借鉴碳封存领导人论坛(CSLF)等科研机构^{[1, 2, 3, 4]}和学者^{[5, 6, 7]}已开展的二氧化碳地质储存研究成果, 及我国地下水、矿产勘查经验, 结合我国地质条件, 集成创新了我国二氧化碳地质储存评价技术方法体系。首次将我国二氧化碳地质储存潜力与适宜性评价阶段由低到高划分为区域级(E)、盆地级(D)、目标区级(C)、场地级(B)和灌注级(A)5个阶段(图1), 建立了不同阶段相应的评价指标及评价方法(表1), 为我国开展二氧化碳地质储存工程提供了技术支撑。

图1

Fig.1

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	图1 中国二氧化碳地质储存潜力评价阶段金字塔示意图Fig.1 Stage pyramid diagram of CO2 geological storage potential assessment in China

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 我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及目的任务 Table 1 Different geological session of CO2 geological storage potential and suitability evaluation in China 工作 阶段 研究对象 等级 二氧化碳地质储存潜力评价 综合评价 潜力级别 含义与任务 区域级潜力评价 以全国单个盆地为评价单元 E 预测 潜力 以单个沉积盆地为单元, 评价二氧化碳地质储存潜力, 即预测潜力。对全国沉积盆进行二氧化碳地质储存适宜性评价, 淘汰部分不适宜二氧化碳地质储存的盆地, 选择出可供下一阶段继续研究, 适宜二氧化碳地质储存的盆地 以单个盆地为单元进行潜力与适宜性评价, 对全国面积大于200 km2的盆地进行排序, 评价出适宜二氧化碳地质储存的盆地 盆地级潜力评价 以盆地一、二级构造单元为研究对象和评价单元 D 推定 潜力 以盆地一、二级构造单元为研究对象和评价单元, 计算各盆地一级构造单元二氧化碳地质储存潜力, 即D级推定潜力。对各盆地一、二级构造单元进行二氧化碳地质储存适宜性评价, 评价出盆地内二氧化碳地质储存远景区, 为宏观二氧化碳地质储存场地选择提供依据 以盆地一、二级构造单元为单元, 进行适宜性评价, 评价出盆地中二氧化碳地质储存远景区 目标区级潜力评价 以盆地三级构造单元内的有利构造为研究对象和评价单元 C 控制 潜力 以三级构造单元内的有利构造为研究对象和评价单元, 通过二氧化碳地质储存适宜性评价, 优选出二氧化碳地质储存目标靶区, 计算目标靶区二氧化碳地质储存潜力, 即C级控制潜力, 为我国二氧化碳地质储存提供一批目标靶区 制定二氧化碳地质储存目标靶区选择标准; 比选出二氧化碳地质储存目标靶区 场地级潜力评价 储存场地 B 基础 储存量 根据二氧化碳地质储存场地选址标准, 充分考虑业主意见, 进一步筛选出最佳二氧化碳地质储存场地。通过场地综合地质调查、地球物理勘探、钻探与灌注试验、动态监测、室内物理模拟与数值模拟, 查明场地二氧化碳地质储存地质条件, 计算场地级二氧化碳地质储存量, 即B级基础储存量, 制定合理的二氧化碳灌注方案, 为二氧化碳灌注工程施工图设计提供依据 开展二氧化碳地质储存场地勘探, 对场地作出勘查评估, 为二氧化碳灌注工程设计提供依据 灌注级潜力评价 二氧化碳地质储存工程 场地 A 工程 储存量 在场地级基础储存量评价的基础上, 实现了由灌注试验转化为工程性实际灌注, 并历经了较长的二氧化碳灌注监测时间, 灌注量日趋稳定, 二氧化碳扩散晕在储层内不断有效地扩展, 且没有出现二氧化碳泄露、诱发地震等环境、安全问题, 通过拟合、改进的数值模型而得出的场地级工程储存量 开展二氧化碳灌注工程监测, 根据灌注工程的运行状况, 对灌注场地二氧化碳灌注量及场地环境与安全风险进行评价

表1 我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及目的任务 Table 1 Different geological session of CO2 geological storage potential and suitability evaluation in China

