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摘 要：CO2捕集与地质封存技术作为缓解温室效应的有效方法，近年来成为应对气候变化研究热点之一。本文对过去几年世界各国学者在CO2地质封存技术研究进展进行了综述，以期对国内相关研究提供支持。
关键词：CO2地质封存盐水层研究综述
工业革命推动人类社会迅猛发展，也带来了诸多问题，其中之一便是由于人类大量使用化石能源，所产生的温室气体引发温室效应。《京都议定书》将CO2列为带来温室效应的主要气体CO2，其在大气中的含量由1830年的280mg•kg-1增加到了2005年的375mg•kg-1,并且还有继续增加的趋势[1]。为应对这种趋势近年来对大型的CO2排放源，如火电厂等进行CO2捕集，并将捕集来的CO2封存于地下合适的区域，如：盐水层、废弃油气井等，成为应对全球变暖的研究热点之一。
1CO2地质封存技术简介
CO2地质封存技术整个过程是由CO2的捕集和封存两部分构成，首先要求对使用传统化石能源的CO2大型排放源进行CO2捕集与压缩。其次，将捕集的CO2运输到合适的埋藏地点进行封存，这些区域包括地下盐水层，低产或废弃的油田煤层，以及深海等地区。
研究较早，并且工程实践开展较早的是将分离压缩得到CO2在进行再利用，即将其注入到低产的油气田，封存的同时再进行驱油气，使油气田采收率提高。其是利用CO2溶解到原油中后，原油的密度和黏度会降低，在后续注入的CO2与水的作用下会更加容易被驱替到生产井处，所以此种方法有较好的经济性。
另外与使用CO2驱油相类似的是将CO2注入到煤层中，封存的同时，用以驱气，以提高甲烷产率。其主要利用了多孔煤层对CO2的吸附能力大于CH4，所以可以通过注入CO2将其中本来吸附的CH4驱替出来。虽然此技术前景较好，但现阶段技术还不成熟，主要表现为：煤层渗透率对封存能力的影响较为复杂，研究表明，当煤层吸附CO2后，其渗透率会剧烈下降，同时后续吸附能力也会剧烈下降[2]。所以目前使用此种技术的工程实践较少，研究更多的停留在理论研究阶段。
CO2的深海封存主要利用CO2可以溶解于海水中，其主要是封存地点为深度为1000m以下的深海，此时CO2的密度由于压力作用将会大于海水，通过研究发现此时CO2会和水形成CO2水合物[3]，从而达到CO2稳定封存的目的。其主要研究的内容为：实验研究CO2水合物的形成条件和性质和数值模拟研究封存过程。所以现阶段CO2深海封存的研究主要集中在理论研究阶段，并没有实际应用工程。
没有经济利用价值的地下咸水层中CO2封存技术的研究就较为成熟了，大量的工程示范项目，这些项目有些已经持续了多年，已经将大量CO2封存在了地下。选择地下盐水层作为进行CO2封存主要是其存储量巨大，地理分布广泛，并且一般的盐水层的结构为下方可存储区域较大，上方有低渗透率的冠岩层防止CO2泄漏到大气中，再加上这些盐水都已高度矿化，可使CO2与之反应达到长久固存的目的。所以盐水层成为研究热点。
2盐水层CO2地质封存研究
CO2地质封存要求将CO2安全的封存于地下达几百年甚至上千年，只有这样注入到地下的CO2才能通过多种封存机制共同作用将会把CO2而永久固定在地下。在CO2封存的过程中，根据其发生时间与机制不同，封存机理主要划分为：结构封存、残余饱和度封存、溶解封存和矿物封存[4]，如图1所示。各封存机制在CO2封存中同时发挥作用，随着封存时间增加，封存机制逐渐从物理封存的结构储存，残余饱和度封存，转化为化学封存的溶解封存和矿物封存，从而将CO2长久稳定的固定于地下。
图 1封存机制随时间变化关系[4]
以上各封存机制在封存过程中是同时发生的，只是各机制在不同封存时间所占比重不同，所以很少有单独研究单一机理下的CO2封存。如：Bachu[5]就以北美的Alberta盆地的盐水层CO2封存项目为例，主要讨论了结构封存和残余饱和度封存，研究内容包括CO2注入到地下两相流驱替过程，并且研究毛细压力，表面张力等在残余饱和度封存中的作用与影响。其研究结果认为，多孔介质中表面张力受压力影响巨大，其成反相关关系，同时也受到温度和盐水盐度影响较大，并且成正相关关系，毛细压力与多孔介质表面张力正相关。同时由于残余饱和度封存是有毛细压力以及多孔介质表面张力共同作用引起的，所以在低渗透率的岩层中，多孔介质中截留的CO2较多。
Nghiem[6]综合讨论了残余饱和度封存和溶解封存，提出在CO2与水交替注入会提高残余饱和度封存CO2的量，这种现象在低渗透率的岩层中比高渗透率的岩层中要明显。在垂直方向渗透率较低的岩层中，这种现象更为明显。
