CO2近海地质封存评估的区域尺度框架：从理论评估到实际项目

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Zone-scale framework for CO 2 offshore geological storage assessment: from theoretical assessment to practical projects

　　•一个六模块的区带尺度框架集成了海上CO?封存评估。
•中国海油现场数据和定制技术经济模型提高了评估精度。
•两级不确定性分析得出了容量输出的P10-P90范围。
•珠江口盆地拥有158吉吨理论（P50；P10-P90范围72–216吉吨）和66吉吨有效CO?封存容量。
•平准化封存成本为10–80美元/吨；在1百万吨/年规模下，全链条CCUS约为80美元/吨。

引言
碳捕集、利用与封存（CCUS）是一项关键技术，使化石能源产业和工业企业能够减少碳排放并实现碳中和。根据国际能源署（IEA）的评估，全球CO?地质封存量预计将从每年约5000万吨（Mt/a）增加到2050年的每年超过5000万吨（IEA, 2025; IEA, 2025）。因此，CCUS有望发展成为支持能源和工业系统碳减排的全球性产业。

在中国背景下，陆上CO?地质封存资源的空间分布面临着严峻挑战，其根源在于排放源与封存场地之间的根本性不匹配（中国21世纪议程管理中心，M. 2020；Dahowski等人，2012）。基于卫星的排放清单和地理空间分析显示，工业和能源相关碳排放的绝大部分——约占全国总量的40%——来自中国14个沿海省份和直辖市，每年总计约42亿吨（Li, 2022；Huo, 2014）。矛盾的是，最有前景的陆上地质封存地层，包括深部咸水层和枯竭油气藏，主要位于西北、东北和华北地区（Li, 2022；Huo, 2014）。这种地理差异造成了严重的运输瓶颈和经济效率低下，需要创新解决方案来弥合源汇差距。位于50–300公里大陆架范围内的海上沉积盆地成为一种可行的解决方案。地震勘探和储层表征研究已在这些区域识别出广阔的次海相咸水层和枯竭油气藏。这些资源合计具备每年封存数十亿吨CO?的技术潜力（Li, 2022；Huo, 2014）。例如，对东海和南海盆地的地质力学模拟表明，其固有的地质构造特征——低渗透盖层和充足的孔隙空间——为CO?的安全长期封存提供了理想条件（Li, 2022；Huo, 2014）。利用这些海上资源可以缓解陆上源汇不匹配的问题，为中国碳减排战略开辟新的前沿，使CCUS成为实现国家雄心勃勃气候目标的关键推动因素。

海上CO?地质封存项目已跨越20多年，到2022年全球已开展十多个项目（Ringrose和Meckel, 2019）。由挪威石油公司于1996年在北海油田启动的Sleipner项目旨在将CO?注入海上咸水层，标志着全球首个工业规模CO?地质封存项目。随后，其他国家开展了各种海上封存示范项目，包括K12-B、Sn?hvit项目、苫小牧等（Mi, 2023；Sun等人, 2024；Bashir等人, 2024）。这些著名项目案例为开发海上碳捕集与封存（CCUS）项目提供了宝贵经验和技术示范。鉴于海上碳捕集利用与封存系统（CCUS）的巨大封存潜力，美国近期考虑建立区域海上封存中心（Bashir等人, 2024；Meckel等人, 2021）。美国联邦政府实施的45Q碳捕集税收抵免政策和两党基础设施法案促进了CO?海上封存的发展（DeFazio, 2021）。这些政策授权海洋能源管理局（BOEM）在联邦水域发放CCUS活动的租赁、地役权和通行权。

由于数据可用性，全球项目普遍采用综合方法，结合三维地震勘探、测井分析和岩心样品表征来构建高精度地质模型。例如，挪威Sleipner项目通过数十年监测验证了Utsira咸水层的封闭完整性，在储层建模中实现了10米分辨率。美国在墨西哥湾的倡议整合了盆地尺度数值模拟，以量化压力响应和CO?运移路径，从而设计优化的注入策略。

CO?地质封存的场地适宜性评估和封存潜力评价是大规模实施碳捕集与封存（CCS）项目的关键技术。根据评估数据的精度和采用的评估方法，陆上CO?地质封存的场地适宜性评估尺度通常从国家到场地级别不等。（CSLF, 2007；DOE-NETL, 2018）。按照这种分类方法，中国海上CO?地质封存的场地适宜性评估可划分为四个尺度：全海域、盆地、区带和场地级别，空间分辨率从10?平方公里到1平方公里（Mi, 2023）。评估数据质量，包括精度和类型，随着评估精度要求的提高而增加。封存容量评估涵盖四个方面：理论容量、有效容量、可行容量和匹配容量（IEA, 2022；Bachu, 2015）。评估方法从估算发展到精算计算，逐步提高评估精度。中国现有关于封存容量评估的研究大多在盆地和次盆地尺度上评估陆上地质封存的理论和有效容量（Sun等人, 2024；Zhou等人, 2011）。随着中国CCU/CCS/CCUS项目向大规模工程实施过渡，国家和盆地尺度的封存潜力评估不再是主要研究焦点。其中，CCS将对碳中和目标做出最大贡献。相反，越来越需要小尺度、高精度的选址，为工程项目提供安全可靠的场地。

