（环境科学与工程专业论文）co2油藏封存及驱采过程环境风险评价研究.pdf

s t u d i e so ne n v i r o n m e n t a lr i s k sa s e s s m e n to fc 0 2i no i l r e s e r v o i rs e a l i n ga n do i lr e c o v e r yp r o c e s s g e n gh a i y a n ( e n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gj i a l i n z h a od o n g f e n g a b s t r a c t r e d u c i n gt h ec a r b o nd i o x i d ei na t m o s p h e r eh a sb e c o m e t h ef o c u sp r o b l e ma n da t t r a c t e d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o na st h ea g g r a v a t i o no fg l o b a lc l i m a t e t h em a j o rc o u n t r i e sa n d o r g a n i z a t i o n sh a v em a d eo u tr e l e v a n t l a w sa n dr e g u l a t i o n st ol i m i tc 0 2e m i s s i o n ，a n d p r o p o s e dm e a s u r e sa n dt e c h n i c a lm e t h o d st od e c r e a s ec 0 2 c o n t e n ti nt h ea i r c 0 2s t o r a g ea n d r e s o u r c e f u lu t i l i z a t i o na r et w oe f f e c t i v ew a y s t h eg o a lo fl o n g - t e r me m i s s i o nr e d u c t i o no f c a r b o nd i o x i d ec a nb e a c h i e v e db yi m p l e m e n t i n gc 0 2s t o r a g et e c h n o l o g y b e s i d e s ，o i l r e c o v e r yc a nb ei m p r o v e dg r e a t l y , t h e r e f o r e ，i n c r e a s e do i l f i e l de o rp r o d u c t i o n h o w e v e r , t h e r ei sac e r t a i nr i s ke x i s t i n gi nc a r b o nd i o x i d es e q u e s t r a t i o np r o j e c t ，w h i c hr e q u i r e s a p p r o p r i a t ee n v i r o n m e n t a lr i s ka s s e s s m e n t t oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o no ft h ep r o j e c t t h es u r f a c ee n g i n e e r i n gi nt h ep r o c e s so fc a r b o nd i o x i d es t o r a g ea n do i ld i s p l a c e m e n t c o m p l i e dw i t hc h i n ae n v i r o n m e n t a lr i s ka s s e s s m e n tg u i d e l i n e s ，a n dt h ea s s e s s m e n tc a n b e i m p l e m e n t e da c c o r d a n c ew i t ht h eg u i d e l i n e s h o w e v e r , g e o l o g i c a ls t o r a g ei sn o ti nt h i ss c o p e ， s oi tn e e d ss p e c i a lh a n d l i n g t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h ee n v i r o n m e n t a lr i s ka s s e s s m e n t si nt h ep r o c e s s e so fc 0 2 s t o r a g ei n o i lr e s e r v o i