2. 非常规油气开发教育部重点实验室(中国石油大学(华东)), 山东 青岛 266580
2. Key Laboratory of Unconventional Oil & Gas Development (China University of Petroleum (East China)), Ministry of Education, Qingdao 266580, China
石油、煤炭等化石燃料仍是当前主要能源消费构成，CO2的大量排放将严重威胁人类赖以生存的地球环境[1]。随着近年来绿色低碳理念的普及以及生态文明建设的需要，我国提出力争在2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和[2]。CO2地质埋存技术被认为是大规模处置CO2的有效手段，该技术将油气藏、盐水层以及不可开采煤层等作为埋存地点，并进行了大量示范工程 [3]。CO2在地质体中的埋存安全依赖于一系列的封存机理，包括构造封存、残余气封存、溶解封存以及矿物封存。CO2注入地质体后会趋向于更加安全的形式转化，但这一过程通常非常缓慢[4]。将CO2转化为固体矿物是最安全、泄漏风险最低的封存机理，但常规地质体中可用于固碳的矿物的质量分数较少，注入的大部分CO2会以游离态形式长期存在于埋存储层中，对地质构造的封闭条件依赖度高，CO2泄漏风险大，需要在注入期间以及停注之后的很长时间内采取必要的监测手段，以确保CO2埋存的安全性，这大大增加了CO2地质埋存工程的成本[5-6]。火山岩中的玄武岩含有大量固碳矿物，具有非常高的CO2矿物封存潜力。近年在冰岛开展的CarbFix先导试验表明，将73~175 t CO2与水混合注入玄武岩储层中，95%以上的CO2可在2年内转化为碳酸盐矿物而实现永久封存[7-8]。这一突破性研究成果，证实了玄武岩CO2快速矿物封存的技术可行性，给真正实现CO2永久安全封存带来了可能。
我国陆上及近海也拥有丰富的玄武岩资源，为助力碳减排和CO2埋存提供更多的选择，需要掌握目前玄武岩CO2矿物封存的研究现状，推动我国玄武岩CO2地质埋存技术的发展。本研究分析了玄武岩的储层物性、CO2封存机理、埋存潜力、埋存方案及工程实施效果，总结了CO2玄武岩埋存的优势及亟待解决的关键问题。
2 玄武岩岩石物性及全球分布玄武岩是一种分布最广的火山岩，占据10% 陆地以及绝大部分洋底[9]，呈黑色或灰黑色、气孔和囊泡普遍发育[10]，孔隙度多在5%~20%，渗透率在0.001~10 μm2；主要矿物成分包括斜长石、辉石、橄榄石、角闪石及黑云母等[11]，其中具有固碳能力的钙镁铁硅酸盐矿物的质量分数可高达40%~70%，即氧化钙镁铁的质量分数可达25%。玄武岩构造与固结环境有关，陆上形成的玄武岩，常呈绳状构造、块状构造和柱状节理，水下形成的玄武岩，常具枕状构造[12]。
玄武岩在世界各国均有广泛分布。美国主要有4个可用于CO2封存的玄武岩分布区。在含有玄武岩的盆地中，Newark盆地和Hartford盆地的面积最大，被研究得最多。这2个盆地均包含3个被沉积岩和山脊隔开的玄武岩区域。位于中西部上部地层的Watchung玄武岩与170~500 m厚的沉积岩互层，单个玄武岩层厚达100~180 m。这组玄武岩层附近有大量CO2排放气源(主要为化石燃料发电厂)[12]。
