中國科學院武漢巖土力學研究所李琦博士講解“中國二氧化碳捕集、利用與封存環境風險評估關鍵問題”。


今天我這個報告主要是回顧一下CCUS環境風險評估的一些關鍵問題。


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


首先看看CCUS捕集、輸送和封存三個環節的環境影響。


捕集工藝，我們通?？梢园凑找粋€常規的化工項目進行管理，這方面有比較成熟的經驗。歷史上，德國最早建立了二氧化碳化工工程，他們已經有很成熟的二氧化碳管理經驗。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，這對環境的影響就應該充分考慮，還有捕集過程中使用的化學吸附劑帶來的其他系列問題，總的來說，還是可以參照化學物品來管理。


對大氣污染物排放的影響。



廢物和副產品。


運輸環節，油氣運輸已有很成熟的管理經驗，可以參考，現在國內外經驗也是這樣做的。在ISO/TC265國際標準中，出臺最快的標準就是管道運輸標準。


封存環節的環境影響，這個是重中之重。因為二氧化碳地質封存是新事物，很多問題不清楚。到底有什么影響？要封存，要有注入井口，廠房建設也對地表活動帶來影響。如果是海上，還要考慮工程建設對海洋的一些影響。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。


前面講了三個環節的環境影響，接下來我們看看CCUS三個環節的環境風險。


CCUS環境風險的界定。


捕集環節，無非就是工業裝備的風險。


運輸環節環境風險。


這個圖主要說明了二氧化碳在整個工程時間上的風險量級。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，就是關閉后的過程。我建議采用比較簡單的三階段劃分，我們現在也是這樣做的。


封存環節到底有哪些風險，有哪些源，相互之間的相關性，這個級聯圖主要是講這方面的。去年我們在內蒙古講了，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，目前為止還沒有發現這樣的事件，當然歷史上還沒有這樣大的地質工程?，F在歐洲北海的Sleiper項目目前是相對比較穩定的，還沒有出現這樣的事件。


有了這個環境影響和環境風險的基本認識之后，我們來看看CCUS環境風險評估的關鍵問題，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。圖示的這四大塊內容是我們一直在核心做的，今年我們在已經出版的《環境工程》CCUS專輯里面，把初步的想法，風險源強的確定，空間范圍的確定等等已經發表了，雖然淺顯。另外，閾值確定按照規劃我們明年也會發表在新一期《環境工程》CCUS專輯中。


風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、相關工業設備、固定和永久的監測設備。


我們推薦三種方法，一是簡單函數法，二是數值模擬法，三是國際案例類比方法。


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


國際上沒有關于風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，有了這個數據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，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，前面乘以優化系數校正偏心，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，請看我們發表的文章。


數值模擬方法，現在有各種開源的或商業的軟件可用于進行數值運算，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，做了一套整個區域的注入后地震監測，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，就可以用這個監測方法。


我們這三種方法針對不同的用戶，因為地下數據獲取非?；ㄥX，有的地方花錢都沒有好的數據，我們就提供這三種方法，數值模擬法、簡單函數法和案例類比法，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生反應，會把a到f所列出來的的縫隙打通，神華的經驗可以借鑒但是不能完全照搬，要找到適合的材料，且滿足工業界的經濟需求。


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，在鄂爾多斯地區常年主風向情況下，30000ppm和50000ppm濃度暈擴散的情況。在30000ppm的時候基本不用擔心跑到農戶家里，如果發生風險，切實能夠應對。


風險閾值，我們有一個系統的梳理，國土資源部在青海有地面實驗站，長安大學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植物的反應實驗。農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險閾值的調研報告中。


這是二氧化碳不同的濃度對生態系統產生的不良反應，今年的重中之重，要把這些數據系統整理和分析出來。


對人體的反應，一種形象表示方法，已經講過。


對人體的反應，已經講過。


這個是從安全管理的角度，給出人體的暴露時間。


風險評價方法，應用在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，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。這需要大量的數據支持，尤其是有一個比較強的數據庫支持，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，一開始風險管理就是借鑒31000，包括現在正在做的。


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，在數據量不夠的情況下，我們更多借助了FEP數據支持，針對每一種可能出現的情況，至少有上百種可能性，通過一一計算，最后在風險圖里面投影。


投影到紅黃綠區域以后，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域內。半徑越大，表征越多個FEPs的評價結果相同。如圖所示，評價對象的風險評價結果大多位于矩陣左下角，表明風險事件發生的概率較低，且因風險事件發生所導致的對風險受體的影響都在中等或中等以下，同時，通過一些風險管理措施，可以降低風險的概率與后果，促使風險向左下角進一步移動。


最后，我想強調一點：最主要的就是對地下封存狀態要做好各種場景的預判，一定要結合監測數據，這就是為什么做完這個風險要做監測，風險和監測是孿生兄弟，必須同步進行，才能確保CCUS百年大計沒有危險性。