中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所李琦博士講解“中國二氧化碳捕集、利用與封存環(huán)境風(fēng)險評估關(guān)鍵問題”。


今天我這個報告主要是回顧一下CCUS環(huán)境風(fēng)險評估的一些關(guān)鍵問題。


從CCUS環(huán)境影響到環(huán)境風(fēng)險，上午很多專家都講到了，我主要從三個方面來展開，一是風(fēng)險評價范圍的確定，包括時間范圍和空間范圍，二是風(fēng)險源強的確定，三是風(fēng)險評價方法的確定。


首先看看CCUS捕集、輸送和封存三個環(huán)節(jié)的環(huán)境影響。


捕集工藝，我們通?？梢园凑找粋€常規(guī)的化工項目進行管理，這方面有比較成熟的經(jīng)驗。歷史上，德國最早建立了二氧化碳化工工程，他們已經(jīng)有很成熟的二氧化碳管理經(jīng)驗。問題是如果捕集的二氧化碳純度不高，我們喝的汽水中添加的二氧化碳純度為99.99%，如果純度不高，這對環(huán)境的影響就應(yīng)該充分考慮，還有捕集過程中使用的化學(xué)吸附劑帶來的其他系列問題，總的來說，還是可以參照化學(xué)物品來管理。


對大氣污染物排放的影響。



廢物和副產(chǎn)品。


運輸環(huán)節(jié)，油氣運輸已有很成熟的管理經(jīng)驗，可以參考，現(xiàn)在國內(nèi)外經(jīng)驗也是這樣做的。在ISO/TC265國際標(biāo)準(zhǔn)中，出臺最快的標(biāo)準(zhǔn)就是管道運輸標(biāo)準(zhǔn)。


封存環(huán)節(jié)的環(huán)境影響，這個是重中之重。因為二氧化碳地質(zhì)封存是新事物，很多問題不清楚。到底有什么影響？要封存，要有注入井口，廠房建設(shè)也對地表活動帶來影響。如果是海上，還要考慮工程建設(shè)對海洋的一些影響。二氧化碳注入地下去，在地下會跑，會不會在你規(guī)定的這個封存圈閉里面，會帶來潛在影響。如果跑到外面會帶來什么影響，上午有一張圖，大家可以看一下，不同的泄漏路徑帶來的潛在影響。


前面講了三個環(huán)節(jié)的環(huán)境影響，接下來我們看看CCUS三個環(huán)節(jié)的環(huán)境風(fēng)險。


CCUS環(huán)境風(fēng)險的界定。


捕集環(huán)節(jié)，無非就是工業(yè)裝備的風(fēng)險。


運輸環(huán)節(jié)環(huán)境風(fēng)險。


這個圖主要說明了二氧化碳在整個工程時間上的風(fēng)險量級。一般劃分為三個階段，首先是注入前，二是注入過程，三是注入后，有時也分四個階段，就是關(guān)閉后的過程。我建議采用比較簡單的三階段劃分，我們現(xiàn)在也是這樣做的。


封存環(huán)節(jié)到底有哪些風(fēng)險，有哪些源，相互之間的相關(guān)性，這個級聯(lián)圖主要是講這方面的。去年我們在內(nèi)蒙古講了，不再贅述，無非是有一個泄漏的追蹤過程，二氧化碳到水里面有什么影響，到地下有什么影響，對植被有什么影響，在地表之上對人畜有什么影響，等等。
后果部分，寫了一個全球和局部，最壞的場景是我們注入的二氧化碳，比如某種因素——地震，把我們封存的二氧化碳全部泄漏到大氣里面，封存就失效了，大量釋放的二氧化碳會帶來全球性的影響，這是極端事件，目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)這樣的事件，當(dāng)然歷史上還沒有這樣大的地質(zhì)工程?，F(xiàn)在歐洲北海的Sleiper項目目前是相對比較穩(wěn)定的，還沒有出現(xiàn)這樣的事件。


