CO2地質(zhì)埋存的影響

編譯:趙軒 (中國石油大學 (北京))

審校:張超 (勝利測井公司資料解釋研究中心)

CO2地質(zhì)埋存的影響

編譯:趙軒 (中國石油大學 (北京))

審校:張超 (勝利測井公司資料解釋研究中心)

本文以京都議定書所規(guī)定的排放量作為底線,研究了技術(shù)風險、法規(guī)問題以及在美國實施CO2地質(zhì)封存的經(jīng)濟負擔;同時還評價了京都議定書中有關(guān)埋存所有多余的CO2對氣候變化的潛在影響。阻礙實施CO2地質(zhì)封存這一舉措的主要因素是缺乏一套完整的規(guī)定體系。然而,所有法規(guī)問題都要受注入過程本身的客觀條件和經(jīng)濟能力所支配。本文分析了將CO2注入廢棄油氣藏、含鹽水層以及不可采煤層的不確定性和風險。研究表明,在沒有明確CO2地下埋存的潛在性技術(shù)、風險與花費對經(jīng)濟發(fā)展和能源利用的影響時,不可能制定出任何完善的相關(guān)法規(guī)。據(jù)估計,在美國按京都議定書的規(guī)定實施CO2封存每年將會花費超過1萬億美元。即使在過去100年內(nèi)全球溫度所上升的0.7℃全由人為釋放的CO2所致,但通過埋存超過1990年CO2水平的95%而改善的全球溫度情況卻微乎其微。地球上變化莫測的氣候令實施該舉措的效果變得難以確定。本文就具有商業(yè)規(guī)模的CO2地質(zhì)封存措施對于經(jīng)濟、環(huán)境以及全球氣候變化的潛在影響進行了客觀實際的研究和分析。該分析成果可用于CO2地質(zhì)封存工程的風險性評價。

CO2地質(zhì)封存 技術(shù)風險封存政策 風險性評價

1 引言

由于全球?qū)δ茉葱枨蟮牟粩嘣黾?不管具有“碳的零排放”的可再生能源發(fā)展得多么好,以碳元素為主的化石燃料在近幾十年的能源消耗中仍然占據(jù)主導地位。地質(zhì)封存以其巨大的地下容量以及相對成熟的技術(shù)是碳儲存的首選方案。燃煤電廠的CO2排放量占需要埋存的CO2總量的40%。但在全球范圍內(nèi)向地下儲層中注入CO2的規(guī)模要取決于各國的排放上限、氣候變化情況、政策以及經(jīng)濟支付能力。

圖1展示了對美國和全球從1990年到2030年間燃燒化石能源所造成CO2釋放量的計量和預測情況。京都議定書要求發(fā)達國家自2008年開始要使CO2排放量比1990年的水平減少5%。為滿足這一要求,大量CO2必須被合理封存起來 (表1和圖1)。

表1 超出京都議定書所規(guī)定量的CO2量(單位:109t)

圖1 美國和世界的CO2排放量

通常認為廢棄的油氣儲藏、深層含鹽水層和不可采煤層是最合適的CO2封存場所。候選儲層的標準包括注入率、儲存能量和封存持久性。推薦的最小深度是800 m,以保證飲用水層的安全。在此深度下,CO2達超臨界狀態(tài) (CO2臨界壓力1 070 psi,臨界溫度87.9℉),其密度為600～800 kg/ m3,最適于儲存。最大深度最好不超過3 300 m以保證合理的壓縮花費。

石油工業(yè)利用注CO2提高采收率 (EOR)法采油的歷史已有30年。因此,應該可以得到用于封存的CO2注入率的大致范圍,并將此作為最佳情況和后續(xù)討論的出發(fā)點。當用于提高采收率的CO2在穩(wěn)定狀態(tài)下注入時,可以達到永久性的封存效果,即注入邊界處沒有流動的封閉油藏。這種注入是和擬穩(wěn)態(tài)生產(chǎn)及一般油藏壓差如3 000 psi (1 psi=6.895 kPa)時的情況相反的過程,在油藏壓力上升、注入率減小的過程中,總產(chǎn)出或注入的CO2液體量不超過孔隙體積的3%～5%。

