海洋CO2封存的國內外進展與啟示

張海濱，盧 迪，熊劍智，李世剛，王教凱，陳亮鴻，高 波

（1.中國海洋石油集團有限公司節能減排監測中心，天津 300450；2.生態環境部珠江流域南海海域生態環境監督管理局生態環境監測與科學研究中心，廣州 510610；3.中海油能源發展股份有限公司清潔能源分公司，天津 300450）

工業革命以來，化石能源燃燒造成大氣中CO2等溫室氣體持續增加，進而引發氣溫上升和氣候變化等全球性生態環境問題[1]。目前，CO2減排成為國際社會的共識和行動目標[2]。近幾十年來，CO2捕集利用與封存（CCUS）技術不斷發展，可以將CO2從工業過程、能源利用或大氣中分離出來，加以利用或回注地層，從而實現永久性的CO2減排[3]。作為化石能源大規?？沙掷m低碳利用的手段[4]，CCUS 技術是實現化石能源利用的近零排放的唯一有效途徑[5]。國際能源署（IEA）評估指出，在實現全球碳近零排放的目標上，CCUS 技術有望貢獻碳減排總量的15%[6]。

近海盆地在海洋碳封存方面具有分布廣、封存容量大、安全性與穩定性高等優勢[4]。研究表明，全球海域沉積盆地的CO2封存容量可達總量的40%[7]。20世紀90年代以來，部分國家已開始實施海洋CO2封存項目。然而，海洋CO2封存技術難度大、成本高，目前國外僅有6 個海洋CO2封存項目成功實施。相比之下，我國海洋碳封存研究起步較晚，但近年來國內學者對我國海洋碳封存潛力、海底封存CO2注入技術、海洋碳封存的穩定性等方面開展深入探索[8-11]。2023年6月1日，中國海洋石油集團有限公司（簡稱中國海油）成功實施我國首個百萬噸級海洋CO2封存工程，預計每年可封存CO230 萬t，累計可封存CO2146 萬t以上[12]。本文綜合梳理國內外海洋碳封存的進展，對比分析國內外海洋碳封存的監測手段，然后提出相應對策，以推進我國海洋碳封存，最終實現碳達峰碳中和目標。

1 國內外海洋碳封存現狀

1.1 國外海洋碳封存現狀

國外海洋碳封存主要涉及兩類項目，一是正在運行碳封存項目，二是暫停實施碳封存項目。

1.1.1 正在運行碳封存項目

（1）挪威Sleipner 咸水層封存項目。該項目是世界首個商業化海洋碳封存項目[13]。Sleipner Vest 氣田于1974年被發現，氣田天然氣含有約9%的CO2。為避免CO2的大量釋放，并受到歐盟排放體系中碳排放稅政策的驅動，挪威國家石油公司于1996年實施挪威Sleipner 咸水層封存項目，將分離的CO2注入Utsira Sand 咸水層（注入層位為埋深1 012 m 的砂巖水層）。該項目自1996年起運行穩定，首年注入量約為90 萬t，后因天然氣產量降低，封存量略有減少。截至2017年，已累計注入超過1 600 萬t CO2。

（2）挪威Snohvit 咸水層封存項目。該項目位于挪威北部近海，在哈默菲斯特盆地中部巴倫支海西南部，天然氣含有5%～8%的CO2，其于2008年實施CO2封存[14]。該項目的封存流程為通過海洋管道輸運天然氣至Melkoya LNG 工廠分離出CO2，后輸運至海上注入井進行回注，地層注入深度約為2 500 m。自2008年開始，項目每年封存約80 萬t CO2，預計在30年內將封存約2 300 萬t CO2。

（3）巴西Lula 油田驅油封存項目。該項目位于巴西桑托斯盆地，于2011年開始試點實施，在2013年6月投入商業運營[15]。Lula 油田是巴西最大的深水油田，也是世界第五大海上油田和第一大鹽下油田。油田處水深大于2 000 m，儲層深度達5 000～7 000 m，CO2含量為8%～15%?；贑O2減排和提高原油采收率增效的雙重目標，巴西首次采用CO2-提高石油采收率（EOR）技術實施海上CO2驅油封存，年封存注入量約為700 萬t，它是世界上首個已實施的海上CO2-EOR 技術項目。

