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CO2的地质存储——地质学的新课题.pdf

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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!第!"卷!第#期!$%%"年#月=>&的 地 质 存 储’’’地 质 学 的 新 课 题周!蒂中 国 科 学 院 边 缘 海 地 质 重 点 实 验 室 !中 国 科 学 院 南 海 海 洋 研 究 所 !广 州+!$&$!!"$$()!$)$%收 稿 !"$$()!")"+收 修 改 稿!,)-./0$;/656!656/@#7摘 要!!将 人 类 排 放 的 集 和 存 储 到 地 下 或 海 底 以 与 大 气 隔 绝 是 缓 解 温 室 效 应 的 重 要 途 径 !初 步 估 计 可 储 存 至"$+$年 累 计 排 放 量 的 一 半#_ 织 编 写 $ 捕 集 和 存 储 特 别 报 告 %!对 该 方 面 的 研 究 和 实 践 进 行 全 面 科 学 的 总 结#地 质 存 储 作 为 一 个 主 要 的 存 储 方 式 !有 存 储 容 量 大 &时 间 长 &可 利 用 成 熟 技 术 等 优 点#文 中 简 要 介 绍 质 存 储 所 要 求 的 地 质 条 件 及 相 关 的 科 学 和技 术 问 题 !列 举 了 若 干 地 质 存 储 的 实 例 !指 出 我 国 的 自 然 条 件 对 实 施 质 存 储 有 利 !可 首 先开 展 相 关 区 域 性 研 究 和,U"), 验#关 键 词!!=>&!地 质 存 储!温 室 气 体!全 球 变 化!!在 过 去 的 十 余 年 里 !一 批 科 学 家 在 孜 孜 不 倦 地 开辟 着 自 然 科 学 的 一 个 全 新 的 研 究 课 题 *** 捕 集和 存 储#这 个 课 题 探 讨 缓 解 温 室 效 应 的 一 个 重 要 途 径 !与 人 类 的 生 存 和 自 然 的 发 展 有 极 其 密 切 的 关 系 !涉 及自 然 科 学 &社 会 科 学 和 工 程 技 术 的 众 多 领 域 !成 为 一个 复 杂 的 系 统 工 程#科 学 家 的 努 力 逐 渐 得 到 产 业 界 的认 同 ! 捕 集 和 存 储 已 在 世 界 若 干 地 点 实 现#在这 种 背 景 下 !由 联 合 国 环 境 署 和 世 界 气 象 组 织 共 同 领导 的 政 府 间 气 候 变 化 委 员 会 #_ 三 工 作 组 决 定 组织 编 写 0 捕 集 和 存 储 特 别 报 告 1#以 下 简 称 ’特别 报 告 (%!对 过 去 在 捕 集 和 存 储 方 面 所 作 的 研究 和 实 践 进 行 系 统 的 总 结 和 评 估 !也 作 为 即 将 编 写 的0_ 次 评 估 报 告 1的 重 要 专 题 补 充#为 此 在 世界 各 国 邀 请 了!&*位 专 家 作 为 协 调 主 要 作 者 或 主 要 作者 #其 中 包 括 我 国*人 %!从"$$&年 开 始 编 写 报 告 !迄今 已 召 开 了&次 主 要 作 者 会 议 !准 备 在"$$+年 完 稿#本 文 介 绍 特 别 报 告 中 有 关 质 存 储 的 部 分 !以 推动 相 关 研 究 在 我 国 的 开 展#$!全 球 气 候 变 化 和 温 室 效 应 的 压 力"$$!年 完 稿 的_ 次 评 估 报 告)!+对 当 时关 于 全 球 气 候 变 化 !尤 其 是 全 球 升 温 的 事 实 和 原 因的 研 究 成 果 进 行 了 全 面 &科 学 和 客 观 的 总 结#报 告指 出 !"$世 纪 全 球 地 面 平 均 气 温 升 高 约$#*g!是过 去!$$$ 温 最 明 显 的 "D$年 代 可 能 是!%*!年 有 仪 器 记 录 以 来 最 暖 的!$年#自!’+$年 以 来 !大 气 度 增 加 了&!f!是 过 去(#+h!$+ 能 是 过 去"$的 最 高 水 平 !是 过 去"h!$( 高 的 增 长 速 率#利 用 气 候 模 式 对 大 气温 室 气 体 和 气 溶 胶 浓 度 及 未 来 气 候 进 行 的 预 测 表明 !在"!世 纪 温 室 效 应 将 持 续 增 加 "相 应 地 !