在做好现有CCUS技术路线的基础上，海上CO2固化封存是一个值得积极探索的方向。
文 ‖本刊记者 陆晓如
聚焦落实“双碳”目标任务，从顶层设计到具体落实，我国推进“双碳”工作蹄疾步稳，取得积极进展。其中，CCUS（CO2捕集、封存和利用）作为全球应对气候变化和实现“双碳”目标的关键技术，正日益成为我国企业争相布局的重要领域，已投运和规划建设中的CO2捕集利用与封存项目已接近百个。
中国工程院院士、中国海油杰出高级专家周守为指出，适合CO2封存的地质结构,既存在于陆地，也存在于海底。在做好现有CCUS技术路径的基础上，海上CO2固化封存是一个值得积极探索的新方向。
中国石油石化：周院士，您好！根据您的观察，当前CCUS为什么如此受重视？周守为：2023年，全球化石燃料CO2排放量达368亿吨，温室气体总排放量达409亿吨，CO2浓度已达到历史上的最高值。2023年，我国CO2排放量达126亿吨，温室气体总排放量达144.65亿吨，高居全球第一。温室气体引发的气候问题愈发严峻，碳达峰、碳中和已成为人类应对气候变化的政治共识。基于推动构建人类命运共同体的责任担当和实现可持续发展的内在要求，我国提出了“双碳”目标。这也是顺应绿色发展时代潮流、推动经济社会高质量发展的必由之路。CCUS已经成为应对气候变化的重要技术手段，而且被认为是未来实现碳中和的兜底保障。IEA《能源技术展望报告》指出，要达到巴黎气候协定提出的将全球平均气温较工业化前水平升高幅度控制在2℃以内，并努力将升温幅度控制在1.5℃以内的目标，到2060年，14%的CO2减排量将来自CCUS。因此，各国政府及能源公司争相布局CCUS。周守为：国内外常规CCUS项目，CO2封存有两种主流模式。一是利用CO2驱油，提高油气采收率，同时部分CO2在油气田的地质空间进行封存；二是利用地下咸水层进行CO2封存。从CO2封存模式上看，目前CO2驱油模式占比超过70%；但从未来趋势来看，咸水层封存模式占比将提高。从规模上看，CS/CCS （CO2封存/CO2捕集、封存）枢纽建设加速，CCUS项目单体规模普遍大于300万~500万吨/年，千万吨CCUS产业集群项目成为热点。过去3年，全球超过45个国家共宣布了400多个新的CCUS项目。但是，从目前整体应用情况看，现有的CCUS项目还远远没有达到兜底的效果。从捕集能力上看，截至2023年，全球运营或建设中的CCUS项目有140余个，CO2捕集能力4900万吨/年，仅占2023年全球368亿吨全球化石燃料CO2排放量的1.33‰，与2060年达到14%的CO2减排量差距巨大。中国煤电、石油石化行业及相关产业都开展了CCUS技术攻关研究工程示范，中国华能、中国石油、中国石化、中国海油、中国神华等都已着手开展CCUS项目研究和产业化。其中，中国石化已建成国内首个百万吨级CCUS全流程项目。但是，我国整体CCUS规模仍然较小。2023年，我国CO2捕集规模600万吨/年，仅占我国2023年126亿吨CO2排放量的0.476‰，较全球水平差距很大，较2060年的目标水平差距更大。总体来看，要使CCUS真正成为实现碳中和的兜底技术，我们还有很多工作要去做。中国石油石化：近年来，海上CCUS项目备受关注。目前整体发展情况如何？周守为：适合CO2封存的地质结构既存在于陆地，也存在于海底。相较于陆地封存，CO2海底地质封存具有封存潜力大、不占用陆地资源、对人类健康和安全影响较小等优势。但是，目前海上CCUS项目较陆上CCUS项目少得多。挪威北极光项目（Northern Light）是全球第一个允许跨境运输CO2并实施海底地质封存的项目。2021年3月，挪威政府正式批准由挪威国家石油公司、荷兰皇家壳牌集团和道达尔公司开发北极光CCS项目。该项目是挪威开展的第三个CO2离岸封存CCS项目，投资15亿美元。项目捕集的CO2经压缩后跨境运送至位于北海的封存场地，注入并封存在北海海床下的咸水层。预计从2024年底起，北极光项目每年能够处理和封存150万吨CO2，后期CO2的年封存量将达到500万吨。从地质结构特点、沿海产业布局等方面看，我国具有显著的开展海上CCUS项目的优势，珠江口盆地、东海陆架盆地、渤海盆地等都具有良好的CO2封存适宜性。但是，目前国内处于运行阶段的8个CCS项目中，只有恩平项目为海上咸水层封存项目。恩平项目由中国海油实施，在南海珠江口盆地恩平15-1油田群开展CO2封存。作为恩平15-1油田群开发的环保配套项目，该项目是我国第一个海上CO2封存项目，也是我国第一个咸水层CO2封存项目，咸水层埋深830~920米，于2023年6月正式投入使用，预计CO2封存量超过30万吨/年，累计可封存CO2超过150万吨。截至目前，已注入2000万立方米CO2，稳定运行超过了一年，证明我国已具备咸水层CO2封存实力。中国石油石化：相较于陆上CCUS，海上CCUS有何特点？周守为：与煤电、钢铁等行业相比，油气行业具有发展CCUS业务的天然优势。一方面，具备承担投资的能力、开发大型设施的经验，另一方面具备钻井、建井和油藏方面的技术积累等。在地质工程上，海上封存CO2跟陆上是一样的，但因为多了一层海水，以及受海上平台空间的限制，海上CO2封存工艺设计和设备运行存在更多挑战。由于海上CCUS项目成本更高、工艺更复杂，要实施就要求规模大，要打斜井或水平井，配备CO2长距离海运或者管输等。
