中国科学院武汉岩土力学研究所李琦博士讲解“中国二氧化碳捕集、利用与封存环境风险评估关键问题”。


今天我这个报告主要是回顾一下CCUS环境风险评估的一些关键问题。


从CCUS环境影响到环境风险，上午很多专家都讲到了，我主要从三个方面来展开，一是风险评价范围的确定，包括时间范围和空间范围，二是风险源强的确定，三是风险评价方法的确定。


首先看看CCUS捕集、输送和封存三个环节的环境影响。


捕集工艺，我们通常可以按照一个常规的化工项目进行管理，这方面有比较成熟的经验。历史上，德国最早建立了二氧化碳化工工程，他们已经有很成熟的二氧化碳管理经验。问题是如果捕集的二氧化碳纯度不高，我们喝的汽水中添加的二氧化碳纯度为99.99%，如果纯度不高，这对环境的影响就应该充分考虑，还有捕集过程中使用的化学吸附剂带来的其他系列问题，总的来说，还是可以参照化学物品来管理。


对大气污染物排放的影响。



废物和副产品。


运输环节，油气运输已有很成熟的管理经验，可以参考，现在国内外经验也是这样做的。在ISO/TC265国际标准中，出台最快的标准就是管道运输标准。


封存环节的环境影响，这个是重中之重。因为二氧化碳地质封存是新事物，很多问题不清楚。到底有什么影响？要封存，要有注入井口，厂房建设也对地表活动带来影响。如果是海上，还要考虑工程建设对海洋的一些影响。二氧化碳注入地下去，在地下会跑，会不会在你规定的这个封存圈闭里面，会带来潜在影响。如果跑到外面会带来什么影响，上午有一张图，大家可以看一下，不同的泄漏路径带来的潜在影响。


前面讲了三个环节的环境影响，接下来我们看看CCUS三个环节的环境风险。


CCUS环境风险的界定。


捕集环节，无非就是工业装备的风险。


运输环节环境风险。


这个图主要说明了二氧化碳在整个工程时间上的风险量级。一般划分为三个阶段，首先是注入前，二是注入过程，三是注入后，有时也分四个阶段，就是关闭后的过程。我建议采用比较简单的三阶段划分，我们现在也是这样做的。


封存环节到底有哪些风险，有哪些源，相互之间的相关性，这个级联图主要是讲这方面的。去年我们在内蒙古讲了，不再赘述，无非是有一个泄漏的追踪过程，二氧化碳到水里面有什么影响，到地下有什么影响，对植被有什么影响，在地表之上对人畜有什么影响，等等。
后果部分，写了一个全球和局部，最坏的场景是我们注入的二氧化碳，比如某种因素——地震，把我们封存的二氧化碳全部泄漏到大气里面，封存就失效了，大量释放的二氧化碳会带来全球性的影响，这是极端事件，目前为止还没有发现这样的事件，当然历史上还没有这样大的地质工程。现在欧洲北海的Sleiper项目目前是相对比较稳定的，还没有出现这样的事件。


有了这个环境影响和环境风险的基本认识之后，我们来看看CCUS环境风险评估的关键问题，重点讲讲这个部分，前面基本认识没有搞清楚，后面的方法就免谈了。图示的这四大块内容是我们一直在核心做的，今年我们在已经出版的《环境工程》CCUS专辑里面，把初步的想法，风险源强的确定，空间范围的确定等等已经发表了，虽然浅显。另外，阈值确定按照规划我们明年也会发表在新一期《环境工程》CCUS专辑中。


风险评估空间范围的确定方法，就是通过二氧化碳在地下的运移行为来确定地上和地下范围，评估范围覆盖地面和地下的所有注入场所、相关工业设备、固定和永久的监测设备。


我们推荐三种方法，一是简单函数法，二是数值模拟法，三是国际案例类比方法。


简单函数法很简单易用，上午的三个半径，α+β+γ,之和就是我们的风险评估空间范围。针对三种常见储层,其半径计算过程中的参数各不相同。


国际上没有关于风险评估范围的确切计算方法，我们的思路是，首先评价空间里面能够封存多少二氧化碳，有了这个数据就知道怎么计算空间半径，二氧化碳的储量，简单计算就是储存的面积×储存的厚度×孔隙度等，有了储量，确定范围就只需要简单的公式。


不同储层岩石的系数不一样，可以查我们提供的各种各样的附表。


不同储层岩石的系数不一样，可以查我们提供的各种各样的附表。


查表以后知道了所有系数，带到公式里面计算，把R求出来，就得到了二氧化碳羽（流）的初始流动半径。这里有一个偏心，前面乘以优化系数校正偏心，就计算出α半径。


α半径计算出来后，就有了单井的评估范围。由于规模化封存一般为井群，就可以针对井群做一个拓扑，圆形或方形。最终得到注入井区评价范围α半径。β和γ的计算与α略有不同，在此不展开，请看我们发表的文章。


