碳中和技术：历史、前景和挑战

工程14（2022）33研究碳中和前沿研究综述碳捕集与封存：历史与未来之路马金凤a，b，c，李林b，c，d，王浩凡a，b，c，杜毅a，b，c，马俊杰b，c，d，张晓丽a，b，c，Zhenliang Wanga，b，ca西北大学地质系，Xib碳捕集与封存技术国家地方联合工程研究中心，Xic陕西省碳中和技术重点实验室，西安d西北大学城市与环境科学学院，Xi阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年7月27日收到2021年10月16日修订2021年11月24日接受2022年3月12日在线提供保留字：CCS研究设施温室气体净减排量能源消耗监测A B S T R A C T在全球实现净零排放的道路上，大规模部署碳捕获和储存（CCS）变得越来越紧迫;然而，全球CCS部署远远落后于其对温室气体减排的预期贡献回顾和借鉴先进国家CCS的成功经验和历史，有助于包括中国在内的其他国家以科学的方法推进和部署CCS项目文章认为，先进国家CCS重大科技基础设施的建立，已成为CCS技术创新、降低成本、降低风险、商业推广和人才培养的主要源泉，并在CCS关键技术的开发和示范中发挥着CCS的健康发展需要从试点规模的科技基础设施过渡到大规模的商业基础设施，以及鼓励政策;否则，将难以克服小规模示范与百万吨级CCS和千万吨级CCS中心实施之间的技术障碍CO2地质封存是CCS项目的最终目标，也是 CO2捕集的驱动力进一步提高 CO2封存能力、减排和安全性的测量、监测和验证（MMV）技术的准确性仍然是地质封存的一个咸水层CO2封存可以更好地耦合多种碳排放源，是目前优先发展的方向。降低低浓度CO2捕集的能耗和化学吸收剂的消耗，提高燃烧后CO2捕集系统的运行效率和稳定性，已成为制约CCS大规模应用的关键为了使各国最大限度地开采化石燃料，而不是从环境不太友好的石油生产国进口石油，提高石油采收率也很重要©2022 The Bottoms.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）中找到。1. 介绍碳捕集与封存（CCS）或碳捕集、利用与封存（CCUS）是国际公认的减缓气候变化、保护人类生存环境不可或缺的关键技术（图1）[1国际能源署（IEA）[4]和碳封存领导论坛（CSLF）[5]都表示，为了使能源部门在2050年前实现净零排放，2030年和2050年的全球CCS规模必须分别是目前截至2020年的40 Mt · a - 1的10-政府间*通讯作者。电子邮件 地址： jfma@nwu.edu.cnwww.example.com Ma）。气候变化专门委员会（IPCC）[6]预测，如果不采用CCS技术，到2100年，减排成本将上升138%。CCS被列为四个关键减排技术途径中的三项强制性减排技术之一[7]，IPCC于2018年发布的1.5°C特别报告IEA[8]总结了CCUS应用于解决排放问题的四个战略领域：现有基础设施、低碳氢生产、重工业和航空等行业中最具挑战性的排放以及从空气中去除碳。CCS技术和可再生能源技术都是减缓气候变化的关键技术，但从土地利用的角度来看，CCS是一种地下空间利用技术，燃煤电厂加上CCS所需的土地面积远小于太阳能和风力发电厂。煤电/天然气发电加CCS仍是https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.11.0242095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可从ScienceDirect获取目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/engJ马湖，加-地 Li，H.Wang等人工程14（2022）3334×·×·×·图1.一、 CCS产业链及其驱动因素。UAV：无人驾驶航空器。电力安全稳定生产的基石，是建立在可再生能源无法提供大规模工业电力，存在难以解决的储能和储能问题的前提下。此外，CCS技术是直接和快速减少钢铁、水泥和化学工业等化石能源大规模来源排放的唯一有效选择。CCS将成为一个与石油和天然气工业规模相当的大工业（图10）。 2）的情况。学者一些中国学者认为CCS技术是一种技术，并因此没有排名足够高的重要性，以预测其对中国的减排贡献然而，中国严重依赖煤炭，因此我们认为CCS的减排贡献值更高。