ra n du s i n gc 0 2t oe n h a n c eo i lr e c o v e r yb yam e t h o dc o m b i n i n g t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dp r a c t i c a li n v e s t i g a t i o n t h es o u r c e so fr i s ka n dt h ep o s s i b l ee n v i r o n m e n t a lh a z a r d sw e r ep o i n t e do u tb y a n a l y z i n gg e o l o g i c a ls t o r a g ep r o c e s sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo f c a r b o nd i o x i d es e q u e s t r a t i o n t h i s p a p e rp u t s f o r w a r ds o m es u g g e s t i o n so ns i t es e l e c t i o np r i n c i p l e s ，h a z a r di d e n t i f i c a t i o n ， r e c e p t o ri m p a c ta s s e s s m e n t ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，r i s kp r e v e n t i o n m e a s u r e sa n d c o n t i n g e n c yp l a n sf o rt h ep r o c e s so fc 0 2s e a l i n gi ne x h a u s t i n go i lr e s e v e i o r a l s o ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ea c t u a le o rp r o j e c t s ，a n do f f e r e dp r o p o s a l so nr i s k i d e n t i f i c a t i o n ，s o u r c ea n a l y s i s ，t h ec o n s e q u e n c e so fc a l c u l a t i o n ，r i s kp r e v e n t i o nm e a s u r e sa n d c o n t i n g e n c yp l a n sb a s e do nr i s ka s s e s s m e n tg u i d e k e y w o r d s ：c a r b o nd i o x i d e ，g e o l o g i c a ls t o r a g e ，e n h a n c eo i lr e c o v e r y , e n v i r o n m e n t a l r i s k s ，r i s ka s s e s s m e n t 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第一章前言 1 1 课题研究的目的及意义 随着全球气候变暖问题的日益严重，共同推进温室气体减排已达成全球共识，京都 议定书的生效更是为人类共同应对气候变化增添了曙光。化石燃料仍将长期是现代社会 的主要能源，然而，单纯的依靠提高能效、使用新能源及可再生资源等途径来减少温室 气体排放的效果还很有限。要使大气中二氧化碳的浓度得到持续有效的控制，则需要采 取更加直接有效的二氧化碳减排措施。 在此背景下，联合国政府问气候变化专业委员会( i p c c ) 特别推荐了二氧化碳捕集 与封存( c a r b o nd i o x i d ec a p t u r ea n ds t o r a g e ，耳p c c s ) 技术，以期实现温室气体的大幅 减排。目前，c 0 2 捕集与封存( c c s ) 技术中的地质封存技术主要包括深咸水层封存、 枯竭油气藏封存、c 0 2 驱强化采油( c 0 2 e o r ) 技术以及c 0 2 强化煤层气开采技术等【1 1 。 二氧化碳驱油技术是石油公司发展碳封存的重要技术路径，是实现二氧化碳资源利 用和封存的最佳结合点之一。这是因为大规模的二氧化碳用于增产石油开发，不仅能够 变废为宝，而且具有大规模封存二氧化碳的能力，该项技术被公认为近中期最重要的二 氧化碳封存方式。国外已经在该领域开展了多年的示范，获得了良好的效果【2 1 。很多国 家都开展了注二氧化碳采油的现场试验【3 1 。例如，美国上世纪8 0 年代就已示范并推广了 该技术，使一些枯竭的油井获得了长期稳定的生产【4 】。 国内情况也基本如此。大庆油田的驱油技术取得了标志性的进展【5 1 。同时，江苏、 大港和辽河油田开展的相关实验研究表明，投入1 吨二氧化碳能增产0 5 吨1 吨的石油， 具有巨大的经济价值【6 】。 