中國地震局地球物理研究所  翟鴻宇

一、“雙碳”目標(biāo)的內(nèi)涵及有效途徑

在工業(yè)革命后的200多年中，全球化石燃料消耗的快速增長使得大氣中的CO2濃度迅猛增高，由此帶來的溫室效應(yīng)給人類的發(fā)展帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。2015年，“巴黎協(xié)定”提出在本世紀(jì)下半葉實(shí)現(xiàn)溫室氣體凈零排放，這一目標(biāo)需要全球的碳排放量在2050年減少50%以上，而要實(shí)現(xiàn)避免全球變暖1.5°C的目標(biāo)則需要達(dá)到80%的碳減排量。2020年9月22日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上鄭重宣布“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。為實(shí)現(xiàn)這一“雙碳”目標(biāo)，CO2捕集、利用和儲(chǔ)存（CCUS）技術(shù)對(duì)于減少大氣中的二氧化碳排放至關(guān)重要，聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）等許多其他國際機(jī)構(gòu)也證實(shí)沒有CCUS 就無法實(shí)現(xiàn)國際氣候變化目標(biāo)。

圖 1 CCUS基本構(gòu)架 (Global CCS Institute)

在CCUS的“封存”環(huán)節(jié)，CO2地質(zhì)封存利用枯竭油藏和氣藏、陸上與海底咸水層對(duì)工業(yè)生產(chǎn)排放的CO2進(jìn)行封存，實(shí)現(xiàn)減碳目標(biāo)，是CCUS技術(shù)組合中的一種重要技術(shù)手段。在CCUS的“利用”環(huán)節(jié)，以合理的成本大規(guī)模利用二氧化碳來提高工業(yè)生產(chǎn)能力、同時(shí)兼顧二氧化碳減排，此類應(yīng)用包括提高石油采收率(CO2-EOR)、天然氣采收率(CO2-EGR)、煤層甲烷采收率(CO2-ECBM)、頁巖氣采收率(CO2-ESGR)、地?zé)崮懿墒章?/span>(CO2-EGS)和原地浸鈾采收率(CO2-IUL)等（圖 1）。為了實(shí)現(xiàn)CO2減排的最終目標(biāo)，封存和利用環(huán)節(jié)中所涉及的氣體泄露和誘發(fā)地震災(zāi)害問題是工程項(xiàng)目設(shè)立階段及長期運(yùn)行階段主要關(guān)注的問題。

二、CCUS與誘發(fā)地震災(zāi)害

在CO2地質(zhì)封存項(xiàng)目中，超臨界狀態(tài)的CO2注入會(huì)使儲(chǔ)層膨脹與孔隙流體性質(zhì)變化，蓋層巖石破裂，從而一定程度影響目標(biāo)儲(chǔ)氣層、覆蓋層或者周邊地殼介質(zhì)的穩(wěn)定性，引發(fā)人為斷層激活現(xiàn)象。受到地層應(yīng)力狀態(tài)和斷層形態(tài)的影響，處于臨界應(yīng)力狀態(tài)的小斷層雖然無法觸發(fā)大的地震，但仍可引起一定震級(jí)的可感知地震（2.0），因此在場地的篩選階段必須考慮潛在的隱伏小斷層對(duì)于未來封存場地安全性的影響。相比鹽水層封存，枯竭的石油和天然氣儲(chǔ)層存在油井和管道等基礎(chǔ)設(shè)施，并且有大量的地質(zhì)和地球物理特性數(shù)據(jù)可以用來描述幾十年油氣開發(fā)過程的地下特征，而枯竭油氣藏地層的相對(duì)負(fù)壓狀態(tài)也進(jìn)一步降低了CO2封存過程中因地層孔隙壓力上升而誘發(fā)地震的風(fēng)險(xiǎn)，這些因素使得枯竭的石油和天然氣儲(chǔ)層可能更適合進(jìn)行二氧化碳地質(zhì)封存。相對(duì)于增強(qiáng)地?zé)嵯到y(tǒng)、非常規(guī)油氣開發(fā)和季節(jié)性地下儲(chǔ)氣庫工程等，CO2地質(zhì)封存示范場地和大規(guī)模開發(fā)場地目前沒有觀測到較大震級(jí)的有感誘發(fā)地震，這主要是由于有效的流體注入壓力控制使得發(fā)生有感地震的風(fēng)險(xiǎn)變得十分小。

