维普资讯 http://www.cqvip.com 圃盈墨ＳＵＳＴＡＩＮＡＢＬＥ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ 世界二氧化碳埋存及利用方式研究木 江怀友 沈平平。 李治平 齐仁理 ） 齐学军 （１中国石油集团经济技术研究院２中国石油勘探开发研究院 ３中国地质大学４大庆石油学院摘要预计全球石油消费２０２５—２０；３０年将比现在增长５ｏ％左右，这对保持大气中温室气体浓 度的长期稳定、缓解气候变暖是严峻的挑战。埋存ｃＯ 是避免气候变化的有效途径之一，埋存对环境产 生的影响较小、成本较低、符合相关国际法规。ｃＯ 地下埋存的主要场所有枯竭的油气藏、深部的盐水 储层、不能开采的煤层、深海等。ｃＯ 地下埋存将有效应对能源需求增长带来的ｃＯ 排放增加的挑战，为 将全球气温上升控制在比工业前水平高２。ｃ以内提供理论和实践依据。 关键词能源消费二氧化碳排放埋存枯竭油气藏深部盐水层提高采收率环保 埋存二氧化碳（ＣＯ ）是避免气候变化的有效途 径之一。如果埋存ＣＯ 持续几百甚至数千年，ＣＯ 对 环境产生的影响可降低到最小。地下埋存的场所主 几种主要的ＣＯ 埋存方式 １．枯竭油气藏埋存 油气藏包括多孔储层、盖层。人类对油气资源的 已经接近或达到经济开发极限，成为枯竭油气藏，这 些油田可以成为埋存ＣＯ 的场所。枯竭油气藏的埋 存机理见图２。利用枯竭的油气藏埋存ＣＯ 具有较多 优势：埋存ＣＯ 的开发成本低；如果储层证实是圈 闭，可埋存数百万年；储层地质特征清楚；部分原 有油气生产装置可以用来注入ＣＯ ；许多油田使用 常规方法采油，注入ＣＯ 可提高采收率１０％～１５％， 这种已被证实的技术称为注入ＣＯ 提高采收率技术 （ＣＯ ．ＥＯＲ）。ＣＯ 提高采收率的机理见图３。 要应选择在枯竭的油气藏（Ｄｅｐｌｅｔｅｄ ｏｉｌ ａｎｄ ｇａｓ ｒｅ ｓｅｒｖＯｉｒｓ）、深部的盐水储层（Ｄｅｅｐ Ｓａｌｉｎｅ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ）、不能开采的煤层（Ｕｎｍｉｎａｂｌｅ ｃｏａｌ ｓｅａｍｓ） 工业性开发已经超过一个世纪，数以千计的油气藏 和深海（Ｏｃｅａｎ ｓｔｏｒａｇｅ）等（见图１）。 在美国有３３万吨／日的ＣＯ 注入于７４个提高采 图１ ｃｏ 埋存场所选择 资料来源：ＩＥＡ，２００１． 收率项目，大多数ＣＯ 来自天然资源，部分来自燃 ｝本文得到“９７３”国家重大基础研究项目“温室气体提高石油采收率的资源化利用及地下埋存研究”资助（项目编号：２００６ＣＢ７０５８００）。 １６ 国静石油经济２ｏ０７，７ 维普资讯 http://www.cqvip.com ＳＵＳＴＡＩＮＡＢＬＥ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ瘟窿蕊但使用ＣＯ 提高采收率不同于常规的提高采收率方 法，存在生产成本的问题。对于枯竭的油气田来说， ＣＯｚ捕获成本的降低及提高采收率方法的进步，将 来会有明显的技术经济效果。 ２．深部盐水储层埋存 许多地下的含水层可以埋存ＣＯ ，这些含水层 在较深的地下且含有盐水，这些水不能作为饮用水。 图２在储层中ＣＯ 埋存机理 资料来源：ＷＷＷ．ｓｔａｔｏｉｌ．ｃｏｒｎ．２００６． 图３ ＣＯ 提高采收率机理 资料来源：ＷＷＷ ｓｔａｔｏｉｌ．ｃｏｒｎ，２００６ 气发电厂和氨的生产。在加拿大Ｗｅｙｂｕｒｎ，ＣＯ 提高 采收率示范项目中使用捕获的ＣＯ 。在美国北达科 他州，来源于一个大型煤气化项目的ＣＯ，，经过２００ 英里管道运输，注．Ａ Ｓａｓｋａｔｃｈｅｗａｎ的Ｗｅｙｂｕｒｎ油田， 日注入量为５０００吨／日，国际能源机构（ＩＥＡ）温室 气体研发项目组织的一个国际项目将测定这一地区 ＣＯ 埋存的时间及埋存效果。 枯竭的气田也是ＣＯ 埋存的合适场所（见图４）， 图４ Ｓｔａｔｏｉｌ ２００６年ＣＯ２注入项目 资料来源：ＷＷＷ．ｓｔａｔｏｉｌ ｃｏｒｎ，２００６． ＣＯ 溶解在水中，部分与矿物质缓慢发生反应，形成 碳酸盐，从而实现ＣＯ 的永久埋存。在盐水层中的 ＣＯ 溶解机理见图５、图６。适合的含水层还必须有 低渗透的盖层，使ＣＯ 的泄漏减少到最低。深部盐 水层ＣＯ 的注入技术与枯竭的油气藏相同。 在挪威北海油田，将近１００万吨／日的ＣＯ，已经 注入深部盐水层，ＣＯ２来自于Ｓｌｅｉｐｎｅｒ Ｖｅｓｔ气田生 产线。ＣＯ 注入Ｕｔｓｉｒａ储层，为砂岩储层，在北海水 下８００米处（见图７）。