工 业 技 术
CO 2
因具有温室效应被普遍认为是导
致全球气候变暖的重要原因之一。如何减少CO 2排放，已经成为全人类面临的共同难题。国际社会也一直在积极寻求CO 2的减排对策。绝大多数的CO 2排放都是由于燃烧化石燃料引起的。化石燃料(包括煤炭、石油、天然气等)是世界能源的主要组成部分，在未来几十年内，预计化石燃料的使用和消耗将进一步增加。国际社会对化石燃料的长期依赖性迫使各国亟需寻求新的减排方法。CO 2捕获和封存技术(CO 2 Capture &Storage，以下简称CCS)被认为是一项具有广泛应用前景的CO 2减排新技术。
C CS 是一种将工业和能源等集中排放源产生的CO 2进行收集、运输并安全封存到某处使其长期与大气隔离的技术。C C S 主要由捕获、运输和封存三个环节组成。其中，关于CO 2的捕获与运输环节，已经有相对成熟的技术和工艺，现阶段面临的主要是成本问题。而最后一个环节,CO 2的封存，目前仍然存在着很大的不确定性，面临着许多挑战。CO 2的封存方案主要包括地质封存和海洋封存两大类。由于海洋封存有可能对海洋生态环境带来灾难性的影响，国
际社会目前推动的主要是CO 2的地质封存。CO 2的地质封存场所主要包括：开采后期(或枯竭的)油气层、不可开采的煤层，以及深部地下咸水层。其中，地下咸水层在世界范围内分布广泛，并且拥有巨大的封存潜力，被认为是封存CO 2最适宜的场所之一。但是利用地下咸水层封存CO 2涉及到CO 2与深部地质环境的复杂相互作用，现有的知识技术水平还无法确保CO 2能够安全、稳定和长久(几百年甚至上千年)地封存于地下，因此需要科学家们对此开展进一步深入的研究。
1 地下咸水层封存CO 2的基本原理
地下咸水层是指地底深处具有封闭构造的含地下水盐溶液的岩层。地下咸水层封存CO 2的基本原理，就是将加压后高密度的CO 2通过注射井注入地下岩层的孔隙空间中以替代原有位置的地下咸水。在此过程中,CO 2会部分溶解于地下咸水中，或者与地下咸水中的矿物成分或构成岩石骨架的矿石颗粒发生化学反应，从而达到长期封存CO 2的目的。
CO 2注入地下咸水层后主要存在三种
状态:(1)溶解状态：一部分CO 2将溶解在地下水中。(2)超临界状态:CO 2一般封存于深度大于800m的地下咸水层中，此时地下温度和压力均在CO 2的临界点以上,C O 2将处于一种被称作超临界的状态，其特点是既具有近似液体的较大密度，又具有近似气体的良好的流动性。(3)矿物状态：在咸水层里，部分CO 2还能够与地下水及岩层中的矿物或有机质发生化学反应生成碳酸盐矿物，形成最为稳定和持
久的存在形式。在这三种形式中，由于CO 2在地下水中的溶解能力较小，溶解封存只占4%～6%，而矿物封存进程缓慢，需要上千年甚至更长的时间才能达到一定的封存量。因此，在科学家们所关注的时间跨度内(几十年至几百年)，注入地下咸水层中的CO 2主要以第二种形式，即超临界状态存在。
2 地下咸水层封存CO 2的研究现状
2.1C O 2在地下咸水层中的运移规律
前已述及,CO 2在注入地下咸水层后主要以超临界状态存在。而超临界状态CO 2在地下咸水层中的运动是一个非常复杂的多相态流动过程：一方面，超临界状态CO 2注
①基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)课题(2011AA050604)资助。
作者简介：叶斌(1977,—)，男，江西人，讲师。主要从事地质工程岩土工程方面的研究工作。
地下咸水层封存C O 2的研究现状及展望①
叶斌1,2 叶为民1,2
(1.同济大学地下建筑与工程系;2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室 上海 200092)
摘 要:CO 2捕获和封存技术是一项具有广泛应用前景的碳减排新技术，而地下咸水层是封存CO 2最适宜的场所之一。首先介绍了地下咸水层封存CO 2的基本原理；然后重点从三个方面论述了利用地下咸水层封存CO 2的研究现状，包括CO 2在地下咸水层中的运移规律，地下咸水层的地质条件分析与评价，以及CO 2封存容量的估算三个方面；最后建议我国要进一步研究超临界CO 2在地下咸水层中的渗流机理，并对具有封存潜力的地下咸水层逐步开展地质勘探与评价工作。
关键词：温室效应 气候变化 二氧化碳封存 二氧化碳减排 地下咸水层中图分类号:X141文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)12(c)-0066-05
RESEARCH S TATUS A ND PR O SPEC T OF CO 2 SEQ UESTR ATI ON IN DEE P SA L I N E
A Q U I F E R
YE Bin 1,2 YE Weimin 1,2(1.Department of Geotechnical Engineering, Tongji University;2.Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of
Education, Tongji University, Shanghai 200092, P.R.China)Abstract: CO 2 Capture and Storage is an efficient CO 2 emission reduction technology with wide application prospect. Deep saline aquifer is considered to be the most suitable site for CO2 questration. Firstly, the basic principle of CO 2 q
uestration in deep saline aquifer was introduced; condly, rearch status and prospect of CO 2 questration in deep saline aquifer were discusd from three aspects, including transport and transformation mechanisms of CO 2 in deep saline aquifer, investigation and asssment of
geological conditions of deep saline aquifer, and estimation of CO 2 questration capacity; finally, it
was advid that the epage mechanism of CO 2 after injected into deep saline aquifer should be further studied, and China should start the work of geological investigation for potential sites that are possible to be ud for CO 2 questration.
