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全面解读丨中国二氧化碳地质封存潜力评价最新研究进展

煤炭科学技术12-06

本文创新点

针对国内外对CO₂地质封存与利用的理论计算储量公式进行了整理，评价了其优劣，重点对国内已经开展运行的示范工程进行了梳理，指出了现存的主要问题，为下一步国内CCUS示范工程选址提供参考依据。

作者简介

孙腾民

中国矿业大学

孙腾民（1998—），男，甘肃平川人，硕士研究生。

主要成果：参与第二届国际能源与环境会议并作报告

研究方向：CO₂地质封存与利用

作

作者

孙腾民^1,2,3,4，刘世奇^1,2，汪涛^1,2,3,4

单位

1.中国矿业大学低碳能源研究院 2.中国矿业大学江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室 3.中国矿业大学资源与地球科学学院 4.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室

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摘要

CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage，碳捕集、利用与封存）技术是减少化石能源发电和工业生产过程中CO₂排放的关键技术，也是我国实现碳中和的兜底技术。CO₂地质封存是CCUS技术的核心组成部分，决定了CCUS技术的发展潜力和发展方向，建立适用我国地质特点的CO₂封存潜力评价方法，科学评估我国主要沉积盆地CO₂封存潜力是我国CCUS技术发展的基础。国外将CO₂地质封存潜力评价分为国家/州级筛选、盆地级评价、场址描述、场址应用4个阶段，并将封存地质体特征、区域地质、评估目的、地方保护、社会健康、封存安全和环境风险等作为主要指标，形成了一系列盆地级别评价指标体系，同时针对不同封存地质体，建立了CSLF(碳封存领导人论坛）法、DOE(美国能源部）法、欧盟法，ECOFYS和TNO-TING法等CO2封存量计算方法。我国封存潜力评估整体处于起步阶段，尚未建立统一、系统的封存潜力评估方法，采用的封存潜力评价方法主要是基于层次分析法的模糊综合评价，并发展了封存潜力的次级盆地评价方法和CO₂封存量的溶解度计算方法。我国CO₂地质封存潜力巨大、方式多样，封存有利区域为渤海湾盆地、松辽盆地、鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、苏北盆地和四川盆地。由于中国地质条件的复杂性，采用不同评价方法评估得到的CO₂封存潜力差距较大，亟需对深部咸水层、正在开采或枯竭的油气田、深部不可采煤层、浅海等主要封存地质体开展CO₂封存潜力的精细评估。

研究背景

化石能源在全球能源系统中占主导地位。化石能源的大规模使用产生了大量CO₂、CH₄、N₂O等温室气体，加剧了全球气温变暖的趋势。其中，CO₂含量多，所占比例大，对全球升温的贡献最大。据全球碳地图集2019年的统计数据，自2006年我国CO₂排放量超过美国，连续14a成为全球最大的温室气体排放国，减排压力巨大。

碳捕集、利用与封存(Carbon Capture,Utilization and Storage,CCUS)技术被认为是减少化石能源发电和工业生产过程中CO₂排放的关键技术。根据国际能源署（IEA）的预测，2070年要实现全球陆地地表气温增加量控制在1.5℃ 以内，CCUS技术可分别贡献钢铁、水泥、化工、燃料转换和发电行业25％、61％、28％、90％和16％的碳减排量。目前，包括IEA在内的全球主要能源研究机构、主要碳减排积极倡导组织和国家一致将CCUS技术作为未来的主要碳减排技术。CO₂地质封存是CCUS技术的重要组成部分，是国际公认的减少CO₂排放的地质处置方法，其主要封存地质体包括深部咸水层、正在开采或枯竭的油气田、深部不可采煤层、玄武岩层、浅海等。中国能源消费以煤炭为主，2020年煤炭消费量占能源消费总量的 56.8％（数据来源：国家统计局），其中，燃煤电厂是主要的大型CO₂排放点源，发展CO₂地质封存技术是减少煤炭燃烧过程中碳排放的有效途径之一，将有效助力我国实现碳中和目标。