例如，根据亚洲开发银行（ADB）的最新预测，到2030年，CCS对中国减排的贡献必须达到（0.3-2050年，（13- 考虑到未来一带一路国家的预期减排需求，CCS的广泛使用将为中国企业提供更大的扩张空间。负排放技术，如直接空气捕获（DAC）和生物能源与碳捕获和储存（BECCS），是未来的，需要扩大规模，以确定其经济可行性。图二、 CCS产业链及其驱动因素。MMV：测量、监测和核查; BECCS：具有碳捕获和储存的生物能源;DAC：直接空气捕获; EOR：提高石油采收率。J马湖，加-地 Li，H.Wang等人工程14（2022）3335·2. CCS项目开发起源回顾CO2强化采油（EOR）技术自20世纪60年代以来在美国和加拿大开展。自1972年1月26日以来，雪佛龙在德克萨斯州斯库里县的油田实施了世界该项目的二氧化碳来自科罗拉多州的天然二氧化碳田，并通过管道输送到油田用于注水。在1972-2009年期间，SACROC项目总共注入了超过1.75亿吨天然二氧化碳然而，现代意义上的CO2捕集、运输和储存的概念，作为减少人为CO2排放的一种手段，是由Marchetti首先提出的[15]。1996年开始的Sleipner CCS项目和2000年开始的IEA温室气体研究与发展计划Sleipner CCS项目是Equinor在挪威碳税政策影响下实施的科研和大规模商业示范项目，捕获天然气净化过程中分离的CO2自1996年以来，该项目已累计储存了2000多万吨二氧化碳.该项目已连续20年开展超前监测，取得了显著的科研成果[16]。Weyburn计划是世界该项目已持续12年，规模为1.8Mt· a-1自2000年10月以来，已安全储存了超过3500万吨二氧化碳。Weyburn项目在世界上最大的地球科学试验场进行，在加拿大萨斯喀彻温省南部的Weyburn油田，在加拿大自然资源部，美国国务院能源部、萨斯喀彻温省政府以及其他政府机构和企业[17在完成计划的科学研究后，该项目已转为商业项目。Weyburn项目的成功确立了CCS技术在减少温室气体排放方面的不可替代的作用（图1）。 3）。首先，它是世界上第一个大规模捕集和长距离运输煤炭使用产生的低成本高浓度CO2的Dakota气化公司）用于EOR和储存。实践证明，利用CCS技术可以大规模、快速、低成本地减少化石能源中碳排放量最大的煤炭产生的CO2其次，该项目得益于对CO2-EOR的依赖，在没有政府补贴的情况下，该项目运行了20多年，建立了最成功的CCS商业化模式。第三，在解决了高浓度煤化工CO2排放源的高效捕集和封存问题后，Weyburn项目的组织者瞄准了燃煤电厂排放的低浓度CO2 的捕集和封存，在SaskPower Boundary Dam电站（简称BD 3）3号机组建设了世界上第一座1 Mt a - 1的此外，当石油公司对二氧化碳的需求较低时，由于发 电 厂 捕 获 的 多 余 二 氧 化 碳 可 以 储 存 在 附 近 的 盐 水 层 中 ， 因 此SaskPower与石油技术研究中心（PTRC）合作，建立了Aquistore科学研究设施，用于在深层盐水层中地质储存二氧化碳Weyburn项目也使CO2的利用成为洪水-在没有政府激励的情况下，研究CCS发展的最佳商业模式;因此，在概念中增加了“U”CCS的“利用”，并在国际上受到广泛赞誉。然而，在各国目前为实现碳中和目标所做的承诺和努力中，图3.第三章。 科研设施和扎实的科研工作为韦伯恩计划的成功奠定了基础。CSA：加拿大标准协会; BD 3：SaskPower边界坝电站3号机组J马湖，加-地 Li，H.Wang等人工程14（2022）3336····诸如CO2-EOR的利用在大规模减少排放方面还没有完全有效[20]。因此，本文不讨论CO2驱等CO2利用问题.3. CCS项目CCS项目有许多分类方法，其中全球CCS研究所（GCCSI）[21]的方法最为知名。GCCSI将工业排放源40万kt/aCO2的捕集、输送和封存项目，或燃煤电厂80万kt/aCO2根据GCCSI 2020报告，目前全球有65个商业项目，其中26个正在运营，其他项目则处于不同的发展阶段CCS项目还可以根据CO2的来源进行分类--即天然气分离产生 的CO2Sleipner）、煤化工厂中的碳捕获（例如，大平原煤炭气化厂），炼油中的氢气生产（例如，壳牌探索[22]和Tomakomai），煤电厂（例如，SaskPower Boundary Dam和Petra Nova），钢铁厂的碳捕获（例如，Al Reyadah）、生物质能源捕获（例如，Decatur）和DAC（例如，Carbfix和Climeworks、海德堡水泥正在进行的挪威Norcem的Brevik水泥厂以及加拿大Lehigh水泥公司）。