客观日本

大气污染对策(3)

2011年12月28日 科技交流

日本二氧化碳地下储存技术的开发工作

1. 前言

在1997年的联合国气候变化框架公约签约国会议(COP3)上,通过了有关规定温室气体排放量削减数值目标及日程的京都议定书。京都议定书要求在2008年至2012年期间,全体发达国家应将温室气体排放量在1990年的基础上削减5.2%,而日本则削减6%。今年6月,日本政府根据后京都议定书的国际动向,提出在2020年之前将CO2等温室气体的排放量在2005年的基础上削减15%的中期目标。该中期目标成为日本今后在国际性框架谈判中的基本立场,12月在哥本哈根召开联合国气候变化框架公约签约国会议(COP15)后,有关削减温室气体的数值目标正式确定下来。削减15%被认为是可以实现的目标,一旦实现,预计2030年的排放量将比2005年减少约25%,到2050年则将减少约70%。

环境省统计的2007年度温室气体总排放量为13亿7,100万吨,与京都议定书作为基准年的1990年相比增加了8.7%。其中,来源于能源的温室气体排放量增加了15%。随着核电站利用率的下降以及因缺水而造成水力发电量的减少,利用煤炭等化石燃料进行火力发电的发电量大幅增加是重要原因。这样一来,尽管政府与产业界在努力减排,但日本国内温室气体的排放量在通过京都议定书之后仍然继续增加。大量排放CO2的单位有火力发电厂、钢铁厂、水泥厂与化工厂。而从这些“大规模产生源”分离回收的CO2储存在地下(CCS: Carbon Dioxide Capture and Storage)的技术有望成为减缓大气中温室气体浓度增加的有效方法。由国际专家组成的政府间气候变化专门委员会(IPCC)在2005年总结的报告中,推荐各国实施CO2地下储存,作为在2030之前缓解温室气体排放问题中长期对策。

CO2地下储存作为有效防止地球变暖的对策技术,与促进可再生能源的利用、改进能源效率以及转变燃料等其他缓解对策一起而备受关注。以1996年10月由位于挪威海面的北海油田Sleipner基地开始向地下注入CO2为契机,CO2的地下储存有望成为防止地球变暖的速效技术,而各国的研发工作也在如火如荼地展开。2003年7月,在位于新潟县长冈市的帝国石油株式会社岩野原基地,开始实施作为日本第一个国家项目的有关CO2地下储存技术的注入实证试验(以下称为长冈证实试验)。长冈实证试验获得了经济产业省的补贴,并在财团法人地球环境产业技术机构(RITE)的主导下,从2000年开始实施。在财团法人工程振兴协会(ENAA)的协助下,从2003年7月开始,在约1年半时间内,共计将10,400吨的CO2注入地下约1,100m深处的咸水含水层内。国家或民间正在将地下储存技术定位为“应该实施、非常重要并有望持续有效的技术之一”。本文将在介绍长冈实证实验概况的同时,就日本CO2地下储存潜力(可储存量)以及日本国内CO2地下储存的商业化课题展开讨论。

2. 日本地下储存CO2的潜力

位于挪威海面的北海油田Sleipner基地从1996年10月开始将提炼天然气时分离的CO2注入海底下约1000 m深处的含水层,每年的处理量约为100万吨(相当于挪威每年排放量的约3 %)。含水层主要由多孔质砂岩构成,里面是基本没有经济利用价值的盐水(化石海水)。在砂岩层的上方覆盖有难透水性泥质岩地层(盖层),因此有望成为可以长期安全地储存被注入砂岩层内的CO2的场所。

作为盖层的泥质岩地层在带有圆顶结构(背斜结构)时被称为结构性含水层,与石油、天然气的储存层结构相似。即使仅限于目前已被确认的结构性含水层,日本地下储存CO2的潜力也已经达到约301亿吨(参考表1)。这相当于2007年度温室气体排放量的大约23倍。另一方面,如果加上不具有圆顶结构的非结构性含水层的储存量,则初步估算含水层的储存潜力约为1,460亿吨。

表-1 日本的CO2地下储存潜力

此外,在2005年发布的有关地下储存特别报告(IPCC Special Report)中,有关将CO2储存于地下咸水含水层(saline aquifer)的方法被定位为“为稳定大气中温室气体浓度的主要对策之一”。其主要理由之一就是全球含水层的储存潜力估算为大约2万亿吨。