全球 气 温 和 海 平 面 都 将 升 高# 最 重 要 的 温 室 气 体#人 类 活 动 排 放 的 温室 气 体 的 辐 射 强 迫*$f!"$f!9"U占*f#预 测 未 来 几 十 年 大 气 度 还 将 持续 增 高 !人 类 活 动 导 致 的 升 温 可 能 每!$年 有$#!*$#"g!其 中 大 气 影 响 略 高 于+$f)!+#人 类 活 动 排 放 的’+ 化 石 燃料 !其 他 则 主 要 由 土 地 利 用 变 化 尤 其 是 森 林 砍 伐 引起)"+#有 固 定 排 放 源 的 工 业 排 放 占*&f!其 中 一 半以 上 由 发 电 厂 排 放 !其 次 为 水 泥 厂 和 天 然 气 工 业 的"%’排 放)&+!这 部 分 排 放 适 于 被 捕 集 和 存 储#对 人 类 活动 排 放 的 行 捕 集 和 存 储 将 是 降 低 温 室 效 应 的重 要 手 段 之 一#降 低 温 室 效 应 的 其 他 手 段 有 $降 低能 耗 &使 用 较 低 排 放 的 能 源 #如 用 天 然 气 取 代 煤 %&使 用 可 再 生 能 源 或 核 能 等#初 步 估 计 通 过 集和 存 储 #Q%!可 储 存 至"$+$年 累 计 排 放 量 的一 半#&!=>&的 捕 集 和 存 储 特 别 报 告在 过 去 的 十 多 年 中 !西 方 一 些 科 学 家 对 了 大 量 研 究 !并 与 企 业 结 合 !进 行 了 一 些 开 拓性 的 实 践#’特 别 报 告 (包 括!$章 !分 别 总 结 和 评估 有 关 来 源 &捕 集 &运 输 &存 储 &成 本 等 方面 的 研 究 成 果 和 待 研 究 问 题#其 中 有&章 专 门 讨 论存 储 问 题 !而 ’地 质 存 储 (和 ’海 洋 存 储 (是 主 要类 型#’地 质 存 储 (指 将 所 捕 集 的 存 到 地 下深 处 与 大 气 隔 绝 !它 作 为 一 个 主 要 的 存 储 方 式 !有存 储 容 量 大 &时 间 长 &可 利 用 成 熟 技 术 等 优 点#’海 洋 存 储 (指 把 到 海 洋 深 处 而 与 大 气 隔 绝#一 种 方 式 是 将 入 温 跃 层 以 下 ! 溶 解 在海 水 中 !扩 散 和 参 加 自 然 界 的 碳 循 环 "另 一 种 方 式是 将 入& 以 下 !在 洋 底 形 成 ’湖泊 (!表 面 被 水 合 物 覆 盖#海 洋 存 储 的 容 量 是 无 限的 !对 于 那 些 不 具 备 地 质 存 储 条 件 的 地 区 尤 为 重要 !但 目 前 还 处 于 对 其 物 理 化 学 机 理 &生 态 效 应 和相 关 技 术 进 行 研 究 和 模 拟 的 阶 段 !尚 无 实 践 案 例#本 文 着 重 介 绍 地 质 存 储#’!=>&的 地 质 存 储自 然 界 中 藏 的 存 在 已 证 实 了 在地 下 存 储 数 万 至 数 千 万 年#适 合 于 质 存 储 的介 质 有 $油 气 田 &煤 田 &含 咸 水 地 层 &其 他 地 质 介质 #多 孔 玄 武 岩 &油 页 岩 &盐 层 &废 矿 坑 等 %#由 于 质 存 储 相 当 于 造 一 个 地 下 人 工 气 藏 !其 选 址条 件 与 天 然 气 藏 的 储 层 条 件 类 似 !主 要 考 虑 以 下 因素 $#!%位 于 地 质 构 造 稳 定 的 地 区 !地 震 &火 山 &活 动 断 裂 不 发 育 !所 储 存 的 气 体 向 大 气 泄 漏 的 可 能性 微 小 "#"%储 层 孔 隙 度 和 渗 透 率 高 !有 一 定 厚 度 !能 达 到 所 需 要 的 存 储 容 量 " #&%上 覆 不 透 气 盖 层#与 天 然 气 藏 的 储 层 条 件 不 同 的 是 还 要 考 虑 以 下 因素 $#!%储 层 压 力 超 过 临 界 值 #临 界 点&!g!’#(!在 这 种 压 力 下 到 压 缩 !密 度 达 到*$$*%$$&!浮 力 低 于 天 然 气 而 高 于 原 油#因此 !储 层 深 度 一 般 在%$$ "#"%较 低 的 地 热梯 度 和 地 热 流 值 !使 较 小 的 深 度 下 能 达 到 较高 的 密 度)(+"#&%对 人 类 社 会 和 自 然 环 境 &资 源 带来 的 负 面 影 响 小 !