Key Words:Greenhou effect;Climate change;CO 2 questration,CO 2 emission reduction;Deep saline aquifer
.com. All Rights Rerved.
工 业 技 术
入地下咸水层后将在压力梯度和浓度梯度
的作用下随地下水一起扩散；另一方面，由于超临界状态CO
2
的密度往往小于地下流体，因此会在浮力的作用下向上方运动。此
外，当CO
2
移动通过岩层孔隙时，毛细作用
会阻碍CO
2的运动，有一些CO
2
因毛细作用
力而滞留在孔隙空间中。这三种运动往往
同时进行，构成了非常复杂的渗流行为。同时,CO
2
的渗流过程还有可能受到许多环境因素的影响，如地层中的温度和压力会直
接影响CO
2
的粘滞性，进而影响其在岩石介
质中的渗透性能;CO
2
－地下水－岩石三相系统中的矿物化学反应尽管进程缓慢，但是即使生成少量的碳酸盐矿物也可能会使
岩石介质中的孔隙率发生变化，从而对CO
2的渗透性能产生影响。
伴随着CCS技术的发展，科学家们首先
利用现场试验和监测数据开始研究CO
2
封存于地下咸水层后的运移规律。1996年，挪威的Statoil石油公司在北海的Sleipner天然
气田上开始了人类历史上第一次把CO
2
封存于地下咸水层的工业实践。该公司每年向位于海底下1000m深的高渗透性Utsira砂
岩地层中注入100万吨左右的CO
2
[1]。以此为契机，国际能源署(IEA)于1996年至1999年
实施了Sleipner Aquifer CO
2
Storage (SACS)国际合作研究计划[2]，采用地震波法
跟踪监测注入地下后的CO
2
的迁移状态。监
测结果显示大部分超临界状态CO
2
在浮力作用下先逐渐上浮，达到上覆不透水岩层的底部后沿着上覆岩层的底部轮廓向四周
逐步扩散。这说明浮力在超临界状态CO
2
的运动中起到非常显著的驱动作用。2004年，美国能源局在德克萨斯州北部的Frio地层
中开展了CO
2
咸水层封存的先导性试验计划[3]。该计划利用一口注射井向Firo地层中
以每天160吨左右的速率注入CO
2
，并利用
另一口观测井进行CO
2
注入前、注入过程中以及注入后的水文监测、地球化学监测和
地球物理监测。日本在CO
2
地下封存研究方面也进行了探索性的试验项目。2000年至2007年，日本RITE研究所在长冈将大约1万
吨的CO
2
注入地下1200m深的咸水层中，并采用地震波法、直接钻孔勘查法、孔间弹性
波层析法等多种手段监测CO
2
在地下咸水层中的迁移状况[4]。监测结果表明，超临界
状态CO
2
在地下咸水层中渗透速度缓慢，处
于非常稳定的封存状态。在阿尔及利亚的
In Salah地区，石油公司自2004年开始也将
从天然气中分离出来的CO
2
重新注入到地
下咸水层中，并观测CO
2
的运移过程。除了使用地震波法和钻孔观测等常规方法以外，还首次利用卫星影像技术观测注射井附近的地表运动情况[5]。此外，加拿大，德
国，英国等国也先后开展了CO
2
在地下咸水
层中封存的试验项目研究[6]。在国内，神华
集团结合煤化油项目在内蒙古鄂尔多斯盆
地，中科院地质与地球物理研究所庞忠和
领导的研究小组结合地热资源的利用在渤
海湾盆地都开展了CO
2
地下咸水层封存的
试验项目。目前，相关研究正在进行之中。
这两个项目的实施将对我国今后的CO
2
地
下咸水层封存实践起到重要的指导作用。
CO
2
在岩层中的渗透过程受到多种因
素的影响，由于现场试验无法对各种影响
因素进行有效的控制，因此，可控条件下的
室内渗透试验成为研究CO
2
渗透机理的重
要基础手段。Xue等人[7～8]开展了一系列研
究CO
2
在岩石介质中的渗透过程的室内试
验。他们分别将气态、液态和超临界状态的
CO
2
注入砂岩试样中，并用弹性波检测不同
相态的CO
2
在岩石中的运动情况，发现超临
界状态CO
2
在岩石中的渗透速度要远大于
气态和液态的CO
2
，并且渗透性能与岩石的
孔隙结构特征紧密相关。然而囿于试验设
备和测试手段，目前CO
2
渗透的室内试验成
果还相对较少。