3. 日本首次有关CO2地下储存的实证试验

北海的Sleipner基地是世界上首次在海洋含水层储存CO2,而实施CO2注入实证试验的新潟县南长冈气田(长冈实证试验)则是世界首次在陆地含水层储存CO2。在获得经济产业省的补贴后,地球环境产业技术研究机构(RITE)在工程振兴协会(ENAA)的协助下,共计将大约10,400吨的CO2注入地下约1,100 m深处的含水层中,表明即使在地质条件比较复杂的日本也可以实现CO2的地下储存。在长冈项目中,利用陆地含水层储存的特点而对CO2的动态进行了细致的监控。下文将对长冈实证试验的概况进行介绍。

1) 实证试验基地概况

关于CO2注入实证试验的场所问题,从详细调查过地下情况的日本国内油气田地区中几处最有希望的候选地之中,选择了位于新潟县南长冈气田、隶属于帝国石油株式会社的岩野原基地作为试验基地。岩野原基地位于距离长冈市中心约9 km的信浓川支流涉海川左岸(参考图1)。此处的地层以东北偏北-西南偏南方向为轴形成明显的褶曲结构,而背斜结构的部分则为石油、天然气的重要聚集地(集聚结构)。这样,将流体封闭于其中的背斜结构含水层可望保证地下储存的长期稳定性。CO2被注入地下约1,100 m 深处的灰爪层的砂岩卓越部位(Ic 层),既不会因注入CO2而影响天然气的开采,也不会由于天然气开采而影响CO2的储存。

图-1 长冈CO2 注入实证试验基地与地质结构概念图。

2) 挖掘坑道与注入CO2

在长冈实证试验基地内,在注入井(IW-1)的周围挖掘了三个观测井(OB-2,OB-3,OB-4)。储存层深度下坑道的水平位置关系如图2所示。连接观测井OB-2 与OB-4 的直线包括注入井在内,地层向东南偏东方向倾斜约15°。相对于注入井的位置,观测井OB-2与OB-4分别位于倾斜地层的后方与上方。由于超临界CO2的密度小于地层水,预计将向地层倾斜的上方移动,因此两观测井的位置便于掌握CO2的扩散情况。此外,为调查观测井OB-2与OB-3之间的弹性波速度的异常范围(速度下降区域),实施了坑道间弹性波层析成像,能够从二维截面上掌握注入CO2的动态以及储存层内CO2的分布。

图-2 长冈实证试验基地内储存层上方的注入井与观测井的布局。

长冈实证试验基地从2003年7月7日开始注入CO2。在注入期间,虽然由于CO2制造设备的定期检查与中越地震的影响而一度停止,但是到2005年1月11日为止,已经总计注入10,400吨的CO2。包括注入后的监控在内,有关试验期间注入量、注入比率变化、物理测井以及弹性波层析成像的实施时间如图3所示。

图-3 通过物理测井与坑道间弹性波层析成像而实施CO2 动态监控的日程与注入比率、累计注入量之间的关系。小四方形表示物理测井的实施时期,而绿色与粉红色则分别代表CO2 到达前与CO2 到达后。星形标记代表坑道间弹性波层析成像的实施时期。

3) CO2动态监控

注入含水层的CO2在挤出储存层孔隙内地层水的同时,由注入井向周围扩散。此时,储存层中地层水的饱和率下降,而CO2饱和率上升。通过CO2与地层水之间的上述置换流程,造成在储存层传播的弹性波速度下降,而电阻率增大。在长冈项目中,为检测这种物性变化,除了定期实施物理测井(声波测井、电阻率测井与中子测井)、坑道间弹性波层析成像之外,还以注入地周边区域(2 km×2 km)为对象实施反射法地震波探测,针对注入储存层的CO2动态进行监控。特别是在物理测井与坑道间弹性波层析成像方面,更是在世界上首次实施了注入后的监控。

图-4 CO2 注入期间与注入后的电阻率测井结果。左框的蓝线代表CO2 到达前的1~13次电阻率测井结果的平均值。右侧为第14 次以后的测井结果,显示电阻率值的变化区域扩大。