表2所示的是兩個CO2-EOR單元的CO2注入速率,Permain盆地的SACROC單元和Wasson Denver單元,另一個是Wyoming的 Grieve油田的CO2封存并用于EOR的例子。合適的封存儲層滲透率的下限為 10 mD(1 mD=1.02×10-3μm2)。Wasson Denver單元的平均注入速率可作為評價的最低限。Grieve油田的儲層具有很高的滲透率和較低的原始油藏壓力,其油層平均厚度為45 ft(1 ft=30.48 cm),是具有CO2注入率理想上限的實例。

表2 EOR中對不同滲透率地層CO2注入例子

如果表1中多余的CO2以表2中的注入率注入,美國在2008年將需要66 382口井來處理這些CO2。2030年井數(shù)將增至160 000口。假設(shè)儲層滲透率和油藏壓力與Wasson Denver單元相似,且注入的過程中產(chǎn)油 (表3),則對比可得,美國每年需鉆約40 000口油氣井。

表3 預計需注CO2的井數(shù)

處理流體廢物的Ⅰ級井的注入率可用來類比CO2的注入率。在地下注入控制 (UIC)項目中,流體廢物由Ⅰ級井注入位于飲用水層下部的鹽水層。截至2005年六月 (至2007年9月有504口),世界上有484口Ⅰ級井。所有在運行中的單井的注入率為117 072 t/a,在表2的測算范圍內(nèi)。但一些Ⅰ級井CO2的泄漏帶來了一些法規(guī)問題。顯然,當注入更大量的CO2時相似的泄漏問題會更加嚴重。

眾所周知的CO2封存工程有加拿大的Weyburn工程,具有封存CO2和用于 EOR的雙重目標。該項目始于2000年。CO2釋放源是Beulah的Great Plains Synfuels燃料廠,北Dakota要用管道將CO2以3 000～5 000 t/d的流量輸送到200 mile(1 mile=1.609 km)遠的Saskatchewan東南部的Weyburn油田。在該項目計劃實施的20年中,2 000×104t CO2會被注入油田。按京都議定書規(guī)定,單2008年就需埋存CO213.2×108t,即在保證CO2百分之百埋存在地下的前提下,美國需要1 320個Weyburn工程才能完成。

然而,注入率方面也有例外。北海的Sleipner項目,計劃實施25年,是目前世界上最早也是最大的CO2封存工程。始于1996年9月,從海底天然氣藏生產(chǎn)中分離出的CO2被注入到1 000 m深的海底鹽水層,單井注入率為100×104t/a。如此高的注入率要歸功于鹽水層的巨大尺寸 (200～250 m厚),具有很高的滲透率,含水層中砂巖膠結(jié)程度差。但這種儲層很年輕,缺乏封存CO2所需的蓋層巖石。當然,若這種儲層有良好的密封性則會節(jié)省大量的注入井。

2 碳封存的不確定性和風險

在超臨界狀態(tài)下,CO2密度比水小并開始由于浮力而移向儲層頂部。在高壓環(huán)境下,CO2在多孔介質(zhì)中的泄漏是不可避免的,從而引起油氣藏儲積能力的不確定性。另一個CO2注入的嚴重問題是隨時間增長而減小的注入率,這是由于CO2和底層水與巖石表面的反應產(chǎn)物引起的結(jié)垢堵塞或其他儲層損害因素。CO2注入過程中,由于儲層非均質(zhì)性引起的CO2早期突破對注入率和儲層污染都有影響,還會減慢CO2在油氣藏或每層封存的過程。

在已出版的文獻中,對碳封存的不確定性與風險性根據(jù)地面儀器和地下儲層進行了一定程度的研究。Stevens等人 (2000)列出了將廢棄油氣田作為CO2儲積場所的從CO2的捕集到注入的安全性等主要屏障。Damen(2003)的研究強調(diào)了健康和環(huán)保問題。Benson等人 (2003)總結(jié)了以前一些實踐的經(jīng)驗,包括行業(yè)性CO2暴露、天然氣運輸與儲存、工業(yè)廢物如核廢物地下處理等。Wo等人(2004)分析了再不可采煤層中封存CO2的不確定性和風險,并研發(fā)出一套碳埋存的可能風險評估的數(shù)學模型。研究中一般用以下要求確定風險因子:失敗的原因;出錯的可能性;CO2的可能泄漏量;彌補錯誤的花費。