但是，二氧化碳封存推广实施的潜在风险一直是人们的主要顾虑。c c s 的风险评估 数据显示见图1 1 。 第一章前言 影响c c s 储存运输 区域投资环境 突然大规模泄露 地质灾害 人身体健康影响 生态系统影响 水污染 土壤退化艺歪嚣忑辽叠爻豇卫卫匝卫匝耍互要基基互盈 一，1j。一一一一 02 0 4 0 6 0 8 0 10 0 1 3 主要风险 口严重风险口中等风险 1 3 很小风险 口基本无风险。不确定口信息不充足 图1 1c c s 实施的风险评估1 7 l f i g 1 - 1 t h er i s ka s e s s m e n ti nc c s 受调查者倾向于认为突然大规模泄漏是主要或严重的风险；而多数人认为，封存对 于生态系统影响、区域投资环境也具有中等以上风险；较多受调查者认为在地质灾害、 对人体健康影响、水污染和土壤退化方面的风险不确定或信息不充足，因此很有必要进 一步加强相关的研究和宣传。 二氧化碳封存的风险是大家认可的，但是实施的法律框架和政策体系尚未成，特别 是长期封存过程中的安全性和可靠性保障方面，还是空白。目前，国际上虽然在相关法 令中涉及到了对二氧化碳封存的影响评估，但在很大程度上仍然缺乏可操作性。我国也 并没有指定针对二氧化碳封存的风险评价方法及相关法律法规。因此，进行我国c 0 2 在 油藏中封存及提高采收率的环境风险评价研究，是需要认真对待的重大课题。 1 2 世界二氧化碳减排政策 1 2 1 应对全球气候变化 i p c c 在2 0 0 7 年发布的四次评估报告中指出全球气候变暖的趋势已勿庸置疑，主要表 现在三个方面，见表1 1 【羽。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 从表中可以看出，全球气候变暖造成的影响已日趋严重，正在并将继续影响经济、 社会和生态环境。因此，应进一步加强开展碳封存调查研究，为温室气体减排奠定基础。 1 2 2 二氧化碳减排政策 全球石油消费与c 0 2 排放量同时持续增长，这一趋势与维持大气中温室气体浓度长 期稳定、不危害全球气候的目标相矛盾【9 1 。因此制定和实施相关二氧化碳减排政策势在 必行。目前世界二氧化碳减排政策见表1 2 。 表1 - 2 世界二氧化碳减排政策 t a b l e l - 2 p o l i c yo fc a r b o nd i o x i d ee m i s s i o nr e d u c t i o n 1 3 二氧化碳地质封存简介 降低二氧化碳对气候的影响，不外乎控制二氧化碳在空气中的含量，达到这一目的 的最为有效的途径就是二氧化碳的地质封存。 第一章前言 二氧化碳地质封存主要有三种方式：深部咸水层封存、油气藏封存和不可开采的煤 层封存，三种地质构造的埋存能力比较见表1 3 【1 0 1 。 表1 - 33 种地质构造埋存c 0 2 能力比较 t a b l e l - 3 s t o r a g ec a p a c i t yo fc 0 2 f o rt h r e eg e o l o g i c a ls t o r a g eo p t i o n s 1 3 1 深部成水层封存 适合c 0 2 地质封存的深部咸水层一般是指8 0 0 m 以下被微咸或半咸水填充的具有较 高孔渗特性的岩层【l l 】。这些咸水不适合工农业利用及人类饮用。世界大部分沉积盆地都 可以发现此类咸水层，其中大约有2 的有效空间可用于c 0 2 埋存【1 2 】。储集性能的好坏对 埋存的有效性、安全性和持久性有着直接影响。如果咸水层顶底部被含水层( 如页岩) 或含水岩层( 如膏盐层) 所遮挡或封闭，可封存c 0 2 达上百万年。 1 3 2 油气藏封存 ( 1 ) 封存优势 油气藏具有良好的储、盖层组合和地质圈闭，是理想的c 0 2 地质封存场所，也是目 前世界公认的比较有效并开展长期研究的方法之一。c 0 2 在油藏中的地质封存主要通过 地质构造封存、束缚气封存、溶解封存和矿化封存等机理实现。其本身就具备埋存c 0 2 的优势： 具备较高的勘探程度。油气藏是预先存在的地下储集体，无需再进行挖掘、封 盖等工作； 有良好的圈闭条件和比较详细的地质资料。包括油气藏面积、储层厚度、盖层 气密封、原始地层压力和温度、渗透率、储气层孔隙度、均质性以及气井运行制度等 9 1 ； 巨大的存储空间。世界8 0 的油气藏埋深基本都大于8 0 0 m ，压力和温度条件比 较容易使c o z 处于超临界状态存储，因此世界大部分油田基本都可以进行c 0 2 埋存； 从经济观点看，油气田开发用的部分气井和地面设施可重复用于地下工程【1 3 】， 建库周期短、投资和运行费用低【1 4 1 。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 油气藏c 0 2 地质封存包括c 0 2 在枯竭油气藏中封存和提高石油采收率过程中封存两 种方式。已有研究成果表明，中国适合注c 0 2 的油气藏地质储量为3 5 1 0 9 t ，通过注c 0 2 气可增采3 5 x 1 0 9 t 原油，相当于发现一个亿吨级储量的大油田。