张宇澄
（同济大学土木工程学院，上海
200092）
收稿日期：2019－01－25
作者简介：张宇澄（1994－），男，安徽巢湖人，在读硕士研究生，主要研究方向：地下空间应用。
基金项目：国家自然科学基金项目（41072205）；国土资源部公益性行业科研专项经费（201311045－04）
摘编织袋折边器
要：为应对全球CO 2排放量逐年增多这一严峻情况，
CO 2地下存储技术也日渐受到科研人员的重视。对此，针对CO 2地质封存这一技术，主要介绍了CCS 技术最新的研究进展，包括CO 2封存机制、泄漏问题、环境影响及其监测方案与最新防治办法，最后介绍了中美两国CO 2地下存储的最新情况以及未来的发展潜力，并对此提出各类亟待解决的问题及展望，从而为更好地发展CCS 技术提供了理论指导与明确方向。 关键词：CO 2；地质封存；CCS ；泄漏；环境问题；监测中图分类号：X701文献标志码：
B 文章编号：1672－4011（2019）03－0001－04DOI ：10.3969/j.issn.1672－4011.2019.03.001优先出版时间：2019－03－0510：55：22优先出版地址：http ：//kns．cnki．net /kcms /detail /51．1175．TU．20190305．1055．002．html
0前言
近几十年来，全球能源需求量急剧增加，人们在试图寻
求一种低温室气体战略技术的同时，大量二氧化碳排放的处置问题同样亟待解决。据统计，2017年全球CO 2排放超量过334亿吨
［1］
。欧盟委员会发表的一项最新的研究表明，如果
目前的趋势继续下去而无任何缓解的话，到2050年，
CO 2排放量将到达900 1000ppm 。因此，
CO 2的捕获和封存成为了当前世界面临的一大挑战，
CCS （Carbon Dioxide Capture and Storage ）技术由此应运而生并正不断更新优化。
国际气候变化专门委员会认为，CCS 技术是应对全球气候变化和温室气体减排最为有效、最有潜力的技术手段。正
是由于CCS 具有与煤炭等化石能源系统良好的匹配性，使得CCS 技术在能源结构以煤为主、其他减排技术发展不成熟的我国更具发展空间，
CCS 技术作为未来一项减排技术对我国减排目标的实现具有非常重要的意义。
1CCS 技术研究进展
CCS 技术模型最早是由20世纪70年代美国的石油公司采用CO 2进行驱油以提升石油采收率所逐步演变而来的，经过50多年发展，
CCS 技术逐渐发展成为遏制温室气体排放的关键措施。1．1
CCS 技术概况
CCS 包括CO 2捕集、运输和封存三个环节，即首先分离捕集CO 2，其次选择运输工具送至适宜的封存场地，最后利
用或者注入地下、驱油（气）、矿化等永久封存等，之后再进行长期监测与管理
［2］
，其具体过程如图1所示。现阶段CO 2地
质封存方法主要有：注入油气井提高油气采收率，注入煤层
获得甲烷，注入废弃油气田、地下咸水层和海底封存。但目
前对CCS 技术的研究中，关于CO 2运输和封存技术方面的研究相对较少
。
图1CCS 工程的各个阶段
1．2
CO 2地质封存的机制
根据IPCC 的报告，
CO 2主要的封存机制有以下三种［3］。1）将气态或超临界阶段的CO 2固定在地质构造中的物
理封存，可以采取两种主要形式：构造圈的静态捕集和多孔结构剩余气体的俘获。
·
1·
2）在流体形态（水/烃）中通过溶解或离子诱捕的化学
封存。一旦溶解，
CO 2与矿物发生化学反应（矿物诱捕）或吸附在矿物表面（吸附诱捕）。
3）在中间层CO 2以极低速率向上迁移的流体力学封存。CO 2迁移到地表将需要数百万年，大量的CO 2封存可以使用这一机制。
2
CO 2地质封存的环境风险
CO 2地质封存风险评价的目的在于确定由泄漏导致的潜
在环境影响及其概率。据Greg Leamon 于2013年调查显示，
在CO 2地质封存的泄漏事故中，一般认为煤层的泄漏概率最低，而深部咸水层的泄漏概率最高。目前国际上能够达成共
识的是，
泄漏的高风险可能会出现在CO 2地质封存项目的注入阶段或者注入结束后的短期阶段（可能是结束后的几十年内）［4］
，
具体如图2
。图2
CO 2地质封存的环境风险示意图
2．1
CO 2泄漏问题
CO 2地质封存的泄漏主要是指封存于地下的CO 2向上移
动至近地表，从而产生环境影响。工业规模水平的CO 2地质封存项目，
