二氧化碳储存技术研究进展

通过二氧化碳储存降低大气中的二氧化碳浓度,是减缓全球温室效应的有效手段。中国在碳减排方面实行的战略与国外不同,国外是二氧化碳的捕集与储存(CCS),而中国则是二氧化碳的捕集、利用与储存(CCUS),增加了将二氧化碳作为资源进行利用的环节。二氧化碳储存技术大致分为地质储存、生物储存、海洋储存、矿物储存(矿石碳化)以及工业利用等。地质储存是最有效和最经济的永久性二氧化碳储存技术,又可分为枯竭油气藏储存、注二氧化碳驱油提高采收率(CO_2-EOR)、深部盐水层储存、深部不可开采煤层储存、注二氧化碳驱煤层气提高采收率(CO_2-ECBM)以及地下的其他地质结构如玄武岩、油页岩、孔洞等,优点是气密性好、储存容量大,可以有效提高石油、天然气等资源的采收率。利用生物储存二氧化碳具有广阔的应用前景,既可以节约资源,又能更加有效地储存二氧化碳。由于长期大规模注入二氧化碳对海洋环境及海洋生物等会产生一定影响,因此目前对于二氧化碳海洋储存技术的研究还处在试验阶段。而矿物储存在提高碳酸化反应速率和降低能耗方面还有待进一步研究。对中国而言,加快开发以二氧化碳为原料的规模化产业是实现二氧化碳减排的更为积极的途径,尤其是富碳农业。

基于压力积累的二氧化碳储存场地筛选与选择

本文介绍了一种用于评估咸水层中超临界二氧化碳（CO2）注入引起的压力积累，以及在岩层开始破裂时极限压力的简易方法。利用Mathias等学者提出的近似解法计算压力积累。该方法主要用于评估可压缩多孔介质中的两相Forchheimer流（超临界二氧化碳和咸水），也可用于评估岩层和这两种液相的可压缩性。假定注入压力受岩层破裂所需压力的限制；假定在孔隙压力超过最小主应力时岩层发生破裂，这些将依次与岩层的泊松比有关。本文也提供了用于评估咸水和二氧化碳粘滞性、密度和可压缩性的详细指南。在平原二氧化碳减排（PCOR）合作计划文本数据中提供了这些计算实例。这种方法将有效用于筛选分析潜在的二氧化碳注入场地，以鉴别是否值得开展进一步调查。

化学接枝氨基化碳纳米管桥接金属有机骨架储存二氧化碳研究

通过化学方法在多壁碳纳米管(CNT)表面引入氨基,并利用超支化聚乙烯亚胺(PEI)将其桥接到金属有机骨架(MOFs),合成一种具有吸附CO_(2)能力的新型复合材料。采用傅里叶红外光谱(FT-IR)、热重分析(TGA)、扫描电子显微镜(SEM)、CO_(2)吸附-脱附等方法对制备的新型复合材料的吸附性能、热稳定性及形貌等进行表征。结果显示,通过添加超支化PEI制备的复合材料,具有优异的CO_(2)吸附性能,其表面丰富的多氨基位点促进了CO_(2)的存储。氨基化后的CNT与MOFs的协同作用,进一步改善了复合材料的CO_(2)储存能力,吸附量达到462.33cm^(3)/g,同时增强了材料的热稳定性能。

中国二氧化碳地质储存研究进展

2010年以来,中国地质调查局组织实施了"全国二氧化碳地质储存潜力评价与示范工程"项目。依据我国沉积盆地的地质条件,基本建立了中国CO2地质储存潜力与适宜性评价体系,初步评估了417个(面积大于200 km2)陆域及浅海沉积盆地的CO2地质储存潜力与适宜性;在内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗参与并合作实施了中国首个、也是世界上规模最大的煤基全流程深部咸水层CO2地质储存示范工程,突破了钻探、灌注、采样、监测等一系列科学技术难题;在储存过程中的物理化学与生物作用、仿真模拟、环境影响与安全风险评价等基础理论研究方面取得了实质性进展。