印度的德干大火成岩区是世界上最大的陆地玄武岩地层之一，覆盖印度中西部近50×104 km2，厚度从东部的几米到西部的2.5 km。除此之外，在印度东北部还分布有一个较小的玄武岩地层，即Rajmahal圈闭，由450~600 m厚的玄武岩组成，面积约为1.8×104 km2。印度的燃煤发电总量(约37 GW)中有26% 位于或邻近德干玄武岩，其中包括印度最大的燃煤发电厂，即Chandrapur发电厂。这些玄武岩地层是印度重要的潜在CO2地质封存地点[12]。
我国各沉积盆地内部及其周边都广泛分布有玄武岩及其他类型火山岩，总体可分为东北(五大连池、镜泊湖、长白山、锡林郭勒、大兴安岭地区)、东部(山东、江苏、浙江一带)、东南(雷琼地区)、西南(云、贵、川)、西北(西秦岭地区、准格尔盆地和塔里木盆地) 5大地区。其中，东北、东部及东南地区新生代玄武岩分布面积达到78 525 km2，厚度在几十米至上千米，储量巨大[13-14]。此外，我国东部具有绵长的海岸线，正好位于环太平洋火山带上，近海底亦具有丰富的玄武岩资源。我国中东部经济发达，分布有大量的CO2排放源，可用于埋存；南海西部天然气藏普遍伴生CO2，分离出的CO2如何处置一直是个棘手问题[15]，附近的玄武岩储层可作为潜在的CO2埋存地质体。
3 CO2在玄武岩中的封存机理 3.1 CO2-玄武岩-地层水固碳反应过程注入玄武岩地层的CO2，首先溶解于地层水中产生碳酸，化学反应方程式如下：
| $ \mathrm{CO}_2(\mathrm{~g}) \rightleftharpoons \mathrm{CO}_2(\mathrm{aq}) $ |
| $ \mathrm{CO}_2(\mathrm{aq})+\mathrm{H}_2 \mathrm{O} \rightleftharpoons \mathrm{HCO}_3^{-}+\mathrm{H}^{+}$ |
然后，玄武岩中的主要固碳矿物会与CO2溶解产生的H+反应释放出Ca、Mg、Fe等二价阳离子，如斜长石和橄榄石的溶解反应如下[16-17]：
斜长石：
橄榄石：
最后，固碳矿物溶解释放出的二价阳离子，又会与水中的
| $ (\mathrm{Ca}, \mathrm{Mg}, \mathrm{Fe})^{2+}+\mathrm{HCO}_3^{-} \rightleftharpoons(\mathrm{Ca}, \mathrm{Mg}, \mathrm{Fe}) \mathrm{CO}_3+\mathrm{H}^{+} $ |
在整个固碳过程中，CO2溶解于地层水致使玄武岩中固碳矿物溶解的过程相对较慢，而碳酸氢根与二价阳离子发生碳酸盐沉淀反应的速度相对较快。这2个过程的反应动力学特征及其主控因素不同，前者主要受孔隙中固碳矿物反应表面积的限制，矿物溶解、H+消耗和释放出二价金属阳离子的速率缓慢[18-19]；后者为水相反应，反应组分在水中充分接触，反应速率主要取决于地层水中的二价金属阳离子的浓度，同时也受H+消耗的影响[18]。因此，就固碳反应本身而言，CO2矿化速度主要取决于固碳矿物的溶解速率。但在实际埋存过程中，CO2的矿化过程还会受CO2在储层中的渗流和扩散过程的影响，进而在不同地层或不同区域表现出受传质过程主导或受反应过程主导，这决定了整个CO2矿物封存过程的速度[18,20]。将CO2以碳酸盐矿物的形式埋存在玄武岩中是一个长期的热动力学稳定过程，CO2与玄武岩、地层水的相互作用决定了其安全封存的时间。