数值模拟方法，现在有各种开源的或商业的软件可用于进行数值运算，模拟二氧化碳注入地下以后的运移行为。


这是针对井群的数值模拟，还是回到我们的α、β和γ。先算浓度晕和压力晕，然后将这两个晕叠加的外接圆作为总的评价范围。

 有了数模的东西以后，我们可以针对模型提出各种控制方法。


我们还可以采用案例类比法，比如挪威北海Sleipner项目从1994年开始注入二氧化碳，一直到2006年，做了一套整个区域的注入后地震监测，这6个图，可以理解为有深色颜色的地方是二氧化碳这么多年在地下分布的范围。这可以通过地球物理方法搞的比较清楚，不能说100%，至少八九不离十mapping出这个大致区域。如果我们要在南海珠江口盆地开展二氧化碳封存，就可以用这个监测方法。


我们这三种方法针对不同的用户，因为地下数据获取非常花钱，有的地方花钱都没有好的数据，我们就提供这三种方法，数值模拟法、简单函数法和案例类比法，从繁到简，方便选用。


这个图上午也讲了，二氧化碳注入到地下，存在可能的泄漏通道，会跑。首先是沿着井筒跑，因为是从井口注入进去的，封不好就跑出来，即使封得好，二氧化碳遇水形成碳酸等溶液腐蚀了井筒也可以跑出来，井筒是主要的泄漏点。不仅注入井，还有废气井也是潜在泄漏通道。其次，还有沿着断裂带，深蓝色的地方，二氧化碳沿着断裂带上溢出来，也是需要加强监控的。这是比较快速的泄漏。最后，还有二氧化碳会慢慢渗透过盖层，像呼吸一样慢慢往浅地表扩散。上午讲的尼斯湖事件，因为是火山湖，二氧化碳到达湖底以后，慢慢积聚，最后喷出来了。


这是IPCC报告中总结的二氧化碳可能的逃逸机制。


这是比较全的井筒泄漏潜在通道，二氧化碳遇到这些材料以后会慢慢发生反应，会把a到f所列出来的的缝隙打通，神华的经验可以借鉴但是不能完全照搬，要找到适合的材料，且满足工业界的经济需求。


这是神华CCS项目位置及周围牧民、工厂的分布。我们的计算表明，井喷发生时，30000ppm浓度的二氧化碳扩散距离尚不至于威胁到周围牧民等。


这四张图，二氧化碳到地表以后，在大气的扩散过程，在鄂尔多斯地区常年主风向情况下，30000ppm和50000ppm浓度晕扩散的情况。在30000ppm的时候基本不用担心跑到农户家里，如果发生风险，切实能够应对。


风险阈值，我们有一个系统的梳理，国土资源部在青海有地面实验站，长安大学以前也建有一个实验站，开展了一些对植物尤其是碳3植物和碳4植物的反应实验。农科院也开展了一些类似的研究。这些都会纳入到我们本年度风险阈值的调研报告中。


这是二氧化碳不同的浓度对生态系统产生的不良反应，今年的重中之重，要把这些数据系统整理和分析出来。


对人体的反应，一种形象表示方法，已经讲过。


对人体的反应，已经讲过。


这个是从安全管理的角度，给出人体的暴露时间。


风险评价方法，应用在CCUS的历史虽然不悠久，但是需求出来以后，看到四年一度的GHGT大会，大量的评价方法接踵而来，定性、定量、半定量的都有。


这些方法的实现，尤其是在定量的时候，无非就是这么几种手段，例如：Bow-Tie，Matrix，ALARP。这需要大量的数据支持，尤其是有一个比较强的数据库支持，非常重要，否则光做出这个东西没有用。


这是我们一开始借鉴的ISO里面的工作，一开始风险管理就是借鉴31000，包括现在正在做的。


我们《指南》的编制说明里面给出了不少推荐方法，大概有40多种方法，包括各种软件，供大家参考。




《指南》推荐的风险矩阵评估方法，后面可能会改。早期的时候，针对《指南》推荐方法我们也做了几个验证，在数据量不够的情况下，我们更多借助了FEP数据支持，针对每一种可能出现的情况，至少有上百种可能性，通过一一计算，最后在风险图里面投影。


投影到红黄绿区域以后，我们就可以分析。图中黑色圆圈表示各个FEPs的后果与可能性，半径的大小表示有多个FEPs落在相同的后果矩阵区域内。半径越大，表征越多个FEPs的评价结果相同。如图所示，评价对象的风险评价结果大多位于矩阵左下角，表明风险事件发生的概率较低，且因风险事件发生所导致的对风险受体的影响都在中等或中等以下，同时，通过一些风险管理措施，可以降低风险的概率与后果，促使风险向左下角进一步移动。


最后，我想强调一点：最主要的就是对地下封存状态要做好各种场景的预判，一定要结合监测数据，这就是为什么做完这个风险要做监测，风险和监测是孪生兄弟，必须同步进行，才能确保CCUS百年大计没有危险性。