大气中CO₂太多怎么办？抓起来埋到地下去！
提起CO₂，不由得让人心情复杂。一方面，它的存在能给地球保暖，是植物光合作用产生氧气的原料；另一方面，过多的CO₂又是温室效应的罪魁祸首，会引发南北极冰川融化、海平面升高、大气环流重组和极端天气频繁出现等诸多问题。
有人想到，人类排放的CO₂大部分都是燃烧在地下埋藏了上亿年的化石能源而释放出来的，为什么不考虑将CO₂重新送回到地下去呢？于是，CO₂地质封存技术应运而生。
1850年以来全球表面年平均气温变化趋势图
（图片来源：参考文献【1】）
（黑色线为实际气温观测值，褐色线为考虑人类和自然因素共同作用下气温的数学模拟值，绿色线为只考虑自然因素作用下气温的数学模拟值）
CO₂地质封存，封存到哪儿？
CO₂地质封存是指通过工程技术手段将捕集的CO₂ 注入深部地质储层，实现CO₂与大气长期隔绝的过程。按照地质封存体的不同，主要可分为深部咸水层封存、枯竭油气藏封存和深部不可开采煤层封存。
CO₂地质封存主要类型示意图
（图片来源：参考文献【4】）
1. 深部咸水层封存——要么变成岩石，要么被
压制
深部咸水层是指地下深处岩石空隙中的水矿化度(即Ca2+，Mg2+等离子总含量)很高的地层，这种地质结构在全球普遍分布。至于为什么选择咸水层，大家还记得中学学化学时那瓶屡试不爽的澄清石灰水吗？考试时经常拿它来检测CO₂，就是因为其中的Ca2+能与CO₂和水反应生成CaCO3，产生沉淀，进而使澄清石灰水变浑浊。
朋友们，还有人记得我澄清石灰水吗
（图片来源：作者自制）
咸水层中的水有大量Ca2+，Mg2+等离子，它们喜欢通过和CO₂反应生成CaCO3、MgCO3来留住部分CO₂，其实CaCO3、MgCO3也是自然界中石灰岩和白云岩的主要化学成分，也就是说咸水层把这部分CO₂变成了岩石。
桂林山水主要是发育在石灰岩和白云岩上的喀斯特地貌
（图片来源：veer图库）
不过咸水层中Ca2+，Mg2+的含量有限，无法留住所有CO₂的心，因此还是有很多CO₂以分子形式游离存在，遗世而独立，受浮力作用会上升至咸水层的盖层之下，然后被压制很多年。孙悟空当年被如来佛祖压在五行山下只有五百年，而CO₂显然没有这么幸运，有学者模拟研究表明，在合适的温度和压力条件下，注入的CO₂可以在咸水层中封存几千年甚至上万年。
在全球所有封存类型中，深部咸水层封存占据主导地位，其封存容量占比约98%，且分布广泛，是较为理想的CO₂封存场所。中国深部咸水层的CO₂封存容量约为24200亿吨，约占总封存量的一半。我国在咸水层封存工程实践方面也早有布局，国家能源集团鄂尔多斯煤制油分公司10万吨/年的CO₂咸水层封存项目已于2015 年完成30万吨注入目标，并停止注入，进入监测期。
国家能源集团鄂尔多斯煤制油分公司CO₂捕集与封存工业化示范项目
（图片来源：参考文献【9】）
2. 枯竭油气藏封存——驱油采气
油田、天然气田经过一定时间的开采后，剩下的油气几乎不能被采出，就变成了所谓的“枯竭油气藏”。新鲜的油气藏之所以能顺利开采，是因为这些油气早已在地层下被埋藏压迫了上亿年，挤压严重，“情绪很大”，早就想突破地面封印迈向阳光下的新世界。有时候，甚至只要人类能够开个口，这些油气就会自己源源不断地喷涌而出。
而枯竭油气藏则意味着有相当一部分油气已经去新世界追求幸福了，剩下很少一部分油气的生存空间已经没有那么蹩仄，所以它们也不怎么想出去了。另外还有一些受地质条件限制行动不便的油气，它们也还没有离开油气藏。对人类来说，通过常规手段已经不容易把它们抽上来了，即便勉强把它们抽上来，那也是成本大于盈利的赔钱买卖。
不过，要是碰到CO₂，情况就不同了：如果我们将CO₂注入枯竭油气藏中，一方面封存了CO₂，另一方面注入的CO₂会侵占原来残留在地下空隙中的石油和天然气的巢穴，将它们赶出地下，进而提高这些油气田的采收率，提高的这部分产量又可以补偿捕获与储存CO₂的成本，可谓一举两得。
此外，因为人们在多年开采中对枯竭油气藏的地质构造信息已经掌握得比较全面，研究得也更为透彻了，所以尽管其封存量不如深部咸水层，但在CO₂地质封存的早期研究阶段很适合作为封存场所。不过需要注意的是，由于之前油气田开采时可能留下了一些没有封闭好的孔道，所以在开展CO₂封存项目前必须详细地勘察，否则这些孔道将来可能会成为CO₂逸出的通道。
中国油气藏主要分布于松辽盆地、渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地和准噶尔盆地等地方，利用这些油气藏可以封存约294亿吨的CO₂。据中国石油网报道，新疆准噶尔盆地油田克下组油藏CO₂捕集利用与封存先导试验从2019年年底开始注入液态CO₂，目前已累计注入9万吨。2021年12月15日，试验区一口井经压裂引效后，日产油也从0.7吨增至6.4吨并实现稳产 。
