中国二氧化碳地质封存潜力评价研究进展

中国二氧化碳地质封存潜力评价研究进展

随着全球气候变化问题日益严峻，减少温室气体排放已成为国际社会的共识。CCUS（碳捕集、利用与封存）技术作为减少化石能源发电和工业生产过程中CO2排放的关键技术，其核心组成部分——CO2地质封存技术的发展备受关注。本文系统梳理了中国在CO2地质封存潜力评价方面的研究进展，总结了不同封存地质体的潜力评估方法，并对主要沉积盆地的封存潜力进行了评估，为我国实现碳中和目标提供了重要参考。

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。

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。该模型根据评估目的和封存地质体认识程度将CO2地质封存潜力划分为理论封存量、有效封存量、实际封存量和匹配封存量4个等级，封存潜力的确定性逐步提高，而封存费用依次降低。

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

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。评价初期，首先根据储层及储层流体特征、地表设施等对CO2地质封存条件初步筛选，根据封存地质体特征、评估目的等制定相应的封存适宜性指标系统。初步筛选后，即对潜在封存储层开展进一步的评价和排序筛选，建立盆地级别评价指标体系。

借鉴国外学者所建立的评价指标基础上，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，并建立了相应的工作流程与评价体系。

1.3 CO2地质封存量计算方法

CO2地质封存量计算是封存潜力评价的主要任务之一，CO2地质封存量与封存方式密切相关。地质体中，CO2存在多种封存方式，包括吸附封存、构造圈闭封存、溶解封存、矿化封存和残留封存等。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。

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。例如，深部不可采煤层CO2地质封存量计算方法主要有CSLF计算方法、DOE计算方法等；深部咸水层CO2地质封存量的计算方法与深部不可采煤层相似；油气藏CO2地质封存量计算方法主要基于物质平衡方程而建立。

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

我国深部煤层广泛发育，是实施煤层CO2-ECBM的良好地质体，具有广阔的前景。诸多学者和机构对我国深部煤层CO2地质封存潜力进行了评估，评估结果差异较大。例如，刘延峰等考察了全国范围内300～1 500 m的煤层气资源量，综合CO2-ECBM技术和我国各煤阶的煤层气开采系数和CO2/CH4体积置换比得到了我国主要含煤盆地CO2地质封存潜力，认为我国煤层CO2地质封存量约为120.78×108t。

更多学者针对我国单个盆地的CO2封存潜力开展了更精确的评估。例如，桑树勋等将沁水盆地3号煤层划分为超临界CO2封存区域和亚临界CO2封存区，并由沁水盆地南部郑庄区块的CO2封存量估算出整个沁水盆地3煤层的CO2封存量，认为沁水盆地3号煤层CO2封存量可观，CO2的理论封存量和理论有效存封存量分别达273.4×107t和136.8×107t。

2.2 深部咸水层封存CO2封存潜力

我国深部咸水层CO2封存量的估算基本采用考虑溶解度的CO2封存量计算方法。李小春等利用该方法计算了我国24个主要沉积盆地的深部咸水层理论CO2封存量，结果显示可封存量为143.5×109t。张冰等采用CSFL计算方法估算了鄂尔多斯盆地一级构造单元的咸水层CO2封存潜力，认为鄂尔多斯盆地深部咸水层的CO2有效地质封存量为13.32×109t。

2.3 枯竭油气藏CO2封存潜力

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。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。

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”。研究表明，如果CO2注入的深度足够，可以和海水形成水化物沉积在海底，从而达到固碳的目的。除此之外，也可将CO2以干冰的形式注入深海，达到水体封存CO2的目的。

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。

3 结论及展望

通过对我国目前CO2地质封存潜力评价工作的梳理可以发现，我国CO2地质封存潜力巨大，具有广阔的前景。其中，对深部不可采煤层和深部咸水层CO2封存潜力的研究相对较大，具有相对明确的理论封存潜力和有效封存潜力；而枯竭油气藏和浅海CO2封存潜力的研究尚不成熟。

然而目前相对于我国的CO2排放量和减排需求，CO2地质封存的减排贡献仍然很低，大量工作仍需进一步开展。在CO2地质封存潜力评估方面，有如下4个方面展望：

1. 进一步核实深部不可采煤层和深部咸水层CO2封存潜力。通过更细致的地质勘察工作，查明地质体中的有利圈闭，明确CO2封存目标区域、目的层系，更新我国CO2地质封存潜力，以服务大规模示范工程开展。

2. 跟进枯竭油气藏和浅海CO2封存潜力研究。油气藏CO2封存从以油气增产为目的过渡为CO2减排为目标，完善大陆架沉积盆地CO2封存潜力评估，开展海洋水体的CO2封存潜力评估与适宜性评价。

3. 明确CO2地质封存适宜性评价体系及指标选取。现今CO2地质封存适宜性的评价指标基本通过层次分析法获取，为更好地服务CO2地质封存示范工程，需要进一步对CO2地质封存适宜性评价体系及指标进行修正，从而获得更精确的实际封存量和匹配封存量。

4. 完善CO2地质封存量计算方法。例如，深部咸水层CO2地质封存方面，计算方法中如何将理想的纯NaCl溶液假设过渡至实际CO2-混合盐体系；深部不可采煤层CO2地质封存方面，如何改进吸附模型，从而准确预测超临界CO2的吸附封存量。