气候是人类生存环境的关键因素,其变化会对自然生态系统以及社会经济产生深远影响。近年来,大气中温室气体浓度不断增加,致使全球气温加速上升,这或许会引发一系列气候问题,诸如极端高温、干旱等。当下,大气中二氧化碳浓度已高达420×10
-6,相较于工业化之前(18世纪约为280×10
-6),已然增长了近50%
[1]。在第28届联合国气候变化大会上,全球198个缔约方通过了《联合国气候变化框架公约》
[2]。该协议在《巴黎协定》的基础上,进一步强化了减排目标,要求各国将全球温升幅度严格控制在1.5℃以内,并制定了更为具体的阶段性减排路线图。据联合国环境规划署最新统计,目前已有189个国家提交了碳中和承诺,其中87个国家已将碳中和目标写入国家法律。作为世界上最大的二氧化碳排放国以及人口最多的国家,中国同样提出了2030年前达到碳峰值、2060年前实现碳中和的目标
[3]。
CCUS(碳捕集、利用与封存)技术是一项关键的减排解决方案,通过捕获二氧化碳并将其资源化利用或安全封存,可有效减少温室气体排放
[4]。该技术在实现碳中和目标进程中扮演着不可替代的角色,尤其适用于难以减排的重工业领域。据国际能源研究机构(IEA)最新发布的《全球能源技术展望》报告显示,在达成全球净零排放的进程中,碳捕集、利用与封存技术(CCUS)预计将承担约15%的温室气体减排任务
[5]。目前,全球有超过270个CCUS研究项目,而二氧化碳地质封存是其中的关键环节之一。依据储存环境的不同,二氧化碳地质储存可分为陆地储存和海洋储存。相较于陆地封存,海洋地质封存具有以下优势,被广泛视为二氧化碳长期封存的重要发展方向。首先,海洋地质储存点通常远离居民区,能降低对人类生命和健康的影响,同时具备低占用或不占用土地的优势。此外,除了盖层的密封外,沉积物层和表层还受海水压力及屏障作用的保护,大大降低了长期储存的系统性风险
[6]。近年来,众多国家开展了海洋二氧化碳封存的研究和商业项目。自1996年以来,全球首个工业海上二氧化碳储存项目Sleipner已向Utsira地层安全注入并储存了2 000多万t二氧化碳,有力证明了长期海洋储存二氧化碳的可行性
[7]。
本文中对关于海洋CO2地质封存技术进行了文献综述与分析。经过综述相比,从以下几个方面进行了创新:首先,将海洋CO2地质封存技术分为5大类,海洋CO2水柱封存法、海底沉积物中的CO2封存、海底盐水含水层CO2封存、海上枯竭油气储层CO2封存、近岸盐洞穴CO2封存,并详细讨论了各种海洋CO2地质封存地点相关的特征、机制和风险。其次,对全球工程项目的实施现状进行了总结。最后,讨论了海洋CO2封存面临的挑战和前景。希望本文中整理的信息能够为海洋CO2封存的快速发展提供参考和指导。
1 海洋CO2封存技术
海洋占地球表面超70%,乃全球最大的二氧化碳天然汇。据估算,海洋蕴含约38 000 Mt碳,每年从大气中吸收17 Bt碳。其固碳能力远超陆地生物圈与大气层,约为陆地生物圈的20倍、大气层的50倍,故海洋吸收二氧化碳的潜力难以估量。1977年,Marchetti
[8]首提将二氧化碳封存于海洋的构想,此为海洋碳封存研究之开端。他建议以气态、液态或固态形式,将二氧化碳注入高压低温的深海区域,因在此条件下二氧化碳可自动形成稳定的固体水合物,进而实现长期封存与隔离
[9]。Adams等
[10]通过数学模型证实,注入海洋的二氧化碳可留存数百年。Aminu等
[11]发现评估海洋储存有效性有3个主要因素:注入深度、停留时间(即捕获的CO
2返回大气所需时长)以及CO
2浓度分布。相较于陆上CO
2地质封存法,海洋CO
