海底碳封存环境地质灾害风险及监测技术研究.docx

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1、一、前言目前，大气中的温室气体浓度显著增加，全球变暖，厄尔尼诺现象频发，气候危机迫在眉睫，人们也在努力改变局势，但世界仍然离不开化石燃料的使用。若要实现1.5的全球温升控制目标，全球碳减排工作仍十分艰巨。在诸多减少温室气体排放的战略技术中，碳捕集、利用和封存(CCUS)技术是对减少碳排放贡献最大的单一技术，并已在水泥生产、钢铁制造和生物化学等多个学科领域得到应用，取得了良好效果。相较于碳捕集、运输和利用等CCUS子系统，CO2封存的可靠性在一定程度上决定了CCUS技术的可行性，但其潜在的泄露致灾风险阻碍了CCUS技术的全面应用。为确保碳封存利益最大化和灾害风险最小化，有必要对碳封存过程中可能发

2、生的C02泄露情况进行环境地质灾害监测。碳封存主要有陆上地质封存和海底封存两种方式，限于陆地封存空间、成本以及潜在的陆上安全风险，海底碳封存优势明显。但是，如同海底石油、甲烷水合物和浅层气等资源一样，海底COz地质封存同样面临着气体迁移和泄露带来的海底地质灾害威胁。作为典型的多相多场耦合过程，COz泄露事件具有复杂性和不确定性。海底C02泄露具有隐蔽性，容易被忽视，小范围的泄露可以及时采取补救措施，但若没有开展完善且持续的监测方案，一旦泄露事件扩大，将严重影响海底稳定性,破坏海洋工程设施,甚至可能诱发海底滑坡等大型海洋地质灾害,带来大量的生命和财产损失，制约海洋开发利用的进程。对此，联合国政府

3、间气候变化专门委员会建议,COz地质封存在1000年期间的泄露量应低于1%。因此，从封存效率和区域安全性角度，在海底碳封存过程中，对注入和封存阶段进行多层次、多方位、多周期的环境地质监测与量化评估是确保整个封存项目安全性和合理性的必要环节。我国碳减排时间紧、任务重，海底碳封存以及相应的环境地质监测技术尚处于起步示范阶段。目前已成功启动了恩平15-1海底CO2封存示范项目，但距离商业化应用仍存在较大差距。基于此，对全球海底CO?地质封存示范项目进行简要介绍，总结典型CO2控释试验中的环境监测技术，分析海底碳封存项目在监测环节方面存在的不足之处，从环境地质角度总结针对C02海底封存区的监测手段,通

4、过梳理我国目前海洋地质碳封存所遇到的机遇和挑战，提出对我国海底CO2地质封存环境地质监测的对策建议，为我国开展海洋碳减排任务提供参考依据，助力“双碳目标实现。二、海底C02地质封存现状及泄露致灾风险（一）海底COz地质封存典型案例截至2021年,海洋吸收了26%的人为COz排放量,海洋碳汇约为2.90.4GtCa,根据计算，全球海域沉积盆地可容纳40%的CO2封存容量，因此，海底CO2地质封存被认为是未来CO2封存的首要选择。截至2022年，全球范围内己开展了多个成熟的海底C02地质封存项目（见表1）,主要位于挪威、荷兰、巴西、澳大利亚、日本等国家的附近海域，封存场地大多为海底咸水层，其次为油

5、气藏（见图1）。1996年，由挪威国家石油公司开发的SIeiPner项目正式在北海投运，是全球第一个工业规模的海底C02地质封存项目，截至2017年已有效封存COz约1.7x107to2016年，日本在北海道苫小牧地区开展了海底CO?地质封存示范项目，截至2019年已累计注入的CO?量约为3xlOt；因对气体注入前后进行了全面的地质调查与监测，该项目被认为是亚洲较为成功的CO?海底封存项目。上述项目的成功运行和经验积累，对我国海底碳封存项目建设具有借鉴和参考价值。表1典型的海底C02地质封存项目项目名称国家及实施地点圭挎量x106t地层;主入深度/m储层岩性盖层岩性封存方式Sleipner挪朝