中国二氧化碳地质储存目标靶区筛选技术方法

在沉积盆地三级构造单元CO2地质储存潜力与适宜性评价得出的"适宜CO2地质储存"区域的基础上,借鉴国外已有的选址流程和方法,结合我国的地质条件和技术方法水平,提出了深部咸水层CO2地质储存目标靶区筛选评价指标体系,包括安全性、储存规模、场地地面环境条件和经济适宜性四大评价指标层以及44个具体评价指标,并将层次分析法和多因子逐层叠加法等评价方法应用于目标靶区筛选。通过鄂尔多斯盆地和河套盆地3处典型目标靶区适宜性评价的实例,证明了该评价指标体系在目标靶区筛选过程中具有较好的可操作性和推广应用价值。

二氧化碳地质储存数值模拟中边界的影响分析和范围确定

在"无限大"深部咸水层的二氧化碳(CO2)地质储存数值模拟中,往往需要人为给定一个边界。边界范围大小和类型选取直接影响模拟结果,进而导致储存潜力评价误差。笔者基于典型深部咸水层的二维径向模型,采用TOUGH2-MP软件进行数值模拟,分析了不同边界范围和类型对深部咸水层中注入CO2后压力和CO2饱和度分布、最大压力和CO2运移距离及储存形式和储存效率的影响。为了说明边界的确定与深部咸水层参数有关,还进行了渗透率、孔隙度、压缩系数、温度、盐度和边界类型的敏感性分析。结果表明在隔水边界类型下,边界范围越大,压力增量和CO2饱和度越被"平均化",从而最大压力增量越小,CO2饱和度分布形状越扁平,最大运移距离越大。但储存形式受边界影响不大,体积储存效率在"无限大"深部含水层中被高估。随着边界范围的扩大,边界引起的差异逐渐变小。另外,基于单相流和多相流解析解理论,得到了在已知注入速率下边界范围大小的简单近似确定方法。该方法考虑CO2的最大运移距离和水相的影响边界两个方面,适用于"无限大"深部咸水层单井或多井注入的边界确定。

中国二氧化碳地质储存潜力评价与示范工程

2010—2012年,中国地质调查局水文地质环境地质调查中心承担完成的"全国二氧化碳地质储存潜力评价与示范工程计划项目",全面建立了我国二氧化碳地质储存潜力与适宜性评价指标体系与评价技术方法,评价了主要沉积盆地的二氧化碳地质储存潜力与适宜性,完成了全国1∶500万评价图系和主要盆地评价图集编制,圈定出一批二氧化碳地质储存目标靶区;构建了深部咸水层二氧化碳地质储存工程选址、场地勘查与评价技术方法;与神华集团合作,在内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗成功实施了我国首个深部咸水层二氧化碳地质储存示范工程,基本形成了我国二氧化碳地质储存基本理论和技术方法体系。

安徽省二氧化碳地质储存潜力评价

阐述了二氧化碳地质储存条件,以安徽省盆地咸水含水层、不可采煤层、枯竭油气田为对象,研究评价了安徽省二氧化碳地质储存潜力,可为安徽省发展低碳经济、实施节能减排提供地质依据,开辟了新的减排途径。

四川盆地深部咸水含水层二氧化碳地质储存适宜性评价

以盆地二级构造单元为评价对象,以区域地壳稳定性条件、基础地质条件、储盖层条件、储存潜力条件、地热地质条件、研究程度和资源潜力条件、社会经济条件为一级指标,在资料搜集和综合分析16个二级评价指标的基础上,采用层次分析-模糊综合指数评价法,认为四川盆地二级构造单元适宜性评价分区的评价结果为:川中平缓褶带为较适宜,川西低陡褶带、川西南低陡褶带为不适宜,川东高陡褶带、川北低平褶带、川南低陡褶带为较不适宜。适宜储存二氧化碳的地下储层为侏罗系下统自流井组、三叠系上统须家河组、三叠系中统雷口坡组、三叠系下统嘉陵江组和飞仙关组以及二叠系中统下部的栖霞组。