因此，实现c 0 2 在油气藏 中的地质封存，对中国这样一个发展中的大国来说具有非常重要的意义。 ( 2 ) 枯竭油气藏封存原理 一般情况下，油气藏都经过了一定时间的开发，受当时的技术、经济条件限制，有 部分原油不能被采出，从而失去了部分开采价值，这些油气藏往往被称之为“枯竭油气 藏。实现桔竭油气藏二氧化碳地质封存时，可充分利用已有的油气藏勘探开发资料、 井场和油井设备，以节省投资和工程时间。因此，利用枯竭的油气藏封存c 0 2 可一举两 得。其地下封存的主要过程如图1 2 所示。 c c h 排放源h确定现在和将来的c 0 2 排放源 选择c 0 2 贮存地( 地 下8 0 0 1 0 0 0 m ) 选址评价 制定c c s 计划 c c s 计划的审 核、批准 c c h 分离、收集、 运输 c c h 注入及监测 c 0 2 注入结束 c c h 地下封存系 统封闭 选择具有足够储存容量的地点 包括地质构造特性、储存容量、数学模型、 储存层模拟、风险等 包括安全检测、降低风险、成本分析、利益 相关方保证、社会认知等 确认是否符合相关规定及基准线监测 根据实际条件选择适宜的分离回收方法， 用管道系统或巨型油轮( 液化c 0 2 ) 运输 通过注入井加压注入c 0 2 ，对储层中c 0 2 分布 进行监测 继续进行安全性监测 由国家指定机构定期检测工程系统的安全性 图1 2 地下封存的过程 f i g 1 2 t h ep r o c e s so fc 0 2s e q u e s t r a t i o n 第一章前言 ( 3 ) c 0 2 e o r 原理 e o r 是e n h a n c eo i lr e c o v e r y 的缩写，即“提高石油采收率 。c 0 2 注入油藏后，可 以使原油体积膨胀，降低原油黏度和界面张力，改善油水流度比，从而提高石油的采出 率【1 5 】。与其他驱油技术相比，二氧化碳驱油具有适用范围大、采收率提高显著、成本低 等优点【1 6 】。 根据油气杂志1 9 9 4 年统计结果，全球共1 3 7 个商业性气体混相驱项目，其中烃类气 体占5 5 ，c 0 2 占4 2 ，其他占3 ( 图1 3 ) 。目前，国外采用二氧化碳驱油的国家越来 越多，仅美国就有2 9 2 个油田可用c 0 2 驱，目前正在实施的项目有6 4 个【1 7 1 。一般的采收 率提高7 1 5 ，在西得克萨斯州，采收率可提高3 0 左右【1 8 】。 据国际能源机构评估认为，全球c 0 2 提高采收率潜力为1 6 0 0 - 3 0 0 0 亿桶，占总e o r 产量的1 5 。2 0 0 8 年，世界总e o r 产量为1 8 6 1 万桶天，c 0 2 e o r 产量为2 7 2 5 万桶 天，占总的e o r 产量的1 5 1 ，远小于油田上普遍采用的蒸汽驱，随着c 0 2 e o r 技术的 深入和广泛应用，其所占的比例有很大的提升空间f 1 9 】。 图1 - 3 世界各种e o r 技术产量分布( 数据统计到2 0 0 8 年，来f l o g j ，2 8 ) f i g 1 - 3 t h ew o r l de o r t e c h n o l o g i e sp r o d u c t i o nd i s t r i b u t i o n 对此，国内外近年来大力开展二氧化碳驱提高采收率技术的研发和应用，不仅满足 油田开发的需求，同时能解决二氧化碳的封存问题，缓解气候变化。 1 3 3 煤层中封存 煤层主要通过吸附作用来实现c 0 2 的封存。注入的c 0 2 主要储存于煤块之间的内生 裂隙和煤块内部1 2 0 l 。煤块内部发育的大量微小孔隙可以牢固地吸附来自裂隙间的c 0 2 气 体分子。目前全球绝大部分煤层渗透率很低，厚度也比较薄，平均只有l 5 m 或部 分 5 m 1 2 1 】，这一不利条件直接制约y c 0 2 在煤层中的封存量以及具体封存工程的实施。 但是，我国也正在进行大量的有关强化煤层气开采的研究阎。 6 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 1 3 4 其他封存体 可用于二氧化碳封存的地质封存体还包括玄武岩、油页岩、岩盐溶腔和废弃的矿井 等等，但目前研究程度较低。玄武岩中因存在大量硅酸盐成分，c 0 2 与含镁、钙的硅酸 盐岩可发生化学反应，实现矿化捕集：油页岩主要利用其中有机质的吸附作用来实现c 0 2 的封存，类似于煤层中封存c 0 2 ，但油页岩较低的渗透率不利于c 0 2 的大量注入和存储 实现；岩盐溶腔是通过向地下盐岩层中注水使其溶化，并采出盐水，形成较大的岩溶腔， 为c 0 2 存储提供空间。 1 4 石油行业二氧化碳减排的生产需求和技术现状 1 4 1 生产需求 全球极端天气频发，气候变化问题备受关注。2 0 1 0 年全球化石能源温室气体排放已 达3 0 6 亿吨，较2 0 0 2 年的2 3 5 亿吨大幅增长，新增排放主要来自中国等发展中国家，国际 石油公司积极实施温室气体减排，以求对外树立良好的企业形象，而不管是我国还是石 油行业都面临巨大的国际压力。 “十二五规划进一步要求，单位国内生产总值二氧化碳排放l t , 2 0 0 5 年下降1 7 。 