本文是一篇关于二氧化碳（CO₂）在地下水层中封存技术的综述性论文，由Sunil Kumar、Jalal Foroozesh、Katriona Edlmann、Mohamed Gamal Rezk和Chun Yan Lim共同撰写，发表于《Journal of Natural Gas Science & Engineering》。文章全面回顾了CO₂在地下水层中的封存过程，重点讨论了封存机制、存储安全性、场地选择、监测方法以及相关经济性等问题。以下是本文的主要内容总结：
CO₂是导致全球气候变化的主要温室气体之一，自工业革命以来，其排放量显著增加，导致大气中CO₂浓度持续上升。为了应对气候变化，减少CO₂排放成为全球关注的焦点。碳捕集与封存（CCS）技术被认为是减少CO₂排放的有效手段之一，而地下水层封存因其巨大的存储容量和广泛分布被认为是CCS技术中最具潜力的封存方式之一。
CO₂在地下水层中的封存主要通过四种机制实现： 1. 结构封存（Structural Trapping）：CO₂注入地下后，由于其密度低于盐水，会向上迁移直至被不透水的盖层（caprock）阻挡。这种封存机制依赖于盖层的完整性和CO₂的浮力。 2. 残余封存（Residual Trapping）：CO₂在孔隙中被毛细管力捕获，形成不可移动的残余气体。这种机制在CO₂注入后逐渐发挥作用，能够显著减少CO₂的迁移。 3. 溶解封存（Solubility Trapping）：CO₂溶解在盐水层中，形成碳酸溶液。溶解后的CO₂密度增加，会逐渐下沉，减少其向上迁移的风险。 4. 矿物封存（Mineral Trapping）：CO₂与岩石矿物发生化学反应，生成碳酸盐矿物。这种封存机制虽然速度较慢，但能够永久性地固定CO₂。
文章详细讨论了每种封存机制的优化方法： - 结构封存：优化盖层的完整性、增加注入速率、控制注入压力等可以提高结构封存的效率。 - 残余封存：通过控制孔隙结构、岩石润湿性、注入速率等参数，可以增加CO₂的残余封存量。 - 溶解封存：通过共注盐水、增加垂直渗透率等方法，可以加速CO₂的溶解过程。 - 矿物封存：通过选择富含钙、镁等离子的地层，可以促进碳酸盐矿物的生成，增强矿物封存的效果。
选择合适的封存场地是CO₂封存成功的关键。文章指出，封存场地的选择需要考虑地层的渗透性、孔隙度、盖层的完整性以及地质结构的稳定性。此外，文章还讨论了不同封存场地的存储容量估算方法，包括静态和动态方法。静态方法主要基于体积和压缩性算法，而动态方法则依赖于数值模拟和解析模型。
为了确保CO₂封存的安全性，文章强调了监测、测量和验证（MMV）的重要性。MMV计划包括对CO₂注入前、注入期间和注入后的地质和水文条件进行监测，以确保CO₂被封存且不会泄漏到地表。文章列举了多种监测技术，如地震监测、重力测量、微地震监测等，并讨论了这些技术的成本和应用场景。
CO₂封存的经济性主要取决于捕集、运输、封存和监测的成本。文章指出，捕集成本占整个CCS过程成本的70%至80%，而封存和监测成本相对较低。封存成本因场地的地质特征而异，深度、渗透性、注入井数量等因素都会影响封存成本。此外，文章还讨论了CO₂在增强石油采收率（EOR）和煤层气开采（ECBM）中的应用，这些应用可以为CO₂封存带来额外的经济收益。
文章列举了全球多个CO₂封存项目，包括挪威的Sleipner项目、澳大利亚的Gorgon项目、加拿大的Weyburn项目等。这些项目展示了CO₂封存技术的可行性和潜力，并为未来的CCS项目提供了宝贵的经验。
文章总结了CO₂在地下水层中封存的主要机制和优化方法，并指出未来的研究应重点关注以下几个方面： - 封存机制的优化：进一步研究CO₂-盐水-岩石系统的润湿性和界面张力，优化封存效率。 - 场地选择与存储容量估算：开发更精确的存储容量估算方法，考虑矿物封存的复杂性和时间尺度。 - 监测技术：开发更高效的监测技术，确保CO₂封存的安全性。 - 经济性：降低CO₂捕集和封存的成本，推动CCS技术的商业化应用。
本文的亮点在于全面回顾了CO₂在地下水层中的封存机制及其优化方法，详细讨论了场地选择、存储容量估算、监测技术和经济性等问题。文章不仅总结了现有的研究成果，还提出了未来研究的方向，为CO₂封存技术的发展提供了重要的参考。
本文的研究对于推动CO₂封存技术的应用具有重要意义。通过优化封存机制、选择合适的封存场地、开发高效的监测技术，可以显著提高CO₂封存的安全性和经济性，从而为应对全球气候变化提供有效的解决方案。