中国二氧化碳地质储存目标靶区选取问题研究

在开展我国重点地区二氧化碳地质储存适宜性调查评价过程中,调查和评价对象选取问题和目标靶区边界条件确定的问题是困惑笔者的2大问题。通过研究国际上已经开展的二氧化碳储存工程,并结合在四川盆地目标靶区选取过程中的经验,认为:我国二氧化碳地质储存目标靶区调查评价应始于三级构造单元或局部有利构造,终于封闭的咸水含水层,或者适宜储存二氧化碳的非封闭的咸水含水层内部;在调查评价过程中,应充分考虑目标靶区边界条件,即咸水含水层的边界条件和三级构造单元及局部有力构造的物理边界条件。同时,我们在选取目标靶区时,一定要考虑源–汇匹配,有利于进一步评估二氧化碳注入目标靶区后,在深部咸水含水层中的运移和对该含水层系统中其他能源的影响。文章给出了目标靶区的评价指标体系,并指出,存在明确物理边界条件的目标靶区评价对象,建议采用层次分析–综合指数法,对于大范围的区域咸水含水层评价对象,建议采用多因子空间叠加法。

华北南部盆地二氧化碳地质储存条件研究

地质储存技术是减少二氧化碳排放和缓解全球气候变暖的有利途径之一。在研究了二氧化碳地质储存的储存机理和地质条件的基础上,通过搜集整理华北南部盆地的相关地质资料,分析了盆地一级构造单元周口坳陷、合肥坳陷和开封坳陷的储盖层条件,并结合适应性评价指标进行了综合评价,最后得出三个坳陷区可作为华北南部盆地二氧化碳地质储存的初选场地。此项研究为今后在华北南部盆地进行二氧化碳地质储存提供科学依据,并为我国二氧化碳地质储存研究奠定基础。

通过注入油藏深部咸水层优化二氧化碳地质储存

本文研究目的旨在提供一种最优的二氧化碳（CO2）地质储存实例——注入二氧化碳并储存于油藏下深部咸水层。这即包含油藏中油水接触面（OWE）之下的单独咸水层（该储层在现有二氧化碳存储容量评估中常被忽略），也包括油藏下部的高孔隙度、高渗透性的咸水层。这是一种非常特殊的注入目标层，这种咸水层具有相当大的二氧化碳存储能力，我们推断在美国绝大多数油藏盆地内均存在大量此类地层。本研究主要目的是评估这种假定的可行性。通过试验测试不同含盐度、温度、压力条件下二氧化碳、二氧化碳-油以及二氧化碳-咸水的热物理参数，定量对比油藏和咸水层中的二氧化碳特性。此外，我们对比重系数（N）的分布和迁移性比率（M）进行了对比。其中：N用于描述浮力驱动二氧化碳的趋势；M用于描述二氧化碳在油藏和咸水层中迁移受阻的情况。本研究介绍了油藏／咸水层中二氧化碳注入的优缺点，包括以下方面：（1）二氧化碳在油中的溶解度明显高于咸水（超出约30倍）；（2）油藏中二氧化碳浮力驱动迁移趋势较弱，其原因是与咸水和油的密度差相比，二氧化碳与油的密度差较小（二氧化碳与原油密度差约100kg／m＾3，二氧化碳与咸水的密度差约350kg／m＾3）；（3）由二氧化碳溶解所造成的油或咸水密度增量并不明显（约7～15kg／m＾3）：（4）二氧化碳的溶解会使油的粘滞性显著下降（从5，790降至98mPas）。我们通过数值模拟计算并对比这些关键参数和过程。模拟结果表明，油藏下深咸水层的二氧化碳注入降低了二氧化碳浮力驱动的迁移率。同时，与传统深部咸水层二氧化碳注入相比（即二氧化碳注入非油藏以下的咸水层），这种方案使二氧化碳迁移率达到最小值。最终，从实践和场地应用层面看，我们将储油地层和层厚（储量）作为西南地区碳储存合作组织（SWP）场地部署的一部分，场地试验选址包括美圉犹他州、新墨西哥州、怀俄明州和德克萨斯州州西部等区域。

