美国环境保护署地下注入控制计划下微咸水含水层二氧化碳储存的监管与技术考量

《International Journal of Greenhouse Gas Control》：Regulatory and technical considerations for CO 2 storage in brackish aquifers under the U.S. EPA underground injection control program

　　

•EPA在无法律依据或科学依据的情况下禁止第六类项目的豁免
•研究显示，在咸水和苦咸水中进行地质CO?储存的风险极小
•其他井类豁免含水层应被允许用于支持GS项目
•深度豁免和例外条款可以释放未充分利用且地质条件良好的储存空间
•UIC规则需要改革，以便基于风险利用豁免含水层进行GS

引言

第六类地质封存（GS）二氧化碳项目的某些条款和政策可能妨碍实施基于风险的保护措施。美国环境保护署（EPA）的地下注入控制（UIC）项目旨在保护地下饮用水源（USDWs）免受地下注入活动的影响。UIC项目依据《安全饮用水法》（SDWA）实施。USDWs被定义为总溶解固体（TDS）浓度低于10,000毫克/升（mg/L）且正在使用或未来可能用于向公共供水系统提供饮用水的含水层。SDWA项目采用基于风险的方法——任何对USDW含水层价值造成"危害"的活动均被禁止。

根据EPA最初颁布的UIC项目，USDW的确定涉及几个标准：首先确定含水层的TDS含量，其次确定其向公共供水系统供水的潜力。第二个标准要求含水层具有充足的产水能力，且不存在使其不符合饮用水水源资格的因素。这种方法适用于整个UIC项目，无论涉及的注入活动类型如何；然而，当2010年12月颁布用于GS二氧化碳（CO?）的第六类注入井规定时，这些认定并未适用于相关法规。因此，即使其他诊断参数（如40 CFR第146.4节所述）会排除其作为饮用水水源的用途，直接使用TDS低于10,000 mg/L的含水层进行CO?的GS也是被禁止的。对于所有其他类型的注入（例如危险和非危险工业废物以及油气活动产生的废物），UIC项目要求使用第二个标准来确定咸水含水层的某些部分是否真正可用于饮用水。如果不是，这些含水层或含水层的部分被指定为豁免含水层，因为它们不是USDW，这也是它们被称为"豁免含水层"而非"豁免USDW"的原因。目前不允许指定豁免含水层来承认那些无法提供饮用水但适合GS的地层。

本文分析了USDW的确定以及根据SDWA排除豁免含水层的好处，这与UIC项目内地下注入井的许可有关。分析包括关于地下CO?注入操作对USDW潜在危害的技术讨论。

各章节摘要

法规历史

UIC项目通过确定USDW和排除豁免含水层来保护地下水，符合国会为保护地下水源而建立的联邦和州合作伙伴关系框架下SDWA的要求。具体而言，SDWA和UIC项目明确规定了以下要求：
•保护USDW免受地下注入的危害，防止任何公共供水系统因"未能遵守任何国家一级饮用水标准"或"不利影响"

拟议规则制定通知（NPRM）— 2008年7月25日

第六类GS井的拟议规则本应保留现有的指定豁免含水层的流程，基于适用于每种UIC许可类型所使用的方法。此类确定导致豁免含水层并非USDW的结论。NPRM指出："EPA将注入作业的含水层豁免限制在满足40 CFR 146.4所需条件的情形下，一般不旨在创造额外的容量……"

指定豁免含水层

EPA决定在最终规则前言中禁止为GS指定豁免含水层时，再次混淆了基本流程，称此类指定"将含水层从USDW保护中移除"，而不是承认这是对含水层并非USDW的确定，如40 CFR 144.1(g)所述。尽管如此，EPA正确指出此类指定是在"没有合理预期豁免含水层将……"

问题的核心

怀俄明州环境质量局总监约翰·科拉对NODA的意见陈述了问题的核心：

如果豁免流程不能适用于USDW之上和之间的"豁免"含水层，怀俄明州的GS机会将大大减少。我们在第一类井方面的经验表明，重大注入速率和注入量最常发生在根据40 CFR第146.4节中的豁免标准被"豁免"的含水层内。

必须……

注入深度豁免

注入深度豁免解决了EPA关于在TDS浓度低于10,000 mg/L的非常深层区域许可GS井政策中的一个问题。EPA的注入深度政策有几个方面，其中之一涉及注入必须位于最底部USDW之下的地层中的要求。这一要求因EPA一项未经证实的政策而加剧，即反对为未用于注入的豁免含水层指定豁免。该政策的问题在于……

排除豁免的后果

排除为第六类项目指定豁免含水层的缺陷的最佳例证由大天空碳封存伙伴关系（BSCSP）的凯文穹顶（Kevin Dome）项目提供，该项目在DOE碳储存计划下开展。凯文穹顶第三阶段项目的主要原始目标是从蒙大拿州中北部（凯文穹顶）的一个天然来源提取多达100万吨CO?，并将其重新注入杜佩罗……

EPA向国会提交的第六类报告

在其向国会提交的第六类报告中，EPA承认"[利益相关方要求EPA在所有情况下允许第六类项目的含水层豁免]"。EPA向国会报告：第六类许可 18页（2022年10月）["EPA向国会报告"]。针对该请求和其他多项法规修订建议，该机构表示，"EPA继续评估其法规和指南，以寻找加强公众健康和环境保护的机会……"