2 0 11 年6 f l 国家发改委提出设置重点行业能耗总量“天花板”，央企是主力；更有认为 央企目前节能指标设置太低，建议提高到2 0 ，温室气体指标也将同步增加。 中国石油“十一五 期间实施的“双十工程 ，碳排放强度下降了8 1 ；“十二五” 期间，随着生产规模继续扩大，节能难度加大，要实现排放强度下降2 0 的目标，并达 到国际先进水平难度很大。仅仅依靠节能手段不可能完成温室气体减排目标，存在巨大 差距。 开展温室气体直接减排是企业应对国家减排管理的最有效手段，而且越早开展此工 作的引导作用和社会效益就越大。碳捕获、利用与封存( c c u s ) 技术是完成碳减排指 标、增加发展空间的重要途，据相关研究，n 2 0 5 0 年c 0 2 减排量的一半将依靠c c u s 实 现，中石油c c u s 技术体系亟待建立。 1 4 2 国内技术现状 温室气体捕集、利用与封存技术( c c u s ) ：该项技术是国际公认的重要减排方法 和研究热点。二氧化碳咸水层封存技术方面，国内已有多个已建成或在建的咸水层碳封 存工程项目。神华在鄂尔多斯建成二氧化碳注入量为l o 万讹的盐水层封存示范项目，神 华借鉴国内外c 0 2 封存和利用经验，首先将富含c 0 2 的气体液化提纯得到液态c 0 2 ，然后 加压输送至封存地点的缓冲罐，将储罐的c 0 2 再次加压后由注入井注入到预定的地下水 7 第一章前言 咸水层。连云港清洁能源科技示范工程计划将i g c c 配合燃烧前捕集的c 0 2 注入到咸水层 封存，规模为1 0 0 万讹，目前还在前期筹备中。 对于石油行业，e o r 是二氧化碳目前最经济的用途之。作为一种丰富、廉价的碳 氧资源，目前二氧化碳的资源化利用已经成为国内外科学界与工业界研究的热点。油田 三次采油的注c 0 2 驱油技术也已在吉林油田进行了试验并正常运转。 虽然工程上已经试验，但我国二氧化碳封存和驱油的风险评价技术相对薄弱，需加 大研发力度。 1 5 我国环境风险评价概况 1 5 1 环境风险评价的基本概念 “风险”一词在字典中的定义是：生命与财产损失或损伤的可能性【2 3 j 。比较通用与 严格的定义如下：风险r 是事故发生概率p 与事故造成的环境( 或健康) 后果c 的乘积， 即：r 【危害单位时间】= p 事故单位时间】xc 危害事故】。 1 5 2 评价适用范围及程序 ( 1 ) 适用范围 我国的建设项目环境风险评价技术导则指出只适用于涉及有毒有害和易燃易爆 物质的生产、使用、储运的建设项目可能发生的突发性事故( 不包括人为破坏及自然灾 害引发的事故) 的环境风险评价。 ( 2 ) 评价工作程序及目标 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 。- 。一一。一。一。一。r 。一。- 。- - 。 步骤 i 目标 一一- - 一一- 一一- 一- 一- 一一一一一- 一一一- 一- - - 一- 一一- 一一- - 一一一 - 一- - - 一- - 一一- - - - - - - - 一- 一- - 一 一一一一一一一一一l 一一一一- - - - 一- _ - 图l - 4 评价工作流程图 f i g 1 - 4 e v a l u a t i o nw o r kf l o w c h a r t 二氧化碳封存作为一项特殊的工程，我国现有的环境风险评价导则并不能完全适 用。这就需要我们针对二氧化碳封存进行进一步研究，以制定出更为详细和适用的风险 评价导则。 1 6 国外二氧化碳封存风险评价现状 1 6 1 美国 ( 1 ) 风险评估拟议指南 所有封存项目中均需要开展风险评估，制定与实施风险管理及风险交流规划。 至少，风险评估应检测注入井、断层、断裂带及地震灾害发生的泄漏，且评估该流体对 封闭带完整性的影响以及其对人体健康和环境产生的危害； 风险评估应处理作业期间发生的长期泄漏： 风险评估应有助于确定优选位置； 9 第一章前言 风险评估应有助于制定就意外事故所采取的规避补救方案，应制定此类方案并 将其呈递相关监管者； 风险评估应体现操作决策，包括设定未对封闭带完整性产生影响的注入压力； 在项目开展期间，应基于更新的信息及修订的模型及模拟，以及从长期研究及 其它封存场地运转中获得的知识定期更新风险评估； 风险评估应涉及评估具体场地信息，例如，地势、潜在受体、类似u s d w s 、断 层以及项目覆盖区域内未鉴别的钻孔位置； 风险评估应涉及在进行具体场地评估时应考虑的非空间元素或非地质因素( 例 如人口、土地使用或重要栖息地) 【2 4 】。 ( 2 ) 美国二氧化碳地质封存井的地下灌注控制联邦法案 2 0 1 0 年1 2 月美国e p a 制定了二氧化碳地质封存井的地下灌注控制联邦法案，该法案 于2 0 1 1 年1 月1 0 日正式生效。 该法案指出大量的c 0 2 注入地下，由于c 0 2 的流动性、c 0 2 气体中杂质以及在水中的 腐蚀性都会增加地下饮用水资源的风险。因此，针对c 0 2 注入井制定了一系列具体措施， 重点保护地下饮用水资源，并要求二氧化碳储存设施密切监控汇报有关数据。该条例的 实施，将使美国碳捕集与封存( c c s ) 项目运行有章可循，确保地下封存二氧化碳的安 全性。 