6、嗨171000蜡页岩咸水层封存S0hvit挪威巴伦支海1.12500俏页岩咸水层封存Tomakomaii日本苫/J敞近海033000砂岩/火山岩麋咸水层封存Gorgon澳九娅巴罗岛近海552300喔页岩成水层封存WhiteRose英国亨伯近海541020幡器咸水层封存K12-B荷当匕海0.13800俏蒸发岩枯竭油占藏封存Peterhead英国北海342560俏页岩枯竭油气翎存LulaB三三三V内卢首0.83000碳酸盐岩驱油封存我国近海盆地具有物理力学性质较良好的储层和盖层，并具有碳封存圈闭特性，近海主要盆地中的咸水层可封存约2ly的Co2。针对我国海底COz地质封存的可行性，目前已进行了全面

7、且深入的研究，从断裂活动、盆地压力、构造沉降特征、地震活动性以及地温梯度等角度对我国多个海域的近海盆地进行了综合分析，其中，东海陆架盆地、珠江口盆地、琼东南盆地东部以及南海中央海盆总体构造稳定，不存在明显压力和温度异常，是地质构造比较理想的海底碳封存区。此外，我国南海地区是一个重要的COz排放源，已有多处海上油气田，具有丰富的地质资料和完善的基础设施。总体而言，我国南海珠江口盆地具有相对较为优越的封存条件，其次为东海盆地、渤海盆地、台西南盆地及南海中南部诸盆地等。2023年3月19日，位于南海珠江口盆地的恩平15-1平台正式开启CO2回注井钻井作业，这是我国第一口海上COz回注井，也是目前亚洲

8、最大的海上石油生产平台，标志着我国首个超百万吨级海上C02回注封存示范工程取得了重要进展。恩平15-1油田COz回注封存示范工程建成后，预计每年可封存的C02量约为3xlt,5年内累计碳封存量可达1.46x101以上。此外，尽管我国目前尚未提出针对海底CO?地质封存的明确环境监测要求，也未实施过针对性的封存区环境地质监测，但恩平15-1油田CO2回注封存示范工程首次开展了环境监测方案研究，对地层水、回注参数、时移地震和环境现状等要素进行了监测，填补了我国海底碳封存区环境监测示范的空缺。（二）碳封存泄露致灾分析由于CCUS相关技术壁垒，我国海底C02地质碳封存和陆上碳封存同样面临着高成本的技术难

9、题亟待解决，其中封存技术不仅直接影响着海底COz地质封存的顺利开展，还会出现钻井出砂等工程技术难题。若地层出砂加剧，则会进一步降低储层强度，扩大岩层孔隙通道，增加COz泄露的风险。如目前处于搁置状态的澳大利亚2咸水层封存项目一一Gorgon项目，前期设计以及地质调查不足致使注井出砂、注入量不理想等问题出现，增加了CO2泄露的可能性，若持续注入，则会存在工程项目运行风险，如出现裂隙扩张等现象，破坏储层骨架强度。全球多个海底碳封存项目的初步监测结果表明，海底碳封存发生CO2泄漏的概率极低；但长期来看，由于海底地质条件具有复杂性和不确定性，封存地始终存在气体缓慢泄露的可能性，因为注井、地层裂隙或断层

10、、碳酸流体腐蚀的孔隙路径等都是气体泄露的通道。封存区气体泄露会导致局部CO?含量升高，不可避免地会酸化海水，从而导致海洋底栖生物群落发生改变，破坏海洋生态环境。若CO2泄露量足够大，则将释放回大气圈，加剧温室效应。海底碳封存区的环境地质问题同样也需要受到重视。无论是CO2的注入还是泄露，地层的应力场都会发生改变，使得储层及相邻层位孔隙结构发生改变以及岩层发生形变，影响盖层的渗透性，从而加快CO?泄露（见图2）。在高压条件下，特别是对于含裂隙的岩层，裂隙将会产生扩张甚至贯通，很容易形成劈裂破坏，应力集中甚至还会导致地层内部滑裂面的出现，引起断层活化、海床塌陷、海底地震等一系列地质灾害。以挪威SI