3. 深部不可开采煤层封存——收集煤层气
深部不可开采煤层也是可能的封存结构，原理和枯竭油气藏类似。
将CO₂注入到深部不可开采煤层后，CO₂会进入煤层中的微小孔隙中。煤层通常都伴生有甲烷（CH4），由于CO₂的密度比CH4大，CO₂进来之后会驱离CH4，人们可以收集后者作为燃料，即煤层气（属于非常规天然气）。
该过程不仅储存了CO₂，同时还开采了煤层气这种优质能源，具有双赢效果。不过，CO₂驱替煤层气的方式目前还处于先导试验阶段，由中联煤联合阿尔伯塔研究院、澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）、中国科学院武汉岩土力学研究所等单位于2004 年起在沁水- 临汾盆地的柳林和柿庄开展了一系列试注与监测研究。
中国CO₂驱替煤层气先导试验
（图片来源：参考文献【6】）
封存容量有多大？
全球陆上理论封存CO₂容量为6~42万亿吨，海底理论封存容量为2~13万亿吨，中国CO₂地质封存潜力约为1.21~4.13万亿吨，其他主要国家和地区地质封存潜力如下表所示：
世界主要国家及地区CO2地质封存潜力与排放
（数据来源：参考文献【4】）
不过受技术、法律、成本等多种条件限制，理论封存量和实际封存量是不能等量齐观的，封存量分级往往呈金字塔型结构。
据学者预测，中国到2030 年CO₂封存成本为40~50元/ 吨，到2060年封存成本可降至20~25元/ 吨。CO₂从地下的化石能源而来，若能又回到地下去，也算是大自然的一种循环和回归了。
CO₂封存量分级
（图片来源：作者自制）
结语
“中国将力争2030年前达到二氧化碳排放峰值，努力争取2060年前实现碳中和”，这一“3060目标”被纳入“十四五”规划建议。
与早已完成工业化的发达国家相比，我国实现碳达峰、碳中和目标的时间更紧、困难更多、任务更艰巨。除了节能减排，我国也力争通过二氧化碳捕集利用与封存（CCUS）技术实现负排放。在利用与封存层面，已经发展出了生物利用、化工利用、地质利用与封存等多种技术。
利用深部咸水层、枯竭油气藏和深部不可开采煤层等开展封存，是目前比较有效和可靠的CO₂封存方式，在中国、加拿大、澳大利亚、美国等国家都有应用，拥有巨大的减排潜力。不过，目前CO₂地质封存的成本依然较高，还有很多关键技术等待突破。期望通过研究人员的不懈探索，能真正实现“让CO₂从哪儿来回哪儿去”。
参考文献：
[1] IPCC, 2021. Climate Change 2021：The Physical Science Basis. Working Group I contribution to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change．IPCC，Geneva Switzerland.
[2] 维基百科-碳捕集与封存.
[3] 陈昌照,王万福,陈宏坤,等. 二氧化碳咸水层封存的研究现状和问题[J]. 油气田环境保护,2013,23(3):1-5.
[4] 蔡博峰，李琦，张贤 等. 中国二氧化碳捕集利用与封存(CCUS) 年度报告(2021)――中国CCUS 路径研究[R]. 生态环境部环境规划院, 中国科学院武汉岩土力学研究所, 中国21世纪议程管理中心.2021.
[5] 姜晶华等.新疆油田CCUS先导试验获进展[EB/OL], https://news.cnpc.com.cn/system/2021/12/24/030054208.shtml, 2021-12-24.
[6] 蔡博峰，李琦，林千果，马劲风等. 中国二氧化碳捕集、利用与封存（CCUS）报告（2019）[R]. 生态环境部环境规划院气候变化与环境政策研究中心.2020.
[7] IPCC 特别报告.二氧化碳捕获和封存. 决策者摘要和技术摘要.2005.
[8] 曹龙,边利恒.CO2地质封存技术与封存潜力评价方法研究进展[J].地下水,2013,35(06):211-213.
[9] 陈茂山. 神华10万吨/年CCS示范项目. [EB/OL], https://iea.blob.core.windows.net/assets/imports/events/90/32_Chen.pdf,2011-09.
作者单位：中国科学院地质与地球物理研究所
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