中国海上CO?地质封存的场地适宜性评估和封存容量评价主要集中于单个盆地或次盆地尺度的理论容量评估（Fang和Li, 2011；Ranaee等人, 2022；Sun等人, 2018；Vincent等人, 2011；Zhang等人, 2016；Xie等人, 2015；Zhou等人, 2011），缺乏系统算法和区带尺度数据库。鉴于海上碳捕集与利用（CCU）的减排潜力和发展趋势，开展海洋二氧化碳封存（CCS）综合研究并开发大规模项目势在必行。这涉及评估海洋盆地的有效封存容量和区带尺度封存场地的适宜性。为此，优先考虑沿海水域和邻近海域内盆地中的次级构造，如凹陷和凸起，并利用详细数据作为研究目标至关重要。此类分析应考虑到影响CO?咸水层封存场地的各种因素，包括有效封存容量、注入性、安全性和社会经济绩效。

在中国海洋石油集团有限公司（CNOOC）的CCUS源汇匹配技术研究项目支持下，本研究开发了一种区带尺度的预可行性场地筛选和源汇匹配工具，该工具协调了各种评估方法，并根据圈闭机制、数据粒度和适用算法完善了分类标准（Wei等人, 2022；Wei等人, 2022）。在此基础上，我们构建了覆盖中国海上沉积盆地的多源区带尺度地质社会经济数据库，并开发了一个完整的技术体系，整合了五个模块：（1）基于网格的场地适宜性评估；（2）理论/有效封存容量估算；（3）单井和井组注入性评价；（4）全链条技术经济建模；（5）源汇匹配优化。我们进一步构建了中国海油CCUS源汇匹配分析系统V1.0（CCUS-SSAS V1.0软件），并将该集成框架应用于珠江口盆地，得出了场地适宜性、封存容量（P50时理论容量158吉吨/有效容量66吉吨）、注入性和平准化封存成本（10–80美元/吨）的定量估算。该框架被定位为区带尺度的预可行性筛选和评估工具，为中国早期海上CCUS部署提供决策支持；它不能替代项目级实施所需的详细场地表征或动态储层模拟。

章节片段
大规模CO?地质封存的技术方案
CO?地质封存项目的可行性直接受地质条件和相应工程方案的影响。技术方案和地质条件构成了涵盖容量、技术、经济和风险的多维评价基础。每个CO?封存项目中各种圈闭机制和封存效率因子的相对贡献取决于多种因素，包括沉积相、属性分布、区域
容量和场地适宜性评价算法
经济适用、可应用或实际容量不仅取决于地下地质特征，还取决于重要的地理和非地质因素，如技术方案、场地适宜性、技术经济特征、源汇接近度以及其他支持性政策（Bachu, 2015；Szulczewski等人, 2012；Gorecki等人, 2009）。油气藏中的CO?封存量可以通过基于储层特征的成熟算法轻松计算，
区带尺度场地评价框架
本节按顺序遵循图2中的六个模块：多源数据同化和预处理、指标筛选和排除、归一化评分和专家加权、基于网格的容量和注入性计算、全链条技术经济建模以及源汇匹配和不确定性分析。下面每个小节对应一个工作流模块，以便外部专家可以遵循并复制评估过程。本研究开发了一个六模块、基于栅格的
珠江口盆地的应用
选择珠江口盆地（PRMB）作为研究区域有三个汇聚的原因。首先，从源汇匹配角度看，珠江口盆地紧邻珠江三角洲工业集群——中国最集中的沿海CO?排放源之一——同时缺乏合适的陆上封存场地，这构成了中国南方海上盆地典型的海陆运输和海上封存挑战。其次，地质上，珠江口盆地拥有
结论
全球碳减排战略中的一个持久挑战在于陆上CO?排放热点——主要集中在中国工业东部沿海、南部省份和沿海地区——与可行地质封存储层之间的空间错位，而后者不成比例地分布在西北、东北和华北内陆盆地。现有容量评估方法尽管在多空间尺度上有所发展，仍受到有限
CRediT作者贡献声明
Hang Yu：写作–审阅与编辑，验证，项目管理，资金获取，概念化。Ning Wei：写作–审阅与编辑，写作–初稿，可视化，软件，方法学。Lili Sun：验证，数据管理。Keyao Lin：数据管理。Shengnan Liu：调查，正式分析。Wendong Wang：软件。Lintao Li：可视化。Xiaochun Li：监督。

Hang Yu|Ning Wei|Lili Sun|Keyao Lin|Shengnan Liu|Wendong Wang|Lintao Li|Xiaochun Li