直接利用天然CO2气田中的CO2用于洪水和封存的项目不被视为碳减排项目，因此不被视为CCS项目。CCS项目中使用的储存可分为盐水层储存、CO2-EOR储存、废弃油气田储存和玄武岩储存等类型[23]。在玄武岩中储存二氧化碳的项目包括冰岛的Carbfix[24]和Tomakomai[25]在日本。然而，尽管Tomakomai项目成功地将二氧化碳完全注入砂岩 中 ， 但 在 玄 武 岩 中 储 存 二 氧 化 碳 的 尝 试 并 不 理 想 。 因 此 ，Tomakomai储层的注入性较低，不像Carbfix项目的玄武岩那样呈现高温条件;因此，未实现矿化储存。鉴于这些结果，未来在玄武岩中储存CO2的潜力目前似乎并不高通过对CCS项目按科学研究和商业示范或运行进行分类，可以更好地了解CCS项目的发展历史、遇到的科学问题和取得的技术进步。如前所述，尽管美国从1972年开始进行大规模的CO2驱，但CO2-EOR技术的重点是将注入的CO2一部分留在储层中，一部分随原油从生产井中排出，而不是将CO2地质封存和CO2减排。当CO2驱油技术转向将CO2地质储存在盐水层或油藏中时，首先要回答的问题是：CO2是否安全储存？如何验证储存的二氧化碳的位置？如何验证不同规模的CO2储存能力？采用什么技术和设备来长期监测二氧化碳储存的安全性？这些问题是CCS研究项目和基础设施必须解决的问题，也是CCS商业推广的基础。Weyburn项目是一个科学研究项目，其目标是实现二氧化碳监测和储存，同时尽可能全面地进行监测和测试[18，26，27]。标准加拿大标准协会（CSA）Z741二氧化碳地质储存是基于该项目的研究，国际标准化组织（ISO）/技术委员会（TC）265二氧化碳捕集、运输和地质封存国际标准的基础。Sleipner项目涉及对大规模CO2地质储存的海上监测研究。该项目的四维地震监测和时移重力监测揭示了CO2注入过程中CO2在地下运移和聚集其他具有国际影响力的CCS科技基础设施（表1[28，29]）包括Aquistore 、 温 室 气 体 技 术 合 作 研 究 中 心 （ CO2CRC ） Otway 、Tomakomai、Ketzin以及世界上第一个生物质CCS研究项目Decatur项目等。这些科技基础设施具有较高的施工技术水平和先进的监测技术与设备，涵盖了CO2地质封存的注前现场研究、注气阶段的监测研究和注后（注后、封后）的连续监测研究。CO2地质封存的早期研究基础设施包括日本长冈的CO2地质封存试验场和荷兰的K12-B海上CO2注入项目等。但总体而言，这些CCS科技基础设施以地质封存为重点，旨在开展地质封存的测量、监测和验证（MMV）研究，并测试10 kt a-1至1 kt a- 1封存能力监测技术的可行性Mt a-1.除Weyburn项目的研究重点是提高采收率封存外，其他项目的研究重点都是咸水层中CO2的封存。这是因为就储存潜力而言，含盐含水层的储存空间比储油层大得多。在含盐含水层中储存二氧化碳的项目在排放源附近捕获和储存二氧化碳，从而避免了建造长距离二氧化碳运输管道的成本。此外，由于国际石油价格的变化，石油公司对CO2的需求减少或终止，不需要考虑CO2在盐水层中的这类项目的净碳减排成本通常低于EOR项目的储存成本。 当在含盐含水层中储存CO2时，没有必要捕获非常高浓度的CO2。因此，利用咸水层封存CO2是当前CCS的发展方向.然而，CO2-EOR不应被忽视，因为该工艺创建收入流以支付当前昂贵的捕获过程的一部分。从技术上讲，目前在盐水层中进行CO2地质封存是通过直接注入的方式进行的;也就是说，没有流体从盐水层中抽出以降低原位孔隙压力。 这种方法不同于CO2驱油法，后者是用CO2驱油来补充储存压力。向含盐含水层注入CO2更可能导致孔隙压力高于原位孔隙压力，进而导致盖层破裂、储层裂缝张开、断层张开等渗漏风险。然而，正在进行的国际咸水层二氧化碳储存项目（例如 ， Sleipner 、 Shell Quest 、 Tomakomai 、 Aquistore 、 CO2CRCOtway）证明此类风险是可控的。