监测二氧化碳地质储存的地电方法——德国Ketzin CO2SINK试验场地跨孔及地面-井下测量取得的初步成果

用跨孔以及地面-井下电阻率层析成像（ERT）、监测深度约650米咸水含水层中二氧化碳（CO2）迁移的可行性调查在Ketzin（德国）附近的CO2SINK实验场地进行。永久性的垂直电阻率排列（VERA）由45根电极组成（15根在注入井Ketzin201内，两口观测井Ktzi200和Ktzi202内各15根），成功地放置在约590-740米（电极距约10米）深度范围的绝缘套管上。该Ketzin的三口井排列成垂直三角形，孔间距50和100米。第一个合成模拟研究指出，二氧化碳注入引起大约200％的电阻率增加（与大部分二氧化碳50％的饱和度相对应），这同实验室的研究比较一致。场地资料的有限差分反演在井孔之间提供了与储层模拟研究一致的电阻率三维分布。为了扩大跨孔测量提供的有限观测面积，另外布置了地面－井下测量。从地面到井下的电阻率实验推导出一个东南-西北方向的主要二氧化碳的迁移。第一个跨孔时延成果指出，Ketzin电极排列设置的分辨率和覆盖范围足以解决期望的关于该电极排列在特征长度尺寸上的电阻率变化。有可能测量到大的电阻率变化，但是，在当前的地质情况下，用垂直电阻率排列还不能解决二氧化碳羽状流的详细资料。

西伯利亚冻土区储存二氧化碳的可能性评价

本文研究探讨了在西伯利亚冻土区储存二氧化碳的可能性问题。主要利用地热数据编制了反映冻土区和冻土区中二氧化碳、甲烷水合物稳定区参数的系列图件。研究表明，在冻结断面中可以储存二氧化碳，并且合理地向位于较深的相对稳定的储集层注入。在这种情况下，粘土层、二氧化碳水合物稳定带，以及上部的冻结岩层将是二氧化碳的盖层。

二氧化碳燃烧前捕获技术

目前温室效应越来越严重,使我们对二氧化碳的排放越发重视,使得二氧化碳的捕获技术得到了发展。按CO_(2)的捕获时间,二氧化碳捕获技术可以分为燃烧前捕获技术(pre-combustion CO_(2) capture)、燃烧后捕获技术(post-combustion CO_(2) capture)和富氧燃烧捕获技术(Oxy-combustion),其中燃烧前捕获技术是一种比较成熟的技术。基于此,论述了二氧化碳燃烧前捕获技术。

基于健康、安全和环境风险选择二氧化碳地质储存场地的筛选与排序框架

基于二氧化碳泄漏引起的健康、安全和环境风险（HSE），人们开发了一种筛选和排序框架（SRF）以评估潜在的二氧化碳地质储存场地。这种方法以假定二氧化碳泄漏风险取决于地质能仔场地的3种基本特征为甚础：（1）目标层的基本圈闭潜力；（2）原始层位泄漏后的二次斟闭潜力；（3）原始层位泄漏和二次吲闭失败后泄漏二氧化碳的衰减和弥散潜力。该框架通过电子制表软件实施，其中，用户可以输入代表专家意见或己发布信息的分数，以及不确定性的相关评估结果。在加利福尼亚州对3个场地应用这种框架，以验证该方法的可行性。通过应用更详细数据或者模拟结果替代特性指标，有可能实现改进和扩展。