在一系列基于CO2利用技術(shù)的地質(zhì)能源工業(yè)活動(dòng)中，需要采用更高的流體注入壓力與流體注入速率對(duì)非常規(guī)油氣儲(chǔ)層或者干熱巖儲(chǔ)層進(jìn)行壓裂改造，這對(duì)地層的穩(wěn)定性與有效控制誘發(fā)地震災(zāi)害提出了更高的挑戰(zhàn)。相對(duì)于CO2地質(zhì)封存，在多種地質(zhì)能源工業(yè)活動(dòng)中，保持地層的穩(wěn)定性與制造更大范圍的儲(chǔ)層改造空間有著難以取舍的矛盾。從提高氣體封存量和經(jīng)濟(jì)效益的角度分析，發(fā)生在儲(chǔ)氣層中的無感誘發(fā)地震（M<2.0）能夠增強(qiáng)地層的滲透性，從而對(duì)地質(zhì)能源活動(dòng)產(chǎn)生積極的意義。但是，發(fā)生在覆蓋層中的各類誘發(fā)地震將會(huì)破壞蓋層的密封性，從而引發(fā)封存氣體泄漏，這是各類地質(zhì)能源工業(yè)活動(dòng)中必須要避免的。此外，有感誘發(fā)地震在帶來建筑財(cái)產(chǎn)損失的同時(shí)更使得當(dāng)?shù)氐木用癞a(chǎn)生嚴(yán)重的不安情緒，這也是部分地質(zhì)能源工業(yè)活動(dòng)暫?；蛘呷∠闹饕?。

圖 2 CO2地質(zhì)封存場地中的潛在地震風(fēng)險(xiǎn)與監(jiān)測手段 (Verdon et al., 2013)

三、誘發(fā)地震減災(zāi)措施

采用科學(xué)合理的地球物理監(jiān)測手段與地震風(fēng)險(xiǎn)管控措施是各類CCUS項(xiàng)目實(shí)施過程中減輕地震災(zāi)害威脅的重要途徑（圖 2）。首先，項(xiàng)目實(shí)施前的地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需要給出預(yù)期最大震級(jí)與長期監(jiān)測計(jì)劃，從而保證整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過程得到有效的監(jiān)控。其次，實(shí)時(shí)的誘發(fā)地震監(jiān)測臺(tái)網(wǎng)除了使用地震計(jì)、強(qiáng)震動(dòng)儀、地表淺井與深井陣列等地震監(jiān)測技術(shù)設(shè)備外，重力與電磁法監(jiān)測技術(shù)也是評(píng)估CO2羽流運(yùn)移特征的有效手段。最終，在破壞性較大的誘發(fā)地震發(fā)生前利用多學(xué)科監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)前瞻性預(yù)測，建立地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警“紅綠燈”系統(tǒng)（TLS）從而實(shí)時(shí)分析地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，采用震級(jí)、PGV或地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值等閾值，以及開采區(qū)社會(huì)公眾的風(fēng)險(xiǎn)可接受程度來確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（綠、黃、橙、紅等），根據(jù)誘發(fā)地震實(shí)際發(fā)生情況或前瞻性的向前預(yù)測來及時(shí)調(diào)整施工流程，從而實(shí)現(xiàn)減輕CCUS項(xiàng)目誘發(fā)地震風(fēng)險(xiǎn)（圖 3）。除了及時(shí)對(duì)誘發(fā)地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測、評(píng)估與前瞻性預(yù)測外，對(duì)出現(xiàn)了不同等級(jí)警報(bào)后，還應(yīng)采取具體的緩解風(fēng)險(xiǎn)措施。通過控制流體注入速率（排量）、注入總量、井口壓力等工程措施實(shí)現(xiàn)減輕誘發(fā)地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)紅綠燈系統(tǒng)出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)最高的紅色警告時(shí)，一般會(huì)采用直接停止注入作業(yè)和關(guān)井的方式，并在地震活動(dòng)恢復(fù)至背景水平后，經(jīng)過相關(guān)監(jiān)管部門批準(zhǔn)方可復(fù)工。