4. 二氧化碳捕集的关键问题CO2捕集的困难在于其规模大，以及用于低浓度排放源时需要实现低能耗或低成本燃煤和燃气发电厂、钢铁厂、水泥和化学工业以及废物焚烧）。根据Shell Quest CCS项目7.903亿加元的资本支出投资明细[30]，1 Mt· a-1重油中浓度为17%的CO2的捕集、运输和储存成本J马湖，加-地 Li，H.Wang等人工程14（2022）3337表1全球典型的CCS科学和技术基础设施及其特点。名称捕获类型和规模运输储存特点韦伯恩加拿大阿奎斯托雷斯莱普纳，挪威CO2CRC澳大利亚悉尼凯钦，德国Tomakomai，日本在萨拉赫，阿尔及利亚美国达科他气化公司3Mt·a-1煤气化装置、加拿大SaskPower边界坝电站1Mt·a-1燃烧后捕集装置加拿大SaskPower边界坝电站1 Mt·a-1从Sleipner Vest气田天然气中分离CO2，规模为850kt·a-1CO2;捕集技术和化学溶剂（胺吸收）从天然气中分离CO2，CO2浓度80%，甲烷浓度20%小型工业制氢项目Schwarze Pumpe炼油厂制氢过程中100kt·a- 1CO2的捕集（工业分离/化学阿尔及利亚BP公司Salah油田天然气CO2（CO2含量为5.5%）的分离从美国到加拿大的320公里管道;从SaskPower边界坝电站到油田的80公里管道;10公里管道输送到盐水含水层储存点（直线距离3.4公里）在海上平台上分离CO2并将CO2注入海底以下的深层盐水层2.25公里的管道油轮运输将CO2从捕获端注入位于陆地上的注入井从井口天然气中直接分离CO2;将CO2输送到CO2注入井CO2的储存与EOR在1450m的深度;约1.8Mt·a-1;注入开始于2000年10月;迄今为止，仅Weyburn油田就储存了超过3500万t的CO2储存在地下3400米深的咸水含水层中; 2015年开始注入;已储存总计35万吨二氧化碳在海底800- 1100 m深的盐水层中储存CO2地下630-650 m深咸水层封存分别在1000米和3000米深的两组海底咸水层中储存;水平井注入模式;从2000年到2010年累积储存300 110吨CO2。2016年4月6日至2019年11月22日封存于地下1880 m、厚20 m的深层咸水层，2004年8月开始注入，经监测分析，注入存在盖层渗漏风险，2011年6月结束，累计封存CO2世界上最大的CO2地质封存科研设施;世界上最先进、最全面、最完整的MMV，包括三维三分量地震监测（进行了三次），三维九分量地震监测（进行了三次），80级三维三分量井中VSP监测（进行了三次），被动地震监测（进行了5次）、快、慢横波测井、地表环境监测等;获得了最大规模的CO2地质封存数据集;为加拿大和美国CSA Z741二氧化碳地质封存标准的形成奠定了基础借鉴Weyburn项目监测技术经验，推动CO2地质封存永久性监测设备和技术的发展;目前世界上最深的CO2地质封存项目（3400 m），监测技术难度最大;布置永久性三维地震监测、钻孔光纤DAS VSP、深井光纤温度、压力监测、被动地震监测、倾斜仪/GPS（地表水平和垂直变形）、环境监测等设施[28] ;注入前多次进行三维地震监测和环境监测，注入两套含盐砂岩含水层;世界主要研究目的是确定CO2地下封存后油藏中羽状流体的运移过程，采用综合监测技术采集和记录数据，数据分析为复杂油藏CO2安全封存作业和环境评价提供根据科学任务确定不同阶段的注入量;研究不同CO2注入量，特别是小CO2注入量下的地球物理监测和成像技术;世界上第一个研究CO2注入对断层封闭性影响的世界上最成功的四维地震监测;最成功的电阻率法监测;钻孔监测与地球物理地面监测的独特结合;关井后的长期监测;主要研究目标是CO2地下封存后储层中羽状流体的运动过程;所进行的分析采用了综合监测技术，为复杂储层的CO2安全封存作业和环境评价提供了便利;最成功地预测了CO2储量和封存容量采用JGC和BASF联合开发的HiPACT设备捕集CO2;利用新开发的具有稳定的抗热降解性和优异的CO2吸收性能的吸收溶剂的化学吸收工艺;实现了CO2在高压（3-5 atm（1 atm = 101325 Pa））下的液-气分离工艺和节能，大大降低了CCS项目的能源和成本负担，CO2回收和压缩的成本从25%降低到35%;开发了先进独特的海底电缆;实现了注入一组含盐含水层;进行了世界上第一次使用InSAR进行地表变形监测的研究，通过该研究发现，在将CO2注入地下深处的含盐含水层后，地表显著变形[29]，可能导致通过盖层泄漏的风险; 3D地震监测（多次进行）、微地震监测和倾斜仪/全球定位系统;在监测井眼完整性过程中，发现井壁渗漏，可能是水泥与CO2发生地球化学反应所致VSP：垂直地震剖面; DAS：分布式声传感;：分布式温度传感; GPS：全球定位系统; HiPACT：高压酸性气体捕获技术; JGC：日本汽油公司; BASF：Badische Anilin-und-Soda-Fabrik;InSAR：干涉合成孔径雷达。