该法案包括二氧化碳驱油在内的所有地质封存的二氧化碳设施须按照美国温室气 体强制性报告规定等法规进行，每年向e p a 汇报温室气体的数据。e p a 通过收集的温室 气体报告，追踪不同来源碳封存设施的二氧化碳排放和存储量。同时，根据该法案的地 下注入控制项目规定，为了保证地下水源和二氧化碳封存的安全，e p a 要求c c s 项目二 氧化碳地质封存井必须遵守必要的选址、建造、测试、监控和关闭程序，定期更新项目 具体计划，了解二氧化碳封存地区的地质特征，对使用直接和间接注入二氧化碳的位置 和压力进行跟踪，对地下水进行监测监控，同时确保资金用于设施维护和应对突发事故。 该法案针对c 0 2 地质封存井建立了一个新的等级，即v i 级，以及最低的技术标准， 具体如下： 需要开展对建议封存点的地质、水文、地球化学、地质力学等的场地特征评估， 以确保v i 级封存井位于适合区域； 用于反映注入c 0 2 物理和化学状态的模型模拟应该基于封存地特征、监测和运行 数据建立； 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 注入井的建造材料必须在项目的整个生命周期经得住c 0 2 的腐蚀等影响； 对c 0 2 流、注入压力、注入井的完整性、地下水质、地球化学特性等进行监测； 进行综合注入后的持续监测和注入停止后的场地察看，以明确c 0 2 注区的位置和 压力增加区域的面积，保证地下饮用水源的安全； 建立事故应急预案，e p a 要求封存井运行方或拥有者申请封存井许可时，必须 提交事故应急预案，此计划必须是针对具体井，以风险为依据建立； 建立财务责任制度确保有足够的资金用于纠正程序、注入井填塞、注入后场地 察看、场地关闭和紧急事故及其响应； 规定c 0 2 封存等级许可贯穿于项目的整个生命周期，要求运行商或者拥有者回顾 或修改a o r 和校正计划、测试和监测计划、事故和应急响应计划，而且不允许封存许可 的自动转移和区域许可，只限于封存井许可。 1 6 2 欧盟 2 0 0 9 年欧盟制定了碳捕获与封存指令，该指令对封存许可、环境安全等作出了明确 规定。针对c 0 2 地质封存建立了一个环境安全的法律框架。制定此环境安全的c 0 2 地质 封存法律框架的目的是使c 0 2 得到永久封存，使之不可能地，并防止和消除对环境和人 体健康产生不利影响和风险。具体如下： 本指令适合于1 0 万吨以上的封存； 不允许封存在水资源或水体保护区； 只有获得封存许可，才可以运行封存项目，而且一个封存地点只有一个项目运 行； 只有没有重要的泄漏风险、没有重要的环境和健康风险的地区才可以作为封存 地址： 规定了选址许可条件，注入测试的监测可以纳入选址许可。 许可申请必须包含的条件：项目名称和地址；相关技术性文件；封存地址特征、封 存的复杂性、封存的安全性评价；注入和封存的c 0 2 成分，注入速率和压力、注入设施 的位置等；补救措施；监测计划；场地关闭计划；财务安全性证明。 申请封存许可的条件：遵守所有的欧盟指令；申请人必须财务情况良好，有足够的 技术能力以保证运行和控制封存地点。 ( 1 ) 封存位置的选择 成员国有权根据本法令的规定决定封存位置的选择区域。同时，成员国有权禁 第一章前言 止在其部分或全部领土范围实施封存。 打算批准在其领土范围内地质封存二氧化碳的成员国( 包括批准的勘探领域) ， 应对其全部或部分领土可用的封存能力进行评估。 对拟封存的化合物以及其周围区域进行描述和评估，以确定该地质构造是否适 合选作封存位置。 如果在建议使用条件下，某地质构造不存在任何重大泄漏风险及环境和健康隐 患，则该地质构造只能用作封存选址【2 5 1 。 ( 2 ) 应急措施 关于发生泄漏或其他事故时应采取的措施【2 6 1 ： 发生泄漏或其他重大事故时，成员国应确保经营者立即通知主管部门，并采取 必要的补救措施，包括保护人体健康措施。如果某泄漏或重大事故意味着将发生泄漏风 险，根据2 0 0 3 8 7 e c 指令的规定，经营者也应该通知主管部门。 依据第7 ( 7 ) 条和第9 ( 6 ) 条之规定，将纠正计划提交职能部门审批。 主管部门随时可要求经营者采取补救措施，其中包括保护人体健康的措施( 即 使这些措施未包含在或不同于补救措施计划之中) 。主管部门也可随时自行采取补救措 施。 如果经营者未能采取补救措施，主管部门可自行实施。 操作人员应弥补相关权威机构应采取与第3 和4 节中规定的措施产生的费用，其 中包括第十九条中规定的财政安全。 ( 3 ) 评估标准 该指令强调了封存过程的风险评估【2 7 】： 危险描述。包括可能的泄露路径、泄露事故的危险程度、影响泄露的参数、封 存导致的影响以及对人类健康和环境产生影响的其他因素，危险描述应涵盖所有的运行 条件，以测试封存的化合物的安全性。 暴露评估。根据二氧化碳封存点附近环境及人类活动与分布的描述，以及c 0 2 泄露的潜在影响，评价可能的风险。 效应评估。根据泄露事故发生地区相关特殊物种、社区或栖息地的灵敏性分析， 评价暴露在高c 0 2 浓度范围内对土壤、水的影响。 风险评估。包括对封存地点进行长期和短期的安全性和完整性评估。该风险描 述应在危害、暴露和效应评估的基础上实施。