具有商業(yè)規(guī)模的CO2地質(zhì)封存的關(guān)鍵問題是地質(zhì)的不確定性、環(huán)境的風險以及不可避免的巨大財政負擔。大部分CO2地質(zhì)封存文獻中提到的優(yōu)勢,是將CO2用于提高油氣采收率或相對較小規(guī)模注CO2提高煤層氣采收率。當CO2以京都議定書中規(guī)定的方式水平注入時,收益會變得微乎其微,因為獲得高純度CO2及注入的要求會更高。

2.1 油氣儲藏

由于地質(zhì)信息與密封和捕集持久度情況都是可以獲得的,油氣儲層被認為是最佳的CO2埋存候選儲集所。儲集CO2的主要機理是構(gòu)造捕獲和溶解捕獲。作為儲積場所的關(guān)鍵標準是儲層容積、注入率、巖性及蓋層完整性。假設(shè)巖石不可壓縮,注CO2的同時產(chǎn)出原油或天然氣,油氣儲層的具體容量Co-g可表示為

式中ρCO2——CO2密度、壓力與溫度的函數(shù);

φ——巖石孔隙度;

Sir——殘余油或氣飽和度;

Swi——束縛水飽和度;

Cs——單位體積水中溶解的CO2質(zhì)量。

由于CO2溶于地層水的時間可達上百年甚至上萬年,Cs非常小可以忽略。埋存的不確定性和風險可以根據(jù)以下主要標準歸納出。

2.1.1 減小注入率

如表2所示,SACROC單元體中的注入速率在24年的時間段中大約降低了2/3。在對Permain盆地的135個進行CO2-EOR項目的油藏的調(diào)查中表明注入率下降范圍從10%到100%,尤其在碳酸鹽巖層中。實驗室的驅(qū)替測試也出現(xiàn)相似的情況。在CO2通過巖心的過程中滲透率有大幅下降,由巖石壓實作用引起的儲層損害、礦化度下降、原油乳化作用和細菌滋生都會減小滲透率從而降低注入率。

更嚴重的是約2/3的注入CO2會隨油氣生產(chǎn)返排到地表 (基本穩(wěn)定的狀態(tài))。大約有3倍多的井需要在不穩(wěn)定狀態(tài)下保持注入率。

2.1.2 不可控制的污染

由于儲層非均質(zhì)性以及浮力作用,CO2的流動軌跡很難確定。Permain盆地的CO2注入工程表明注入的CO2要么留在既定位置,要么就漏失到上部或下部區(qū)域。對于天然的CO2氣藏,出現(xiàn)過大量CO2氣體泄漏到地表的事故,如Utah和Colorado。注入過程中的壓力波動或壓力過高會撐破蓋層引起泄漏。例如,土壤氣測量已經(jīng)在Colorado西北部的Rangely Weber油田以提高采油率實施過。測量顯示每年出自78 km2的深層CO2源的流量約為3 800 t,相當于0.01%的年注入率。雖然泄漏量很小,仍可表明即使是油氣藏蓋層也不是完全密封的,這就使沒有蓋層的深層含水層和不可采煤層的不確定性更大。

2.1.3 對環(huán)境的潛在嚴重后果

CO2泄漏會污染可飲用地下水層。在超臨界狀態(tài)下,CO2是一種高效的溶劑,并可從地物質(zhì)中提取出如多環(huán)芳香烴的污染物。這些有毒組分具有可移動性并可能影響附近地層水水質(zhì)。

2.1.4 能源與經(jīng)濟的沖突

用CO2提高采收率的目標是用最小量的CO2達到最大的原油產(chǎn)量。因為購買、置備CO2的費用要占去資本和施工費用的一半,即使使用最便宜的CO2氣源。任何部分的泄漏都要嚴密監(jiān)測來防止損失。作為設(shè)施退役部分,儲層壓力通常要保持較低水平來使采收率最大化,并避免以后CO2泄漏帶來的風險。

相反,人為地使盡可能多的CO2永久封存于儲層中是碳封存的最終目的。CO2永久性封存于油氣儲層阻礙了能源的繼續(xù)開發(fā)。以現(xiàn)有的開采技術(shù),即使廢棄的油氣儲層也含有大量的殘余油氣(5%～50%)。隨著先進技術(shù)的不斷發(fā)展,原來封鎖的殘余油氣很可能被開采出來?？梢坏┠秤蜌鈨佑糜趦Υ鍯O2,再將其變回油氣產(chǎn)層則會使之前用于封存CO2的努力變成徒勞。存在于天然氣藏中的CO2會降低殘余天然氣的價值,同時使封存CO2的天然氣藏不能重新開采。