二氧化碳地质捕获与储存场地特征——美国德克萨斯州Frio卤水示范研究实例

由于在野外条件下存在多种影响二氧化碳活动和捕集的物理与化学过程，因此，详细场地特征描述对于成功实现二氧化碳（CO2）地质储存而言至关重要。传统场地特征描述技术为判定某个场地足否适合二氧化碳储存提供了参考基准，例如地质填图、地球物理成像、测井、岩心分析和液压试井。然而，只有通过二瓴化碳注入和监测本身才能观测与量化浮动流之间的混合、地质非均质性以及取决于历史进程的多相流效应。因此，通过二氧化碳注入与崎测能为场地特征描述过程提供额外的有价值信息。此外，应详细监测与检验在商业推广初期阶段二氧化碳羽流的演变，以评价其储存潜力和验证持久性。美国德克萨斯州代顿市的研究项目——Frio卤水示范，将作为研究实例以阐明迭代序列的原理。其中：传统场地特征描述常用于为二氧化碳注入做准备，而二氧化碳注入本身常用于进一步开展场地特征描述、限制地质储存潜力以及验证对地球化学和水文学过程的认识。在Frio卤水示范中，除了应用传统场地特征描述技术之外，还在观测井采集液体样品以及在注入井和观测井中定期开展二氧化碳饱和度敏感性测井，以监测二氧化碳的地下活动。在注入井和观测井之间平面上开展井间地震成像，并获得垂直地震剖面以监测水井最邻近区域内二氧化碳羽流的运移。数值模拟在地质、地球物理和水文野外综合观测中起着至关重要的作用。

二氧化碳地质储存项目与场地选择、描述和鉴定的C02QUALSTORE指南

C02QUALSTORE指南由DNV与行业伙伴协作开发，并由一系列国家管理者提供输入参数。本指南已在全球应用，采用了一种基于风险的二氧化碳地质储存项目和场地选择、描述和鉴定的方法。本文概述了C02QUALSTORE指南，并描述了如何利用本文件协助项目开发者在二氧化碳储存项目有效期限内通过项目管理的重大事件，以及按照相关法律和利益相关者的预期值进行验证。本指南包含的鉴定工作流程的主要目的，是协助操作者、政府当局、检验者和其他利益相关者确保储存场地符合简易、统一和成本有效要求的过程。本指南为基于风险的方法奠定了基础，即根据前述风险评价获得监测计划和意外事故处理措施。

二氧化碳地质捕获与储存面临的水挑战

人们建议，二氧化碳捕获与储存（CCS）足一种能够显著减少由于持续化石燃料使用所产生的温室气体排放的手段。对于地质储存晒言，从人规模点源（例如发电厂或其他工业）捕获二氧化碳，再把捕获的二氧化碳输送到注入场地，并注入到深部岩层储存。这将面临者新的用水挑战，例如在能源开发利用中的用水量以及水利用的“捕获代价”。在特定深度，咸水在地层中运移，而二氧化碳注入可导致储层压力增大，且二氧化碳泄漏对储层具有潜在影响。在潜在影响的范围内，从捕获增大需水量到泄漏或咸水运移造成地下水污染。了解这些潜在影响及其发生条件，以狄得适当监测与控制措施的设计与执行方案，这对于确保环境安全和统计口的而言足十分重要的。二氧化碳捕获与储存也可带来潜在利益，例如水处理与同时开采既可以抵消储层增大的压力，也可以供水。

在地层中注入二氧化碳——从孔隙尺度过程确定宏观系数

为了提高油气田的油气开采量，通常把二氧化碳注入地层中，并储存于盐水层中。一旦把二氧化碳注入岩层，二氧化碳将通过弥散和对流作用在多孔岩石中弥散。盐离子与二氧化碳分子之间的化学反应及其随后与矿物颗粒发生的反应也是重要的过程。利用一纽与孔隙尺度和连续宏观尺度相对应的微分方程，来模拟任意多孔介质中二氧化碳分子的动态。基于孔隙尺度，对流-弥散方程通过考虑单位品胞中内界面的反应而求解。单位晶胞是多孔介质的最小组成部分，可以通过重复方式来复制多孔介质。单位晶胞中的内界面为矿物颗粒表面。通过采用相邻单位品胞的周期性边界条件，以及应用称之为宏观运移理论的泰勒一阿里斯弥散理论，把孔隙尺度内的弥散过程转换成连续宏观尺度。利用这种理论，把不连续多孔体系转换成一种连续体系。在该体系中，二氧化碳分子的弥散及其与多孔介质液体和同体基质间的交互作用，以3种独立于位置的宏观系数为特征：平均速度矢量U＊：弥散性向量D＊：测定体积二氧化碳的平均衰减系数K＊。