作为物理测井的事例之一,电阻率测井的结果如图4所示。该图左框内的蓝色粗线为CO2到达前通过13次测井所得到的电阻率平均值。而第14次以后的电阻率测井结果则在左框中再次显示之后,在右框中按照实施顺序显示相对变化量。从第17次以后,除了以深度1,116 m地层为中心的电阻率增大区域大幅扩大之外,在深度1,113 m~1,114 m的地层之间也出现电阻率增大现象,表明存在CO2。这种电阻率增大区域与通过注入井的坑道测试所确认的高渗透性区域相对应,停止注入CO2后其区域仍在扩大。最终,二个增大区域连接在一起,从而形成深度约为4 m(1,113 m ~ 1,117 m)的高电阻率区域。

通过声波测井可以检测观测井附近的微小区间的速度,而通过坑道间弹性波层析成像则可以以二维形式掌握几个观测井间的弹性波速度分布。在长冈实证试验基地,分别在观测井OB-2、OB-3设置发报机与收报机,检测出夹着注入井的坑道间速度异常区域(由于CO2渗透而产生的速度下降区域)。通过CO2监控测量MS1 ~ MS4而得到的CO2分布区域如图5所示。在弹性波层析成像测量中,则可以二维截面上的速度异常区域为基础而获知注入CO2的扩散情况。

4. 日本国内的动向以及面向实施CCS的课题

长冈项目从CO2 注入量的角度来说规模很小,不过,从取得多方面的宝贵科学数据来看却是世界上独一无二的项目。作为地下储存对象的含水层在日本的陆地与海疆内分布很广,但在实施如同Sleipner那样的商业规模的地下储存时,必须考虑注入地点与排放源之间的距离。因为二者之间的距离将在很大程度上影响地下储存业务的成本。特别是当注入地点位于海洋区域时,离岸距离与水深都是很重要的研究要素。通过基础物理探测而获得的日本国内储存层结构的分布与水深如图6所示。在该图中,主要标出了海洋区域含水层中水深不超过300 m的储存层的分布情况。在分布于北海道、新潟县以及秋田县的储存层附近,也已经实施用于地质调查的基础钻探工作,这些调查结果对于选择注入地点而言是非常重要的信息。

图-6 日本全国11 个地区内CO2 大规模排放源的分布图。红点: 火力发电厂,紫点:全流程钢铁厂,绿点:水泥工厂。紫色的圆圈表示各个地区的CO2 排放量。

 另一方面,关于日本国内火力发电厂、全流程钢铁厂以及水泥工厂等大规模排放源的分布如图7所示,图中的数字为每年CO2排放量的估算值。从大规模排放源与含水层的分布关系来看,为实施正式的地下储存,需要将储存潜力巨大的非结构性含水层(不具有背斜结构的含水层)也纳入研究范围。不过,储存潜力只是根据基于某种假定的方法估算而得到的CO2可储存量。在选定各个注入地点的阶段,必须实施打孔调查等,精确计算可储存量。

 如上所述,地下储存技术包含了削减成本、已注入CO2的泄漏、对环境影响、确定评价安全性的方法、对海洋生态系统的影响、完善法律法规以及获得国民理解等诸多需要解决的课题。但是,在全球均十分重视地球变暖问题的情况下,考虑到并没有创新性解决对策的现状,地下储存可以作为削减CO2排放量的有效技术之一。特别是有关深处含水层的CO2储存机制的科学研究与相关技术的开发可以说是实现CCS的关键。

 

薛  自求

简介

(财)地球环境产业技术研究机构CO2储存研究组主任研究员

生于1963年8月。1993年,北海道大学研究生院・资源开发工学专业工学博士。日本首个国家项目——长冈CO2地下储存实证试验显示,即使在地质结构复杂的日本,CO2地下储存也可以安全实行。薛自求从长冈实证试验的计划阶段起便参与其中,从室内的基础研究到郊外的现场测量,均对整个项目做出了贡献。最近5年里(2004-2008),在国内外学术杂志上投稿的论文共计20编。其功绩获得认可,目前担任2007年起开始发行的地球变暖对策专业杂志《International Journal of Greenhouse Gas Control》的Associate Editor,负责编辑CO2变化监测的相关论文。这本国际专业杂志由英国的Elsevier杂志社出版,薛自求作为四名编辑人员中的一名,担任亚洲及澳洲地区的负责人。

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