有了這個環(huán)境影響和環(huán)境風(fēng)險的基本認識之后，我們來看看CCUS環(huán)境風(fēng)險評估的關(guān)鍵問題，重點講講這個部分，前面基本認識沒有搞清楚，后面的方法就免談了。圖示的這四大塊內(nèi)容是我們一直在核心做的，今年我們在已經(jīng)出版的《環(huán)境工程》CCUS專輯里面，把初步的想法，風(fēng)險源強的確定，空間范圍的確定等等已經(jīng)發(fā)表了，雖然淺顯。另外，閾值確定按照規(guī)劃我們明年也會發(fā)表在新一期《環(huán)境工程》CCUS專輯中。


風(fēng)險評估空間范圍的確定方法，就是通過二氧化碳在地下的運移行為來確定地上和地下范圍，評估范圍覆蓋地面和地下的所有注入場所、相關(guān)工業(yè)設(shè)備、固定和永久的監(jiān)測設(shè)備。


我們推薦三種方法，一是簡單函數(shù)法，二是數(shù)值模擬法，三是國際案例類比方法。


簡單函數(shù)法很簡單易用，上午的三個半徑，α+β+γ,之和就是我們的風(fēng)險評估空間范圍。針對三種常見儲層,其半徑計算過程中的參數(shù)各不相同。


國際上沒有關(guān)于風(fēng)險評估范圍的確切計算方法，我們的思路是，首先評價空間里面能夠封存多少二氧化碳，有了這個數(shù)據(jù)就知道怎么計算空間半徑，二氧化碳的儲量，簡單計算就是儲存的面積×儲存的厚度×孔隙度等，有了儲量，確定范圍就只需要簡單的公式。


不同儲層巖石的系數(shù)不一樣，可以查我們提供的各種各樣的附表。


不同儲層巖石的系數(shù)不一樣，可以查我們提供的各種各樣的附表。


查表以后知道了所有系數(shù)，帶到公式里面計算，把R求出來，就得到了二氧化碳羽（流）的初始流動半徑。這里有一個偏心，前面乘以優(yōu)化系數(shù)校正偏心，就計算出α半徑。


α半徑計算出來后，就有了單井的評估范圍。由于規(guī)模化封存一般為井群，就可以針對井群做一個拓撲，圓形或方形。最終得到注入井區(qū)評價范圍α半徑。β和γ的計算與α略有不同，在此不展開，請看我們發(fā)表的文章。


數(shù)值模擬方法，現(xiàn)在有各種開源的或商業(yè)的軟件可用于進行數(shù)值運算，模擬二氧化碳注入地下以后的運移行為。


這是針對井群的數(shù)值模擬，還是回到我們的α、β和γ。先算濃度暈和壓力暈，然后將這兩個暈疊加的外接圓作為總的評價范圍。

 有了數(shù)模的東西以后，我們可以針對模型提出各種控制方法。


我們還可以采用案例類比法，比如挪威北海Sleipner項目從1994年開始注入二氧化碳，一直到2006年，做了一套整個區(qū)域的注入后地震監(jiān)測，這6個圖，可以理解為有深色顏色的地方是二氧化碳這么多年在地下分布的范圍。這可以通過地球物理方法搞的比較清楚，不能說100%，至少八九不離十mapping出這個大致區(qū)域。如果我們要在南海珠江口盆地開展二氧化碳封存，就可以用這個監(jiān)測方法。


我們這三種方法針對不同的用戶，因為地下數(shù)據(jù)獲取非?；ㄥX，有的地方花錢都沒有好的數(shù)據(jù)，我們就提供這三種方法，數(shù)值模擬法、簡單函數(shù)法和案例類比法，從繁到簡，方便選用。


這個圖上午也講了，二氧化碳注入到地下，存在可能的泄漏通道，會跑。首先是沿著井筒跑，因為是從井口注入進去的，封不好就跑出來，即使封得好，二氧化碳遇水形成碳酸等溶液腐蝕了井筒也可以跑出來，井筒是主要的泄漏點。不僅注入井，還有廢氣井也是潛在泄漏通道。其次，還有沿著斷裂帶，深藍色的地方，二氧化碳沿著斷裂帶上溢出來，也是需要加強監(jiān)控的。這是比較快速的泄漏。最后，還有二氧化碳會慢慢滲透過蓋層，像呼吸一樣慢慢往淺地表擴散。上午講的尼斯湖事件，因為是火山湖，二氧化碳到達湖底以后，慢慢積聚，最后噴出來了。


