CO2深部咸水層封存被認為是CCS（二氧化碳捕集與封存）技術中最有效及最具有深度減排潛力的選項之一。據(jù)國際能源署（IEA）和政府間氣候?qū)ｉT委員會（IPCC）評估報告，全球咸水層CO2封存量可達400～10000Gt[1]。但是，由于目前單純的咸水封存是一種純粹的巨額資金投入行為，不帶來直接的經(jīng)濟效益[2]，而考慮到CO2封存成本及安全性問題，CO2驅(qū)水技術（CO2-EWR：CO2EnhancedWaterRecovery）值得關注與研究。

　　摘要：CO2地質(zhì)封存聯(lián)合深部咸水開采（CO2驅(qū)水技術，CO2-EWR）的新型CCUS（CO2捕集、利用和封存）技術是一種促進西部發(fā)展、加強我國能源安全的雙贏選擇。我國陸地及大陸架分布有大量的沉積盆地，可用于CO2封存的咸水層體積巨大，而可靠合理地評估CO2封存容量及其驅(qū)水量是封存場址選擇的重要前提�，F(xiàn)采用國際上較為通用的金字塔評價方法評估了我國25個主要沉積盆地的CO2封存容量，并根據(jù)沉積及涌水量特征，選擇三個典型盆地建立算例模型，根據(jù)各盆地與算例模型的體積比推算出其潛在驅(qū)水量。研究結(jié)果表明，中國25個主要沉積盆地深部咸水層CO2封存容量約為1191.95×108t，相當于中國大陸地區(qū)2010年CO2排放總量的14.31倍，潛在驅(qū)水量約為40.90×108t，大約能夠使10個上規(guī)模的煤化工企業(yè)正常運行20年。其中西部地區(qū)沉積盆地分布面積廣，可驅(qū)替出的水資源量大，能夠很大程度上緩解該區(qū)能源生產(chǎn)所造成的水資源短缺危機。

　　關鍵詞：地質(zhì)論文發(fā)表,CO2-EWR,西部地區(qū),封存容量,深部咸水,驅(qū)水量

　　1研究背景

　　該技術是指將CO2注入深度800m以下，礦化度（TDS）>10g/L的深部咸水/鹵水層，驅(qū)替地下深部的高附加值液體礦產(chǎn)資源（例如，鋰鹽、鉀鹽、溴素等）或深部水資源，加以綜合開發(fā)和利用的一種新型CCUS技術[3]。目前，國內(nèi)外專家做了一些關于此方面的初步研究[4-8]，澳大利亞在建的GorgonCCS項目是CO2-EWR在全球的首個示范性工程。該項目計劃利用8～9口注入井注射天然氣處理過程中分離出的CO2，4口抽水井管理儲層壓力，目前項目處于建設期，預計2015年開始運行。澳大利亞西部正在設計的CollieSouthWestHubCCS項目，也有做抽水的考慮。

　　我國是世界上主要的能源消費國，也是主要的煤炭消費國，CO2排放巨大[2]，同時由能源生產(chǎn)造成的水資源供需矛盾突出。IEA發(fā)布的2012年度旗艦報告《世界能源展望2012》中分析了能源生產(chǎn)對水資源的需求將快速增長，水資源的可用性將成為能源行業(yè)的制約性因素。報告中指出，與2010年相比，2035年中國由能源生產(chǎn)導致的水資源消耗將增長83%，其中主要的水資源消耗部門是煤炭的生產(chǎn)和消費，水資源的消費主要發(fā)生在干旱缺水的中國西部地區(qū)。因此，水資源已成為煤炭開發(fā)和消費可行性與經(jīng)濟性的不可忽視的限制因素。

　　CO2-EWR技術一方面緩解了全球變暖的進程，降低了儲層壓力，使CO2達到安全穩(wěn)定大規(guī)模封存，另一方面開采出的咸水經(jīng)過處理后用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活飲用，解決近年來我國面臨的各種水資源短缺問題。盡管表面上看，該技術的成本較單純的CCS偏高，但其帶來的直接和間接經(jīng)濟效益不可估量。根據(jù)Wolery等人的研究成果，開采出的咸水若利用儲層壓力進行反滲透處理，成本幾乎為海水淡化的一半，且隨著工業(yè)水價的不斷上漲，該技術所帶來的附加效益完全可以抵消咸水的開采及處理成本，有一定的經(jīng)濟可行性。而且對于咸水的反滲透處理技術，在油氣行業(yè)已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，產(chǎn)生二次污染的幾率很小，因此該方法有一定的技術可行性。由此看來，CO2-EWR系統(tǒng)無疑是一種促進西部發(fā)展，加強我國能源安全的雙贏選擇，也是一種魅力十足的CCUS技術選項[3]。

　　面臨減排與能源生產(chǎn)中水資源短缺的雙重壓力，開展CO2-EWR系統(tǒng)研究十分必要，而可靠合理地評估CO2封存容量及其驅(qū)水量是封存場址選擇的重要前提。為此，本文采用國際上較為通用的金字塔評價方法評估了中國各主要盆地深部咸水層的CO2封存容量，并結(jié)合3個典型算例模型，根據(jù)體積比推算出各盆地的潛在驅(qū)水量，以便為下一步靶區(qū)研究奠定基礎。