圖 3 誘發(fā)地震風(fēng)險(xiǎn)管控紅綠燈系統(tǒng)（TLS）的總體技術(shù)框架(姜叢 et al., 2021)

四、存在的問題及對(duì)策

但是，CCUS所涉及的復(fù)雜應(yīng)用場景目前面臨眾多的基礎(chǔ)科學(xué)問題與工程問題。例如，地下儲(chǔ)層中孔隙壓力演化以及注入流體的性質(zhì)變化會(huì)影響裂縫和斷層的穩(wěn)定性；低溫的注入流體到達(dá)高溫地層所引起的非等溫效應(yīng)會(huì)引起巖石收縮、熱應(yīng)力減小和冷卻區(qū)周圍應(yīng)力重新分布；低滲透斷層穿過注入層時(shí)引起的局部應(yīng)力變化，可能降低其穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致斷層復(fù)活；地層中的可溶性碳酸鹽礦物發(fā)生的溶蝕、運(yùn)移與重結(jié)晶現(xiàn)象所對(duì)應(yīng)的地球化學(xué)效應(yīng)也可觸發(fā)地震。這些因素使得在當(dāng)前的地震預(yù)測模型中對(duì)于成功預(yù)測誘發(fā)地震變得十分困難。因此，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究領(lǐng)域仍需要部署重大項(xiàng)目開展科技攻關(guān)，加強(qiáng)誘發(fā)地震機(jī)理的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和理論研究，發(fā)展注采施工期間介入式的誘發(fā)地震控制、多模式的流體注入策略、誘發(fā)地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)緩解措施、以及考慮誘發(fā)地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域地震區(qū)劃等關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)關(guān)井后的地震“尾隨效應(yīng)”、地下應(yīng)力狀態(tài)量化分析等關(guān)鍵問題的研究，為“雙碳”目標(biāo)下做好地震減災(zāi)事業(yè)提供強(qiáng)有力的科技支撐。此外，在政策法規(guī)方面，目前對(duì)監(jiān)測方案的制定、災(zāi)害發(fā)生后的應(yīng)急措施和后續(xù)處理方式等，均缺少法律法規(guī)來明確各參與方職責(zé)，亟需理順并明確各方職責(zé)和分工并加強(qiáng)立法。

【參考文獻(xiàn)】

Verdon,J.P.,Kendall,J.M.,Stork,A.L.,Chadwick,R.A.,White,D.J.,&Bissell,R.C.(2013). Comparison of geomechanical deformation induced by megatonne-scale CO2 storage at Sleipner, Weyburn,and In Salah.Proceedings of the National Academy of Sciences, 110(30), E2762-E2771.

姜叢, 邱宇, 蔣長勝, 尹欣欣, 翟鴻宇, 張延保, 尹鳳玲. (2021).

工業(yè)活動(dòng)誘發(fā)地震風(fēng)險(xiǎn)管控的 “紅綠燈系統(tǒng)”: 問題與展望. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 36(6), 2320-2328.

【作者簡介】

翟鴻宇，男，中國地震局地球物理研究所非天然地震研究室，副研究員，研究方向?yàn)椋核毫褞r石物理實(shí)驗(yàn)、微地震監(jiān)測研究等。