如 选 择 含 咸 水 地 层 就 是 为 了 保 护自 然 界 的 淡 水 资 源 "#(%成 本 因 素 !如 离 集源 较 近 等#由 上 述 可 推 知 !只 要 选 址 适 当 ! 质 存 储可 具 备 以 下 优 点 $#!%存 储 量 大 !因 为 符 合 条 件 的地 质 介 质 非 常 普 遍 "#"%存 储 时 间 长 !对 环 境 的 负面 影 响 可 以 很 小 "#&%物 理 化 学 机 理 清 楚 !与 天 然的 藏 的 机 理 相 似 "#(%可 利 用 天 然 气 勘 探 的成 熟 理 论 &经 验 &技 术 和 设 备# 质 存 储 的 成 本 取 决 于 许 多 因 素 !如 储 存地 与 的 距 离 &储 层 性 质 #深 度 &渗 透 率 &岩石 成 分 %&地 理 条 件 #海 洋 &平 原 或 山 区 %&构 造 环境 #活 动 性 %&已 有 设 施 的 可 利 用 程 度 &气 源 成 分 &所 采 用 的 技 术 等#有 资 料 表 明 !对 于 每 吨 存储 !含 咸 水 地 层 存 储 的 成 本 约!*!%美 元 !与 煤 层气 强 化 采 收 相 结 合 进 行 的 成 本 约$*&$美 元)++"但这 些 数 字 不 一 定 有 代 表 性#有 一 点 是 肯 定 的 $如 果 能与 强 化 采 油 #, 强 化 采 煤 层 气 #,G%相 结 合 ! 质 存 储 还 有 可 能 导 致 油 气 采 收 的提 高 !从 而 降 低 储 存 成 本 甚 至 产 生 经 济 效 益#:!=>&地 质 存 储 的 实 例迄 今 ! 质 存 储 已 经 在 美 洲 &欧 洲 &非 洲得 到 实 践 !在 澳 洲 和 亚 洲 #日 本 %也 在 研 发 和 计 划 之中 #图!%#:%$!与=>&/?>+%=>&/?=*@+或 其 他 工 业 目 的相 结 合 的 实 例最 初 的 质 存 储 实 践 是 为 了 强 化 采 油#, 强 化 采 煤 层 气 #,美 国在!D’$年 左 右 开 始 利 用 注 来 进 行 强 化 采 油 !现 在 有*’个, 作 业 !每 年 充 注"+E=但 其 部 分 来 自 天 然 气 藏 !只 有&E=来自 人 类 排 放)*+#, 加 采 收 率 为 在 位 原油 的’f*"&f!平 均 为!&#"f)’*!$+#强 化 采 煤 层&%’!第!"卷!第#期!$%%"年#月气 #, 可 能 提 高 甲 烷 采 收 率 为 在 位 气体 的 近D$f#其 优 点 是 每 采 收 一 个 分 子 的 甲 烷 可 存储 两 个 分 子 的缺 点 是 煤 层 渗 透 率 低 !增 加 了需 要 的 钻 井 数 !从 而 提 高 了 成 本)!!!"+#图$!已 实 施 或 已 计 划 的=>&地 质 存 储 工 程!! 位 于 美 国 中 北 部 至 加 拿 大 中 南 部 的X/0/6=@7盆地 !面 积!%$原 油"#"h!$%-&!产 层 为 早 石炭 世 灰 岩#裂 隙 主 要 发 育 于 灰 岩 下 部 !因 此 早 先 的注 水 二 次 采 油 未 影 响 其 上 部 产 层#"$$$年 末 开 始,U"来 自&$$ 北 达 科 达 州 的8.)W@= 工 厂 "该 厂 通 过 煤 的 气 化 生 产 甲 烷 气 !伴生 较 纯 的经 去 水 和 压 缩 后 通 过 管 道 输 给X&存 储 工 程&!+’这 是 世 界 上 第 一 个 完 全 为 了 对 行 地 质 存储 而 实 施 的 具 商 业 规 模 的 工 程 !为 地 质 存 储及 其 监 测 提 供 了 极 其 宝 贵 的 经 验#@ 计 划 旨 在将 火 电 厂 所 排 放 的 入 地 下 !目 前 选 址 工 作 即将 完 成 !下 一 步 将 进 入 灌 注 阶 段#在 西 欧 !计 划 &德 国 的@‘,]/6=/76G!!((#(%$&D**($$%!L@0=#U/$$"!!$$#!+%$(&*(’!$!E@F/=/6C#8[#?;@7?/7=1!:0\F)N@0/5>G!!&"#!%$"$:*"(:!’!田 仲 强 !李 淑 兰 !王 志 敏 !等#注 蒸 汽 加 气 体 开 采 稠 油 技 术 室 内研 究 与 现 场 试 验 应 用#油 田 化 学 !"$$"!!D#!%$(’*+$’%’!第!"卷!第#期!$%%"年#月
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