2地质封存密封潜力大、安全性高、环境风险低,对海洋生态与人类生活影响小,更易获公众接纳,是当下二氧化碳地质封存的重要方向。经40 a探索发展,二氧化碳海洋封存方法在理论和技术层面均取得重大进展。加速海洋固碳进程、提升海洋吸碳能力,已成为众多研究的核心,亦是欧盟、美国、日本、巴西、澳大利亚、中国等国家和地区的重要发展方向。
在海洋中,二氧化碳封存依据封存地点不同,可分为2种类型。其一为海洋水体封存,即在足够深度的海洋水体里封存二氧化碳;其二为海洋地质封存,即在海底地质构造(诸如海底沉积层、含盐含水层以及枯竭油气藏)中永久封存二氧化碳。
图1展示了不同海洋二氧化碳封存方法的示意图。
1.1 海洋CO2水柱封存法
海洋通过海-气界面的自然交换过程,每年可净吸收200 Mt碳,接近全球年碳排放量的三分之一,然而,这一过程仍不足以满足全球碳减排的需求。海洋水体封存法是指利用管道,将捕获的二氧化碳以气体、液体、二氧化碳水合物-海水混合物等形式,直接注入海水或海底。随后,可再次利用海水中由
、H
2CO
3以及溶解的二氧化碳构成的相对稳定的缓冲体系。当二氧化碳注入海水后,会经由一系列物理或化学反应,逐步溶解并被吸收,最终实现封存效果。该过程不仅借助了海水的天然化学特性,还利用了深海环境的高压低温条件,进一步强化了二氧化碳的封存稳定性。
图2清晰展示了CO
2水柱封存法。CO
2的注入形式与注入水深紧密相关,不同水深下CO
2的封存效果存在显著差异。
1.1.1 将CO2直接注入海水
将二氧化碳直接溶解到海水中的方法备受关注。最简单的方案是将其作为浮力液体排放,从而形成上升的液滴羽流。目前,通过海底管道导入二氧化碳的技术已相对成熟,可将管道铺设于海底,以实现更有效的封存。在二氧化碳的迁移过程中,温跃层在稀释二氧化碳方面发挥着重要作用。此外,从船上释放二氧化碳液滴,能够进一步促进二氧化碳的稀释。随后,凭借二氧化碳向上的浮力,海洋上层会形成富含二氧化碳的垂直海水带。
1.1.2 将CO2以液态形式注入海水
二氧化碳与海水充分混合后,形成的高密度羽流将沉入海底,进而实现二氧化碳的封存。Wang等
[12]的研究发现,羽流密度越大,下沉速度越快。然而,海洋的分层结构和洋流会降低羽流的下沉效率。这是因为在1 500 m以下的深度,海水的密度分层会减弱,所以1 500 m以下的海域更有利于二氧化碳的封存。
1.1.3 将CO2以固体干冰形式注入海水
当注入的二氧化碳处于负浮力状态时,最易于实现二氧化碳封存。这是因为在负浮力状态下,相较于正浮力(水柱)的二氧化碳,溶解的二氧化碳会在更深的水层以及更厚的间隔处停留。Li等
[13]的研究发现,干冰和极冷的液态二氧化碳属于纯二氧化碳的负浮力相。当注入深度处于5 001~1 000 m时,二氧化碳会与海水混合形成高密度羽流,并以重力流的形式沉入海底。随着注入深度进一步增加,从1 000~2 500 m,无论是气态还是液态的CO
2均会溶解于海水中。Worden
[14]的研究发现,当二氧化碳注入海洋深水区(深度大于3 000 m)时,液态二氧化碳的密度会接近甚至大于孔隙流体的密度,因此二氧化碳呈现中性浮力并有可能下沉。这与正浮力区(PBZ)相反,此种情况被称为负浮力区(NBZ)。在该区域,液态二氧化碳会沉入海底,并在海底低洼处形成二氧化碳湖,即碳湖。
碳湖不仅能最大限度地减少二氧化碳向大气层和生物圈的泄漏,而且部分二氧化碳会以水合物形式存在,进而减缓二氧化碳在海底的迁移速度,从而延长二氧化碳在海底的停留时间。然而,由于碳湖位于3 000 m以上深的海底,深度较大,因此需要更先进的技术以及更高的成本投入。此外,Matter等
[15]研究人员提出,利用二氧化碳与碳酸盐矿物的反应,能够进一步提高二氧化碳的滞留率。基于此,将二氧化碳注入海底沉积物中,是一种更为安全可靠的方法。
1.2 海底沉积物中的CO2封存
1.2.1 基于水合物的固碳方法