Suekane[7]则是通过实验的方法模拟了注入深度高温和高压时，多孔介质中盐水和与CO2混合发生的残余饱和度封存和溶解封存，主要研究了在多孔介质的空隙由于温度和压力变化对孔中CO2表面张力的影响，同时两种封存机制所存储的CO2的量会从24.8%增加到28.4%。最后估算了在日本可用于CO2存储的盐水层可以存储71.6Gt的CO2。
Kaszuba[8]的研究则是将溶解封存和矿物封存一起考虑，其通过实验研究了高温（200℃）高压（20MPa）下注入的CO2溶解于含有多种矿物盐的的典型地下盐水，发生相互化学反应的过程，实验结果表明，溶解的CO2会和盐水中的各种离子发生复杂的地球化学反应，会影响整个体系的酸碱平衡，相平衡，以及产生矿物沉积。
3总结
全球变暖所引起全球气候剧变已经越来越受到世界各国政府与广大民众的重视，世界各国学者对如何缓解这一趋势进行了大量研究。CO2地质封存技术作为应对全球变暖的有效手段，其可行性以及安全性备受学者关注。在过去的几年中，研究人员对CO2封存机理，可能发生的地球化学反应，封存过程的流动迁移以及泄漏的風险，都进行了研究，取得了许多有价值的研究成果，同时在这些研究的基础上，全球多个示范性CO2封存项目被建立，每年都有大量CO2被通过各种方式注入到各封存区域，即有效的减少温室气体的排放，又为后期大规模CO2封存的展开积累了重要的工程实践。
参考文献：
[1] Bohm MC, et al. Capture-ready coal plants—Options, technologies and economics[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2007, 1 (1): 113-120.
[2] Cui XJ, et al.. Adsorption-induced coal swelling and stress:
Implications for methane production and acid gas sequestration into coal seams[J]. Journal of Geophysical Research-Solid Earth, 2007, 112(B10):1029-1045.
[3] Brewer PG, et al. Experiments on the ocean sequestration of fossil fuel CO2: pH measurements and hydrate formation[J]. Marine Chemistry, 2000, 72 (2–4): 83-93.
[4] IPCC. Intergovernmental Panel on Climate Change, Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage.: Cambridge, UK, 2005.
[5] Bachu S. Effects of in-situ conditions on relative permeability characteristics of CO2-brine systems[J]. Environ Geol, 2008, 54(8): 1707–1722.
[6] Nghiem L, et al. Risk mitigation through the optimization of residual gas and solubility trapping for CO2 storage in saline aquifers[J]. Energy Procedia,2009,1(1): 3015-3022.
[7] Suekane T, et al. Geological storage of carbon dioxide by residual gas and solubility trapping[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2008, 2 (1): 58-64.
[8] Kaszuba JP, et al. Carbon dioxide reaction processes in a model brine aquifer at 200 °C and 200 bars: implications for geologic sequestration of carbon[J]. Applied Geochemistry, 2003, 18 (7): 1065-1080.