（4）澳大利亞Gorgon 咸水層封存項目。該項目位于澳大利亞西北部海域的西澳大利亞州巴羅島附近，于2019年8月實施[16]。Gorgon 咸水層封存項目主要用于處理離岸100～200 km 的Gorgon 油田和Jansz-Io 油田的18 口井輸送的天然氣，天然氣平均CO2含量約為7%，年封存注入量約為400 萬t。

1.1.2 暫停實施碳封存項目

（1）荷蘭K12-B 枯竭氣層封存項目。該項目位于荷蘭北海海域，是世界上第一個將CO2重新注入同一地質儲層的項目。該項目自2004年起實施CO2封存，持續運行到2017年，已完成超過10 萬t CO2封存[17]。K12-B 油田Rotliegend 儲層的天然氣含有13%的CO2，為降低天然氣運輸成本，將分離的CO2注入枯竭氣層中，地層注入深度約為4 000 m。

（2）日本Tomakomai 咸水層封存項目。該項目是日本政府在北海道Tomakomai 港口附近海域開展的一個大型碳捕集與封存（CCS）示范項目，旨在證明完整的CCS 項目的可行性[18]。CO2源是Tomakomai港煉油廠的制氫單元的變壓吸附（PSA）廢氣，該項目通過一條1.4 km 長的管道向捕集設施提供CO2，地層注入深度約為1 000 m。該項目于2016年4月開始封存，但在2019年暫停，封存注入總量約為30 萬t。

1.2 國內海洋碳封存現狀

1.2.1 海洋碳封存潛力

全球理論海洋封存容量為2 萬億～13 萬億t，其中深部咸水層封存占據主導位置，其容量占比約為98%，分布廣泛，它是較理想的CO2封存場所[3]?！吨袊趸疾都门c封存（CCUS）年度報告（2023）》指出，中國理論CO2地質封存容量為1.21 萬億～4.13 萬億t，主要包括咸水層、油氣田等地質構造[4]。其中，深部咸水層的封存容量為0.16 萬億～2.42 萬億t，分布在塔里木盆地、渤海灣盆地、珠江口盆地等大中型沉積盆地[4]。我國近海的渤海盆地、珠江口盆地、東海陸架盆地儲蓋層組合好，盆地內發育眾多背斜、斷鼻等類型的圈閉，有著十分豐富的海底地質咸水層和油氣儲層空間，具有較好的封存適宜性，具有分布廣、封存容量大、封存條件較好、安全與穩定性高等優勢。雖然我國海洋碳封存的容量巨大，國際上實施的海洋碳封存示范項目也為我國海洋碳封存項目發展提供了技術示范，但由于海洋封存成本高、存在泄漏風險、泄漏監測困難、經濟效益尚不明朗，我國于2023年6月才在南海的恩平油田實施了第一例海洋碳封存項目。

1.2.2 國內海洋碳封存案例

為積極響應碳達峰碳中和與推動海上油田綠色低碳開發，中國海油實施了首個百萬噸級海洋CO2封存工程。該工程位于中國南海珠江口盆地，距岸最近距離約為130 km，工程設施區域水深為84.5～92.1 m。恩平15-1 油田在開發過程中伴生高含量的CO2，同時油田800 m 咸水層呈穹頂式結構，水層上部發育多套泥巖，蓋層密封性好，具備良好的封存條件。恩平15-1 油田中心平臺（CEP）建設高含CO2氣回注封存系統，高含CO2井所產物流在管匯匯合后，進入高含CO2分離器進行氣液分離，分離的CO2含量可超過95%。這部分氣體干燥脫水后回注地層，注入層位為埋深830～920 m 的粵海組1 號水層，預計每年可封存30 萬t，累計可封存146 萬t 以上。

2 國內外海洋碳封存監測技術方案

2.1 國外海洋碳封存監測

由于海洋碳封存時空跨度大、封存地質條件復雜、氣體泄漏路徑不確定，對海洋碳封存的有效性和安全性進行長期地質環境監測尤為重要[15]。封存區地質環境監測一般包括以下內容：識別封存全過程可能泄漏路徑及潛在風險，明確監測范圍[19]，確定監測目標和任務，比選監測技術，確定監測頻率[7]。