在国内缺乏可资借鉴的二氧化碳地质储存潜力与适宜性评价标准与技术方法的研究现状下, 制定出切合我国地质条件的潜力与适宜性评价技术要求, 并依此完成了全国二氧化碳地质储存潜力与适宜性评价, 编制出全国性系列成果图和盆地级图集。《中国主要沉积盆地二氧化碳地质储存潜力与适宜性评价图集》(以下简称“ 图集” )是“ 全国二氧化碳地质储存潜力评价与示范工程” 计划项目的主要成果之一。《图集》以文图并茂的形式展示中国二氧化碳地质储存潜力与适宜性评价的最新评价结果, 反映中国二氧化碳地质储存基本地质条件、潜力与适宜储存的区域, 如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 松辽盆地二氧化碳地质储存适宜性评价图 1. 盆地边界; 2. 一级构造单元界; 3. 远景区边界; 4.目标靶区; 5.较适宜区; 6.一般适宜区; 7.较不适宜区Fig.2 Map of suitability evaluation of CO2 geological storage in Songliao Basin

潜力评价结果表明, 在我国盆地级二氧化碳地质储存潜力构成中, 按储存介质类型划分, 深部咸水层的储存潜力占95.6%; 油气藏及深部不可采煤层的潜力占4.4%, 表明深部咸水层二氧化碳地质储存潜力巨大, 远远超过了油田、天然气田和煤层气田, 是未来我国实现规模化二氧化碳地质储存的主力。因此, 我国若要以二氧化碳捕集与封存(CO₂ Captrue and Storage, CCS)技术为主来应对气候变化问题, 仅仅依靠二氧化碳提高石油采收率技术(CO₂-EOR)和二氧化碳提高煤层气采收率技术(CO₂-ECBM)等碳捕集、利用与封存(CO₂ Captrue, Utilization and Storage, CCUS)技术是远远不够的, 但因油藏、天然气藏和煤层气藏勘探程度高, 对于开展CO₂地质储存资源化利用工程相对有利, 且具资源与环境双赢效应。评价发现我国陆域13个与海域16个沉积盆地, 储存潜力大, 储盖层条件相对较好, 应作为下一阶段调查评价的重点区域。

适宜性评价结果表明(图3), 适宜— 较适宜二氧化碳地质储存的盆地或一、二级构造单元有92个(处), 总面积224.04× 10⁴km², 占全国评价盆地总面积的39%; 一般适宜CO₂地质储存的盆地或一、二级构造单元有185个(处), 总面积181.64× 10⁴km², 占全国评价盆地总面积的31.6%; 较不适宜— 不适宜二氧化碳地质储存的盆地或一、二级构造单元有499个(处), 总面积168.34× 10⁴km², 占全国评价盆地总面积的29.3%。另有26.96× 10⁴km²的海域沉积盆地因勘探程度低, 资料匮乏, 作为待评价区域有待今后调查评价。通过地质安全性、储存规模、社会环境风险和经济适宜性等条件的综合比选, 圈定出341处二氧化碳地质储存目标靶区。这些目标靶区分布在69个盆地之中, 总面积约51× 10⁴ km², 为我国二氧化碳地质储存选址和相关规划的制定奠定了良好的基础。

图3

Fig.3

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	图3 中国二氧化碳地质储存潜力与适宜性综合评价图Fig.3 Map of potential and suitability evaluation of CO2geological atorage in China

与神华集团合作^[8], 在内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗实施了我国首个煤基全流程深部咸水层二氧化碳地质储存示范工程(图4), 突破了钻探、灌注、采样、监测等技术难题, 建立并掌握了一整套基于实践、具有自主技术的二氧化碳地质储存工程技术体系, 可用于指导我国深部咸水层二氧化碳地质储存工程。

图4

Fig.4

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	图4 鄂尔多斯二氧化碳地质储存示范工程储存场地实景照片Fig.4 CO2 geological storage demonstration project in Ordos Basin