溶解于地下水中的CO
2
与地下水盐溶
液及岩石矿物成分发生的化学反应也有可
能影响CO
2
在岩层中的渗透性能。一些学者
通过室内试验研究了CO
2
－地下水－岩石
系统中所发生的化学反应[9～10]。溶解在地下
水中的CO
2
生成的碳酸根离子能与地下水
中的金属阳离子或是岩石中的硅酸盐矿物
发生化学反应，生成碳酸盐矿物。尽管这是
矿物封存CO
2
的一种稳定方式，但是生成的
碳酸盐矿物有可能聚集在岩石孔隙中，降
低岩石的孔隙率，从而降低CO
2
在岩层中的
渗透性[11]。Xiao等人[12]对CO
2
注入地下咸水
层后的化学反应过程进行了数值模拟，发
现在注射井附近的区域由于岩层中硅酸盐
矿物的溶解会导致岩石孔隙率增大，而在
远离注射井的区域由于碳酸盐矿物的形
成，岩石的孔隙率会降低。
此外，数值建模和分析也是研究CO
2
在
地下咸水层中运移规律的重要手段。有不
少学者在这方面进行了相关的工作。例如,
Weir等人[13],Pruess等人[14]对CO
2
注入均质地
层后的径向扩散流动过程进行了数值模拟
分析;Lindeberg[15]在CO
2
流动模拟过程中考
虑了断层的影响;White等人[16],Zhang等人
[17]则通过数值模拟分析了地层的不均匀性
对CO
2
流动过程的影响;Sasaki等人[18]对CO
2
的注入过程进行了数值模拟研究，主要分
析了地下岩层的压力和温度对CO
2
渗透过
程的影响。Yamamoto等人[19]对CO
2
封存于东
京湾地下咸水层后的迁移状态进行了数值
模拟，发现CO
2
的渗透会引起浅层地下水孔
隙水压的上升并对地下水的渗流产生影
响。在国内，郑艳等人[20]对江汉盆地江陵凹
陷区CO
2
流动过程进行了数值模拟，分析了
注入CO
2
的运移分布和溶解扩散情况。刘永
忠等人[21]通过数值模拟研究了超临界CO
2
注入的过程参数和咸水层特性对CO
2
注入
特性和咸水层中饱和度分布的影响。然而,
目前的数值模拟研究采用的主要是传统的
多相流体在多孔介质中的渗透理论和控制
方程，而尚未考虑超临界状态CO
2
流动所具
有的特殊性质，如在压力和温度作用下CO
2
在超临界状态－溶解态之间的相态转化因
素等。
2.2地下咸水层的地质条件分析与评价
考虑到CO
2
地下封存的安全性和空间
封存效率，适合于封存CO
和顺集团2
的地下咸水层必
须满足如下四个方面的标准[6]:(1)深度大于
800m，此时地层的温度和压力均在CO
2
的
临界点以上，能保证CO
2
处于超临界状态,
具有较大的密度和较好的流动性。(2)具有
容纳和封存CO
2
的能力，即地下咸水层必须
具有较大的体积规模，较大的孔隙率和较
高的渗透性。(3)具有良好的封闭构造，保证
注入的CO
2
不会逃逸返回至大气层。(4)处于
稳定的地质环境中，发生地质构造运动的
概率小。这四个方面的要求都与CO
2
储层和
盖层的地质条件紧密相关，因此在选择封
存场所时必须对地下咸水层储层和盖层的
地质特征做综合的评价。孙枢[22]总结了CO
2
地下封存选址时需要考虑的地质因素，指
出CO
2
封存场所应优先选择岩层完整性较
好的沉积盆地，并进一步考虑其①封存介
质的特征，包括它们的几何形态、内部架
构、岩石学-矿物学特征、孔隙度-渗透率、
非均质性、岩石力学性质、破裂程度和整体
完整性等。②现场(原地)条件特征，包括应
力条件、压力、温度、流体流动方向、地下水
盐度等。要综合考虑这些因素必须掌握足
够的地质勘探信息。然而对于大多数的地
下咸水层，科学家们目前掌握的信息并不
充分，因此在很多情况下只能从宏观尺度
上粗略地判断某个地下岩层用于封存CO
2
的可行性。
为了克服认知上的不足，不少国家已
经开展了针对具有CO
2
封存前景的地下岩
层的地质勘探与评价工作。如Chadwick等
人[23]结合挪威北海的Sleipner项目，分析了
用于封存CO
2
的Utsira砂岩层及其上覆岩层
的地质特征。Bradshaw等人[24]对澳大利亚
有可能用于封存CO
2
的100个沉积盆地进行
了调查和分析，着重考虑它们的地质构造
.com. All Rights Rerved.