2.2 深層鹽水儲層

將CO2儲存于深層含鹽水層,可能會因封閉儲層中巖石和水壓縮引起壓力上升,或者把儲層水驅(qū)替到相鄰儲層或由開放式儲層中驅(qū)到地表。CO2在鹽水層中儲存的公認機理包括構(gòu)造捕集、水動力捕集和礦化作用。不同于油氣藏,有關(guān)鹽水層的地質(zhì)資料很缺乏,且以前從沒有在鹽水層中儲存大量高壓流體的測試,故增加了不確定性。

類似于油氣藏,如果泵注CO2的同時產(chǎn)出水來,或水層和開放式儲層連通,則鹽水層對CO2的具體儲量為:

同理,Cs可略。對于封閉的鹽水儲層,CO2的注入率僅僅依賴于巖石和水的壓縮性,約 6×10-6psi-1。隨著越來越多的CO2注入有限的壓力系統(tǒng),注入率逐漸降低。根據(jù)達西公式,無損害情況下的不穩(wěn)定流動狀態(tài)下的注入率為:

式中q——注入井底流量;

h——儲層厚度;

Δp——注入壓力差;

k——儲層滲透率;

μ——注入相黏度;

re——封閉油藏等效半徑;rw——井半徑。

若近井地帶無損害,采油指數(shù)保持不變,在不穩(wěn)定狀態(tài)下注入封閉系統(tǒng)時注入量將會降低。如圖2所示,儲層壓力隨注入量增加而升高。通常,注入壓力要小于儲層破裂壓力以防止泄漏。設(shè)pfm為儲層破裂壓力,CO2最大存儲量為Vmax,則有

式中,ct是綜合壓縮系數(shù);φ是巖石滲透率。當注入量是最大注入量的一半時,注入率賦為q0.5Vmax,則注入率和注入量可由以下式子計算:

(1)流體到達邊界之前:r∈[rw,re]

(2)流體到達邊界之后:pe∈[pi,pwf]

式中,pwf=pfm是注入壓力;pe是供給邊界壓力。

圖2 有界油藏恒壓注入

若某儲層直徑10 mile,深3 000 ft,儲層溫度110℉,儲層參數(shù)如下:

re=5 mile=26 400 ft;rw=0.328 ft;h=100 ft;pwf=pfm=2 400 psi;pi=1 350 psi;φ=0.2;ct=6× 10-6psi-1;k=100 mD;μCO2=0.068 mPa·s;ρCO2= 48.27 lbm/ft2(1 lbm/ft3=16.018 kg/m3)

注入下降曲線如圖3a所示。當注入壓力保持不變時,CO2注入量增加,注入率大大下降。

圖3 封閉深層鹽水層中CO2注入速率、注入量與時間的關(guān)系

最大注入體積可由 (4)式算出:

Vmax≈275.75×106ft3≈6.04×106t(9)圖3a表示當流體到達儲層邊界 (圖2a)時注入量是:

0.044 264×275.75=12.206×106ft3(10)CO2注入量可由下式計算:

式中t單位是小時;q(t)單位是106ft3/d。結(jié)合式 (8)和 (9)得

式中tpss是流體到達邊界處的時間:

設(shè)流動形態(tài)因子tDA=0.1。

當注入時間t＞tpss時,注入量可由下式計算:

是油藏平均壓力。注入時間可由圖3預測,隨注入量下降,將CO2存入含鹽水層比油氣儲層需要更多的井。

2.2.1 注入損失

與油氣藏相似,降低的注入率取決于巖石和水的組成,尤其對于碳酸鹽巖儲層。儲層巖石壓實作用、礦物沉積以及細菌滋生都會降低近井地帶的滲透率,從而減小注入率。注入壓力恢復對注入率的影響程度取決于含水層的大小和儲層滲透率。

2.2.2 不可控制的污染

自由CO2會因重力作用運移到儲層最高部。在沒有構(gòu)造封閉的條件下,CO2的橫向擴散同樣難以控制。因此,構(gòu)造幾何學對運移方向有很大影響。將CO2注入鹽水層會導致儲層孔隙壓力上升,進而改變決定滲透率和孔隙差異的有效應力。應力場的巨大改變會引起斷裂使CO2可從破裂巖縫泄漏,并增加地震的可能性。例如Sleiner工程,注入鹽水層的CO2沿以5 m厚的泥巖密封層垂向泄漏。當注入更多的CO2時,垂向泄漏軌跡的CO2滲透率會隨飽和度的增加而增加,從而引起更多的泄漏。

