1.2.4　CO₂地质封存机理

CO₂注入地层后的封存机理主要有物理封存和化学封存两大类。其中物理封存机理包括构造地层封存、束缚气封存和水动力封存；化学封存机理包括溶解封存和矿化封存。

（1）构造地层封存机理［图1-5和图1-6（a）］　当CO₂注入到地层后，CO₂会进入岩石孔隙，而这些孔隙中一般都含有油气或地层水，所以在较高注入压力下，CO₂会驱替孔隙中原有的油气或水，与其发生置换或混溶。由于CO₂的密度低于油气或水，所以处于超临界状态的CO₂会受浮力的作用向上运移。尽管巨量CO₂产生的浮力较大，但当遇到上覆盖层时就无法继续向上运移而滞留在盖层下部，就形成了构造地层圈闭，与此同时构造地层封存机理开始作用。发生此类圈闭的地质构造主要包括地层圈闭、背斜圈闭和封闭断层圈闭。

（2）束缚气封存机理［图1-6（b）］　当注入的CO₂在地层运移过程中，由于毛细管力、表面张力的作用，使一部分CO₂被长久地滞留在岩石颗粒间的孔隙中，这就是束缚气封存机理。通常束缚气封存与溶解封存密不可分，束缚在岩石孔隙中的CO₂最终将会溶解在地层流体中。束缚气封存机理的作用时间从注入开始可持续几十年甚至更长时间。

（3）水动力封存机理　深部咸水层中的地层水在一个区域或盆地级别的流动系统中以较长时间尺度流动，其流速非常缓慢，通常以厘米/年来衡量，而运移的距离以数十或数百千米为单位来计算。如果CO₂注入到此类系统中，尽管没有像构造地层圈闭那样的隔挡层来阻挡CO₂的运移，CO₂仍然可在浮力作用下以非常缓慢的速度沿地层运移。在这个漫长过程中，由于其他封存机理陆续会起作用，最终可避免CO₂到达浅部地层。

（4）溶解封存机理［图1-6（c）］　在一定温压条件下，CO₂可以溶解于水或油中。溶解封存是指CO₂溶解于地层流体中的封存过程。决定CO₂完全溶解或者部分溶解的主要因素是接触时间以及地层水和原油中CO₂的饱和度。溶解封存的优势在于，当CO₂溶解于地层流体中时，它便不再是一种独立的相态，当CO₂饱和流体比周围的未饱和流体密度高1%左右时，CO₂饱和流体会受重力作用，向下运移，提高了CO₂封存的安全性和封存能力。通常，溶解封存作用的时间尺度在0～1000年间。

（5）矿化封存机理［图1-6（d）］　溶解于地层水的CO₂通过与地层岩石矿物的化学反应，产生碳酸盐类矿物沉淀，这便是矿化封存机理。主要影响因素为地层岩石的矿物成分、流体类型和化学反应过程。矿化封存是CO₂地质封存中最具永久性和安全性的封存机理。但矿化封存过程相当缓慢，据推测其时间尺度在100～10000年间。

随着CO₂注入后时间尺度的延长，CO₂地质封存的安全性越来越高。各种封存机理的贡献也各不相同。刚开始时，构造地层封存和水动力封存起主要作用，封存潜力贡献也大。随着时间的推移，到上百年以上，束缚气、溶解和矿化封存的作用逐步显现，并占主导地位，封存的安全性也随之逐步得到提高（图1-7）。

图1-7　CO₂各种封存机理对封存安全性的贡献