目前,以水合物形式在海底沉积物中封存二氧化碳主要有2种方式。其一为将二氧化碳注入更深的高压低温沉积层。随着二氧化碳的迁移和扩散,其与沉积物中的孔隙水结合,形成固态二氧化碳水合物,进而进一步堵塞沉积物的孔隙,构成一个自成一体的不渗透捕集器。Qureshi等
[16]认为,这种在海底沉积物中以固体水合物形式封存二氧化碳的方式,是一种更为安全、高效的封存机制。其二涉及二氧化碳置换开采天然气水合物,或是与天然气水合物开采相配合的人工二氧化碳水合物盖。Li等
[17]认为,该技术具备增强天然气水合物能源开采、实现长期二氧化碳封存、维持开采储层及海底地质结构稳定,以及解决天然气水合物开采过程中严重砂堵问题等潜在优势。
水合物通常存在于2类多孔介质地质环境:一类是渗透性强的粗粒砂岩储层,另一类是形成微小孔隙与裂缝的细粒沉积物(如细粒粉砂、页岩、泥浆、黏土等)。这些储层的渗透性呈现不均匀特征,通常而言,裂缝储层具有良好的渗透性。海底中有利于CO2水合物机械稳定性的区域被称为水合物形成区(HFZ),其可存在于深海沉积物、海湾以及海底次沉积物之中。在温度足够低的浅层陆地地层,例如阿尔伯塔省的极地环境,亦能发现水合物形成区。
从理论层面而言,将陆上捕获及运输而来的二氧化碳封存于深海沉积物中的过程里,二氧化碳经由地层或泄漏物扩散、迁移,抵达特定的温度压力区域(也就是二氧化碳水合物稳定区,HSZ),继而与孔隙水形成二氧化碳水合物,这一情况是难以避免的(如
图3所示的二氧化碳水合物稳定区)。在CO
2水合物相图当中,在压力高于相平衡曲线、温度低于相平衡曲线的条件下,能够形成稳定的水合物。如
图3所示,地热梯度和水合物相平衡曲线的交点,确定了水合物稳定区的上下边界。若沿着大陆架边缘,随着海底深度的不断增加(假设海底温度大约为4℃),二氧化碳水合物稳定区的范围也会相应扩大,这更有利于水合物的生成。Lei等
[18]的研究发现,进入水合物稳定区的二氧化碳气体,可能源于深海含盐含水层中储存的二氧化碳流体,因盖帽或注入井周边的裂缝而发生泄漏,这些二氧化碳气体凭借密度差向上迁移,最终抵达二氧化碳水合物稳定区。在该区域内,流体渗入水合物稳定带(HSZ)并发生扩散,在适宜的温度和压力条件下生成水合物。
根据
图4可以发现,浅层沉积物上部的孔隙水温度低于深层盐水层,二氧化碳的溶解度也较低。在此情形下,二氧化碳饱和流体极有利于水合物的生成,致使沉积物内部的渗透率与孔隙度显著降低,进而封堵了二氧化碳的泄漏通道,甚至可形成二氧化碳水合物盖层,阻止深层二氧化碳流体向上迁移及泄漏。然而,海底沉积物中二氧化碳水合物的稳定性以及形成机理的研究,是一项极为复杂的工作。这些沉积物中的水合物还面临诸多其他变量与成分,需要研究人员依据封存区域的储层特征,对其形成机理展开进一步的综合研究。
1.2.2 二氧化碳封存与甲烷水合物置换
CO
2-CH
4置换与碳封存技术,是指通过向水合物储层注入CO
2,以置换水合物储层中的CH
4,同时形成CO
2水合物,进而实现封存的一种方法。Ndlovu等
[19]总结了该方法的优点:其不仅可以开采CH
4水合物,而且二氧化碳水合物储层的形成能够有效取代CH
4水合物储层,从而维持储层的稳定性。
1.3 海底盐水含水层CO2封存