2.2.3 存儲能力損失

若鹽水層無流動邊界,開始時只有3%～5%的孔隙體積可用于儲存CO2。在不封閉的鹽水儲層中,注入CO2的過程就是CO2驅(qū)出鹽水的過程。鹽水層的流度比和驅(qū)替效率受儲層非均質(zhì)性控制。在原始流體的驅(qū)替效率較低時儲層存儲能力會下降,結(jié)垢和礦化作用也會降低儲層存儲能力。

2.2.4 財政負擔

鹽水層的地質(zhì)信息不足。在注入 CO2之前,獲得詳盡的地質(zhì)信息和資料是必不可少的,但花費也很高。Trop和 Gale(2003)預測,這將會使燃煤或燃天然氣廠的成本提升50%～80%。

2.3 不可采煤層

煤層封存CO2的主要機理是煤炭顆粒在高壓下對CO2分子的吸附。吸附能力主要取決于煤炭的品質(zhì),它決定了CO2的吸附量和受煤層非均質(zhì)性影響的CO2-煤炭接觸程度。同時,水動力捕集會對驅(qū)替效率有所影響。

2.3.1 注入率問題

一個潛在的問題是隨CO2的注入煤層的膨脹。煤層在吸附或解吸氣體的過程中會膨脹或收縮。在生產(chǎn)煤層氣的過程中,解析甲烷分子時壓力降低會導致煤層解理的分離,煤層滲透率劇增,有時甚至增加幾個數(shù)量級。當將CO2注入煤層時則是相反的過程,壓力上升,滲透率下降。這種現(xiàn)象嚴重影響了煤層的注入率,尤其在低壓區(qū)域。高壓區(qū)滲透率會上升,但CO2的注入費用也會增加。

在新墨西哥San Juan盆地的Allison單元,是目前世界上唯一的多井多年CO2注入煤層的現(xiàn)場測試區(qū)塊。先導性實驗包括4口注入井、16口煤層氣生產(chǎn)井和1口觀察井。注入Allison的CO2來自MED油田的一個天然CO2氣藏,從1995年至2000年這一期間共注入4.7×109ft3的CO2。1995年CO2原始注入率是5×106ft3/d,在幾個月中注入率降至3 ×106ft3/d。

2.3.2 不可控制的污染

CO2和CH4可以從以前形成的斷層、不連續(xù)面和露頭中泄漏。之前,對甲烷在不同位置間的滲流過程都進行了觀測,并記錄了很多甲烷污染地下水的證據(jù)?？捎^測到甲烷滲流的區(qū)域,如南得克薩斯州的松河地區(qū)、瓦倫西亞峽谷、Soda泉以及其他沿西北Fruitland露頭的地區(qū)。這些觀測都表明CO2有沿甲烷的滲漏路線向露頭或地表泄漏的可能性。煤層的膨脹會引發(fā)新斷層形成從而加劇CO2的泄漏。全球大多數(shù)煤層都形成于斷層中且厚度薄(1～5 m)、滲透率低 (1～5 mD)。所有這些因素導致煤層不是封存CO2的最佳儲層。

2.3.3 環(huán)境問題

注入的CO2泄漏后可能污染水源。煤層中水的鹽度遠遠小于EPA規(guī)定的飲用水的上限0.01。以后,從地下水資源中提取會降低儲層壓力,從而引起CO2從煤層上解吸導致泄漏。

雖然不可采煤層可稱為是最有前景的CO2封存場所之一,現(xiàn)在并無數(shù)據(jù)支持此說法。相反,泄漏和膨脹倒是煤層中的常見問題。

對于長期的CO2地質(zhì)封存,多種因素都會引發(fā)泄漏,包括自然災害。在儲層中發(fā)生高純度CO2泄漏或有毒物質(zhì)的滲出都會引起地下水污染。突發(fā)性大量泄漏CO2會危及人類生命及環(huán)境安全。由潛在泄漏危險帶來的巨大操作成本和債務會在建立法規(guī)和政策體系上引起爭議。