会将大量超临界状态的CO 2注入地下，这些CO 2会不断发生大面积迁移，因而泄漏风险在很大范围内都存在。当CO 2注入到地下储层中时，其可能会通过如下途径发生泄漏：通过低渗透率的盖层（如页岩）的岩石孔隙泄漏；CO 2通过不整合面或者岩石孔隙横向移动；通过盖层的裂隙、断裂或者地质断层；通过人为因素导致的途径，例如未进行完整密封的钻井或者废弃油井等。
对于深部咸水层封存的CO 2泄漏，其与枯竭油气藏的主要的差异在于其盖层对CO 2的密闭性没有经过时间考验。另一个差异是当CO 2注入到深部咸水层时，会引起储层压力的增加，因为只有将咸水层岩石孔隙中的盐水挤压出来，才有储存CO 2的空间。
对于煤层来说，注入的CO 2主要是吸附于煤层的煤基质上，
当出现煤矿开采等情况，导致煤层内部的压力降低时，吸附于煤基质之上的CO 2就会释放出来［5］
。地质断层、人工开
矿导致的地层裂隙或者未受妥善处理的废弃煤矿井都可能
成为CO 2从地层中泄漏出来的途径。2．2
CO 2泄漏的环境影响
CO 2地质封存的泄漏所引发的环境风险主要可分为两方面，即全球尺度和地方尺度
［4］
。前者主要指CO 2释放于大
气，
对全球气候变化发生作用；后者主要指泄漏的CO 2可能会对当地人体健康、生态系统、土壤、地下水等产生负面影响［6］。
1）对人体健康的影响。一定浓度的CO 2会使人体产生
生理以及毒素的反应，从而威胁人体健康。一般来说，若空气CO 2的浓度在7% 10%，
将立刻危害人的健康［6］
。即使长时间地处于浓度为1%的CO 2环境之中，也会对人体造成呼吸系统受损和血液中pH 值的变化，从而导致心跳加快、身体不适、恶心和意识不清。2）对地下水污染的影响。CO 2进入地下水后会发生一系列复杂的化学反应破坏地下水质。溶解的CO 2会提高地下水碳酸浓度，降低了水的pH 值：
CO 2+H 2O →H ++HCO －3
一些实验室以及野外试验证明，溶解的CO 2会提高地下水中有毒金属（如铅、
镉、砷）、硫酸盐、氯化物的移动能力，从而可能会造成地下水气味或者颜异于常态［7］
。
3）对陆地生态系统和海洋生态系统的影响。当土壤中
的CO 2含量增加到一定程度后，高压下的CO 2可扩散进入细
胞膜并溶解在细胞内，
破坏细胞蜂窝结构的完整性并影响细胞的新陈代谢，同时CO 2将变成有毒物质反过来抑制植物的生长。CO 2溶解于地下水中改变环境的pH 值，
会影响近地表微生物的呼吸作用，抑制植物根区的呼吸和水分吸收，植物表现严重的萎黄并最终死亡。此外，
低pH 和高CO 2浓度环境可影响微生物落的类型和大小，
例如，CO 2在强还原环境下可作为产生甲烷微生物的能量来源，促使这类微生物大量繁殖，导致另一部分生物逐渐萎缩甚至消失
［8］
。
3
CO 2地质封存项目监测技术
监测主要在三方面起到了重要作用［3］
：①为风险管理提供了基础，确保CO 2能够稳定封存在预先设定的地质构造
内；②为模型验证和优化提供了重要的机会；③为确保排放管理的确定性及公众的接受度提供了很重要的证据。3．1
地震成像监测
为有效监测CO 2地质存储后的安全性，目前研究最多的
就是地震监测方法，它是利用地震勘探的方法监测CO 2在地
下的储存、
运移及泄漏情况。其主要包括4D 地震监测与微地震监测，前者对于监测和评估CO 2移动非常有利，但很难准确地评估封存CO 2的体积和质量［9］
，后者多用于检测地质
封存盖层的完整性
3．2大豆光谱特性监测法
地下存储的CO 2泄漏进入地表会降低土壤中O 2的体积分数，
从而抑制地表植物的正常生长和发育，且扰乱植物的呼吸以及造成土壤水酸化，同时，地表植被的光谱特征也会发生变化，
因此，以地表植物作为指示剂，利用高光谱遥感监测地下存储CO 2泄漏点是一种行之有效的方法。3．3
示踪剂监测
示踪剂由极微小的固体颗粒、可溶解气体或液体组成，作为注入CO 2的添加剂监测其运移，并且通过示踪剂测试发现CO 2沿上覆岩层和下伏地层可能的迁徙途径，从而可以估算CO 2的流速和体积［10］
。
3．4重力测井
重力测井是在钻孔内进行重力测量，根据理论计算在井
中的重力梯度，
它的优势在于探测范围大、受井径变化影响小、重复观测周期短，操作灵活方便不受目的层埋深的限制，
并且读数精度高。重力测井不仅可监测CO 2前缘空间位置的变化，而且还能够判定CO 2前缘的推进方向，进一步可用
·
2·
不同时间不同观测井的监测结果确定CO 2波及面积及其推