J马湖，加-地 Li，H.Wang等人工程14（2022）3338··········产氢过程分别约为55%、16%和5%。低浓度排放源的CO2捕集成本一直占CCS投资的绝大部分，而地质封存成本最低。除了碳捕集设施投资成本较高外，压缩工艺和蒸汽能耗仍有优化和改进的空间;此外，溶剂降解率非常高，需要在捕集设施运行过程中大量补充溶剂，增加了运行成本和捕集成本。CO2捕集工艺还存在各种额外的挑战，包括有限的土地空间、有限的水资源利用率、对其它烟道气组分的耐受性（即，需要适应不同烟气成分的排放源，以及其它本地发电厂标准（例如，主要操作和维护间隔以及输出负载的减少）。捕获的规模也是技术进步的一个重要指标，因为大规模燃烧后捕获有许多好处。上述许多性能问题正在得到解决。例如，中国华能集团等公司正在探索如何调整每种烟气的溶剂组成，以减少降解问题。科学界在低浓度CO2捕集技术领域进行了大量的研究[31-作为世界加拿大是一个里程碑。该捕集设施自2014年10月2日首次投入运行以来一直稳定运行。截至2021年5月底，累计捕集二氧化碳414. 3519万吨。年实际捕集能力大于设计规模的75%。该捕集工艺采用壳牌这些溶剂使用来自发电厂的低压蒸汽再生。在SaskPower BD3捕集设施中，胺基溶剂再生、溶剂降解等的高能量要求需要优化和改进[35]。在美国能源部支持的第二代捕集技术中，Linde/Badische Anilinund-Soda-Fabrik（巴斯夫）2.7 GJ t-1的CO2（在一个未知的操作规模），和最小的基于胺的溶剂在5500小时的操作过程中降解。贝克休斯Petra Nova燃煤电厂拥有世界上最大的燃煤电厂二氧化碳捕集设施，年二氧化碳捕集能力为140万吨·年-1。利用关西三菱公司的二氧化碳回收工艺进行二氧化碳捕获该工艺使用专业KS-1溶剂（一种空间位阻胺），使用来自独立燃气发电厂的蒸汽进行再生Petra Nova后燃烧工厂产生的二氧化碳用于EOR，因此低油价将影响捕获设施的运营，直到法规到位以减少工业碳足迹。具有里程碑意义的CO2捕集设施项目包括阿联酋Al Reyadah钢铁厂的捕集项目，该项目的CO2捕集能力为800 kt·a-1，采用天然气直接还原铁（DRI）工艺;英国Drax生物质发电捕集设施，该项目正在建设中，预计捕集能力为4 Mt· a-1;挪威海德堡水泥公司的400 kt· a-1Norcem BrevikCO2捕集项目Fortum Oslo Varme废物焚烧工艺的400 kt a-1捕集设施; MustangStation天然气发电厂的6 Mt a-1CO2捕集设施;即将为加拿大Heidelberg Caspian Lehigh水泥厂建造的全尺寸800 kt a-1捕集设施;以及壳牌（加拿大）Polaris的750 kt a-1捕集设施，用于化学工艺，如氢气生产肯珀县煤气化联合循环（IGCC）3 Mt a- 1CO2捕集装置虽不成功，但其所显示的雄心和积累的经验仍是探索大规模燃烧前CO2捕集技术的有益尝试。工业化技术进步的特点：将技术早期运行中的经验和教训应用于改进下一代设备的设计和运行，从而提高效率，降低资金和运行成本。正是SaskPower BD3捕集设施的成功，导致随后为Shand电站建立了第二代燃烧后捕集技术，该技术基于第一代CO2捕集设施的操作实践，但减少了项目成本为67%[8，37]5. 中国CCS项目现状目前，中国尚不具备全流程CCS科技基础设施，目前CCS研究主要通过小型全流程CCS中试项目和CO2- EOR示范项目进行[38这些项目的主要目标是研究CO2-EOR提高采收率。我国对CO2地质封存安全性的实地研究虽然许多学者进行了相关的监测研究[42，43]，但还没有足够的证据证实CO2的储存能力、CO2的分布和储存的安全性，而且中国学者对CO2的地质储存的研究也不多。