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二氧化碳深部含盐水层地质封存国际研究进展及启示


摘 要 二氧化碳深部含盐水层地质封存是降低大气二氧化碳浓度、抑制温室效应的有效途径。本文通过介绍世界发达国家在二氧化碳深部含盐水层地质封存方面研究取得的进展,对我国如何做好二氧化碳深部含盐水层地质封存方面的探索和研究以应对全球变暖提出了建议。

  关键词 全球变暖;二氧化碳封存;封存条件;科技研发

  文/王金龙 崔大伟 郭萍

  全球气候变暖危及人类以及整个地球环境,已经引起世界各国的广泛关注。自工业革命以来二氧化碳浓度上升了约25%,预计今后的二氧化碳浓度的年增长率为0.4%左右。

  目前,我国经济密集区主要集中在黄河三角洲、长江三角洲和珠江三角洲以及众多平原低地。按照目前二氧化碳增加的速度估计,在未来可预期的时间内,海平面的上升将对我国部分沿海地区的一半以上的人口和工业产值产生直接威胁。例如,大型油田、化工厂、电厂、盐场等。同时,海平面上升所引起的海水入侵及土地盐渍化将造成农业产量减少。

  大气二氧化碳浓度激增使得全球气候变暖问题越来越受到国际研究学者的关注。当前摆在人类面前的共同难题是如何降低大气中二氧化碳的浓度,有效控制温室效应。二氧化碳深部含盐水层地质封存是解决全球气候变暖的重要手段之一。

  二氧化碳深部含盐水层地质封存机理

  二氧化碳深部含盐水层地质封存机理

  二氧化碳深部含盐水层地质封存首先是对大规模集中排放源的废气分离,通过输送管道送到封存场地,然后在所封存的区块内进行钻孔,最后人为地把二氧化碳注入深部含盐水层封闭构造内,使二氧化碳长期安全埋入地下。

  在盐水层封存二氧化碳,首先从资源保护方面考虑(主要是保护淡水),由于盐水没有更多的用途,因此不会对淡水资源造成不可逆转的破坏。二氧化碳封存量主要分为两个方面,一方面,二氧化碳可部分溶于水,这在一定程度上会降低二氧化碳的浓度:另一方面,二氧化碳与岩石中的某些矿物成分发生化学反应,这一化学作用又消耗掉一部分二氧化碳。为了确保二氧化碳深部含盐水层地质封存的安全可靠性,避免二氧化碳深部含盐水层地质封存带来的负面效应,开展矿场实验、数值模拟及储集层精细描述是非常必要的。美国在这方面的工作走在前列,一些相关的研究,诸如试验场所地质评估、注入和监测系统的设计、风险评价、经济性评价等正在进行当中。

  深部含盐水层隔离二氧化碳的三种方式

  一是水力隔离,即将密度(0.4克/立方厘米—0.6克/立方厘米)小于地层盐水的超临界二氧化碳注入含盐水层中,由于密度小的原因,二氧化碳必然会从含盐水层中向上运移,最终到达盖层底部,由于盖层致密,使超临界二氧化碳不足以进入盖层,从而达到封存的目的。

  二是溶解隔离,指的是注入到深部地层的二氧化碳,由于其本身在地层水中具有一定的溶解度(一般为4%一6%),因此部分二氧化碳会溶解于地层水中,又由于深部地层水一般流速缓慢,这样更有利于二氧化碳的溶解及迁移扩散。溶解了二氧化碳的地层水密度通常比周围地层水大,这有利于其沉人到地层更深处,从而达到最终隔离的目的。

  三是化学隔离,指的是注入到深部地层的二氧化碳溶入到地层水后,二氧化碳与水发生化学反应生成碳酸,此时,地层水呈现弱酸性,在弱酸性条件下,岩石的矿物成分与氢离子发生化学反应,这将加速二氧化碳的溶解。最新的研究成果表明:地质封存在储层中的二氧化碳大部分是以自由气的形式保存在储层孔隙和微裂隙中,这种封存方式可将二氧化碳封存上万年。但地球化学隔离方式对短时期实现二氧化碳隔离目标贡献不大。

  二氧化碳深部含盐水层封存条件及要求

  要在地下深含盐水层封存二氧化碳,必须满足一定的温度与压力条件,使二氧化碳达到临界状态。在地表以下800米深处才能达到二氧化碳的临界压力,但为了封存的安全性,实际封存深度要高于800米,最好在1000米以下。在这样的地层中,二氧化碳处于超临界状态,不需要额外的外力条件,且其封存力较强,每吨只需大约1. 34立方米空间。另外,含盐水层必须具备渗透率低且无断层的盖层。一般慢流速、深循环以及高矿化度含盐水层封存条件较好,二氧化碳深含盐水层隔离方式对近地表淡水资源的损害很轻微。

  发达国家二氧化碳深部含盐水层地质封存研究现状

  国外研究学者对二氧化碳深部含盐水层地质封存的研究工作已经开展了十几年。1999年,欧洲启动了GESTCO计划,主要对全欧的潜在隔离量进行调查评估。之后,在挪威、丹麦、德国和英国确定了4个试验场地,开展深部含盐水层二氧化碳运移规律研究,探索监测方法和进行储盖层安全可靠性研究。挪威的Statoil石油公司每年向位于海底下1000米的Ustira砂质地层注入100万吨的二氧化碳,并利用地震波法成功监测注入含盐水层二氧化碳的运移情况。这是挪威将二氧化碳深部含盐水层地质封存从理论应用工业实践的成功典范。美国LB国家实验室与其他研究机构联合开展了GEO-SEQ研究计划,对二氧化碳含盐水层封存的地震成像和同位素示踪剂监测方法开展研究,着重发展二氧化碳隔离于盐水含水层、煤层、油气储层的地震成像、同位素示踪监测方法研究。UTAH大学在Colorado平原和Rocky山地地区重点开展二氧化碳转化为稳定固体矿物的化学反应过程,模拟二氧化碳运移隔离过程,并对Colorado平原下非承压盐水含水层中注二氧化碳引发多相流行为进行初步模拟,以评价在Colorado平原与Rocky山地地区实施地中隔离的可能性。

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