同时, 成功组织实施了示范工程中神监2井钻探工程, 突破了示范工程场地31~75 m的3眼灌注井与监测井小井间距, 2 500 m大井深的井斜控制等钻、完井关键技术。制定了切实可行的二氧化碳灌注试验和工程性灌注方案。通过示范工程设计、施工、注入、监测和成果解释等技术方法的不断研究与实践, 提高了对鄂尔多斯深部咸水层二氧化碳地质储存示范工程储层性质的认识, 为未来在类似地质条件下实施储存工程奠定了良好的基础。

截至2014年12月31日, 示范工程已成功灌注二氧化碳27万余吨, 工程运行正常, 未发现二氧化碳泄漏及对周边环境的影响。示范工程及相应的科学研究与技术开发, 为我国开展规模化二氧化碳地质储存工程奠定了基础。2013年8月16日— 8月23日第二期时移VSP监测结果表明, 当累计二氧化碳灌注量达到13万吨时, 二氧化碳羽状体集中在中神监注1井350 m范围内, 且刘家沟组储层内含气量最多; 石千峰组含气量次之; 石盒子组和马家沟组含气量较少。监测范围内未显示二氧化碳泄漏, 表明目前二氧化碳地质储存是安全的。

(1)揭示出二氧化碳地质储存矿物固碳机理与主要固碳矿物类型。实验室试验、测试分析表明, 当二氧化碳注入到深部咸水层/砂岩后, 部分二氧化碳将溶于水形成H₂CO₃, H₂CO₃解离出CO₃^2-, CO₃^2-与Ca²⁺、Mg²⁺和Fe²⁺结合形成方解石、白云石和菱铁矿, 与Al³⁺、Na⁺结合形成片钠铝石。所形成的方解石、铁白云石、菱铁矿和片钠铝石等碳酸盐矿物即为固碳矿物, 其固碳(C)量由高到低依次为:菱铁矿(147 kg/m³)> 方解石(119 kg/m³)> 铁白云石(113 kg/m³)> 片钠铝石(75 kg/m³)。

(2)明确了深部咸水层二氧化碳地质储存有利于矿物固碳的岩石地球化学和环境特征。实验室测试结果表明, 矿物固碳形成碳酸盐矿物的发生程度与地层水溶液中的Na⁺、Al³⁺、Ca²⁺、Mg²⁺和Fe²⁺离子含量关系密切, 这些离子的含量越高, 越有利于矿物固碳作用。对矿物固碳而言, 富含长石的砂岩最为有利。

(3)肯定了盖层自封闭作用机理。以二氧化碳地质储存示范工程区石千峰组为例, 盖层短时间内由于受奥长石的溶解和高岭石的沉淀共同作用, 孔隙度将小幅度增加, 以溶蚀为主; 随着时间的增长, 方解石的沉淀占主导作用, 盖层的孔隙度将持续减小, 自封闭作用发生。

(4)明确了二氧化碳地质储存各储层的微生物种类及其对二氧化碳地质储存的影响。微生物对二氧化碳地质储存水岩作用中矿物的溶蚀和沉淀作用影响较大, 土著微生物有加速固定二氧化碳的作用, 固碳效果随着生物量的增大而变得显著, 从而提高了矿物捕获的速率。同时, 细菌作用促进了含钙碳酸盐的形成, 真菌使固碳离子的溶出量增大, 放线菌促进了含铁碳酸盐的形成; 细菌对碳酸盐矿物的形成作用较真菌、放线菌的大。

(5)研发出的二氧化碳地质储存模拟系统(CO₂-GSM)具有国际先进水平, 丰富了二氧化碳地质储存地质建模、储层性能改造预测与二氧化碳地质储存数值模拟等技术选择。CO₂-GSM模拟系统由流场-温度场-化学场并行计算软件(THC-MP)、流场-温度场-化学场-应力场四场耦合软件(CO₂-THCM)和人机交互界面软件(VISUAL-THC)三大软件构成, 均经过算例验证, 并应用于示范工程二氧化碳地质储存模拟, 表现出能够客观地模拟多物理场耦合问题, 且功能强大、界面友好、易于普及和推广等优势, 整体达到国际先进水平。

