学家们所关注的时间跨度内(几十年至几百年),注入地下咸水层中的CO2主要以第二种形式,即超临界状态存在。2 地下咸水层封存CO2的研究现状2.1 CO2在地下咸水层中的运移规律前已述及,CO2在注入地下咸水层后主要以超临界状态存在。而超临界状态CO2在地下咸水层中的运动是一个非常复杂的多相态流动过程:一方面,超临界状态CO2注入地下咸水层后将在压力梯度和浓度梯度的作用下随地下水一起扩散;另一方面,由于超临界状态CO2的密度往往小于地下流体,因此会在浮力的作用

10、下向上方运动。此外,当CO2移动通过岩层孔隙时,毛细作用会阻碍CO2的运动,有一些CO2因毛细作用力而滞留在孔隙空间中。这三种运动往往同时进行,构成了非常复杂的渗流行为。同时,CO2的渗流过程还有可能受到许多环境因素的影响,如地层中的温度和压力会直接影响CO2的粘滞性,进而影响其在岩石介质中的渗透性能;CO2地下水岩石三相系统中的矿物化学反应尽管进程缓慢,但是即使生成少量的碳酸盐矿物也可能会使岩石介质中的孔隙率发生变化,从而对CO2的渗透性能产生影响。伴随着CCS技术的发展,科学家们首先利用现场试验和监测数据开始研究CO2封存于地下咸水层后的运移规律。1996年,挪威的Statoil石油公司在

11、北海的Sleipner天然气田上开始了人类历史上第一次把CO2封存于地下咸水层的工业实践。该公司每年向位于海底下1000 m深的高渗透性Utsira砂岩地层中注入100万吨左右的CO21。以此为契机,国际能源署(IEA)于1996年至1999年实施了Sleipner Aquifer CO2 Storage (SACS)国际合作研究计划2,采用地震波法跟踪监测注入地下后的CO2的迁移状态。监测结果显示大部分超临界状态CO2在浮力作用下先逐渐上浮,达到上覆不透水岩层的底部后沿着上覆岩层的底部轮廓向四周逐步扩散。这说明浮力在超临界状态CO2的运动中起到非常显著的驱动作用。2004年,美国能源局在德克

12、萨斯州北部的Frio地层中开展了CO2咸水层封存的先导性试验计划3。该计划利用一口注射井向Firo地层中以每天160吨左右的速率注入CO2,并利用另一口观测井进行CO2注入前、注入过程中以及注入后的水文监测、地球化学监测和地球物理监测。日本在CO2地下封存研究方面也进行了探索性的试验项目。2000年至2007年,日本RITE研究所在长冈将大约1万吨的CO2注入地下1200 m深的咸水层中,并采用地震波法、直接钻孔勘查法、孔间弹性波层析法等多种手段监测CO2在地下咸水层中的迁移状况4。监测结果表明,超临界状态CO2在地下咸水层中渗透速度缓慢,处于非常稳定的封存状态。在阿尔及利亚的In Salah

13、地区,石油公司自2004年开始也将从天然气中分离出来的CO2重新注入到地下咸水层中,并观测CO2的运移过程。除了使用地震波法和钻孔观测等常规方法以外,还首次利用卫星影像技术观测注射井附近的地表运动情况5。此外,加拿大,德国,英国等国也先后开展了CO2在地下咸水层中封存的试验项目研究6。在国内,神华集团结合煤化油项目在内蒙古鄂尔多斯盆地,中科院地质与地球物理研究所庞忠和领导的研究小组结合地热资源的利用在渤海湾盆地都开展了CO2地下咸水层封存的试验项目。目前,相关研究正在进行之中。这两个项目的实施将对我国今后的CO2地下咸水层封存实践起到重要的指导作用。CO2在岩层中的渗透过程受到多种因素的影响,

14、由于现场试验无法对各种影响因素进行有效的控制,因此,可控条件下的室内渗透试验成为研究CO2渗透机理的重要基础手段。Xue等人78开展了一系列研究CO2在岩石介质中的渗透过程的室内试验。他们分别将气态、液态和超临界状态的CO2注入砂岩试样中,并用弹性波检测不同相态的CO2在岩石中的运动情况,发现超临界状态CO2在岩石中的渗透速度要远大于气态和液态的CO2,并且渗透性能与岩石的孔隙结构特征紧密相关。然而囿于试验设备和测试手段,目前CO2渗透的室内试验成果还相对较少。溶解于地下水中的CO2与地下水盐溶液及岩石矿物成分发生的化学反应也有可能影响CO2在岩层中的渗透性能。一些学者通过室内试验研究了CO2

15、地下水岩石系统中所发生的化学反应910。溶解在地下水中的CO2生成的碳酸根离子能与地下水中的金属阳离子或是岩石中的硅酸盐矿物发生化学反应,生成碳酸盐矿物。尽管这是矿物封存CO2的一种稳定方式,但是生成的碳酸盐矿物有可能聚集在岩石孔隙中,降低岩石的孔隙率,从而降低CO2在岩层中的渗透性11。Xiao等人12对CO2注入地下咸水层后的化学反应过程进行了数值模拟,发现在注射井附近的区域由于岩层中硅酸盐矿物的溶解会导致岩石孔隙率增大,而在远离注射井的区域由于碳酸盐矿物的形成,岩石的孔隙率会降低。此外,数值建模和分析也是研究CO2在地下咸水层中运移规律的重要手段。有不少学者在这方面进行了相关的工作。例如

16、,Weir等人13,Pruess等人14对CO2注入均质地层后的径向扩散流动过程进行了数值模拟分析;Lindeberg15在CO2流动模拟过程中考虑了断层的影响;White等人16,Zhang等人17则通过数值模拟分析了地层的不均匀性对CO2流动过程的影响;Sasaki等人18对CO2的注入过程进行了数值模拟研究,主要分析了地下岩层的压力和温度对CO2渗透过程的影响。Yamamoto等人19对CO2封存于东京湾地下咸水层后的迁移状态进行了数值模拟,发现CO2的渗透会引起浅层地下水孔隙水压的上升并对地下水的渗流产生影响。在国内,郑艳等人20对江汉盆地江陵凹陷区CO2流动过程进行了数值模拟,分析了注入CO2的运移分布和溶解扩散情况。刘永忠等人21通过数值模拟研究了超临界CO2注入的过程参数和咸水层特性对CO2注入特性和咸水层中饱和度分布的影响。然而,目前的数值模拟研究采用的主要是传统的多相流体在多孔介质中的渗透理论和控制方程,而