國外已實施的海洋碳封存項目的環境地質監測一般采用多種技術，包括地震監測、化學示蹤劑監測、井下溫度和壓力監測、井下流體采樣、海水水柱采樣和海底沉積物采樣等[7]。例如，為了監測CO2羽流遷移情況，判斷封存的CO2是否泄漏，挪威Sleipner 咸水層封存項目實施海底監測方案，采用3D 地震探測、2D 地震探測、海底重力監測、海底地表成像、水柱取樣、沉積物取樣等監測手段。3D 地震探測技術利用CO2進入儲層時通常呈超臨界狀態的特性，與封存前鹽水填充儲層的聲速差異對比，對碳封存狀態進行三維監測。挪威Sleipner 咸水層封存項目于1999—2016年多次進行重復三維拖曳地震勘測，監測CO2羽流遷移情況，監測結果顯示，自1996年運行以來，項目未發生CO2泄漏。挪威Snohvit 咸水層封存項目采用井下壓力和溫度監測以及延時3D 地面地震勘測，主要監測目標是CO2羽流遷移情況和井下壓力，確保注入壓力不超過斷裂閾值，以保持儲層及其蓋層的機械完整性。

2.2 國內海洋碳封存監測

為了監測恩平15-1 油田CO2回注封存項目實施前后的海洋環境變化，保證注入安全和注入效果，中國海油制定海洋碳封存監測計劃。該計劃針對CO2回注封存項目各階段的重點，分階段對地層水、回注參數、時移地震和海洋環境現狀進行監測（回注前、回注中和停注后）[20]。在回注前階段，主要開展回注層的地震監測和回注區海洋生態環境監測。在回注海域進行2 期（春夏兩季）生態環境監測，對水質、沉積物和生物樣品進行采樣，并對水文氣象、海水化學、海洋地質等指標進行分析檢測。其中，海水化學指標包括溶解無機碳、堿度、pH、CO2分壓、溶解氧、顆粒有機碳、溶解有機碳、溫度、鹽度、葉綠素、營養鹽、透光度、初級生產力、含油量、化學需氧量（COD）；海洋生物指標包括浮游植物、浮游動物、底棲生物、漁業資源；海洋地質指標包括沉積物類型、沉積物重金屬、石油類、有機碳；水文指標包括流速、流向等?；刈㈦A段針對回注參數（井筒完整性和腐蝕性等）進行監測；停注階段通過時移地震和海洋生態環境監測，掌握回注層CO2羽流遷移情況和回注海域生態環境變化情況。

國外對海洋CO2地質封存環境監測制定監管條例，受控CO2釋放試驗的研究計劃也陸續開展，包括地質碳儲存對生態系統的潛在影響定量和監測項目（QICS），CO2封存測量、監測和驗證項目（ETI MMV）和海洋二氧化碳捕集與封存環境監測策略（STEMM CCS）等[15]。然而，我國尚未提出海洋CO2封存項目的環境地質監測技術規范，在監管條例和規范標準方面存在空白。因此，建議針對恩平15-1 油田CO2回注封存項目開展環境地質監測研究，借鑒國外先進的環境地質監測技術手段（井筒監測、海底成像、示蹤劑監測等），針對地質油藏特點、地質地層結構和封存方案，優化并篩選監測技術[19]，確保海油綠色低碳開發和海洋生態環境安全。

目前，我國對海洋CO2含量的監測處于起步階段，識別封存區CO2泄漏存在一定的技術挑戰。由于海底存在一定含量的CO2，技術層面，識別封存區CO2泄漏或是自然CO2逸散存在難度[15]。因此，在恩平15-1 油田CO2回注封存項目運行前對封存區進行詳盡完整的環境基線調查，掌握封存前封存海域的碳酸鹽體系和海洋生態體系的自然本底狀況，避免將自然發生的海底氣體逸出識別為CO2泄漏，同時也為后續開展海洋CO2封存項目對海洋生態環境的影響分析提供資料基礎。

3 結語

目前，在碳排放稅政策的引導下，一些國家已實施多個海洋CCUS 項目，海洋碳封存基礎理論研究取得一定進展，尤其是封存后地質環境監測。我國海洋碳封存起步較晚、經驗較少、規模不大，與國外相比，我國在海洋碳封存基礎理論研究方面尚有差距。海洋碳封存項目需要長周期投入，涉及多方面因素，如地理地質條件、社會經濟效益、科學技術方法等，因此要深入分析每個海洋碳封存項目的必要性和可行性。對于具備條件的海洋碳封存項目，我國應制定頂層規劃，提供配套政策，借鑒國外先進經驗，加強技術創新，形成規劃政策配套和技術應用支撐的合理體系，確保各板塊的技術應用銜接順暢和有序推進，以實現碳達峰碳中和目標。