2地质封存联合咸水开采容量评估'> 中国沉积盆地深部CO2地质封存联合咸水开采容量评估

摘要：CO2地质封存联合深部咸水开采（CO2驱水技术，CO2-EWR）的新型CCUS（CO2捕集、利用和封存）技术是一种促进西部发展、加强我国能源安全的双赢选择。我国陆地及大陆架分布有大量的沉积盆地，可用于CO2封存的咸水层体积巨大，而可靠合理地评估CO2封存容量及其驱水量是封存场址选择的重要前提。现采用国际上较为通用的金字塔评价方法评估了我国25个主要沉积盆地的CO2封存容量，并根据沉积及涌水量特征，选择三个典型盆地建立算例模型，根据各盆地与算例模型的体积比推算出其潜在驱水量。研究结果表明，中国25个主要沉积盆地深部咸水层CO2封存容量约为1 191.95×108 t，相当于中国大陆地区2010年CO2排放总量的14.31倍，潜在驱水量约为40.90×108 t，大约能够使 10个上规模的煤化工企业正常运行20年。其中西部地区沉积盆地分布面积广，可驱替出的水资源量大，能够很大程度上缓解该区能源生产所造成的水资源短缺危机。

关键词：CO2-EWR；西部地区；封存容量；深部咸水；驱水量

中图分类号：X701.7文献标识码：A文章编号：1672-1683（2013）04-0093-04

1研究背景

CO2深部咸水层封存被认为是CCS（二氧化碳捕集与封存）技术中最有效及最具有深度减排潜力的选项之一。据国际能源署（IEA）和政府间气候专门委员会（IPCC）评估报告，全球咸水层CO2封存量可达400～10 000 Gt[1]。但是，由于目前单纯的咸水封存是一种纯粹的巨额资金投入行为，不带来直接的经济效益[2]，而考虑到CO2封存成本及安全性问题，CO2驱水技术（CO2-EWR：CO2 Enhanced Water Recovery）值得关注与研究。该技术是指将CO2注入深度800 m以下，矿化度（TDS）>10 g/L的深部咸水/卤水层，驱替地下深部的高附加值液体矿产资源（例如，锂盐、钾盐、溴素等）或深部水资源，加以综合开发和利用的一种新型CCUS技术[3]。目前，国内外专家做了一些关于此方面的初步研究[4-8]，澳大利亚在建的Gorgon CCS项目是CO2-EWR在全球的首个示范性工程。该项目计划利用8～9口注入井注射天然气处理过程中分离出的CO2，4口抽水井管理储层压力，目前项目处于建设期，预计2015年开始运行。澳大利亚西部正在设计的Collie South West Hub CCS项目，也有做抽水的考虑。

我国是世界上主要的能源消费国，也是主要的煤炭消费国，CO2排放巨大[2]，同时由能源生产造成的水资源供需矛盾突出。IEA的2012年度旗舰报告《世界能源展望2012》中分析了能源生产对水资源的需求将快速增长，水资源的可用性将成为能源行业的制约性因素。报告中指出，与2010年相比，2035年中国由能源生产导致的水资源消耗将增长83%，其中主要的水资源消耗部门是煤炭的生产和消费，水资源的消费主要发生在干旱缺水的中国西部地区。因此，水资源已成为煤炭开发和消费可行性与经济性的不可忽视的限制因素。

CO2-EWR技术一方面缓解了全球变暖的进程，降低了储层压力，使CO2达到安全稳定大规模封存，另一方面开采出的咸水经过处理后用于工农业生产及生活饮用，解决近年来我国面临的各种水资源短缺问题。尽管表面上看，该技术的成本较单纯的CCS偏高，但其带来的直接和间接经济效益不可估量。根据Wolery等人的研究成果，开采出的咸水若利用储层压力进行反渗透处理，成本几乎为海水淡化的一半，且随着工业水价的不断上涨，该技术所带来的附加效益完全可以抵消咸水的开采及处理成本，有一定的经济可行性。而且对于咸水的反渗透处理技术，在油气行业已经积累了丰富的经验，产生二次污染的几率很小，因此该方法有一定的技术可行性。由此看来，CO2-EWR系统无疑是一种促进西部发展，加强我国能源安全的双赢选择，也是一种魅力十足的CCUS技术选项[3]。

面临减排与能源生产中水资源短缺的双重压力，开展CO2-EWR系统研究十分必要，而可靠合理地评估CO2封存容量及其驱水量是封存场址选择的重要前提。为此，本文采用国际上较为通用的金字塔评价方法评估了中国各主要盆地深部咸水层的CO2封存容量，并结合3个典型算例模型，根据体积比推算出各盆地的潜在驱水量，以便为下一步靶区研究奠定基础。