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 4 ) 其他 对于监测，要求进行基准线、运行和场地关闭后三个阶段的监测，监测计划必须包 含监测参数、使用的监测技术和技术选择的理由、监测位置和空间的抽样原理、监测频 率和临时的抽样原理。监测计划必须针对注入设施的c 0 2 逃逸情况、注入井口的c 0 2 体 积及压力和温度、注入物质的化学分析、盆地的温度和压力进行连续的或周期性的监测。 小结：通过美国及欧盟在的规定可以看出其对二氧化碳封存风险评价的重视。对于 评价内容主要包括以下几个方面： 评估具体场地信息，包括水文、地质等场地特征评估，有助于选择最佳的封存 场地； 对危险的描述，包括泄漏通道、危险程度等可能涵盖的所有运行条件； 对人体健康和环境的危害，包括人、动植物、地下水、土壤等； 工程自身的安全性，包括注入井建造材料的选择，必须经得起c 0 2 的长期影响； 保证评估的长期性和完整性，以及长期监测的必要性； 制定规避补救方案； 财务责任制度。 1 7 研究内容 随着二氧化碳封存及提高采收率项目的增加，可能造成环境风险的不确定性也越来 越被大家关注。因此，进行相关的环境风险研究是势在必行的。 根据我国建设项目环境风险评价导则对风险评价范围的界定，二氧化碳提高石 油采收率工程可以作为一般化工项目进行评价，但在评价过程中要考虑二氧化碳的特殊 性；而二氧化碳在枯竭油气藏中封存项目并不完全符合导则评价范围的要求，需要针对 封存工程的特殊性，对其进行环境风险评价的内容和方法进行研究，提出合理化建议。 本课题主要包括以下三方面内容： ( 1 ) 从二氧化碳的封存原理出发，具体分析提出了其地质封存的危险源及可能对环 境、人体、生态等造成的危害； ( 2 ) 分析二氧化碳提高采收率工程的工艺过程：集气脱水、储运、液化及储存、注 入、油气集输、伴生气中c 0 2 循环利用以及钻采工艺等，进行环境风险识别和源项分析； ( 3 ) 以我国的环境风险评价导则为基础，借鉴国外相关风险评价研究成果，分别对 二氧化碳在油藏中封存和提高采收率两个过程进行环境风险评价研究，提出风险评价的 内容和方法，为我国制定此类项目的环境风险评价导则提供参考。 第二章枯竭油气藏二氧化碳封存环境风险分析 第二章枯竭油气藏二氧化碳封存环境风险分析 2 1 选址原则 c 0 2 封存要求长久封存，不泄露，因此其选址要求尤为严格。由于地下封存的特殊 性，选址时对地下构造的完整性、储层的物性和分布、盖层的密闭性等都有一定的要求， 还应遵循以下原则f 2 8 】： ( 1 ) 地理位置优越。占地面积小，距气源近。 ( 2 ) 安全性高。注入的c 0 2 要长期封存于地下，因此要求盖层、隔层要岩性纯、密 封性好、厚度大、渗透率小、能封闭住气体，最好有一套以上的区域盖层；埋深大；无 或少断层( 大地震及岩石裂缝可能导致大量c 0 2 进入空气) 。在进行封存前进行潜在安 全问题的论证。 ( 3 ) 库容大。储层分布范围广、稳定、厚度大、连通性好；构造完整、圈闭幅度较 大，有一定的圈闭面积；密闭性好，内部少断层，油藏采出程度相对高。 ( 4 ) 其他辅助条件。如油藏是否接近开采枯竭期、库内流体性质、地层情况及沉积 环境分析、所选区块的开采特征、开发历程及现状、油层油气水分布情况、油藏驱动方 式等。 ( 5 ) 经济性评价是c 0 2 封存评价中一个重要因素。在确定封存地址前，对油藏改建 为储气库的可利用价值进行估算。 2 2c 0 2 地质封存环境风险 c 0 2 地质封存是实现二氧化碳减排的重要途径。然而，封存过程中可能涉及多种因 素的泄漏而对环境造成影响。 2 2 1c 0 2 泄漏的可能性 进行c 0 2 地质封存的目的是将其永久的封存于地下，但由于工程实施的客观性因素， 造成c 0 2 泄漏的可能性也是存在的。 ( 1 ) c 0 2 封存捕获机制 c 0 2 的封存捕获机制与封存原理相关，在含水层或油气储层，大量的c 0 2 会溶解于 咸水中( 即溶解捕获) 。溶解后的c 0 2 会随着盆地循环系统从注入点向周围运移，但由 于溶解所需时间远小于c 0 2 的运移时间，使这种运移至少需要上百万年，几乎可以忽略 它所带来的泄漏风险f 2 9 】。但是，也要考虑如储集体的物性特征、盖层的封盖性、水文地 质条件及区域整体构造特征等多种因素的影响。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 2 ) 系统可能性 作为主要的c 0 2 地质封存储集体，多数油气藏都具备比较稳定的自然系统，c 0 2 一 般都可以在地质时期内安全稳定地封存。只要这种自然系统没有完全被破坏，或超过自 然系统的自我控制和恢复能力，原则上是安全稳定并可以持续几百万年之久的3 0 1 。 与此同时，工程系统( e n g i n e e rs y s t e m s ) 往往会破坏自然系统的完整性。它更多的 是指在油田进行的钻井、录井等工程活动。对于c 0 2 地质封存而言，工程建设既必不可 少，其对环境产生的影响又无法避免。这就需要我们合理地进行工程系统的建设，同时 采取相应的管理监控技术，将这种破坏性降到最低。 例如，目前美国有4 7 0 个天然气储集场所，总储集量可达1 6 0 万吨。然而，通过最新 监测发现了9 处渗漏事件，其中5 处与井筒的完整性直接相关，3 处与上覆盖层封闭不严 密有关( 其中2 处已被修复，l 处直接导致工程报废) ，另外1 处与早期存储点的错误选 择有关。