由于其潜力和可行性,在海底含盐含水层中封存二氧化碳被认为是海洋地质封存技术中最有前途的选择。咸水层中的海洋二氧化碳封存项目正在世界各地蓬勃发展。具有代表性的大型海上封存项目包括挪威的Sleipner、澳大利亚的Gorgon、日本的 Tomakomai以及英国的Peter-head。其中,挪威斯莱普纳油田自1996年投产以来,到2022年已封存二氧化碳2 000多万t,年封存量100万t。研究发现,该储层区200~300 m厚度由高孔隙度(35%~40%)和高渗透率(5 000 mD)的砂岩储层和相对较薄的页岩夹层(1~2 m厚)组成。储层被250 m厚的页岩覆盖,有效避免了储层内部二氧化碳的泄漏。该储层覆盖层整体由大型岩性圈闭组成,局部发育小型反斜构造圈闭,形成复合圈闭结构,为长期稳定封存二氧化碳提供了先决条件。此外,该项目采用连续综合地球物理监测,清晰地展示了CO2羽流的层间迁移,最终证实该区域8组夹层单元的发育提高了储层的整体封存效率,特别是内部泥岩夹层形成了类似低渗透率的屏障,可使CO2羽流向上横向扩展,增强了局部溶解效应。
海底含水层的二氧化碳封存机制与陆上含盐含水层类似,主要是通过物理捕获和地球化学捕获。Gunter等
[20]总结出物理捕集机制主要依靠二氧化碳水合物形成的低渗透性层或其他封闭盖层,阻碍注入的二氧化碳垂直迁移到地表。地球化学捕集主要包括溶解度捕集和海底盐水中的矿物捕集。当二氧化碳注入海底一定深度时,二氧化碳密度较高,当二氧化碳密度达到海水密度时,二氧化碳会停止向上迁移。在重力和毛细作用下,90%以上的时间二氧化碳都能在海水中保持静止。与其他海洋二氧化碳捕获机制相比,海底下含水层捕获机制有其独特的优势。其一是二氧化碳水合物形成的水合物覆盖层可防止自捕机制导致的二氧化碳泄漏风险,其二是二氧化碳在海底特定的温度和压力条件下处于静止状态,从而提高了二氧化碳封存的稳定性。
如果未来技术成熟,封存成本足够低,建议将二氧化碳封存在深海区域(海底温度较低)。一方面,并非所有海底含水层都适合封存二氧化碳,因为一个好的海底线含水层通常需要具有高孔隙度和渗透性特征,以及高渗透性砂岩,这样二氧化碳才能与其所含的金属阳离子发生反应,形成可长期封存的碳酸盐。此外,较深的封存区域有利于形成稳定的二氧化碳水合物,或提供低渗透性黏土和渗流盖层,以防止二氧化碳流体向上迁移和泄漏。
1.4 在近海枯竭油气藏中封存二氧化碳
虽然大多数DOGR(二氧化碳地质封存)活动都发生在陆上油气田,但近海油气田也具有巨大的封存能力。一些国家已经开始探索海上DOGR的机会,例如,Agartan等
[21]评估了墨西哥湾(GOM)359个枯竭气田、34个枯竭油田和68个组合枯竭储层的二氧化碳封存能力。Ciotta等
[22]评估了巴西85个海上油气田的二氧化碳封存潜力,并得出结论:巴西海上可封存至少1.040 Bt二氧化碳,最多3.132 Bt二氧化碳。
与陆上DOGR相比,近海DOGR具有以下优势:①位置偏远,离岸DOGR远离人口稠密地区,降低了与当地社区发生冲突的风险。②减少了地表和矿权问题,近海DOGR无需获得地表权和采矿权,简化了许可程序;近海DOGR降低了污染饮用水源的风险;海上DOGR可以利用现有的管道和基础设施运输走廊,减少对新基础设施开发的需求。这些优势使海上DOGR成为二氧化碳封存的大好机会,但要充分发挥其潜力,还需要进一步地研究和探索。
2 国内外海洋碳封存现状
目前,全球海上二氧化碳封存正蓬勃发展,其特点是启动了开创性的封存试验。一些国家已经启动了全流程商业项目,并取得了良好效果,验证了海洋二氧化碳封存的可行性。
2.1 国外海洋碳封存现状
国外的海洋碳封存发展较成熟,具有规模大、代表性强的特点,为其他国家开展海洋CO
2封存项目提供了重要的指导和借鉴。
表1列出了已建成、运行或计划开展的典型海洋地质封存项目。
国外海洋地质封存技术在政策支持和国际合作的推动下取得了显著进展,具备了大规模应用的潜力。随着技术的不断创新和示范工程的推进,为海洋地质封存提供重要支撑。
2.2 国内海洋碳封存现状
中国已将CCUS技术作为实现“双碳”目标(碳达峰与碳中和)的重要路径之一。海洋地质封存作为CCUS的重要组成部分,得到了国家政策的支持,并明确提出要推动CCUS技术示范和产业化发展,海洋封存是其中的重点方向之一。