　　2評價方法

　　2.1封存容量計算方法

　　中國陸地及大陸架分布有大量的沉積盆地，分布面積廣，沉積厚度大，可用于CO2封存的咸水層體積大[9]。本文計算選取中國25個主要沉積盆地的參數(shù)資料進行評估。

　　對深部咸水層CO2封存容量的計算研究最早開始于20世紀90年代，由于深部咸水層的全球封存潛力最大，技術方法不唯一，因此預測封存量的范圍跨度很大[10]。由于資料有限，本文采用北美和歐洲等國比較通用的金字塔估算方法中的有效封存容量公式[11]對各個盆地的CO2封存容量進行評估，計算公式如下：

　　M=a×A×h×n×ρ×Seff（1）

　　式中：M為有效封存容量（kg）；a為可用于封存CO2的咸水層平面分布范圍占總盆地的比例，參考相關文獻，取值為0.01；A為分區(qū)面積（m2）；h為咸水層的平均厚度（m），在具有詳細地質(zhì)資料的沉積盆地內(nèi)利用實際咸水層厚度，其他沉積盆地則取沉積層厚度的0.1倍[9]；n為孔隙度（%），對無資料的沉積盆地取經(jīng)驗值0.20；ρ為CO2的平均密度，一般取700kg/m3；Seff指儲層可以被占據(jù)的百分數(shù)，陸地上的CO2應該封存在圈閉中，以保證CO2和其他用于提供飲用水的儲層不接觸。在1996年的歐盟報告中，建議假設3%的咸水層是圈閉的[12]，因此本文計算采用3%作為經(jīng)驗參數(shù)。

　　2.2驅(qū)水量計算方法

　　由于我國盆地類型復雜多變，若對其分別建立模型計算驅(qū)水量，則工作量巨大。因此本文根據(jù)我國含水層系統(tǒng)類型，選取3個典型盆地建立算例模型模擬驅(qū)水量，然后將25個主要沉積盆地大致劃分為對應的3類，根據(jù)各盆地與算例模型的體積比計算各盆地的潛在驅(qū)水量。2.2.1算例模型的建立

　　我國內(nèi)陸主要沉積盆地含水層系統(tǒng)類型大致分為三類，見圖1[3，13]。西部地區(qū)（一區(qū)）主要是以沖、湖積砂、細砂、黏性土為主的含水層系統(tǒng)類型，含水層涌水量相對較��；東部地區(qū)（二區(qū)）主要是以砂礫石、中粗砂為主的松散巖類含水層系統(tǒng)，含水層水量充沛；南部地區(qū)（三區(qū)）是以碳酸鹽為主或夾雜碎屑巖的含水層系統(tǒng)，裂隙富集和孔隙賦存的控礦機制使其鹵水資源較為富集[14-15]。根據(jù)上述三類特征，西部、東部以及南部地區(qū)分別選取準噶爾盆地、蘇北盆地以及江漢盆地作為典型盆地建立算例模型。

　　模型東西長21.5km，南北寬10.5km，儲層厚度100m，采用單注單采的抽注模式，見圖2。規(guī)定CO2的注入速率為100萬t/a（相當于31.71kg/s），注入井與抽水井間距為5km，以基本保證系統(tǒng)運行年限達20年，抽水井根據(jù)3個典型盆地的地層及涌水量特征，設置不同的開采速率。同時假定模型中CO2的封存深度均為800m以下，且保持一致，表1列出各典型盆地的主要參數(shù)取值。

　　需要強調(diào)的是，各盆地有效封存體積（與參數(shù)a、Seff有關）大小千差萬別，故進行模型體積選取時，使小于該體積的盆地個數(shù)與大于該體積的盆地個數(shù)均占50%，加之方便剖分，因此有了如上邊界長、寬、高的設置；模型中邊界條件設置統(tǒng)一假定四周邊界為封閉邊界，上下邊界為零流量邊界。

　　經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)，準噶爾盆地以6000t/d的速率開采，其允許開采年限為42.30年；蘇北盆地12000t/d的開采速率對應年限為29.10年；江漢盆地10000t/d的開采速率對應年限為27.6年。

　　2.2.2驅(qū)水量的計算

　　4結(jié)論

　　中國25個主要沉積盆地深部咸水層CO2封存容量約為1191.95×108t，相當于中國大陸地區(qū)2010年CO2排放總量的14.31倍，潛在驅(qū)水量約為40.90×108t，大約能夠使10個上規(guī)模的煤化工企業(yè)正常運行20年。其中，西部地區(qū)由于盆地分布范圍較廣，可驅(qū)替出的咸水資源量較大，約占總驅(qū)水量的48.96%，而該區(qū)石油、天然氣及煤炭等資源相對富集，這恰好緩解了能源生產(chǎn)所造成的水資源短缺危機。

　　本次研究由于資料有限，且以沉積盆地為單位對全國范圍內(nèi)的咸水層CO2封存容量及潛在驅(qū)水量進行評價，因此精度相對較低。今后應以構(gòu)造單元為基礎，結(jié)合實際地層結(jié)構(gòu)及參數(shù)，建立模型，更加合理的評估封存容量及潛在驅(qū)水量。

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