2评价方法

2.1封存容量计算方法

中国陆地及大陆架分布有大量的沉积盆地，分布面积广，沉积厚度大，可用于CO2封存的咸水层体积大[9]。本文计算选取中国25个主要沉积盆地的参数资料进行评估。

对深部咸水层CO2封存容量的计算研究最早开始于20世纪90年代，由于深部咸水层的全球封存潜力最大，技术方法不唯一，因此预测封存量的范围跨度很大[10]。由于资料有限，本文采用北美和欧洲等国比较通用的金字塔估算方法中的有效封存容量公式[11]对各个盆地的CO2封存容量进行评估，计算公式如下：

M=a×A×h×n×ρ×Seff（1）

式中：M为有效封存容量（kg）；a为可用于封存CO2的咸水层平面分布范围占总盆地的比例，参考相关文献，取值为0.01；A为分区面积（m2）；h为咸水层的平均厚度（m），在具有详细地质资料的沉积盆地内利用实际咸水层厚度，其他沉积盆地则取沉积层厚度的0.1倍[9]；n为孔隙度（%），对无资料的沉积盆地取经验值0.20；ρ为CO2的平均密度，一般取700 kg/m3；Seff指储层可以被占据的百分数，陆地上的CO2应该封存在圈闭中，以保证CO2和其他用于提供饮用水的储层不接触。在1996年的欧盟报告中，建议假设3%的咸水层是圈闭的[12]，因此本文计算采用3%作为经验参数。

2.2驱水量计算方法

由于我国盆地类型复杂多变，若对其分别建立模型计算驱水量，则工作量巨大。因此本文根据我国含水层系统类型，选取3个典型盆地建立算例模型模拟驱水量，然后将25个主要沉积盆地大致划分为对应的3类，根据各盆地与算例模型的体积比计算各盆地的潜在驱水量。

2.2.1算例模型的建立

我国内陆主要沉积盆地含水层系统类型大致分为三类，见图1[3，13]。西部地区（一区）主要是以冲、湖积砂、细砂、黏性土为主的含水层系统类型，含水层涌水量相对较小；东部地区（二区）主要是以砂砾石、中粗砂为主的松散岩类含水层系统，含水层水量充沛；南部地区（三区）是以碳酸盐为主或夹杂碎屑岩的含水层系统，裂隙富集和孔隙赋存的控矿机制使其卤水资源较为富集[14-15]。根据上述三类特征，西部、东部以及南部地区分别选取准噶尔盆地、苏北盆地以及江汉盆地作为典型盆地建立算例模型。

模型东西长21.5 km，南北宽10.5 km，储层厚度100 m，采用单注单采的抽注模式，见图2。规定CO2的注入速率为100万t/a（相当于31.71 kg/s），注入井与抽水井间距为5 km，以基本保证系统运行年限达20年，抽水井根据3个典型盆地的地层及涌水量特征，设置不同的开采速率。同时假定模型中CO2的封存深度均为800 m以下，且保持一致，表1列出各典型盆地的主要参数取值。

需要强调的是，各盆地有效封存体积（与参数a、Seff有关）大小千差万别，故进行模型体积选取时，使小于该体积的盆地个数与大于该体积的盆地个数均占50%，加之方便剖分，因此有了如上边界长、宽、高的设置；模型中边界条件设置统一假定四周边界为封闭边界，上下边界为零流量边界。

经模拟发现，准噶尔盆地以6 000 t/d的速率开采，其允许开采年限为42.30年；苏北盆地12 000 t/d的开采速率对应年限为29.10年；江汉盆地10 000 t/d的开采速率对应年限为27.6年。

2.2.2驱水量的计算

4结论

中国25个主要沉积盆地深部咸水层CO2封存容量约为1 191.95×108 t，相当于中国大陆地区2010年CO2排放总量的14.31倍，潜在驱水量约为40.90×108 t，大约能够使 10个上规模的煤化工企业正常运行20年。其中，西部地区由于盆地分布范围较广，可驱替出的咸水资源量较大，约占总驱水量的48.96%，而该区石油、天然气及煤炭等资源相对富集，这恰好缓解了能源生产所造成的水资源短缺危机。

本次研究由于资料有限，且以沉积盆地为单位对全国范围内的咸水层CO2封存容量及潜在驱水量进行评价，因此精度相对较低。今后应以构造单元为基础，结合实际地层结构及参数，建立模型，更加合理的评估封存容量及潜在驱水量。

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