目前还没有大量c 0 2 会从该储集体渗漏的迹象【3 1 1 。与之对应的，k a n s a s 地区因 钻井设施的陈旧老化的而导致的钻井渗漏事件，直接造成3 0 0 0 吨c 0 2 泄漏到大气中【3 甜。 因此，在进行工程建设时一定要加强对钻井及废弃井的监控和封闭处理。 2 2 2c 0 2 的泄漏途径 c 0 2 地质封存的目的是把c 0 2 永久的封存于地下，但由于地球内部温度和压力变化、 构造活动等引起的突发事件( 如地震) 、以及人为因素( 如废弃井的封闭处理不完善) 的影响，c 0 2 发生泄漏和逃逸的风险依然存在。其泄漏的方式和途径有以下几种：c 0 2 突破盖层泄漏；由盖层的裂缝和断层泄漏；由于人为因素( 如对井的封闭处理不完善) 泄漏；通过储集层与周围岩层的水文动力系统泄漏【3 3 1 。 其中，对废弃井和注入井的不封闭处理被认为是造成c 0 2 渗漏的最主要途径之一 3 4 。3 5 1 。其原因有以下几个： ( 1 ) 油田中无油气的废弃井，大多不对它们进行封闭或防渗漏处理，从而成了联系 地下与地表的通道； ( 2 ) 整个的地下储盖层完整性被钻井破坏； ( 3 ) 一些钻井设施等被遗弃地下，化学物质与地层中岩石成分产生反应，造成腐蚀、 碱化或酸化，从而对原有的地层稳定性造成破坏。 另外，随着对油田开发程度的加大，钻井数量也日趋增加。这些都为c 0 2 的泄漏提 供了可能的渠道。 第二章枯竭油气藏二氧化碳封存环境风险分析 2 2 3c 0 2 泄漏的环境风险 通常意义上，我们将c 0 2 泄漏所引发的风险分为两大类：全球风险和局部风险。 ( 1 ) 全球风险 全球风险是指由于地震、火山喷发等突发事件，导致大量封存的c 0 2 释放到大气中， 可能引发全球显著地气候和环境变化，形成灾难性后果。 ( 2 ) 局部风险 局部风险则指由于注入井破裂或废弃井泄漏造成c 0 2 突然快速释放，或者通过未被 发现的断层、裂缝发生泄漏造成c 0 2 在地面缓慢地扩散，给当地生态系统及人类的健康 和安全等带来危害。主要发生在以下几个领域： 生态系统。当注入点或封存点的c 0 2 浓度很高时，酸化程度也较高。由于生物化 学作用，c 0 2 浓度的增加将改变当地土壤的p h 值、微生物种类以及营养物质的供应。在 这种环境下，生物的多样性和物种的复杂性将受到严重影响。 高c 0 2 浓度和高温会增加植物的光合作用，同时高温会加快生物呼吸作用【3 6 1 。这就 有可能导致生态系统代谢加快，改变生态系统的有机质平衡。 低p h 值和高c 0 2 浓度环境会导致部分生物的大量繁殖或萎缩，同时，高浓度c 0 2 会 加快周围植物的生长，增加到一定程度后反过来抑制植物的生长。长期存在c 0 2 泄漏的 陆地表面附近，植物一般很难生长。 人类健康。通常情况，当c 0 2 的浓度超过2 ，将会对人的呼吸系统产生严重影 响；如果达到7 1 0 ，人可能失去意识，甚至死亡。但是，野外实验表明，若c 0 2 浓 度低于1 ，目前没有证据表明它对人的危害 3 7 1 。因为c 0 2 密度比空气的重将近5 0 ，逸 出的c 0 2 将在大气流和重力的作用下沿地表扩散并聚集在较浅的洼地，造成局部地区的 浓度偏高。如果人或动物在此活动，也会产生危险。 地下水资源。随着含水层中c 0 2 溶解量的增加，地层水的p h 值随之下降。随着 酸度的增加，许多微量元素在地下水中的富集程度增加，形成一些有机酸，增加某些有 毒重金属如铅、硫酸盐和氯化物的活动性。当它们的浓度聚集到一定程度时，将会对人 类工农业和生活用水的安全和健康造成严重影响。 诱发地震的风险。地层压力会随着c 0 2 的注入而增加，如果注入压力超过地层压 力，可能会诱发地层裂缝的产生和断层的移动。它可能为c 0 2 的泄漏提供通道。同时， 高压可能导致断层活动，从而诱发地震，产生更大的危害。 其他渗漏风险 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 若注入的c 0 2 纯度不高，带入h 2 s 、s 0 2 、n 0 2 等杂质气体，将会存在一些潜在风险。 例如，井喷时，h 2 s 的毒害性要比c 0 2 大得多网；当s 0 2 溶于地层水时，其酸度影响要比 c 0 2 强烈，这些都会导致更加严重的危害性。 因此，如何有效地控制和减少( 或减轻) 这种风险造成的危害，就必须首先细化地 质封存的每一个环节，进行合理的风险评估，并针对渗漏或突发事件能提供有效的防护 措施和应对方案，使c 0 2 地质封存更安全、更稳定、更持久，存在的可能性风险和危害 更小。 2 3 荷兰b a r e n d r e c h tc 0 2 封存的环境影响评价调研 s h e l l 荷兰精练厂在佩尔尼斯实施了一个项目，即在靠近b a r e n d r e e h t 城区附近两个空 的地下深井天然气田封存了约1 0 0 0 万吨c 0 2 。 就b a r e n d r e c h t 封存项目而言，目前c 0 2 被作为废品，而该项目将封存超过5 0 万立方 米的c 0 2 。因此，必须进行环境影响评价。b a r e n d r e c h