中国在CCS相关的科研水平、技术水平和投入资金方面存在先天不足，CCS研究基础设施与发达国家存在很大差距中国石油天然气集团公司（CNPC）和中国石化的早期CO2-EOR项目使用来自天然CO2油田的然而，如前所述，这类项目不能被承认为CCS和减排项目。随后的神华鄂尔多斯咸水层CCS示范、靖边CCS、中石化中原油田CO2- EOR、中石油长庆油田CO2-EOR都是基于煤化工厂低成本高浓度CO2捕集的示范[38目前正在进行的低浓度CO2源CO2捕集实验和示范项目包括华润控股于2019年5月在广东建设的华润电力（海丰）碳捕集试验设施、中国华能集团于2009年建设的上海石洞口第二电厂10万吨/年CO2捕集装置、中国华能集团于2017年建成的天津IGCC电厂6万吨/年燃烧前捕集设施、安徽白马山水泥厂5万吨/年燃烧后捕集设施，以及国家能源集团在陕西新建的国华锦界电厂15万吨/年CO2但这些二氧化碳捕集设施没有下游大规模封存或利用项目，因此无法完成长期捕集和满负荷运行试验。中国与美国和加拿大在捕获技术的测试方面存在很大差距，包括测试不同类型的吸附剂，运行效率，运行稳定性，能源消耗，特别是捕获规模。J马湖，加-地 Li，H.Wang等人工程14（2022）33396. CO2地质封存的关键科学技术问题CCS项目的基础是实际地质封存能力、地质封存的安全性以及CO2减排量的监测、报告和核查[44]。这是企业进入碳交易市场并获得政府激励的基础，如美国的45 Q税收抵免和挪威、加拿大的碳税。早在2008年，美国国家工程院就将碳储存视为21世纪14个未解决的重大工程挑战之一。2019年，《麻省理工科技评论》将碳储存列为全球十大技术挑战之首。最关键的科学技术问题是如何研究和开发一系列用于CO2野外地质封存MMV的技术方法，进而对地下封存风险和封存能力进行美国能源部于1997年开始资助CCS研究，其最初的投资集中在地质封存[45，46]。只有解决了地质封存问题，才能确定捕获的CO2的去向，这反过来又推动了CCS项目的发展。6.1. 安全和风险监测对CO2地质封存的安全性和风险的关注一直是科学界和公众中与CCS相关的主要议题之一[47，48]。CO2地质封存的风险主要来自三个方面：①可能存在直接渗漏通道，如连接地质储集体、地下水层和大气的注入井或生产井[49在注入井或生产井的操作过程中，井筒可能会变窄、膨胀、破裂或坍塌，旧井套管和水泥环可能会发生腐蚀，从而产生CO2地质封存中风险最高的泄漏路径。井筒完整性是地质封存安全的保证。为此，美国国家环境保护局（EPA）制定了CO2地质封存井VI级规则，旨在保证CO2注入过程中井筒的安全和地质封存的长期安全。两CCS科学研究设施在Nagouka和日本Tomakomai集中调查自然地震是否会对地质二氧化碳储存设施造成破坏和泄漏风险。日本这两个地区的CO2地质储存体经历了多次地震，包括震级为6.8和6.7的地震，震中距离仅为20和30 km，这些地震没有造成项目的任何泄漏[52地球创新技术研究所（RITE）的学者在地震前后检查了Nagouka项目的井壁完整性，评估了地震井底压力和注入设施，进行了气密性/压力试验[55]，并通过声波水泥胶结测井（CBL）和井眼成像证明了井筒的安全性。然而，注入地下的CO2可能诱发地震，由于断层的打开或盖层的突破而导致危险由于相关的压力变化规律和CO2流动方向未知，给安全监测和预警带来困难Zoback和Gorelick在2012年发表的一篇论文[56]引发了科学家之间的争论，指出CO2注入和地质封存可能诱发地震，即使是小地震也会导致CO2逃逸到地表。这种观点的主要问题在于，Zoback的实验研究是基于花岗岩的;然而，在实际储存中，花岗岩极不可能被用作密封层或盖层。第二，认为盖层中的节理和裂缝的渗透率在任何情况下都会增加，从而形成一条通道，二氧化碳向地表的迁移节理和裂缝渗透性的增加程度取决于多种因素，如岩石类型、应力状态和填料。事实上，在许多情况下，表现出较大程度滑动的大断层起到封闭作用，对渗透率没有影响。美国加州、伊朗乃至中国渤海湾盆地的油气藏都是如此，尽管大地震频繁，但油气藏仍然保存得很好，没有发生泄漏。在这些地区，断层本身起着封闭作用，而不是流体运移的通道;实际上，油气藏最初是在以前的地质时期形成的，因为断层阻挡了油气的运移Zoback讨论的断层是一个从深注入层延伸到地表的巨大断层。在盆地中出现这种断层的可能性很低，在地质封存库选址时可以避开。