CO2地质封存环境风险评价
——以沁水煤田沁县封存区为例

文_田晶晶 山西省煤炭地质资源环境调查院

1 山西省CO2地质封存区的选定

CO2封存场址的选择是CO2地质封存成功与否的关键因素。主要考虑因素：①CO2封存量；②储集层可灌注性；③CO2封存有效性；④地面场址适合性；⑤其他天然资源。

根据山西省煤层气资源特点及开发现状，结合CO2地质封存选址因素，确定山西省CO2地质封存区的选区原则：①山西省沉积煤盆地的煤层气资源相对富集区；②煤层埋深≥1500m以深的煤炭资源远景区；③煤层气开发的封存区；④距离工业经济相对发达的CO2排放源相对较近，便于CO2的捕集运输和封存，同时也利于CO2在未来的资源化开发和利用；⑤具有较好的安全环境，距离大中城市相对较远和较为稳定的区域工程地质条件。并从封存安全性、有效性和经济成本上讲，CO2地质封存的首选区除应符合法律要求并被公众所认可接受外，综合考虑以上几方面的因素，选择沁水煤田的沁县规划区为理想的CO2地质封存首选区。

2 沁县封存区CO2地质封存环境风险识别

2.1 环境风险保护目标

根据本项目风险评价工作等级的划分及所在区域环境情况，确定风险评价的重点保护目标为封存区范围内的人口集中居住区和社会关注区，主要为位于封存区西北部的古城镇、漳源镇、牛寺镇，东北部的石北、郝北镇，东南部的次村、亭镇、新店镇等18个村镇及水源保护区（浊漳河源头自然保护区）。

2.2 环境风险源的识别

本项目的环境风险识别：一是从项目所涉及的原料、辅料和产品入手，了解这些化学物质的潜在危险性，包括闪点、熔点、沸点、自燃点、爆炸极限、危险分类和毒性分类等；二是从生产工艺过程和设计方案入手，了解项目的装置组成和相应的配套、辅助设施，了解各装置的重要生产设备及其工艺参数、物料数量，分析各装置的重点部位、薄弱环节和事故排放的潜在因素。

2.2.1 风险物质确定

本项目涉及到的主要原材料及中间产品中属于风险物质的是煤层气和CO2，煤层气成分主要是甲烷、CO2和氮。

煤层气主要由甲烷组成，其性质与纯甲烷相似，属“单纯窒息性”气体，高浓度时因缺氧而引起窒息。若发生泄漏等情况，可对环境造成污染，危害人群健康。同时，煤层气燃烧不充分则会产生一氧化碳而导致中毒，煤层气具有火灾爆炸危险，泄漏后遇明火可导致火灾爆炸。

CO2属窒息性气体，容器损漏时，该液体能迅速蒸发造成空气中CO2过饱和，在密闭容器中可致人窒息死亡。正常情况下不燃，但在日光暴晒下，或搬运时猛烈摔甩，或者遇高热，容器内压增大，有开裂和爆炸的危险。外部过多的CO2将阻碍人体对氧气的吸收，长时间的缺氧会引起窒息死亡。

2.2.2 CO2地质封存过程风险源

（1）施工过程

CO2地质封存的主要工艺是采用向深部煤层注入CO2，提高煤层的有效渗透率，促进CH4的解吸，封存CO2的同时提高煤层气采收率。风险事件包括地震事件、钻井井喷和新钻井穿透储层事件等。

储层压力会在CO2注入期间达到最高，注入结束后，固定和捕获CO2的物理和化学过程开始活跃。风险评价的核心是确定最有可能出现的泄漏事件以及它们的概率。

为了保证将CO2有效地注入至储集层，钻井的注入压力必须大于储层流体的压力。但当压力增加到一定程度后，很容易诱发地层中潜在的微裂缝或裂隙产生。

（2）储运过程

CO2地质封存气体输送过程有发生管道事故的可能。管道事故通常是指使气体从管道内释放并影响正常输气的意外事件。当出现意外时，集输气管道及场站所属高压容器释放出的气体可能带来下列危害：煤层气若立即着火即产生燃烧热辐射，在危险距离内的人会受到热辐射伤害；煤层气未立即着火可形成爆炸气体云团，遇火就会发生爆炸，若煤层气及CO2的浓度过高时，可能会导致泄漏点附近人员窒息。