這是IPCC報告中總結(jié)的二氧化碳可能的逃逸機制。


這是比較全的井筒泄漏潛在通道，二氧化碳遇到這些材料以后會慢慢發(fā)生反應(yīng)，會把a到f所列出來的的縫隙打通，神華的經(jīng)驗可以借鑒但是不能完全照搬，要找到適合的材料，且滿足工業(yè)界的經(jīng)濟需求。


這是神華CCS項目位置及周圍牧民、工廠的分布。我們的計算表明，井噴發(fā)生時，30000ppm濃度的二氧化碳擴散距離尚不至于威脅到周圍牧民等。


這四張圖，二氧化碳到地表以后，在大氣的擴散過程，在鄂爾多斯地區(qū)常年主風(fēng)向情況下，30000ppm和50000ppm濃度暈擴散的情況。在30000ppm的時候基本不用擔(dān)心跑到農(nóng)戶家里，如果發(fā)生風(fēng)險，切實能夠應(yīng)對。


風(fēng)險閾值，我們有一個系統(tǒng)的梳理，國土資源部在青海有地面實驗站，長安大學(xué)以前也建有一個實驗站，開展了一些對植物尤其是碳3植物和碳4植物的反應(yīng)實驗。農(nóng)科院也開展了一些類似的研究。這些都會納入到我們本年度風(fēng)險閾值的調(diào)研報告中。


這是二氧化碳不同的濃度對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的不良反應(yīng)，今年的重中之重，要把這些數(shù)據(jù)系統(tǒng)整理和分析出來。


對人體的反應(yīng)，一種形象表示方法，已經(jīng)講過。


對人體的反應(yīng)，已經(jīng)講過。


這個是從安全管理的角度，給出人體的暴露時間。


風(fēng)險評價方法，應(yīng)用在CCUS的歷史雖然不悠久，但是需求出來以后，看到四年一度的GHGT大會，大量的評價方法接踵而來，定性、定量、半定量的都有。


這些方法的實現(xiàn)，尤其是在定量的時候，無非就是這么幾種手段，例如：Bow-Tie，Matrix，ALARP。這需要大量的數(shù)據(jù)支持，尤其是有一個比較強的數(shù)據(jù)庫支持，非常重要，否則光做出這個東西沒有用。


這是我們一開始借鑒的ISO里面的工作，一開始風(fēng)險管理就是借鑒31000，包括現(xiàn)在正在做的。


我們《指南》的編制說明里面給出了不少推薦方法，大概有40多種方法，包括各種軟件，供大家參考。




《指南》推薦的風(fēng)險矩陣評估方法，后面可能會改。早期的時候，針對《指南》推薦方法我們也做了幾個驗證，在數(shù)據(jù)量不夠的情況下，我們更多借助了FEP數(shù)據(jù)支持，針對每一種可能出現(xiàn)的情況，至少有上百種可能性，通過一一計算，最后在風(fēng)險圖里面投影。


投影到紅黃綠區(qū)域以后，我們就可以分析。圖中黑色圓圈表示各個FEPs的后果與可能性，半徑的大小表示有多個FEPs落在相同的后果矩陣區(qū)域內(nèi)。半徑越大，表征越多個FEPs的評價結(jié)果相同。如圖所示，評價對象的風(fēng)險評價結(jié)果大多位于矩陣左下角，表明風(fēng)險事件發(fā)生的概率較低，且因風(fēng)險事件發(fā)生所導(dǎo)致的對風(fēng)險受體的影響都在中等或中等以下，同時，通過一些風(fēng)險管理措施，可以降低風(fēng)險的概率與后果，促使風(fēng)險向左下角進一步移動。


最后，我想強調(diào)一點：最主要的就是對地下封存狀態(tài)要做好各種場景的預(yù)判，一定要結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，這就是為什么做完這個風(fēng)險要做監(jiān)測，風(fēng)險和監(jiān)測是孿生兄弟，必須同步進行，才能確保CCUS百年大計沒有危險性。