作者简介：
张甲六（1984—），硕士，新疆化工设计研究院有限责任公司，助理工程师。
关键词：CO2地质封存盐水层研究综述
工业革命推动人类社会迅猛发展，也带来了诸多问题，其中之一便是由于人类大量使用化石能源，所产生的温室气体引发温室效应。《京都议定书》将CO2列为带来温室效应的主要气体CO2，其在大气中的含量由1830年的280mg•kg-1增加到了2005年的375mg•kg-1,并且还有继续增加的趋势[1]。为应对这种趋势近年来对大型的CO2排放源，如火电厂等进行CO2捕集，并将捕集来的CO2封存于地下合适的区域，如：盐水层、废弃油气井等，成为应对全球变暖的研究热点之一。
1CO2地质封存技术简介
CO2地质封存技术整个过程是由CO2的捕集和封存两部分构成，首先要求对使用传统化石能源的CO2大型排放源进行CO2捕集与压缩。其次，将捕集的CO2运输到合适的埋藏地点进行封存，这些区域包括地下盐水层，低产或废弃的油田煤层，以及深海等地区。
研究较早，并且工程实践开展较早的是将分离压缩得到CO2在进行再利用，即将其注入到低产的油气田，封存的同时再进行驱油气，使油气田采收率提高。其是利用CO2溶解到原油中后，原油的密度和黏度会降低，在后续注入的CO2与水的作用下会更加容易被驱替到生产井处，所以此种方法有较好的经济性。
另外与使用CO2驱油相类似的是将CO2注入到煤层中，封存的同时，用以驱气，以提高甲烷产率。其主要利用了多孔煤层对CO2的吸附能力大于CH4，所以可以通过注入CO2将其中本来吸附的CH4驱替出来。虽然此技术前景较好，但现阶段技术还不成熟，主要表现为：煤层渗透率对封存能力的影响较为复杂，研究表明，当煤层吸附CO2后，其渗透率会剧烈下降，同时后续吸附能力也会剧烈下降[2]。所以目前使用此种技术的工程实践较少，研究更多的停留在理论研究阶段。
CO2的深海封存主要利用CO2可以溶解于海水中，其主要是封存地点为深度为1000m以下的深海，此时CO2的密度由于压力作用将会大于海水，通过研究发现此时CO2会和水形成CO2水合物[3]，从而达到CO2稳定封存的目的。其主要研究的内容为：实验研究CO2水合物的形成条件和性质和数值模拟研究封存过程。所以现阶段CO2深海封存的研究主要集中在理论研究阶段，并没有实际应用工程。
没有经济利用价值的地下咸水层中CO2封存技术的研究就较为成熟了，大量的工程示范项目，这些项目有些已经持续了多年，已经将大量CO2封存在了地下。选择地下盐水层作为进行CO2封存主要是其存储量巨大，地理分布广泛，并且一般的盐水层的结构为下方可存储区域较大，上方有低渗透率的冠岩层防止CO2泄漏到大气中，再加上这些盐水都已高度矿化，可使CO2与之反应达到长久固存的目的。所以盐水层成为研究热点。
2盐水层CO2地质封存研究
CO2地质封存要求将CO2安全的封存于地下达几百年甚至上千年，只有这样注入到地下的CO2才能通过多种封存机制共同作用将会把CO2而永久固定在地下。在CO2封存的过程中，根据其发生时间与机制不同，封存机理主要划分为：结构封存、残余饱和度封存、溶解封存和矿物封存[4]，如图1所示。各封存机制在CO2封存中同时发挥作用，随着封存时间增加，封存机制逐渐从物理封存的结构储存，残余饱和度封存，转化为化学封存的溶解封存和矿物封存，从而将CO2长久稳定的固定于地下。
图 1封存机制随时间变化关系[4]
以上各封存机制在封存过程中是同时发生的，只是各机制在不同封存时间所占比重不同，所以很少有单独研究单一机理下的CO2封存。如：Bachu[5]就以北美的Alberta盆地的盐水层CO2封存项目为例，主要讨论了结构封存和残余饱和度封存，研究内容包括CO2注入到地下两相流驱替过程，并且研究毛细压力，表面张力等在残余饱和度封存中的作用与影响。其研究结果认为，多孔介质中表面张力受压力影响巨大，其成反相关关系，同时也受到温度和盐水盐度影响较大，并且成正相关关系，毛细压力与多孔介质表面张力正相关。同时由于残余饱和度封存是有毛细压力以及多孔介质表面张力共同作用引起的，所以在低渗透率的岩层中，多孔介质中截留的CO2较多。
Nghiem[6]综合讨论了残余饱和度封存和溶解封存，提出在CO2与水交替注入会提高残余饱和度封存CO2的量，这种现象在低渗透率的岩层中比高渗透率的岩层中要明显。在垂直方向渗透率较低的岩层中，这种现象更为明显。
Suekane[7]则是通过实验的方法模拟了注入深度高温和高压时，多孔介质中盐水和与CO2混合发生的残余饱和度封存和溶解封存，主要研究了在多孔介质的空隙由于温度和压力变化对孔中CO2表面张力的影响，同时两种封存机制所存储的CO2的量会从24.8%增加到28.4%。最后估算了在日本可用于CO2存储的盐水层可以存储71.6Gt的CO2。
