CO2深部咸水層封存被認(rèn)為是CCS（二氧化碳捕集與封存）技術(shù)中最有效及最具有深度減排潛力的選項(xiàng)之一。據(jù)國(guó)際能源署（IEA）和政府間氣候?qū)ｉT委員會(huì)（IPCC）評(píng)估報(bào)告，全球咸水層CO2封存量可達(dá)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(jì)效益[2]，而考慮到CO2封存成本及安全性問題，CO2驅(qū)水技術(shù)（CO2-EWR：CO2EnhancedWaterRecovery）值得關(guān)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(shù)，CO2-EWR）的新型CCUS（CO2捕集、利用和封存）技術(shù)是一種促進(jìn)西部發(fā)展、加強(qiáng)我國(guó)能源安全的雙贏選擇。我國(guó)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(píng)估CO2封存容量及其驅(qū)水量是封存場(chǎng)址選擇的重要前提�，F(xiàn)采用國(guó)際上較為通用的金字塔評(píng)價(jià)方法評(píng)估了我國(guó)25個(gè)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(gè)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(guó)25個(gè)主要沉積盆地深部咸水層CO2封存容量約為1191.95×108t，相當(dāng)于中國(guó)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(gè)上規(guī)模的煤化工企業(yè)正常運(yùn)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(jī)。

　　關(guān)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(shù)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(shù)[3]。目前，國(guó)內(nèi)外專家做了一些關(guān)于此方面的初步研究[4-8]，澳大利亞在建的GorgonCCS項(xiàng)目是CO2-EWR在全球的首個(gè)示范性工程。該項(xiàng)目計(jì)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(chǔ)層壓力，目前項(xiàng)目處于建設(shè)期，預(yù)計(jì)2015年開始運(yùn)行。澳大利亞西部正在設(shè)計(jì)的CollieSouthWestHubCCS項(xiàng)目，也有做抽水的考慮。

　　我國(guó)是世界上主要的能源消費(fèi)國(guó)，也是主要的煤炭消費(fèi)國(guó)，CO2排放巨大[2]，同時(shí)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(bào)告《世界能源展望2012》中分析了能源生產(chǎn)對(duì)水資源的需求將快速增長(zhǎng)，水資源的可用性將成為能源行業(yè)的制約性因素。報(bào)告中指出，與2010年相比，2035年中國(guó)由能源生產(chǎn)導(dǎo)致的水資源消耗將增長(zhǎng)83%，其中主要的水資源消耗部門是煤炭的生產(chǎn)和消費(fèi)，水資源的消費(fèi)主要發(fā)生在干旱缺水的中國(guó)西部地區(qū)。因此，水資源已成為煤炭開發(fā)和消費(fèi)可行性與經(jīng)濟(jì)性的不可忽視的限制因素。

　　CO2-EWR技術(shù)一方面緩解了全球變暖的進(jìn)程，降低了儲(chǔ)層壓力，使CO2達(dá)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(guó)面臨的各種水資源短缺問題。盡管表面上看，該技術(shù)的成本較單純的CCS偏高，但其帶來的直接和間接經(jīng)濟(jì)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(chǔ)層壓力進(jìn)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(jià)的不斷上漲，該技術(shù)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(jì)可行性。而且對(duì)于咸水的反滲透處理技術(shù)，在油氣行業(yè)已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)生二次污染的幾率很小，因此該方法有一定的技術(shù)可行性。由此看來，CO2-EWR系統(tǒng)無疑是一種促進(jìn)西部發(fā)展，加強(qiáng)我國(guó)能源安全的雙贏選擇，也是一種魅力十足的CCUS技術(shù)選項(xiàng)[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(píng)估CO2封存容量及其驅(qū)水量是封存場(chǎng)址選擇的重要前提。為此，本文采用國(guó)際上較為通用的金字塔評(píng)價(jià)方法評(píng)估了中國(guó)各主要盆地深部咸水層的CO2封存容量，并結(jié)合3個(gè)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(chǔ)。

　　2評(píng)價(jià)方法

　　2.1封存容量計(jì)算方法

　　中國(guó)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(jì)算選取中國(guó)25個(gè)主要沉積盆地的參數(shù)資料進(jìn)行評(píng)估。

　　對(duì)深部咸水層CO2封存容量的計(jì)算研究最早開始于20世紀(jì)90年代，由于深部咸水層的全球封存潛力最大，技術(shù)方法不唯一，因此預(yù)測(cè)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(guó)比較通用的金字塔估算方法中的有效封存容量公式[11]對(duì)各個(gè)盆地的CO2封存容量進(jìn)行評(píng)估，計(jì)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(guān)文獻(xiàn)，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(xì)地質(zhì)資料的沉積盆地內(nèi)利用實(shí)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(duì)無資料的沉積盆地取經(jīng)驗(yàn)值0.20；ρ為CO2的平均密度，一般取700kg/m3；Seff指儲(chǔ)層可以被占據(jù)的百分?jǐn)?shù)，陸地上的CO2應(yīng)該封存在圈閉中，以保證CO2和其他用于提供飲用水的儲(chǔ)層不接觸。在1996年的歐盟報(bào)告中，建議假設(shè)3%的咸水層是圈閉的[12]，因此本文計(jì)算采用3%作為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

　　2.2驅(qū)水量計(jì)算方法

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

　　我國(guó)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(xì)砂、黏性土為主的含水層系統(tǒng)類型，含水層涌水量相對(duì)較�。粬|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(jī)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(zhǔn)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(zhǎng)21.5km，南北寬10.5km，儲(chǔ)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(dāng)于31.71kg/s），注入井與抽水井間距為5km，以基本保證系統(tǒng)運(yùn)行年限達(dá)20年，抽水井根據(jù)3個(gè)典型盆地的地層及涌水量特征，設(shè)置不同的開采速率。同時(shí)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(qiáng)調(diào)的是，各盆地有效封存體積（與參數(shù)a、Seff有關(guān)）大小千差萬別，故進(jìn)行模型體積選取時(shí)，使小于該體積的盆地個(gè)數(shù)與大于該體積的盆地個(gè)數(shù)均占50%，加之方便剖分，因此有了如上邊界長(zhǎng)、寬、高的設(shè)置；模型中邊界條件設(shè)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(zhǔn)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(duì)應(yīng)年限為29.10年；江漢盆地10000t/d的開采速率對(duì)應(yīng)年限為27.6年。

　　2.2.2驅(qū)水量的計(jì)算

　　4結(jié)論

　　中國(guó)25個(gè)主要沉積盆地深部咸水層CO2封存容量約為1191.95×108t，相當(dāng)于中國(guó)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(gè)上規(guī)模的煤化工企業(yè)正常運(yùn)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(duì)富集，這恰好緩解了能源生產(chǎn)所造成的水資源短缺危機(jī)。

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

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