注入的ＣＯ 处于监测中，这 是挪威与ＩＥＡ合作的国际示范项目的一部分。这一 工作将为其他ＣＯ 注入项目的设计和运行提供理论 和实践依据。 ３．不能开采的煤层埋存 另一种潜在的埋存ＣＯ 的介质是不能开采的煤 ＝：： ．． 堡 ，，， ，／／／／，／／，，／，，，／／Ｊ，，，／，，，，，，／，，／，，，，，／，，，，， 二；ｌ 图５ ＣＯ 注入盐水层示意 资料来源：ＷＷＷ．ｓｔａｔｏｉｌ．ｃｏｒｎ，２００６． Ｌ 图６盐水中ＣＯ 埋存机理 资料来源：ＷＷＷ ｓｔａｔｏｉｌ．ｃｏｒｎ，２００６ ２００７．７国际石油经济 ．１７ 维普资讯 http://www.cqvip.com 团翟墨ＳＵＳＴＡＩＮＡＢＬＥ ＤＥＶＥＬＯＰＭＥＮＴ 图７ Ｓｔａｔｏｉｌ Ｓｌｅｉｐｅｎ油田盐水层ＣＯ２埋存项目 资料来源：ＷＷＷ．ｓｔａｔｏｉｌ．ｃｏｍ，２００６． 层。ＣＯ 被注入合适的煤层，ＣＯ 会有选择地替换煤 层中的甲烷。尽管甲烷已经采用减压法被开采，但 是采收率只有５０％。注入ＣＯ 可使更多的甲烷被采 出，同时ＣＯ 被吸附实现永久埋存。煤层可吸附两 倍于甲烷的ＣＯ 。如果燃烧再次开采的甲烷，燃烧后 的ＣＯ 再回注煤层，这样可提供高纯度的ＣＯ 。埋 存机理见图８。 图８ ＣＯ 在不能开采煤层埋存（ＥＣＢＭ），－￣－，意 资料来源：ｌＥＡ，２００１． 在美国，大量的煤层甲烷已经被开采。一个在新 墨西哥州Ａｌｌｉｓｏｎ提高煤层甲烷采收率的项目，超过 ｌ０万吨的ＣＯ 分三年被注入。 使用ＣＯ 和混合氮气来提高煤层甲烷采收率 【Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｏａｌ ｂｅｄ ｍｅｔｈａｎ ｒｅｃｏｖｅｒｙ，ＥＣＢＭ）的测 试项目也已经运行，它是ＩＥＡ中的Ａｌｂｅｒｔａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｕｎｃｉｌ组织的，将为提高煤层甲烷采收率和埋存 ＣＯ 提供方法。 ４．深海埋存 深海是ＣＯ 最大的埋存场所，研究表明，目前 １８． 国薛石油经济２００７ ７ 图９ ＣＯ：深海埋存示意 资料来源：ｌＥＡ，２００１ ８０％的ＣＯ 排放量最后被海洋吸收。从上世纪７Ｏ年 代起，捕获的ＣＯ 直接注入深海，它只是加速了相 关的自然过程。深海埋存机理见图９。 深海埋存ＣＯ 有两种方式。 一是使用陆上的管线或移动的船只将ＣＯ。注入 到水下１５００米。这是ＣＯ 具有浮力的临界深度。在 这个深度ＣＯ 将被有效地溶解和驱散。 二是使用垂直的管线将ＣＯ 注入到３０００米深 度。由于ＣＯ 的密度比海水大，ＣＯ 不能溶解，只能 沉人海底，形成ＣＯ 液体湖。移动船可将固体ＣＯ 投入ＣＯ：液态湖中，由于固体ＣＯ 密度高及其传热 特性，在下沉过程中只有非常小的溶解量。 虽然深海ＣＯ 埋存在理论上潜力较大，计划年 注入ｌ９万吨ＣＯ ，但是还有一些问题需要研究：一 是深海溶解和驱散在技术上的可行性；二是长时间 埋存的效果评价；三是ＣＯ，深海埋存是否对海洋生 物有影响。 ５．其他埋存方式 另外，还有其他埋存ＣＯ 的方法，但与上述方 法相比没有经济性。例如，在开采过的盐层，在其 圆形的穹顶可以埋存ＣＯ ，但只能短期埋存。固体 ＣＯ 需要埋存在隔热和极少损失ＣＯ 的储层中，成 本较高。 还有一种方法是使ＣＯ 与天然矿物发生反应， 例如使ＣＯ 与镁硅酸盐反应生成碳酸盐，可实现永 久埋存。然而大量矿物的开采及存放存在较多问题， 成本也高。目前最好的方法就是将ＣＯ 注入地下储 层，并与储层中的矿物发生反应。 维普资讯 http://www.cqvip.com ＳＵＳＴＡｌＮＡ８ＬＥ ｏＥＶＥＬｏＰＭＥＮＴ 日本和美国。除了对深部盐水层和不能开采的煤层 二 世界ＣＯ 埋存量评估 １．１ＥＡ的评估 进行埋存量研究以外，澳大利亚对枯竭气藏，加拿大 和美国对枯竭油气藏的ＣＯ：埋存量开展了研究。 世界上关于ＣＯ 埋存量的研究主要在ＣＯ 排放 ＩＥＡ对世界ＣＯ：埋存潜力的评估见表ｌ。数据是 量大的地区开展，如美国和欧洲。在东南亚，中国、 对比２０００—２０５０年ＣＯ 的排放量得出的。 深部盐水层埋存量测算于２０世纪９０年代，最近 日本开展了这方面的研究。 计算的北西欧地质储层的埋存至少为８００Ｇｔ（编者 注：Ｇｔ，ｌＯ亿吨）（主要指深部盐水层），将来的研究 需要确定深部盐水层的埋存量。 ２．