3 CO2封存的政策與規(guī)定

CO2封存的法規(guī)一直是一個很受關(guān)注并已廣泛研究的問題。CO2封存地面工程系統(tǒng)的規(guī)定,如行業(yè)暴露限值、傳輸、管線規(guī)定等,應該根據(jù)現(xiàn)行的法規(guī)和施工經(jīng)驗來確定。在美國小型的實驗性注CO2埋存工程,由國際會議聯(lián)合會UIC項目下的聯(lián)邦環(huán)境保護機構(gòu)管理。注CO2提高原油和煤層氣采收率也有相同的項目管理,只是在1970年后限制級別不如前者高。

然而,由于商業(yè)規(guī)模的CO2長期埋存項目的不確定性與風險,有關(guān)注入井的分類、監(jiān)測、核實以及可允許的泄漏率的判斷,這些都關(guān)系到法律和財政責任。

3.1 CO2分類

長期以來,對于CO2是否具有商業(yè)價值或完全是廢氣尚有爭議。雖然2007年CO2被美國最高法院認定為污染氣體,但現(xiàn)實情況下,不管如何定義CO2,高純度的CO2始終是一種現(xiàn)代工業(yè)的昂貴商品,尤其在注 CO2提高采收率的工程中。CO2來源的缺乏一直是首要難題,因此,目前正在大力開采天然CO2氣藏來滿足不斷增長的工業(yè)需求。

一般認為用于封存的CO2純度要達95%以上,才能避免雜質(zhì)對輸送管線的腐蝕以及對地下水的污染。如果如表1所列的高濃度CO2可以長期封存,則可體現(xiàn)出其商業(yè)價值。被廢棄的已封存CO2并沒有明確分類,但CO2作為廢氣系列的分類將會影響與封存有關(guān)的政策和法規(guī)問題。

3.2 注入CO2的所有權(quán)

在當前情況下,仍從天然地層中開采CO2以供工業(yè)利用。高濃度CO2的所有權(quán)關(guān)系到商業(yè)利用的經(jīng)濟效益。CO2地質(zhì)封存場所需要嚴格監(jiān)測并及時采取泄漏補救措施。如果CO2達到可商業(yè)利用的量,所有權(quán)就代表了長期的財政負債,要對CO2的分離、輸送、儲藏的選擇,孔隙空間的租賃,CO2注入,后期管理以及泄漏補救等過程負責。燃煤電廠的有限壽命和商業(yè)實體使所有權(quán)問題更加復雜。但所有權(quán)意味著要征付碳稅,所有的花費最終都由使用者來承擔,這無疑會導致更多的能耗、更慢的經(jīng)濟發(fā)展和更高的能源價格。

4 對經(jīng)濟、環(huán)境與氣候的潛在影響

4.1 成本分析

4.1.1 俘獲、壓縮及運輸成本

煙氣中的CO2體積濃度僅為8%～13%。煙氣中也包含N2、O2、H2O、NOx、SOx及其他有毒成分,CO2必須在運輸和注入之前從這些氣體中分離。根據(jù)2006年能源部門估算,在目前可行的技術(shù)下,僅從煙氣中俘獲 CO2的成本大約為＄150/t。從綜合氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電站俘獲90%的CO2要消耗20%～25%的電能,這將增加資本成本47%和總的用電成本38%。Koopman(2007)預計液化CO2的壓縮成本約為＄17/t。如果遵循京都議定書,美國CO2項目中的俘獲和壓縮成本如表4所示。

表4 美國用于碳捕獲和壓縮的費用

CO2的運輸成本隨著CO2源點與注入點之間的距離變化,最便宜的CO2運輸是通過管道。管道建設(shè)成本大約為＄2×106/mile,附屬的電力傳輸線成本為＄0.9×106～1.7×106/mile。除了管道、電力傳輸線及壓縮站等費外,還包括電力、維護和人力的運營成本。

4.1.2 鉆井成本以及相關(guān)成本

1996年,Sleipner West中的CO2注入井的項目成本為1 500萬美元。由于高成本,1口監(jiān)測井沒有開鉆,當時的預算成本約為4 500萬歐元。算上附屬的管道、儲存、閥門及其他設(shè)備,在美國鉆完1口CO2注入井的平均成本為1 000萬美元,這是合理的。表5列出了京都議定書要求的CO2埋存量條件下,美國CO2埋存運營中的鉆井成本及相關(guān)設(shè)備成本的預算。由于表中井的注入能力及儲存能力沒有考慮井的數(shù)量,所以需要包括監(jiān)測井在內(nèi)的更多井來確保埋存所有的CO2。