技术考虑

为了评估允许将CO?注入被指定为豁免含水层的低盐度储层的潜在技术风险，本文首先概述了目前在已获许可的TDS超过10,000 mg/L（咸水）地层中储存CO?的记录，并讨论了关于CO?无意迁移对USDW潜在风险的近期洞察。然后讨论了将CO?注入TDS盐度在3000至10,000 mg/L之间的苦咸地下水（BGW）地层将如何影响CO?羽流动力学和……

关于CO?无意迁移对USDW风险的最新认知

自2010年第六类规则颁布以来，已有十多年时间致力于在全球范围内开展CO?地质储存的研究、开发和实施，这些进展可以支持对该规则的更新。Zhang等人（2022）估计，从1996年到2020年，全球约有近2亿吨（MMt）CO?被安全储存和监测于地质地层中。目前，每年捕获约5000万吨（Mtpa）CO?……

泄漏风险评估方法和结果

根据现行法规，CO?封存表现稳健，没有已知CO?泄漏进入USDW的案例。为评估储存储层中CO?和盐水泄漏至USDW的潜在可能性而进行的风险评估一致表明环境风险极小，尤其是对于在法规要求下具有良好的现场表征且管理良好的项目。CO?或CO?饱和盐水可能因压力增大而通过井、裂缝和断层逃逸是一种理论可能性……

沉积盆地

典型的第六类CO?注入发生在深于800米的孔隙岩石中，其中孔隙被TDS超过10,000 mg/L的咸水含水层充满，由于高压和高温，CO?保持稠密超临界相。向充满BGW的多孔地层注入的物理学和化学过程与之类似。我们首先讨论储存在砂岩、石灰岩和白云岩等沉积岩中的情况。当注入超临界CO?时，井筒处的压力有助于CO?……

其他类型注入—基性岩和枯竭油气田

大多数已执行或计划的第六类注入都是向孔隙充满盐水的沉积岩中进行的。常讨论的变体包括向枯竭油气田或基性岩中注入。此处描述与BGW注入讨论相关的关键差异。

枯竭油气田通常与原始含烃体积下方和内部的咸水有关（Bump等人，2022）。油气田也可能位于BGW区域或几乎没有……

注入苦咸区对泄漏风险的影响

如果自由相CO?、含CO?的BGW或不含CO?的BGW找到通往USDW或地表的直接且高渗透性通道，就可能发生泄漏（Birkholzer等人，2011；Nicot和Hovorka，2009a；Nicot等人，2009a）。UIC项目提供了旨在避免此类事故的要求和纠正措施，然而，作为评估CO?注入BGW泄漏风险影响的一部分，应评估注入的影响。我们评估了注入BGW的影响（这会在一定程度上减少……

BGW中润湿性增加降低了迁移风险

多个实验室和模型模拟研究项目表明，盐度在CO?储存中发挥作用，影响迁移和封存（Al-Khdheeawi等人，2017；Alkan等人，2010；Zhang等人，2023）。美国地质调查局（USGS）将苦咸地下水定义为溶解固体浓度在1000至10,000 mg/L之间（Stanton等人，2017）。较高的卤水盐度导致CO?流动性和迁移距离增加。向盐度较低的BGW中注入CO?会导致……

与咸水系统相比，受影响区域（AoR）增加

本节考虑储层盐度对UIC许可流程中非危害关键要素的影响——特别是对AoR的影响，即由CO?羽流迁移和压力演化所定义的AoR。

我们使用分析工具EASiTool（Ganjdanesh和……）对具有不同盐度的储层的AoR进行了比较，以查看其对压力和羽流迁移的影响，模拟将等量CO?注入三种不同类型含水层的情况……

CO?迁移性的限制

要设想在极长时间内大量天然CO?向上迁移的潜力，一个关于深层沉积盆地中CO?天然产生和长期迁移的模型富有启发性（Cathles和Schoell，2007）。虽然该模型的产生部分在此不适用，但迁移模型是相关的。该模型解释了富含CO?的气体，无论是天然的还是人为的，在上升过程中如何被滴定（图2）。到达较冷……

BGW中CO?的命运

CO?引入USDW对地下水的影响已被广泛研究。关于BGW中地球化学反应的类似研究不那么广泛，但情况应相似。CO?-岩石-水相互作用复杂且取决于当地条件，但影响通常不是广泛的、长期的或严重破坏性的（Gupta和Yadav，2020；Lions等人，2014；Qafoku等人，2017；Varadharajan等人，2018；Zheng等人，2021；Zielinski等人，2023）。A……

美国的苦咸水地下水资源

了解在相关CO?储存深度存在多少淡水和苦咸水（TDS盐度大于3000但小于10,000 mg/L）对我们讨论至关重要，这有助于评估这一潜在资源。此外，考虑咸水出现在最底部USDW之上的普遍程度也很有用。要求CO?地质储存必须发生在最底部USDW之下的要求将限制淡水在显著深度存在的区域的储存潜力。在……

结论与建议

数十年的研究、开发和部署表明，在总溶解固体（TDS）浓度超过10,000 mg/L的储层中储存CO?是安全的。没有记录显示因CO?储存导致的储存损失或地下水污染，模型预测一致表明在良好管理条件下环境风险极小。这些相同的保护机制（构造封存、残余封存、溶解封存和矿物封存）同样适用于……

作者贡献声明
Robert Van Voorhees：监督、形式分析。

凯瑟琳·罗马拉克：撰写初稿、调查研究、形式分析。王志诚：软件、形式分析。苏珊·霍沃卡：撰写初稿、概念化。罗伯特·范·沃里斯 | 凯瑟琳·罗马拉克 | 王志诚 | 苏珊·霍沃卡