（3）地质封存长期影响

对注入井和废弃井的不封闭处理被认为是造成CO2渗漏最主要的途径之一。随着勘探开发的深入，废弃井的数量庞大，多数情况下它们没有进行防渗漏或封闭处理。同时，随着钻井的废弃，先前使用的一些材料、设备，如水泥和套管等也被遗弃在井下。

通过对CO2地质封存项目事故资料的调查分析，表明在施工、储运、地质封存等过程中，煤层气和CO2有可能发生泄漏，当泄漏数量较大，达到在空气中的爆炸极限或遇明火时就会发生爆炸，给周围环境和生产、生活设施造成严重的破坏，存在一定的安全隐患。

3 沁县封存区主要环境风险因素的评估

3.1 大气环境影响预测

通过对CO2地质封存过程风险源的识别，认为对大气环境影响主要发生在施工过程及储运过程中煤层气及CO2的泄漏。

对沁县封存区各块段3号和15号煤层进行CO2注入的数值模拟研究：对3号煤层而言，产气能力最强的区块，1md渗透率下平均产气量能达到2900m3/d；产气量较低的区块，0.1md时平均产气量分别为155m3/d，1md渗透率下均不到1500m3/d。15号煤层而言，产气能力最强的区块，1md时日产气量达到3640m3/d；其余区块产气能力基本相近，0.1md时日产气量800～2000m3/d，1md时日产气量3200～3400 m3/d。

假定气体的特性是理想气体，计算气体泄漏速度。释放源强随风速增大有明显的增大，不稳定下的扩散大于稳定态。扩散后，大气污染程度在静小风气象条件下以近距离范围为主，正常风条件下大气受污染范围距离相对较大。泄漏事故发生后，泄漏物向大气环境转移量的大小取决于释放面积、释放时间、物质的饱和蒸气压以及环境大气的气象条件（风速和稳定度）。但在总体上，由于所评价的物料在毒性上不高，因此扩散后影响程度不很严重。根据相关统计资料，在正常的设备维护条件下，煤层气泄漏事故出现机率较小，概率为0.3次/a。

计算CO2地质封存事故风险时，不仅要考虑事故发生的概率，也应考虑不利气象条件出现的概率及下风向的人口分布，根据本工程厂址周围情况，选择污染物朝敏感点(浊漳河源头自然保护区和农村居民点)吹的风向为最不利气象条件。

3.2 水环境影响分析

煤层气输送过程发生泄漏事故时，污染物只要以气相状态扩散到环境空气中，但在处理泄漏装置时，有少量煤层气会微溶在喷淋水中，并产生大量的消防污水，这些污水通过厂区排水管网而进入地表水，甚至渗入地下污染浊漳河源头，因此需要对其进行截流、回收处理。

目前相关法规还没有CO2在地层中扩散泄漏计算的模式，无法对泄漏的CO2进行定量的计算，只能对其开展定性描述。长期储存的CO2通过未检测到的缝隙、破损或是油井逐渐渗漏，在地下浅层CO2浓度升高的影响包括对于植物及土层动物的致命影响和地下水污染。CO2在地层中扩散泄漏将导致地下水的酸度增强，影响饮用水水质，同时地下水中相应的液态组分的浓度发生变化，将对人类的生产生活产生不利的影响。

4 结语

CO2地质封存项目涉及的危险物质主要为煤层气和CO2，危险特性为易燃物质及爆炸物质，根据危险物质在生产中产生量及生产场所临时存储量情况，以煤层气作为物质最大风险因子。本项目风险保护目标主要包括封存区内的农村居民点及浊漳河源头自然保护区。潜在的事故风险存在于施工过程、储运过程及地质封存的长期影响。

为防范事故和减少危害，需制定灾害事故的应急预案。当出现事故时，要采取紧急的工程应急措施，如必要，要采取社会应急措施，以控制事故和减少对环境造成的危害。