美国NETL总结碳封存研发计划二十年进展

【摘自】 CASEnergy  先进能源科技战略情报研究中心  2020年5月

近日，美国能源部（DOE）国家能源技术实验室（NETL）发布《捕集二氧化碳的安全地质存储：美国能源部碳封存研发计划二十年回顾》报告，总结了DOE“碳封存计划”执行20年所取得的重要进展和未来方向。该报告主要针对如下三个领域进行了总结：通过现场测试方法增进对CO2行为和封存资源的认知；通过风险评估和管理工具确保更安全的运营；通过全球领先的示范项目改进技术。主要内容如下：

一、通过现场测试方法增进对CO2行为和封存资源的认知

1、碳封存计划的最大举措是实施了“区域碳封存合作伙伴关系”（RCSP）计划。RCSP计划于2003年启动，主要包括三个阶段：第一阶段（表征阶段），对潜在CO2储层进行数据收集和分析，并整合资源以进行现场测试，最终开发了评估储层封存量的标准方法，并成功应用于美国和加拿大的部分地区；第二阶段（验证阶段），包括19个小型现场项目，分别应用于不同环境，包括贫油和天然气田（8个）、不可采煤层（5个）、碎屑岩和碳酸盐岩地层（5个）、玄武岩（1个），总计安全注入了100万吨CO2；第三阶段（开发阶段），于2008年开始，增进了对不同地质封存结构中CO2羽流运动及永久封存的认识，积累的经验和知识为地质封存的合规开发和商业部署提供了支撑。现场项目测试地层被认为具有封存固定排放源数百年碳排放量的潜力，通过大型野外项目在地质构造中安全封存了超过1100万吨CO2，且并未发现对人类健康或环境造成负面影响。

2、新型或改进的监测技术是成功验证CO2安全封存的关键。例如，“平原CO2减排合作伙伴”（PCOR）计划对贝尔克里克场地重复进行3维/4维地震监测，获得了与CO2饱和度和压力相关的图像，还尝试安装可扩展半永久地震阵列用作实时监测工具。另一典型应用是光纤地震传感，在几个项目重注入CO2后，使用了分布式声波传感光纤系统进行记录，提供了比常规地震检波器阵列更高的分辨率。

3、监测和表征技术进步与先进计算技术相结合，改进了模型和仿真技术，增强了对地下地质条件和羽流行为的理解及预测能力。

通过脉冲中子测井改进对注入速度和体积、储层流体压力、CO2饱和度的测量，以及通过时移地震监测改进CO2羽流分布检测对增强储层模拟准确性极为重要。美国国家环境保护局采用了东南部地区碳汇合作伙伴（SECARB）的锡特罗内尔场地和中西部地质封存协会（MGSC）的伊利诺伊盆地-迪凯特项目（IBDP）场地的储层模型，用于划定这些CO2注入项目各阶段的审查区域。IBDP场地的数值模拟减少了CO2羽流位置的不确定性，模拟结果合理地匹配了现场测量结果。

4、结合人工智能和机器学习的智能监测系统（IMS）是当前和未来碳封存的主要研究领域。IMS的优势在于整合了新的策略和优化的传感系统，可通过实时集成数据/测量来降低运行风险。不同IMS组件正进行现场测试，通过自动监测、增强的监控技术和人性化的网络技术降低了泄漏风险，或减少了泄漏探测时间。例如，北达科他大学和加拿大SaskPower Aquistore项目合作开发的IMS工作流程，可实现自动整合监测测量和支持可视化与实时决策算法的储层模型；由阿彻丹尼尔斯米德兰（ADM）公司牵头的工业碳捕集与封存（ICCS）项目，构建了新型永久分布式声波传感地震监测网络，结合了实时数据处理功能，可为储层流动和地质力学模型提供输入参数；IBDP项目应用了一种实时高速网络，用于获取包括压力、注入速率、温度和微地震波数据流等运行和监控信息。这些监测技术的进步保证了注入的CO2能够安全封存，并实现羽流运动行为的早期检测以采用相应缓解措施。

