?1.2.4　CO₂地質封存機理

CO₂注入地層后的封存機理主要有物理封存和化學封存兩大類。其中物理封存機理包括構造地層封存、束縛氣封存和水動力封存；化學封存機理包括溶解封存和礦化封存。

（1）構造地層封存機理［圖1-5和圖1-6（a）］　當CO₂注入到地層后，CO₂會進入巖石孔隙，而這些孔隙中一般都含有油氣或地層水，所以在較高注入壓力下，CO₂會驅替孔隙中原有的油氣或水，與其發生置換或混溶。由于CO₂的密度低于油氣或水，所以處于超臨界狀態的CO₂會受浮力的作用向上運移。盡管巨量CO₂產生的浮力較大，但當遇到上覆蓋層時就無法繼續向上運移而滯留在蓋層下部，就形成了構造地層圈閉，與此同時構造地層封存機理開始作用。發生此類圈閉的地質構造主要包括地層圈閉、背斜圈閉和封閉斷層圈閉。

圖1-5　CO₂地質封存三種典型的構造地層圈閉樣式

?圖1-6　二氧化碳四種主要地質封存機理示意圖

（2）束縛氣封存機理［圖1-6（b）］　當注入的CO₂在地層運移過程中，由于毛細管力、表面張力的作用，使一部分CO₂被長久地滯留在巖石顆粒間的孔隙中，這就是束縛氣封存機理。通常束縛氣封存與溶解封存密不可分，束縛在巖石孔隙中的CO₂最終將會溶解在地層流體中。束縛氣封存機理的作用時間從注入開始可持續幾十年甚至更長時間。

（3）水動力封存機理　深部咸水層中的地層水在一個區域或盆地級別的流動系統中以較長時間尺度流動，其流速非常緩慢，通常以厘米/年來衡量，而運移的距離以數十或數百千米為單位來計算。如果CO₂注入到此類系統中，盡管沒有像構造地層圈閉那樣的隔擋層來阻擋CO₂的運移，CO₂仍然可在浮力作用下以非常緩慢的速度沿地層運移。在這個漫長過程中，由于其他封存機理陸續會起作用，最終可避免CO₂到達淺部地層。

（4）溶解封存機理［圖1-6（c）］　在一定溫壓條件下，CO₂可以溶解于水或油中。溶解封存是指CO₂溶解于地層流體中的封存過程。決定CO₂完全溶解或者部分溶解的主要因素是接觸時間以及地層水和原油中CO₂的飽和度。溶解封存的優勢在于，當CO₂溶解于地層流體中時，它便不再是一種獨立的相態，當CO₂飽和流體比周圍的未飽和流體密度高1%左右時，CO₂飽和流體會受重力作用，向下運移，提高了CO₂封存的安全性和封存能力。通常，溶解封存作用的時間尺度在0～1000年間。

（5）礦化封存機理［圖1-6（d）］　溶解于地層水的CO₂通過與地層巖石礦物的化學反應，產生碳酸鹽類礦物沉淀，這便是礦化封存機理。主要影響因素為地層巖石的礦物成分、流體類型和化學反應過程。礦化封存是CO₂地質封存中最具永久性和安全性的封存機理。但礦化封存過程相當緩慢，據推測其時間尺度在100～10000年間。

隨著CO₂注入后時間尺度的延長，CO₂地質封存的安全性越來越高。各種封存機理的貢獻也各不相同。剛開始時，構造地層封存和水動力封存起主要作用，封存潛力貢獻也大。隨著時間的推移，到上百年以上，束縛氣、溶解和礦化封存的作用逐步顯現，并占主導地位，封存的安全性也隨之逐步得到提高（圖1-7）。

圖1-7　CO₂各種封存機理對封存安全性的貢獻