ＩＰＣＣ的评估 ＩＰＣＣ（Ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔａｌ Ｐａｎｅｌ ｏｎ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｃｈａｎｇｅ）评估的世界ＣＯ 的地质埋存量数据是对比 ２０００—２０５０年ＣＯ 的排放量得出的（见表２），这一 评估基于ＣＯ 的成本为２Ｏ美元／吨。 表１ ｌＥＡ评估的世界ＣＯ 埋存潜力 埋存类型 全球埋存量 ＣＯ２，Ｇｔ ２０５０年排放量，％ 枯竭油气藏 ９２０ ４５ 深部盐水层 ４００～１００００ ２０——５００ 不能开采的煤层 ＞１５ ＞１ 表２ ＩＰＣＣ评估的世界ＣＯ 埋存潜力 埋存类型 全球埋存量 ＣＯ２，Ｇｔ ２０５０年排放量，％ 枯竭气藏 ６９０ ３４ 枯竭油藏 １２０ ６ 深部盐水层 ４０ｏ～ｌ００００ ２０～５００ 不能开采的煤层 ４０ ３．ＣＯ。地质埋存量评估回顾 过去十年间，关于ＣＯ 埋存量的很多计算结果非 常相似，例如，对不能开采煤层的ＣＯ：埋存量评估， 其范围在１５０Ｇｔ～２５０Ｇｔ之间，对枯竭的油气藏ＣＯ 埋存量评估，在５００Ｇｔ－１０００Ｇｔ之间。但关于深部盐 水层的计算差异较大，最低计算值是２４０Ｇｔ，最高值 达２０万Ｇｔ。可用地质资料少以及对油气藏枯竭经济 界限的考虑造成了计算结果的不同。 ＣＯ 的理论地质埋存量与实际埋存量是有区别 的，确定实际埋存量需要进一步研究。一些国家和地 区已经开展研究，这些国家包摇澳大利亚、加拿大、 参考文献： ［１］ＷＩＮＴＥＲ ＥＭ．Ａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｅｐｌｅｔｅｄ ｏｉｌ ａｎｄ ｇａｓ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ｆｏｒ ｄｉｓｐｏｓａｌ ｏｆ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ［Ｊ］．Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，２００１，３４（６）：１１７７—１１８７． ［２］ＳＴＥＶＥＮＳ Ｓ Ｈ＿Ｓｔｏｒａｇｅ ｏｆ ＣＯ２ ｉｎ ｄｅｐｌｅｔｅｄ ｏｉ１ ａｎｄ ｇａｓ ｉｆｅｌｄｓ：ｇｌｏｂａｌ ｃａｐａｃｉｔｙ，ｃｏｓｔｓ ａｎｄ ｂａｒｒｉｅｒｓ［Ｍ］．Ｃｏｌｌｉｎｇｗｏｏｄ，Ｖｉｃｔｏｒｉａ，ＡＵ：ＣＳＩＲＯ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ，２００３：２７８—２８３． ［３］ＢＡＣＨＵ Ｓ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＣＯ２ ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｎ Ａｌｂｅｄｉｓ ｏｉｌ ａｎｄ ｇａｓ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ ａｔ ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ ａｑｕｉｆｅｒｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃａｎａｄｉａｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ…．Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，４２（９）：５１－６１． 【４】ＳＰＡＮ Ｐ，ＷＡＧＮＥＲ Ｗ．Ａ ｎｅｗ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｔｅ ｆｏｒ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｌｆｕｉｄ ｒｅｇｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｔｒｉｐｌｅ—ｐｏｉｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｔｏ １ １００ Ｋ ａｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ ｕｐ ｔｏ ８００ＭＰａ［Ｊ１．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｄａｔａ， ２００１，２５（６）：１５０９—１５９６． ［５］ＢＡＣＨＵ Ｓ，ＳＴＥＷＡＲＴ Ｓ．Ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｔｏｒａｇｅ ｏｆ ａｎｔｈｒｏｐｏｇｅｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｗｅｓｔｅｒｎ Ｃａｎａｄａ Ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙ Ｂａｓｉｎ： ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃａｎａｄｉａｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２００２，４ １（２）：３２—４０． ［６］ＢＡＣＨＬＬ Ｓ，ＳＨＡＷ Ｊ Ｃ．Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｏｆｏｉｌ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ａｎｄ ＣＯ２ Ｓｔｏｒａｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｎ ＣＯ２ ＥＯＲ ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇ ａｑｕｉｆｅｒｓ ［Ｃ］．ＳＰＥ ８９３４０，２００４：１３． ［７］ＢＯＮＤ Ｌ Ｐ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄ ｅ ｉｎ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｏ．１ ｒｅｃｏｖｅｒｙ． Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃａｎａｄｉａｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，３３（２）：５７９—５８６． ［８］ＤＯＵＧＨＴＹ Ｃ，ＰＭＵＳＳ Ｋ，ＳＨＦ Ｂ Ｓ，ＨＯＶＯＲＫＡ Ｓ Ｄ，ＫＮＯＸ Ｐ Ｒ． Ｃａｐａｃｉｔｙ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｒｉｎｅ—ｂｅａｔｉｎｇ ｓａｎｄｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｒｉｏ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒｇｅｏｌｏｇｉｃ ｓｔｏｒａｇｅ ｏｆＣＯ２［Ｊ１．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＯｉｌａｎｄＧａｓ，２０００，１２ （９）：１ １－１５ ［９］ＫＯＶＳＥＥＫ Ａ Ｒ．Ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｆｏｒ ＣＯ ２ ｓｔｏｒａｇｅ ｉｎ ｏｉｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ 【Ｊ】．Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，２０（７－８）：８４１—８６６． ［１０］ＴＡＢＥＲ Ｊ Ｊ，ＳＥＲＩＧＨＴＲ Ｓ．ＥＯＲ ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｒｅｖｉｓｉｔｅｄ—Ｐａｎ １： ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｔｏ ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ ｃｒｉｔｅｒｉａ ｎａｄ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｉｆｅｌｄ ｐｒｏｊｅｃｔｓ— ＳＰＥ［Ｊ］．Ｒｅｓｅｒｖｏｉｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００１，１２（３）：１８９—１９８． 收稿Ｅｌ期：２００７－－０６－－２５ 编 辑：海松 ２ｏ０了．了国待．石油经济 ．１９