(1)基于二氧化碳地质储存示范工程、动态监测技术研究与示范研究, 有效地整合项目承担单位现有技术方法优势, 全面构建了技术可行、经济高效的二氧化碳地质储存遥感监测、地球物理监测、钻孔深井原位监测等“ 大气— 地表— 地下” 立体监测技术方法体系(图5), 为二氧化碳地质储存工程安全性、环境影响与环境监管奠定了基础。

图5

Fig.5

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	图5 示范工程监测体系构成示意图Fig.5 The monitoring system in CO2 geological storage demonstration project

(2)研制出的pH值深层原位自动监测系统, 填补了国内pH值深层原位监测技术空白, 能够满足位于1 500 m以下的二氧化碳储层监测的要求, 见图6。研制出的2套pH值深层原位自动监测系统, 具备耐压、超低功耗、高精度温度补偿等特点, 并通过了严格的环境适应性和性能测试, 取得相应鉴定证书, 授权专利一项, 编制的控制管理平台软件, 获得了软件著作权受理。

图6

Fig.6

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	图6 pH值深层原位自动监测系统实物与安装示意图Fig.6 Deep in-situ pH automatic monitoring system

(3)成功研制出深部井下狭窄空间原位流体U型管取样器, 为深部狭小空间取样积累了技术经验, 在国内具开创性成果。该取样设备通过室内试验测试和野外性能测试(图7), 表明运行参数、采样效率等性能参数符合设计要求, 并取得了较好的应用效果, 在深部狭小空间取样技术方面积累了丰富的经验, 且已通过了国家知识产权局的专利授理。

图7

Fig.7

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	图7 深井U型管采样试验现场及安装示意图Fig.7 U tube sampling test in deep wellbore

(4)与长安大学共建了国内首个二氧化碳地质储存环境影响问题研究的原位试验场(图8), 综合考虑二氧化碳地质储存特征, 人为模拟二氧化碳泄漏场景, 监测土壤、植被以及微生物等的生长发育状况与二氧化碳浓度的相关性, 建立了二氧化碳泄漏动态监测体系。申请了包气带负压传感器等实用新型专利5项。以原位试验场为基地, 通过栽种指示性作物、搭建监测网络、生化分析等手段, 对超常浓度二氧化碳泄漏条件下植物、土壤及土壤微生物、土壤动物等的响应机制有了初步的认知。通过多光谱遥感技术和高光谱遥感技术的应用验证, 重点以高光谱遥感监测技术建立了二氧化碳地质储存遥感监测技术方法, 总结了该方法的工作流程, 获得了该方法能够标志二氧化碳泄漏的直接或间接遥感影像光谱特征, 初步甄别出了对遥感监测具有较好指示性作用的植物, 对今后动态监测工作具指导意义。

图8

Fig.8

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	图8 二氧化碳地质储存环境影响问题原位试验场及二氧化碳监测实验塔Fig.8 In-situ testing site of environmental impacts of CO2 geological storage and monitoring tower

(5)将二氧化碳地质储存泄漏通道分为人为泄漏通道、地质构造泄漏通道以及跨越盖层和水力圈闭泄漏通道3类, 构建出综合二氧化碳地质储存工程场地、灌注工程、地质环境扰动、环境容量、生态影响和人群环境感应五大指标层的环境影响评价指标体系; 探索性地提出了二氧化碳地质储存环境影响与安全风险评价方法, 认为二氧化碳地质储存环境风险评价的重点是二氧化碳泄漏造成的对人身安全与环境的影响和损害程度, 而安全风险评价的重点在于二氧化碳地质储存可能发生的泄漏、地面变形和诱发地震三类风险事件的评价。

集成创新了深部咸水层二氧化碳地质储存从场地选址调查评价、钻探与灌注工程、监测到环境影响与安全风险评价的完整技术方法体系, 在河套盆地、重庆合川地区和鄂尔多斯盆地等典型地区二氧化碳地质储存选址和灌注工程实践中得到证明, 具有重要的推广和应用价值。