Kaszuba[8]的研究则是将溶解封存和矿物封存一起考虑，其通过实验研究了高温（200℃）高压（20MPa）下注入的CO2溶解于含有多种矿物盐的的典型地下盐水，发生相互化学反应的过程，实验结果表明，溶解的CO2会和盐水中的各种离子发生复杂的地球化学反应，会影响整个体系的酸碱平衡，相平衡，以及产生矿物沉积。
3总结
全球变暖所引起全球气候剧变已经越来越受到世界各国政府与广大民众的重视，世界各国学者对如何缓解这一趋势进行了大量研究。CO2地质封存技术作为应对全球变暖的有效手段，其可行性以及安全性备受学者关注。在过去的几年中，研究人员对CO2封存机理，可能发生的地球化学反应，封存过程的流动迁移以及泄漏的風险，都进行了研究，取得了许多有价值的研究成果，同时在这些研究的基础上，全球多个示范性CO2封存项目被建立，每年都有大量CO2被通过各种方式注入到各封存区域，即有效的减少温室气体的排放，又为后期大规模CO2封存的展开积累了重要的工程实践。
参考文献：
[1] Bohm MC, et al. Capture-ready coal plants—Options, technologies and economics[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2007, 1 (1): 113-120.
[2] Cui XJ, et al.. Adsorption-induced coal swelling and stress:
Implications for methane production and acid gas sequestration into coal seams[J]. Journal of Geophysical Research-Solid Earth, 2007, 112(B10):1029-1045.
[3] Brewer PG, et al. Experiments on the ocean sequestration of fossil fuel CO2: pH measurements and hydrate formation[J]. Marine Chemistry, 2000, 72 (2–4): 83-93.
[4] IPCC. Intergovernmental Panel on Climate Change, Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage.: Cambridge, UK, 2005.
[5] Bachu S. Effects of in-situ conditions on relative permeability characteristics of CO2-brine systems[J]. Environ Geol, 2008, 54(8): 1707–1722.
[6] Nghiem L, et al. Risk mitigation through the optimization of residual gas and solubility trapping for CO2 storage in saline aquifers[J]. Energy Procedia,2009,1(1): 3015-3022.
[7] Suekane T, et al. Geological storage of carbon dioxide by residual gas and solubility trapping[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2008, 2 (1): 58-64.
[8] Kaszuba JP, et al. Carbon dioxide reaction processes in a model brine aquifer at 200 °C and 200 bars: implications for geologic sequestration of carbon[J]. Applied Geochemistry, 2003, 18 (7): 1065-1080.
作者简介：
张甲六（1984—），硕士，新疆化工设计研究院有限责任公司，助理工程师。