4.1.3 經(jīng)濟發(fā)展的成本

遵循京都議定書的排放標準,越來越高的能耗及過度使用電能來進行CO2分離和埋存將大大阻礙美國的經(jīng)濟發(fā)展。如果考慮所有的成本,每年可能需要1萬億美元來進行運營。不過,如果氣候能得到控制或者全球變暖能停止,這些努力也許還是值得的。

4.2 CO2埋存及其對全球溫度變化的影響

提及最少但卻最重要的一點就是CO2減排項目會在多大程度上影響全球氣候變化,這也是整個操作過程的最終目標。在從1906年至2005年的100年中,全球平均溫度增高了0.74℃ (圖4)。據(jù)IPCC觀測,全球平均溫度從1956年到2005年中每10年增加0.13℃,從1900年到2005年間每10年增加0.2℃。1990—2005年,世界上人為釋放CO2量大約為370.4×109t(圖1)。同時IPCC預測在接下來的20年中,氣溫還會每10年增加0.2℃。因此,在沒有CO2減排的前提下,全球溫度將在2008年至2030年間上升0.44℃。

表5 美國鉆井及附加預計費用

最壞的情況是2008年至2030年間氣溫上升的0.44℃全是由人為釋放的CO2所致,如果所有簽署京都議定書的國家及美國都完全服從議定書的要求 (假設(shè)截至2007年12月,由發(fā)展中國家所釋放CO2的78%都會被處理掉),則需要減排的CO2量為2 889.3×108t。在此期間的CO2全球釋放量是8 347×108t。溫度上升由以下公式求得

假設(shè)IPCC的預測是準確的并且所有CO2都被封存或減排。

圖4 全球平均氣溫的歷史與預測

IPCC還指出,即使將CO2及其他溫室氣體排放量保持在2000年的水平,在下世紀氣溫還會每10年上升0.1℃,這由氣候和熱膨脹的慣性所致。2008—2030年會變?yōu)?.22℃,此時人類的所有活動甚至都要停下來。因此,京都議定書企圖努力使氣溫在這22年中僅僅上升0.07℃。同時,在較長的時間段內(nèi)探測并確定全球氣溫的任何微小變化變得更困難,這由太陽、宇宙乃至地球本身的波動導致的氣候出現(xiàn)變化莫測的情況所致。據(jù)美國宇航局NASA和其他機構(gòu)測量,全球氣溫在2007年1月到2008年1月間下降了0.7℃。如果這一氣溫的突然下降不是受全球變暖的趨勢所影響,就無疑反映了全球氣溫變化的多樣性和復雜性。

IPCC(2007)聲稱,幾個世紀以來全球氣溫或許沒有達到平衡值,僅僅由于熱膨脹,氣溫就比前工業(yè)時代上升5℃ (或高于當前溫度4℃),那么2050年的CO2釋放量會比2000年多出90%～140%。如果這個觀點確鑿,則京都議定書規(guī)定的減排目標就不會受任何溫度測量的影響,但是,人們很快就會意識到其對全球經(jīng)濟所帶來的重大影響。

最后,如果熱膨脹的影響能持續(xù)幾個世紀,過去幾個世紀的氣候就需要由當前觀測到的氣候和未來的氣候計量法共同推測出來,這樣至少可以得到部分信息,但也使評價京都議定書中有關(guān)CO2減排舉措的影響變得更加復雜。

5 結(jié)語

(1)向儲層中注 CO2的技術(shù)是足夠成熟的,但經(jīng)濟負擔相當大。

(2)長期CO2地質(zhì)封存存在很多不確定性因素和風險。常規(guī)的CO2埋存方式和社會經(jīng)濟發(fā)展間的矛盾難以解決。

(3)京都議定書規(guī)定的碳封存項目并沒有說明能對全球氣溫帶來多大影響。相反,它將會引起緊迫的環(huán)境問題。

(4)京都議定書并不能防止全球變暖,即使溫度升高全部由人為釋放的CO2引起。然而,這將會引起嚴重的社會問題并大大抑制所有國家所遵循的經(jīng)濟與能源的有效發(fā)展。

(5)最嚴重的問題是大規(guī)模碳封存任務所面對的實際風險還沒得到足夠的重視,包括對國家經(jīng)濟、環(huán)境以及氣候的影響。

資料來源于美國《SPE 120333》

10.3969/j.issn.1002-641X.2010.9.017

2009-05-08)