建立了功能齐全的全国二氧化碳地质储存地理信息系统, 搭建了调查、研究与工程开发的管理平台。在构建区域级→ 盆地级→ 场地级数据库框架的基础上, 结合全国陆域及浅海沉积盆地二氧化碳地质储存潜力与适宜性评价、示范工程建设, 组织实施并完善了区域级→ 盆地级→ 场地级的空间数据库, 初步实现了成果的数字化与系统化; 充分利用空间数据库技术和地理信息空间分析技术, 建立了集数据提取、数据管理、数据质量检查、适宜性评价、自动或手动编图、成果展示于一体的地理信息平台, 实现了对原始数据和成果数据分类存储管理和灵活应用。

本项目取得的全国二氧化碳地质储存潜力与适宜性评价成果、技术方法体系、仪器设备与数值模拟软件等一系列成果, 主要针对二氧化碳地质储存开展, 潜在的经济效益巨大。项目取得的开创性成果为我国开展规模化二氧化碳地质储存工程奠定了有力的技术储备。项目部分成果直接服务我国首个, 也是世界最大规模的神华集团煤基全流程深部咸水层二氧化碳地质储存示范工程, 在储存选址、示范工程监测等方面直接带来显著经济效益。随着二氧化碳地质储存技术在二氧化碳提高石油、煤层气、天然气等资源采收率、核废料处置等方面的应用推广, 将为我国深部地下资源开发利用领域带来显著的经济效益。

本项目首次全面完成了全国区域级和盆地级二氧化碳地质储存潜力与适宜性评价所取得的成果, 为我国应对全球气候变化国际谈判、制定相关规划等方面提供了翔实的数据和依据, 也为我国规模化二氧化碳地质储存选址工作奠定了基础。项目建立的二氧化碳地质储存技术方法体系, 在为储存工程建设企业带来显著经济效益的同时, 也建立了一支稳定的二氧化碳地质储存研究团队, 形成了一批该研究领域的专业技术人才, 缩短了我国在二氧化碳地质储存研究领域与发达国家的差距, 提升了我国二氧化碳地质储存技术研究水平。项目产生的仪器、软件等成果, 能够快速应用到二氧化碳地质储存示范工程实践中, 从而产生显著的社会效益。

项目形成的本行业具有指导性的二氧化碳地质储存场地勘查、评价、监测与数值模拟等方面的技术方法体系, 以及研发的具有自主知识产权的关键技术均进行了示范应用, 促进了二氧化碳地质储存技术在本行业内的发展。

首次系统编制了我国二氧化碳地质储存潜力与适宜性评价成果图系和主要沉积盆地二氧化碳地质储存潜力与适宜性评价成果图集, 既可为我国气候谈判会议争取国家利益提供基础数据, 亦可广泛应用于二氧化碳地质储存调查、研究和工程实践。部分项目成果已被中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司、天大资源(中国)有限公司、中电投远达环保工程有限公司、青海省水文地质工程地质环境地质调查院、安徽省地质环境监测总站、广西壮族自治区地质调查院等企业、科研院所用于浙江东部、内蒙古苏里格/准格尔地区、青海、重庆、安徽、广西等地区的电厂二氧化碳地质储存选址、政府利用二氧化碳地质储存技术减缓气候变化规划等实际工作中。

项目编著出版了《中国二氧化碳地质储存适宜性评价与示范工程》、《中国主要沉积盆地二氧化碳地质储存潜力与适宜性评价图集》、《中国二氧化碳地质储存地质基础及场地地质评价》、《西宁盆地地热地质》、《国外二氧化碳地质储存现状与进展》、《中国二氧化碳地质封存选址指南研究》、《中国二氧化碳地质储存潜力评价与示范工程》等著作。部分专著正式出版后, 被中国地质大学(北京)、中国地质大学(武汉)、中国石油大学(北京)、西安石油大学、长安大学、北京大学工学院等高校指定为地球探测与信息技术、提高采收率、地下水科学与工程、水文环境地质、环境科学、能源动力与资源工程等专业研究生的参考教材。这些专著得到二氧化碳地质储存调查、研究和工程实践领域科研人员应用的同时, 也不断向石油、煤层气、干热岩、页岩气等地下资源开发利用领域推广。