1 CO₂地质封存潜力评价方法

1.1 CO₂地质封存潜力表征模型

CO₂地质封存是将CO₂以吸附态、游离态、水溶态和矿化态等形式储集于封存地质体中。封存地质体的CO₂封存潜力受其规模、封闭性、埋深、孔隙度、渗透率、温度、压力、地应力、水文等地质条件，以及技术、经济和政策措施等因素综合影响。BACHU和SHAW最先系统地提出了CO₂地质储存潜力评价方法理论，之后 IPCC(政府间气候变化专门委员会）提出了CO₂地质储存潜力与适宜性评价的总体框架。目前，常采用BOND提出的技术－经济资源金字塔模型表征CO₂地质封存潜力，该模型为CO₂地质封存潜力评价奠定了理论基础（图1、图2)。

图1 碳捕集、利用与封存技术示意

图2 技术－经济资源金字塔模型示意

1.2 CO₂地质封存适宜性评价体系

借鉴国外学者所建立的评价指标基础上，综合考虑我国沉积盆地的复杂性、CO₂封存地质条件特殊性，以及我国“循序渐进、分步勘查” 的矿产资源开发原则，国内学者采用基于层次分析法的模糊综合评价方法，将我国CO₂地质封存适宜性评价工作划分为国家级潜力评价、盆地级潜力评价、目标区级潜力评价、场地级潜力评价和灌注级潜力评价5个阶段，并建立了表１所示的工作流程与评价体系。

表1 中国二氧化碳地质储存潜力与适宜性评价地质工作阶段划分

1.2 CO₂地质封存量计算方法

不同封存地质体中主要封存方式存在差异，CO₂封存量的计算方法也因此不同。目前所采用的CO₂地质封存量计算方法主要确定的是理论封存量和有效封存量

１）深部不可采煤层CO₂地质封存量计算方法。

２）深部咸水层CO₂地质封存量计算方法。

３）油气藏CO₂地质封存量计算方法。

2 中国主要地质体CO₂封存潜力

2.1 深部不可采煤层CO₂封存潜力

表2 中国主要含煤盆地CO₂封存量

表3 中国45个主要含煤盆地CO₂封存量

表4 江苏省各地区煤层CO₂封存量估算值

表5 沁水盆地3号煤层CO₂煤层存储能力评价结果

图3 沁水盆地3号煤层CO₂封存区域划分

2.2 深部咸水层封存CO₂封存潜力

图4 鄂尔多斯盆地深部咸水层CO₂有效封存潜力

图5 苏北－南黄海盆地CO₂地质封存量

2.3 枯竭油气藏CO₂封存潜力

油气产出后，油气藏剩余的地下空间本身就是一个良好的CO₂地质封存场所。相比咸水层、煤层，油气藏具有良好的封闭性，往往无需进行适宜性评价，只需从盆地的一级构造单元入手即可，而油气开采工作中所积累的地质资料也为CO₂注入提供了资料保障。枯竭油气藏CO₂封存一般属于物理封存，其封存量即为油气开采后所产生的能够用于封存CO₂的空间体积。由于油气开采一般采用注水开发，实际生产过程中，油气开采后的地下空间会被水填充，注入的CO₂只能排出大部分水，剩余部分才是理论上的CO₂地质封存量。要进一步得到更精确的封存量，则需要以物质平衡法和类比法为基础结合数值模拟获得。

刘延峰等根据第2、3次全国天然气资源评估结果，计算得到我国主要含油气盆地的CO₂地质封存量约为30.5×10⁹ｔ，此次评估结果相对比之前的评估结果更加精确（表6），其中结果已进行了近似处理。

表6 中国主要含油气盆地CO₂封存量计算结果对比

2.4 浅海CO₂封存潜力

浅海CO₂封存主要有２种方式：①靠近大陆的大陆架部分的沉积盆地可用于封存CO₂；②由于CO₂独特的物理化学性质，可将其注入海洋深部，达到一定压力后，液态CO₂会在海洋深部聚集形成类似“CO₂湖”。

我国目前只对大陆架部分的沉积盆地CO₂封存量进行了粗略估算，对海洋水体的CO₂封存潜力尚未开展评估。对大陆架的沉积盆地的适宜性评价，李小春等在评价我国咸水层CO₂封存潜力时，对大陆架沉积盆地的CO₂封存量进行了简单计算，认为我国大陆架沉积盆地的CO₂封存量约为661.25×10⁸ｔ；霍传林首次将CO₂封存潜力模型应用于浅海沉积盆地，并提出了CO₂海底封存区规划指标体系与评估方法，评价计算得到中国近海总的CO₂有效封存量为25×10¹¹ｔ。