进速度［11］
。3．5地下水监测
地下水监测法是在CO 2注入之后，对地下水的成分进行
检测，主要监测范畴有CO 2、HCO －3、
CO 2－
3以及微量重金属元素含量等，
主要监测方案为量化CO 2的溶解和矿化捕集量、量化CO 2－底层水－岩石之间的接触关系、检测CO 2向浅层地
层水渗漏的情况以及各种金属元素浓度的变化等。3．6土壤气体检测
土壤气体分析受如湿度、温度、土壤营养成分多种因素影响，而较为复杂。从土壤气体分析中测量CO 2泄漏情况，测量点必须非常接近泄漏点。在干旱环境下，植被稀疏，直接植被监测较为困难，因此，土壤气体监测不仅是指土壤CO 2浓度变化的重要指标，也是分析植被受影响程度的重要
参数［12］。
3．7InSAＲ监测
如果一个目标储层在CO 2注入时，其孔隙体积与渗透性在孔隙压力增大的同时也随之增大，那么应该建议进行地质力学变形的监测。在众多监测方法中，基于卫星的InSAＲ监测是对地质力学变形监测行之有效的方法，针对由于CO 2注入引起地表的隆起度可以精确到mm 级，并且可以反映出储层深部的反转变形情况。3．8自然电位（SP ）监测
自然电位（SP ）测井测量是自然电位随井深变化的曲线，
特别在渗透层处有明显的异常显示，因此，可以用来监测CO 2注入到盐水层时的泄漏状况。
4泄漏机制
大量的CO 2注入到储层中将会引起地层的变形，研究者
们称之为
“地质力学变形”，该地质力学变形将会形成或重新激活裂隙网络中的上覆盖层，
从而进一步导致CO 2泄漏事故的发生。在CO 2油层存储过程中，随着油田漫长的开发阶
段，
储油层孔隙压力的不断改变将容易引起复杂的甚至有时并不直观的变形模式，即并非储层的整体性变形，因而在生产井处常常由于储层孔隙压力较低而产生微震。与油藏中CO 2存储不同的是，对于气藏中CO 2存储的情况，所注入的CO 2压力与气藏所产生的天然气压力差异较大，孔隙压力会很明显地增大，因此，很容易导致上覆层的抬升甚至于产生
上千次的微震，
而微震大大增加了裂隙网四处延伸的概率，垂直延伸距离一般高达100 200m ，因而尤其对于较为薄弱的上覆岩层而言，一旦上覆层开裂，必将导致CO 2的大量泄漏。
MIOCIC 等［13］通过对全球49个天然CO 2地质封存点数据进行分析，
其中已知10个有泄漏现象，分析结果确定出了促进CO 2的泄漏机制在于：①浅层封存，②CO 2以气态形式存储，
③盖层静水压力。因此，该研究基于CO 2封存站点进行工程控制，
其最佳存储形式在于高密度CO 2，超密封盖层以及储层压力小于静岩压力50%。
5美国CCS 的最新进展
目前，在全球范围内，大量和CCS 相关的活动正在进行，不少国家和地区正在投资开展CCS 研究、开发和初步推广，以及CO 2封存潜力的评估。为了使CO 2在地质储藏中能安全
而经济地存储CO 2，
美国能源部于2010年8月至2013年末期间内，
选取了15个项目用以开发技术［14］
，3年内的资金投入达2130万美元来补充现有的能源部相关行动计划，以帮助发展技术和基础设施，在整个美国不同的地质储藏实施大规模的CO 2存储。
所选的15个项目与开发和试验相关技术紧密配合，解决了包括将CO 2注入地质储藏、封存能力、储存迁移和相关机制方面地质存储的关键难题。在美国，地质封存当前的重心是五种类型的储藏：①衰竭油和气藏，②深层盐水层，③非矿物煤层，
④富油和气的有机页岩，⑤玄武岩。衰竭油气藏中的碳封存也可增产石油或天然气，而在深层盐水层封存CO 2在全球拥有庞大的能力，估计可封存数千Gt ，主要注入过程如图3所示
。
图3
CO 2地质封存过程示意图meno2
6我国CCS 的最新进展
我国是世界上最大的煤炭消费国，据2018年BP 世界能
源统计年鉴统计，中国全年CO 2排放量位居世界之首［1］
。我国已经把CCS 作为一项尖端技术，通过国家高科技项目纳入
到了《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020）》之中
［15］
。中国煤炭科学研究总院根据目前的发展趋势制定
了技术发展路线图，
如表1所示。表1技术发展路线任务2010年
2020年
2030年
2040年
2050年
CO 2捕集低浓度CO 2捕集技术传播，降低成本
示范和传播富氧燃烧技术，降低成本脱碳制氢
示范煤基制氢技术
煤基制氢技术商业化氢能的供应，包括管线和氢气