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特点及用于封存CO
2
的可行性。日本也对具
有封存潜力的地下岩层的地质特征进行了调查和分析，发现满足封存条件的地下咸水层主要分布在近海大陆架区域[25]。在国内，张洪涛等人[26]从我国主要的沉积盆地
的地质成因出发，分析了中国适宜CO
2
埋存的地质条件和潜在的埋存区域，指出受新构造运动的影响，我国主要大型盆地均沉积了多层组合的沉积体系，形成了较好的封存条件。如在松辽平原、黄淮海平原、长江三角洲、西北内陆盆地、四川盆地，都有
可能分布有满足CO
2
封存要求的地下咸水
层。但是，国内目前关于CO
2
地下封存的地质条件的调查与评价方面的具体工作尚未全面开展。
2.3CO
2
封存容量的估算
在C O
2
地下封存实施之前，除了要对辣炒海鲜
CO
2
封存的稳定性进行评价以外，还必须对它的封存容量进行估算。正确可靠的估算对于封存选址以及封存方案的制定等都具有重大的意义。不少科研机构和科学家已
经对全球或某个区域等不同尺度的CO
2
地下咸水层封存容量进行了评估。例如，欧洲多个研究机构于2006年共同发起了E U-GeoCapacity项目，专门致力于评价欧洲范
围内不同地区的CO
2
地质封存潜力[27～32]。Shafeen等人[33]对加拿大Ontario地区的两个地下咸水层的封存容量进行了计
算。Ogawa 等人[34]评估了日本的地下咸水层的封存潜力。国内的相关工作也已经逐步开展。李小春等[35]利用溶解度法估算了中国24个主要
沉积盆地1000～3000m深度范围内的CO
2
封存容量。任相坤等人[36]对鄂尔多斯盆地的
CO
2
地质封存潜力进行了分析，初步预测
CO
2
的封存容量大约为数百亿吨。张亮等人[37]对我国南海西部的5个地下咸水层的封存潜力进行了测算。周蒂等人[38]对广东珠江
口盆地的CO
2
封存潜力进行了估算，预测其封存容量可达308Gt，能够容纳广东省上百
年的工业CO
2
排放量。
部分学者也提出了一些通用化的估算方法[39～42]。这些方法主要是通过地下咸水
层的储层体积来估算CO
2
的封存容量。首先根据储层的几何尺寸估算其体积大小，然
后测算单位体积的储层所能容纳CO
2
的数
量，进而估算整个咸水层的CO
2
封存容量。然而，由于在评估过程中所做的基本假定，所采用的估算手段，以及所使用的基础数据的不同，即使对同一个封存区域，不同的科学家所得到的估算结果也往往大不相同。Bradshaw等人[43]总结了43个由不同科学
家或研究机构对世界及区域范围内CO
2
地下封存容量所做的估算结果，发现不同学者对同一区域的估算结果可能存在数量级
上的差异。为了克服这一困难，碳封存领导
人论坛(Carbon Sequestration Leadership
Forum, CSLF)已经着手制定标准化的统一
的评估方法来消除分歧[44]。然而，评估结果
的可靠性依然取决于输入信息的准确度,
因此，通过地质勘探和现场试验研究获取
更加完整和准确的储盖层信息资料对于
CO
2
封存容量的评估具有重要的意义。
3 结论与展望
作为发展中国家，我国在目前阶段尚
未承担强制性的减排任务，但是我国CO
2
排
放量已位居世界第一，面临着巨大的减排
压力。研究开发具有我国自主知识产权的、
经济高效的CO
2
地下咸水层封存技术，推动
CO
2
减排，对于实现我国社会经济可持续发
展和营造良好的国际环境具有重要意义。
但是，利用地下咸水层封存CO
2
还面临着许
多困难和挑战，有许多问题需要开展进一
步的研究。
(1)CO
2
注入地下咸水层以后，将主要以
超临界状态的方式存在。因此，研究超临界
状态CO
2
在地下咸水层中的运动与变化机
理对于CO
2
封存的安全性和稳定性评估具
有重要的意义。目前，科学家们主要是通过
CO
2
封存的现场试验和监测数据研究CO
2
封
存于地下咸水层后的运动与变化规律。也