麻省理工学院的学者[57]和卡内基梅隆大学的学者[58]都认为CO2注入和储存诱发地震产生巨大断层的可能性极低。澳大利亚地球科学[59]正在率先研究在CO2CRC Otway科学试验场进行的现场规模的CO2注入项目中断层封闭的安全性到目前为止，还没有发现CO2沿断层的泄漏，当然，与油田注水开发和地热开采诱发地震类似[60]，大规模的流体注入也可能诱发地震[61]。为了防止在注入CO2过程中诱发地震，压力控制是最重要的调控措施[62]，因为断层的活化和盖层突破主要是由压力变化引起的6.2. 断层活化与盖层突破对CO2地质储存的安全性和风险进行评估需要调查注入的CO2是否会突破完整的构造或岩性圈闭，如井筒、多组断层或盖层组合。需要查明和了解地质圈闭对CO2的储存能力;注入储层的CO2在地层中的运移和聚集规律;注入压力或外力作用打开断层或盖层导致CO2渗漏或渗流的可能性;CO2渗漏的可能途径;CO2是否逃逸到浅层污染地下饮用水并对地表生态环境造成破坏;如果CO2首先通过破盖或打开断层而渗漏但未逃逸到地表，储层上覆地层中的多套盖层是否会继续对CO2进行二次封闭和隔离;如何保证井筒完整性，确定油藏工程、工艺等是否会造成井筒损害和CO2渗漏。国际上已经开展了一系列大型CO2地质封存科研项目，重点研究野外安全和风险监测与验证。在Weyburn项目中，有学者认为注入的CO2中有一小部分因为无法进行实地监测，在上覆盐水层中，可能的突破位置J马湖，加-地 Li，H.Wang等人工程14（2022）3340不为人知地球化学方法无法探测到在注入过程中，特别是在储存完成后，地球物理（4D地震）方法的使用是监测和验证盖层和上覆地层的唯一可行方法[26，63]。中国也在鄂尔多斯开展了一些小型CO2-EOR和封存项目以及咸水层 CO2 封 存 示 范 项 目 [38 ， 39 ， 64]; 但 这 些 项 目 的 重 点 是 CO2-EOR[65]。地质封存安全性研究与验证的数值模拟方法较多，但对盖层和断层进行野外大规模的风险监测与验证的研究较少，无法明确地下CO2的分布范围、安全性和封存容量仅在胜利油田高89区块进行了CO2注入的地面四维地震监测[66]。虽然国内CO2-EOR项目的研究结果尚未公开报道，但CO2沿井壁泄漏到上覆地层中是目前的主要风险。在国内外CO2三次采油工程中，未发现过因断层开断而引起CO2在盖层完整性的研究和预测方面，石油工业有着非常成熟和成功的经验。当然，对储存过程的担忧仍然存在：例如，当CO2与盖层接触时，CO2与岩石的地球化学反应是否会影响孔隙和渗透率[67]？CO2在储层中的矿化情况如何？CO2是否会扩散到盖层中并腐蚀渗漏通道？为了封闭CO2，对盖层厚度的要求是什么？尽管如此，气田中现有天然CO2的保存和密封已经证明这些担忧是不必要的[68目前，90%以上的CO2地质封存工程都是在油藏中进行的，但深部咸水层仍然是最大的CO2地质封存空间，也是最具潜力的CO2地质封存空间。White等人[71，72]使用InSAR数据观察了BP和其他公司在阿尔及利亚In Salah进行的含盐水层的CO2注入井附近的地表变形;研究人员随后支持了以下假设：在将近400万吨CO2注入950 m深的盐水层后，储层破裂，底部盖层被突破，尽管在地表没有观察到CO2在世界其他大型CO2封存工程中，如加拿大的Weyburn项目，没有观察到地表变形。Verdon等人[29]比较了Sleipner、In Salah和Weyburn三个百万吨级地质储存项目引起的应力变形。对比表明，对于低渗透咸水层，注入压力对地质封存安全性的影响最大。压力控制是一个关键的科学问题，要解决安全和未来泄漏风险的CO2地质储存在水库或咸水层[62]。当然，假设CO2突破一套盖层或打开一条断层，然后进入前一套地层，只要CO2被多套上覆盖层逐层封堵，就不认为是渗漏。Rinaldi等人[73]进行的研究表明，诱发地震活动与故障复活不一定会为泄漏打开新的流动路径。层中的单个诱发事件通常不足以显著改变断层整个长度上的渗透率。在这种情况下，即使渗透率发生变化，但这并不意味着CO2会沿整个断层向上运移，突破多套盖层，进入上覆饮用水层[74]。