CO 2运输技术和经济可行
性CO 2封存和运输的应用CO 2封存封存潜力研究和
地质勘查
示范并核实
CO 2捕集、运输和封存监测计划
目前在我国进行的CCS 研发和试验项目如下5］
。
1）位于山西省沁水的小型提高煤层气采取率试验项目。该项目初步成果表明其煤层气采收率提高了4倍，并且表明在沁水盆地优等无烟煤层中封存CO 2是可行的。
2）绿煤电项目。该项目于2000年启动，其目标是提高发电效率，实现CO 2零排放。项目包括煤炭气化、制氢发电和CO 2封存。
3）我国还拥有丰富的提高石油采收率应用经验，使CO 2
提高石油采收率项目成为早期示范的一个主要选择。
（下转第10页）
·
3·
铣床飞刀量的合格。砌块的存放必须符合相关规定，要有专人对砌块进行看守，以防发生意外对砌块造成损坏。在砌块施工前要配备完整合格的施工器具，并且保证砌块平整、合格。要从 砌块的平面和立面进行砌块排列图的绘制，
并且在相应的转角处设立匹数杆，然后对砌块进行洒水，保证砌块含水量为
15% 20%。砌块砌筑完成之后禁止凿洞，否则会影响实际应用效果。3．2砌筑施工
在进行砌块的实际施工时，为了保证砌块之间的粘结，需要提前一天向砌块洒水，砌筑时上下应该留有错缝，错缝的长度为150 300mm 。而蒸压加气混凝土砌块墙的灰缝应该满足横平竖直、砂浆饱满的要求，具体的饱满度应符合当地规定，
可根据施工条件进行调整，两个灰缝的宽度要在15mm 以内。如果蒸压加气混凝土砌块没有合理的手段进行处理，不能在以下地方使用：①防潮层以下；②被水长期浸泡过的地方或者是已经发生化学变化的地方；③会经常发出震动的地方；④表面温度长期在80ħ以上的地方。3．3墙体抹灰施工
蒸压加气混凝土砌块墙体很难吸水，所以在砌块砌筑后7d 就可以进行后续施工。在抹灰施工开始之前，txue
应该保证基层和砌块表面的平整、干净，将墙面所有的孔洞、凹槽等填补充实，抹灰施工要分层工作，运用水泥石灰浆对基层进行处理，之后迅速抹底灰，面层要等干燥到70% 80%之后再进行工作，最后要做好防护工作，防止挂网生锈和腐蚀。3．4质量措施和安全措施
在质量方面主要需要考虑砌块干缩作用以及屋面温度
作用对顶层抹灰的影响，从这个方面来看，要对抹灰工作进行科学的时间规划以保证质量。抹灰施工和砌筑之间的时间要隔开一个月，抹灰工作要在砌筑稳定之后开始。而安全方面则需要对工人进行安全教育，在保证工人自身安全的前提之下进行施工，从而保证施工质量。
4结语
目前来说我国的蒸压加气混凝土砌块的技术已经趋于成熟，在全国各地不同的施工环境中都能得到广泛的应用，但是在不同的环境中施工的标准和方式会不一样。总而言
之，
蒸压加气混凝土砌块在寒冷地区进行大面积推广还需要一些时间，克服施工中可能会出现的问题，才能使砌块真正
在寒冷地区施工中显示出其优越性。
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欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇欇
（上接第3页）
7结语
汽车空调电磁离合器CO 2地质封存是CCS 技术的核心，也是主要环境风险环节。我国虽在CO 2地质封存方面取得了很大进展，
但依然面临许多严峻的问题与挑战。
1）环境风险及其影响是CO 2地质封存受争议的焦点之一，
因而需要进行更有利更系统化的环境监测工作。在进行系统化监测的同时，要从源头做好防治工作，不断寻有效
方法进行防治，
尽量避免或者降低CO 2泄漏概率。2）考虑到CO 2封存体积大、量多，因此，必须寻充足的储存空间，
主要从足够的孔隙度和渗透性入手，确保储存空间的可注入性。
3）国内外示范工程表明，高能耗和高成本成为温室气体减排技术CCS 的发展障碍，换而言之，今后应该向低耗能、低成本方向发展前进。
4）CCS 技术在现阶段尚不具备大规模使用的条件，因此还需要在技术、政策和资金支持等方面进一步完善。5）在捕集埋存CO 2的过程中又产生了多少CO 2，即二次
转移等问题上还存在诸多争议，
需要进一步探索与解决。［ID ：007516］
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豫公网安备41160202000603
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