中国石油石化：在做好现有海上CCUS技术路径的同时，还能不能找到新的路径？周守为：跟海洋打了半辈子交道，我有一个深刻的体会：深邃的海洋不仅仅为人类提供了丰富的宝藏，也给了人类智慧的启迪。自然的力量是最大的力量，我们要顺应自然、师法自然、仿真自然、加速自然。比如，人类从岛礁形成中获得启发，吹填出了人工岛礁。在现有的CCUS技术路径形成的CO2封存模式下，CO2呈现气体或液体。因为都是流体形式，易发生泄漏。探索海上CCUS新路径，我们从海洋蕴藏的天然气水合物中得到了启发，正在开展积极研究，想办法将天然气水合物开发的难点转化为CO2水合物海底封存的优势。中国石油石化：具体来说，海洋天然气水合物开发给海上CO2封存带来了哪些启示？周守为：天然气水合物，业内并不陌生。它是甲烷等烃类气体和水在高压、低温条件下形成的结晶状笼型化合物，俗称“可燃冰”。特点是低密度、高热值。据理论计算，1立方米的天然气水合物可释放出164立方米的甲烷气和0.8立方米的水。近年来，全世界包括我国在内对海洋天然气水合物做了很多研究，还进行了试采，获得了多项突破。但是，因为开采难度大，海洋天然气水合物尚未进行商业性开发。这种难度，以逆向思维来看，正好是封存CO2的优势。例如，通常情况下，海洋天然气水合物的形成条件为水深大于600米、温度为0~3℃；而海洋CO2水合物形成的条件相对宽泛——水深大于500米、温度低于10℃。CO2水合物比天然气水合物更容易形成，能形成天然气水合物的地方一般可以形成CO2水合物。海洋天然气水合物大多不具有密封性的圈闭构造和致密盖层，稳定分布在海底浅表层或深海海底的浅层。低温高压的海洋环境，使天然气水合物状态稳定，很难气化，不易开发。现有的CO2封存模式一般要选择合适的圈闭和构造，因此封存规模受限，而CO2水合物固化封存不需圈闭、不需构造。如果条件合适，原则上封存量无规模限制。为了防止泄漏，常规CO2封存模式必须对地质圈闭进行密封性评价，而固化的CO2水合物长期稳定，不易气化，不易移动，更易封存，且无需进行严格的密封性评价。目前CO2封存地点为密闭地质构造或者咸水层，CO2水合物固化封存在海底或者深海浅层，埋存地点的选择更加宽泛。深海浅层多为泥质粉砂或不成岩的胶结疏松的泥、沙、水混合层，更易于CO2的注入和CO2水合物的形成、封存。通过分析，我们提出了CO2海上封存的新路径，即借鉴海洋天然气水合物的自然形成原理，人为加快CO2水合物的生成速度，实现CO2水合物在深海海底或深海浅层的固化封存。周守为：CO2水合物固化封存的原理，是让CO2在海底一定温压条件下形成CO2水合物，以“碳矿”的形式永久封存。为验证其可行性，我们开展了多方面的研究试验。例如，通过开展海洋环境CO2水合物基础物理特性测试及认识研究，我们发现CO2水溶液的密度值随压力的升高而升高，并且呈线性变化。进行比较发现，CO2水溶液的密度随CO2的浓度增大而增大；随着温度升高，溶液密度降低，且溶液之间的密度差逐渐减小。不考虑海床深度条件下，当水深超过2768米时，CO2密度大于海水密度；考虑海床位置的影响，海床深度3000米时，CO2密度大于海水密度的区间为2768~3103米，适合进行封存。当然，具体的封存层位还要进行全方位的评价和分析。我们开展了海洋环境CO2水合物海底生成模拟实验，模拟了人工“碳矿”形成、固化条件、形成时间、溶解与再生成，评价了海底“碳矿”的封存效果。通过试验，我们发现海水中CO2水合物成型较好，可实现CO2水合物封存，能够实现“碳矿”封存“生得成”目标；海底压力波动对CO2水合物稳定性的影响不大，可以达到“碳矿”封存“稳得住”目标。试验证明，海洋条件下能快速生成CO2水合物；在有诱导微粒的条件下，CO2水合物形成更快；添加适当强化剂，有助于CO2水合物的固化。经过初步验证，海洋CO2固化封存的方向是正确的，但仍有大量难题需探索。例如，CO2水合物溶解与再生成规律。虽然CO2水合物稳定难以气化，但一旦气化不好控制，存在泄漏及生态影响风险，安全生产控制存在难点。中国石油石化：根据目前的研究成果，未来海洋CO2固化封存的研究方向是什么？周守为：海洋CO2固化封存的研究方向及目标，一是注得进，需要建立注入口CO2水合物堵塞解堵技术及多层系联储动态调控技术；二是生得成，需要揭示海洋环境CO2水合物快速生成机制，形成CO2水合物规模化生成技术；三是封得住，需要建立深海CO2多相态稳定封存技术工艺及装备；四是看得见，需要形成海洋CO2固化和地质封存全时空一体化监测技术及体系；五是生态美，CO2固化封存后，作为海洋生态的组成部分，长期稳定，对环境友好。展望未来，我们将着力建立3000米深水CO2水合物多相态、多层系固化封存技术体系，形成海洋CO2水合物封存产业链，最终目标是建立海上多能种一体化开发利用模式。我们对中国成为全球首个具备商业化海洋CO2水合物固化封存能力的国家充满信心，将努力为全球CO2的低成本大规模封存探索出一条新的路径。