6.3. CO2地质封存容量MMV许多学者对CO2-盐水-地层化学和物理作用条件下盖层封闭性和断层开启性进行了岩心实验和数值模拟研究[75，76]，加深了我们对CO2长期地质封存过程中盖层和断层演化可能性的然而，这些储层中的物理和化学变化，以及盖层和断层中CO2-水-岩石化学反应的变化[67]，与地层压力和CO2饱和度的变化[77]相比CO2地质封存的安全性与CO2地质封存能力之间存在着相互印证的关系CO2地质封存能力的监测与核查既可以识别减排量，也可以识别当注入量不等于封存能力时可能预测的泄漏风险最关键的参数是地层压力和CO2饱和度，因为CO2注入后地层压力的增加可能导致通过盖层和断层的突破，以及井壁破裂。此外，CO2饱和度是确定CO2地下分布范围和计算储存量的关键参数。当然，监测CO2的分布必须证明CO2可能或不可能突破多套盖层或打开多段断层，然后进入浅层地表或大气，才能确定真正的渗漏发生。地表环境监测和地下潜水层监测也是确定CO2是否泄漏到地表或浅地表的重要环节。钻孔观测是监测地下水二氧化碳地质封存的安全性。但是，在大多数情况下，突破盖层和断层的风险并不在注入井周围依靠地表地球物理监测，特别是四维地震技术来监测地下地质封存体的变化，已成为世界各国CO2地质封存工程的首选技术手段[16，27，78]。在所有CCS科技基础设施中（表1），四维地震成像已成为证明CO2地质封存安全性、发现范围和分布状况的最有效证据。Ketzin项目准确地预测了CO2饱和度和CO2储存容量[79] ， 这 可 能 与 相 对 较 浅 的 CO2 储 存 有 关 。 Aquistore 项 目 从Weyburn项目中吸取了许多经验教训，部署了永久性地震检波器，并使用可控震源来避免在两次使用炸药源的三维地震监测采用钻孔分布式声波传感（DAS）技术，在不影响井内CO2注入的情况下，同时获得不同深度的压力、温度和VSP监测数据【80】。同时，在注CO2前进行了四维地面地震监测，研究季节变化引起的浅层弹性参数变化对四维地震差分信息的影响[81]。在世界上最深（3400 m）的咸水层中注入CO2，注入规模为1万t的条件下，通过地震监测仍能反映CO2的分布情况[82]。使用CO2CRC Otway高级4D地震监测（带埋地DAS阵列）、4D VSP（带油管上的光纤）和连续震源，成功地对1500 m深度和5000 t注入量的CO2分布和饱和度进行了成像[83]。为了对CO2分布进行成像，Sleipner[16]和Tomakomai[25]项目使用了海洋4D地震监测技术，这是深层盐水层中CO2储存的最有效监测手段SleipnerJ马湖，加-地 Li，H.Wang等人工程14（2022）3341[84]开展了延时重力监测，并首次证明了低成本重力监测技术对监测大规模CO2地质封存的有效性。时移重力监测与地震监测相结合，提高了地震预测CO2储量的准确性。然而，当使用常规P波信息时，很难确定两个地震监测年份之间的差异是来自压力变化还是来自CO2饱和度[78，85]。为此，Weyburn项目采用了先进的四维三分量（4D3C）地震监测技术，将纵波和转换波相结合，以区分压力变化和CO2饱和度变化。虽然目前四维转换波资料的处理和解释还存在许多困难，没有达到预期的效果，但这代表了地震监测技术的前沿。CO2饱和度是预测CO2储集能力的关键参数，但其存在的一个问题是很难准确测定井内CO2饱和度，特别是注CO2后，套管井内CO2饱和度的测定比裸井内的测定更困难。Nagaoka项目是第一个在CO2注入后对一口井进行40多次地球物理测井的项目，因此，该项目已成为通过多次测井识别储层注入前后和不同阶段CO2变化的模型[55，86]。目前地下CO2分布的监测结果主要是提供一套地层中CO2的分布在对两组盐水层（如Tomakomai项目第二个CO2注入层2400 ~ 3000 m处的火山岩和火山碎屑岩中新统Takinoue组）注入CO2进行监测时，未获得CO2分布的为了确定CO2是否从注入层进入其它储层，进而确定地质封存是否安全，有必要进一步研究CO2在多套储层中分布状况的监测和成像方法CO2地质封存的MMV需要地质学、地球物理学、地球化学、石油工程学等多学科的结合和相互印证，以论证CO2地质封存的长期安全性。7. 总结发言借鉴先进国家CCS发展的经验，国外CCS将逐步从低成本、高浓度的煤化工厂CO2捕集、低成本的天然气净化捕集与驱替储存相结合、直接在咸水层中储存，向燃煤电厂、炼油制氢、钢铁厂、水泥厂等低浓度尾气捕集过渡捕集技术的难点仍在于低能耗低浓度CO2尾气的大规模捕集，而地质封存的难点则在于如何开展现场级MMV来确定