目前中国在海洋地质封存领域已经取得了显著的技术进展,形成了从理论研究到工程实践的完整技术体系。中国海域沉积盆地广泛,地质条件优越,预测二氧化碳地质封存潜力达2.58万亿t。渤海、北黄海、南黄海、东海、珠江口、琼东南等海域均具备良好的封存适宜性。
表2列出了国内典型的海洋二氧化碳地质封存项目。
中国已成功掌握海洋二氧化碳捕集与封存的全套技术和设备体系。例如,恩平15-1项目是中国首个海上二氧化碳封存示范工程,攻克了海上操作空间受限、高湿高盐环境等难题。此外,项目还加装了光纤监测装置,能够全方位、实时监测注气管柱是否存在泄漏。中国提出了利用二氧化碳水合物固态封存的新思路。通过将二氧化碳注入海底形成水合物,利用海洋深部高压低温环境实现长期稳定封存。这种方法不仅利用了广阔的海洋空间,还借助了海水的天然屏障,减少了泄漏风险。中国在监测技术方面取得了显著进展,通过采用光纤监测装置,能够全方位、实时监测注气管柱是否存在泄漏。
总体来说,中国在海洋地质封存领域的研究和应用虽然起步较晚,但已取得了显著的进展。随着技术的不断完善、政策的支持以及国际合作的推进,海洋地质封存有望成为应对气候变化的有效手段之一。然而,未来要实现海洋地质封存技术的大规模应用,还需要在技术、安全性、经济性等方面进一步突破,解决现有的瓶颈问题。只有通过持续的创新和优化,才能使中国在实现“双碳”目标的过程中,发挥海洋地质封存的巨大潜力。通过加强国内外的合作,持续优化技术方案,并提升海洋地质封存的安全性和可操作性,未来中国有望在全球CCUS技术的应用中占据重要位置,为全球气候变化应对做出贡献。
3 海洋CO2地质封存技术的未来展望
封存过程中的安全性、环境保护、技术成本与长期稳定性是海洋CO2地质封存技术发展的关键问题之一。各国需要广泛开展示范性工程项目,以积累实践经验、推动技术升级、降低相关成本和能耗,进而评估整体流程的可行性和经济性,为后续的大规模应用奠定坚实基础。
海底CO2的注入可能导致储层不稳定,存在泄漏风险,影响封存效果。因此,研究人员需要开发新的监测技术,实时监控CO2的注入过程和储层的稳定性。虽然海洋CO2地质封存具有潜力,但对海洋生态系统的潜在影响也需引起足够重视。此外,通过对封存区域地质构造的精准勘探和储层模型的优化,能够进一步确保CO2的长期稳定封存。未来,研究人员将加强对海洋生物、海底生态和水质变化的长期监测与评估,以避免CO2注入过程对海洋生态环境造成不可逆的损害。未来将探索海洋CO2封存与油气田开发的协同模式,通过创新性地整合现有海上油气设施,可建立多元化的海洋碳封存体系,包括油气田地质封存、海底咸水层封存和天然气水合物封存等多种模式。这不仅有助于推进先导试验示范,还能实现经济性碳封存。海洋CO2地质封存技术在未来有着广阔的发展前景。通过技术创新、政策更新以及社会各方面的协同努力,有望成为应对全球气候变化的重要手段之一。
4 结论
海洋CO2地质封存技术具有巨大的潜力,能够有效减少大气中的CO2浓度,缓解全球气候变化。通过对海洋CO2封存技术的分类和机制分析,本文中总结了各类封存方法的优缺点,并指出海底盐水含水层封存和海上枯竭油气储层封存是目前最具前景的技术路径。全球范围内的示范项目,如挪威的Sleipner项目,已经证明了海洋CO2封存的可行性和长期稳定性。然而,海洋CO2封存仍面临技术成本高、环境影响不确定等挑战。未来,需要通过技术创新、政策支持和国际合作,进一步降低封存成本,提升安全性,并加强对海洋生态系统的长期监测。海洋CO2封存技术的广泛应用将为全球碳中和目标的实现提供重要支撑。
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