有部分学者通过室内试验以及数值模拟分
析的方法进行研究。
(2)适合于封存CO
2
的地下咸水层必须
满足一定的标准，这些标准涉及到地下咸
水层的地质条件的各个方面。要想全面获
得这些信息，需要进行大量和艰巨的地质
勘探和现场试验工作。现阶段，对于大多数
的地下咸水层，科学家们对相关信息掌握
得还不充分，因此在很多情况下只能从宏
观尺度上粗略地判断某个地下岩层用于封
存CO
2
的可行性。
(3)关于CO
2
地下咸水层封存容量的评
估，不同学者得到的估算结果存在巨大的
差异，这是由于学者们所做的基本假定，所
采用的估算方法，以及所使用的基础数据
的不同而造成的。为此，碳封存领导人论坛
(CSLF)提出了统一的CO
2
封存能力评估的
标准化方法，但是估算结果的可靠性依然
取决于输入信息的准确度。因此，通过地质
勘探和现场试验等研究手段获取更加完整
和准确的地下咸水层的地质信息对于CO
2
封存容量的评估具有重要的意义。
与先进国家相比，我国关于地下咸水
层封存CO
2
方面的研究工作起步相对较晚,
但是从总体上来说，国际上研究的历史也
并不算太长，世界各国整体均多处在试验
阶段。因此，我国仍然具有赶超国际先进水
孤独寂寞的图片
平的机会。综合本文的分析结果，笔者认为
我国现阶段应当加强超临界CO
2
在地下咸
水层中的渗流机理方面的研究工作，并在
全国范围内对具有封存潜力的地下咸水层
逐步开展地质勘探与评价工作。
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表1所示，气动元件输入、输出端子如图1所示。利用梯形图编写该实验平台的P L C 程序，货运站与机械手复位及调用高速计数器子程序的PLC程序如图2所示。
2 基于组态软件MCGS 的监控系统开发
T H W G D -1光机电一体化实验平台的监控系统，由平台本体、PLC及MCG S构成，见图3所示。系统利用PLC指令来控制步进电机、伺服电机、变频器、机械手和电磁阀等功能部件，利用MCGS进行
旋风女队
仿真并监控该
实验平台的运行。
通过监控系统可实现对该实验平台的实时监控，监控系统的工作过程为：实验平台系统上电之后，打开MCG S组态环境，进入手动运行界面如图4所示，手动运行用于实验平台微调，此时可以点动操作。点击自动运行时，系统处于按照预先设定的程序
自动运行，进入自动运行界面如图5所示。通过指示灯和组态界面，可以直观的监控实验平台的运行，在监控过程中还可方便地对P L C 程序数据进行设定。
3 监控系统通信协议设计
在实际工程中，通信连接应用较多的为西门子的P P I 、P R O F I B U S 及以太网三种网络[4～5]。本文开发的监控系统采用的
通信协议为PP I通信方式。首先，利用PP I 电缆将P C 机串口联结到S 7-200的通讯口，并打开P L C 编程软件S T E P 7-M i c r o /W I N ，设置P G /P C 接口，选择P C /P P I cable(PPI)，设置PPI的通信地址、通信速率、通信时间及通信端口。然后，打开组态软件M C G S ，添加通用T C P /I P 和西门子S7-200PP I到设备窗口、打开西门子S 7-200PPI而进入设备属性设置界面，连接对应的数据对象，
在连接完成后选择设备调试：若0通道的数据为0，则表示通信连接成功；若数据为2时，则表示通信尚未连接成功，需要检查上述操作。
4 结论
本文针对目前P L C 监控方法的不足，基于组态软件MCG S开发了光机电一体化实验平台的监控系统，较好实现PL C工作状态监控的功能。应用实践表明：该系统简单便利，可直观地观察到实验平台控制的全过程，教学效果良好。
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图4 手动运行组态界面
图5 自动运行组态界面
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