二、通过风险评估和管理工具确保更安全的运营

大规模CO2封存运行所有阶段都必须进行风险分析，封存场地的选择和表征、安全连续的运行以及各种监测措施离不开对项目整个生命周期的风险及其演化规律的认识。NETL牵头成立了“国家风险评估伙伴关系”（NRAP），成员包括劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）、劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）、洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）以及西北太平洋国家实验室（PNNL），同时加强与利益相关方的合作。过去十年，NRAP不仅大幅提高了单个封存场地的风险因素随时间演化的建模能力，还开发了一套供公众使用的风险评估和管理开源工具。

 三、通过全球领先的示范项目改进技术

自1996年挪威国家石油公司及其合作伙伴在挪威北海斯莱普内尔天然气田发起第一个大规模CO2封存项目至今，CO2地质封存项目在世界范围内遍地开花，主要有加拿大Weyburn-Midale CO2监测与封存项目、阿尔及利亚In Salah盐岩地层商业化项目、德国Ketzin盐岩地层中试项目以及澳大利亚Otway枯竭天然气田碳捕集和封存示范项目。这些项目运行至今并未对环境、健康或安全造成负面影响。DOE的碳封存计划在这些项目中发挥了作用，并将汲取的经验应用于美国，图1所示为DOE支持的国内大型碳封存项目以及参与全球合作情况。

图1 DOE支持的国内大型碳封存项目以及参与全球合作情况

1、在美国国内部署先进大规模项目。在DOE工业碳捕集与封存（ICCS）计划的支持下，伊利诺伊州的ICCS项目在2017年投运，成为首批完成美国国家环境保护局第VI类许可程序的项目之一，该项目每天可封存约3000吨CO2，已累计封存171万吨。而2013年在德克萨斯州阿瑟港投运的另一项ICCS项目，每年可从产氢的蒸汽甲烷转换器中捕集多达100万吨CO2用于提高油气采收率（EOR），已累计封存608万吨CO2。DOE清洁煤电计划（CCPI）支持下的佩特拉诺瓦项目于2017年在德州休斯顿附近开始运营，该项目采用了世界最大的燃烧后碳捕集系统，每年可捕集160吨CO2并用于提高EOR，已累计封存373万吨CO2。

2、积极参与国际合作项目以推进碳封存研究。DOE持续支持美国科学家积极参与国际上碳封存相关的研究项目。加拿大萨斯喀彻温省的Aquistore项目于2015年向深层盐岩地层注入CO2。Aquistore项目是边界大坝CCS集成示范项目的组成部分，该项目包括燃煤发电厂的燃烧后捕集以及通过管道运输到油田用于EOR，并在Aquistore场地进行盐岩地层封存，该项目部署了先进的光纤分布式声波传感系统。2016年，日本政府在北海道Tomakomai市开始了大规模CCS示范项目，其后三年内从炼油厂制氢过程中捕集约30万吨CO2，并封存在Tomakomai港口滨海的岩盐地层中。为了推进现场监测并测试新技术，DOE支持的美国研究人员获得并验证了超高分辨率3D海洋地震技术数据集。

四、提高封存量、降低技术风险和不确定性以及成本是未来发展方向，持续支持研发及示范以推进碳封存的商业化

迄今为止，DOE碳封存计划主要是为了确定CO2可以大规模安全地封存于地质构造中，已经开发出新的工具用于确定安全封存CO2的位置和封存量，同时确定了不适合大规模碳封存的地层。碳封存计划将继续支持技术开发以提高封存量，同时降低技术风险、不确定性和成本，以应对地质封存的总体技术挑战，为广泛的商业部署做好技术准备，计划到2035年实现碳封存大规模商业部署的技术可行性，如图2所示。2016年，碳封存计划发起了碳封存保障设施事业计划（CarbonSAFE），将过去的经验用于碳封存的商业化部署，最终形成单个或多个功能齐全的封存设施，达到至少5000万吨的封存能力。今年CarbonSAFE将继续第三阶段工作，致力于将先进经验应用于代表性项目以继续推进商业化步伐。

图2 DOE为实现碳封存技术广泛商业规模部署的资金投入和关键里程碑