11、eiPner项目为例，通过模拟计算C0Z注入封存后储层和盖层的应力变化，在注入储层10年后，盖层下部的水力压裂裕度仅约为-0.1MPa,表明地层存在压裂的风险，断层还可能会随着地震的出现而再活动。图2C5的注入或泄露导致地层特性变化COz的运移不仅会使地层应力发生改变，化学反应过程也会进一步加剧地层的不稳定性。通过室内试验研究发现，饱和C02盐水会导致储层岩石的成分和孔隙度发生变化，含低硫酸盐的饱和COz盐水能溶解岩石中10%的原生方解石，并使孔隙率增加2.6%,这也就表明，过量泄露的COz将会进一步扩大裂隙，降低储层的物理力学性质，减少CO2封存年限。三、海底碳封存区环境监测技术进展海底C2

12、地质封存的收益和风险并存。海底沉积物具有庞大的固碳能力，然而碳封存区的地质环境安全性制约着海洋碳封存技术的发展和推广应用；海洋碳封存的时空跨度较大，海底地质条件复杂，气体泄露传播具有不确定性，因此，研发和应用具有针对性的海底碳封存区地质环境监测技术尤为重要。该技术不仅可以量化海底COz的泄露量，正确评估海底碳封存效率，还可以对海底COz泄漏事故做出应急响应。（一）海底COz地质封存环境监测现状目前，我国海底COz地质封存以及监测技术尚处于起步阶段，缺少专门针对封存区监测的相关规定和案例。对封存区进行全面监测有利于准确评估封存效率,对于可能出现的安全隐患也能快速做出应急判断以及补救措施。目前，针

13、对海底COz泄露的地质环境监测主要围绕声学（水中气泡定量估算）和化学（检测和表征海水中的化学异常）两类技术展开，同时辅以温盐深仪（CTD）、洋流计等其他手段。由于海底COz地质封存仍然处于探索和示范阶段，监测内容主要包含海水PH值、二氧化碳分压、金属离子浓度、氢离子浓度、营养盐以及CO2羽流等海水环境要素。针对上述环境要素，近年来不同的CCUS企业单位、科研机构以及政府部门等在世界各地具有代表性的海洋环境中联合开展了许多具有现场规模的C02控释实验，在评估封存方式的同时也测试了监测技术的性能。其中，规模较大、内容较全面、最具有代表性的海底C02封存控释监测项目分别为量化与监测地质碳储存的潜在生

14、态系统影响项目(QICS)、C02储存的测量、监测和验证项目(ETIMMV)和海洋碳捕集与封存环境监测策略项目(STEMm-CCS),这些项目的顺利开展填补了海底C02地质封存监测在内容与技术中的许多空白领域，表2列出了上述3个项目的基本情况。可以看出，这些项目的共同点都是通过CO?控释实验对多种监测技术进行测试，监测的主要内容为利用沉积物采样、海水采样、声学技术等方式对CO2异常泄漏识别。此外，STEMM-CCS项目还特别加入了生态基线调查。表2典型海底C02地质封存区监测研究计划项目名称运行时W年实购地点研究目标研究内容QICS30J2010-苏格兰阿他移旗2013什湾了解英国海洋环埼对C

15、O2储存综合体潜在泄漏研究C02溶解和流动对沉积指及海洋动力学的彰晌，的敏球性，同时测试排放技术化Co2泄苑通星，开发82动态病应数值模型ETIMMV-3220142018会财*港和d馆布里蔽侬海开发和在海上试验一个可损作的、具有成本效设计笑成式海洋C02综合监测系统，在代表性海洋环境益的综合海洋监测系统中测蝴群综合索慕STEMm-CCS2016窝试英国北海海洋Co2封存点环塔监测技术,建立海洋碳捕集与封存示是生态基线，研究由于地质特(33.342020建立首个海洋碳捕集与封存示定级生杳基线征造成的近地表油S路径，测试泄毒量化的创新技术总体而言，这些COz控释实验研究目标有所不同，但都加深了对海底碳封存区环境地质变动特征的科学理解，推动了先进监测技术的研究及应用，为CCUS技术的发展做出了重大的贡献。目前.，全球海底COz地质封存项目还没有出现因为泄露事件而致使严重地质灾害发生的情况，但相关可能性仍客观存在，威胁海底工程设施安全。(二)海底碳封存区环境地质监测的主要技术目前鲜少有专门针对海底碳封存区环境地质监测的系统性研究，但浅层气和甲烷水合物等也存在气体泄露的潜在威胁，因此，可以借鉴地震调查与监测、电阻率法监测技术、重力监测技术、海床变形监测技术以及沉积物孔隙压力监测技术