3.2 CO2-玄武岩-地层水相互作用特征CO2-玄武岩-地层水相互作用方面的相关研究开始较早，但起初研究对象主要是自然界中玄武岩的碳化过程，如火山温泉的热液蚀变过程和地表的风化作用等。近年来，越来越多学者开始从CO2埋存角度研究玄武岩的CO2地化反应特征。Matter等[17]在美国东北部Newark盆地一个230 m深、15 ℃的玄武岩储层，进行了1.4 m3 CO2饱和水的注入和返排试验，得到酸性环境中玄武岩钙镁离子的释放速度在2.23×10−6~17.3×10−6 mmol⋅cm−2⋅h−1，证明自然界条件下玄武岩具有快速的CO2水岩反应速率。Gysi等[21-22]针对冰岛典型玄武岩的室内实验和数值模拟研究表明，在温度较低、CO2分压较高、pH较小时，玄武岩中Ca、Mg、Fe和Si主要转化为碳酸盐和玉髓等矿物；当温度较高、CO2分压较小、pH较大时，玄武岩中Ca主要转化为方解石，Mg、Fe、Al和Si转化为蒙脱石和绿泥石等黏土矿物；在75 ℃、pH=5.5左右时，CO2矿物封存量最大，125 d可封存50% CO2，且仅消耗少量的玄武岩。Rani等[23]针对印度东部玄武岩的CO2地化反应实验，发现有方解石、霰石、菱铁矿、菱镁矿和黏土等次生矿物生成，证实玄武岩封存CO2具有可行性。李晓媛等[24]在构成玄武岩的单一矿物与缓冲溶剂的反应速率模型的基础上，提出不同温度下玄武岩样品在超临界CO2水溶液中的溶解速率模型，并通过室内实验，确定了相关参数，该模型可直接应用于CO2地质封存条件下玄武岩溶解速率的计算。Clark等[25]通过实验探讨了Fe-Mg-Ca-碳酸盐矿物、Fe-Mg-黏土以及Ca-沸石的饱和状态之间的序列，饱和状态反映了它们在CO2注入玄武岩过程中争夺二价阳离子和孔隙空间的竞争力，结果表明初始的CO2分压和pH值会严重影响注入过程中各矿物组分的饱和状态；另外，在CO2暂停注入后，继续注入水，会导致Ca-Na-沸石、Mg-Fe-黏土体积大幅增加，从而消耗岩石内部的孔隙空间。
这些研究通过室内实验、地化模拟和小规模现场实验，证明了玄武岩的CO2矿物封存速率较快，与CO2的地化反应除受地层水和岩石矿物组成控制外，还受温度、pH、CO2分压和水岩反应表面积的影响，不同条件下CO2地化反应的特征和最终生成的次生矿物不同。
4 CO2在玄武岩中的埋存潜力 4.1 玄武岩中CO2埋存潜力评价方法埋存潜力是进行CO2地质封存选址时的重要参考指标。假设CO2在玄武岩中的埋存潜力主要由矿物封存机理贡献，则有[4,12]
| $ T_{\mathrm{CO}_2}=m_{\mathrm{CO}_2} \cdot A \cdot H \cdot(1-\phi) \cdot C_{\text {eff }}$ | (1) |
| $ m_{\mathrm{CO}_2}=\sum\left(\rho_{\mathrm{r}} \cdot \frac{w_{\mathrm{B}}}{M_{\mathrm{B}}}\right) M_{\mathrm{CO}_2}$ | (2) |
| $ C_{\text {eff }}=C_{\text {Aeff }} \cdot C_{\text {react }}$ | (3) |
式中：TCO2为CO2在玄武岩中的埋存潜力，Mt；mCO2为单位体积玄武岩的理论固碳能力，t⋅m−3；A为玄武岩储层面积，km2；H为玄武岩储层厚度，m；φ为玄武岩储层的孔隙度；Ceff为CO2在玄武岩储层中的有效封存系数，主要由注入CO2的波及系数CAeff和固碳反应达到平衡时对固碳矿物的利用率Creact等因素共同决定；ρr为玄武岩密度，t⋅m−3；wB为玄武岩中CaO、MgO、FeO的质量分数；MB为CaO、MgO、FeO的摩尔质量，kg⋅mol−1；MCO2为CO2的摩尔质量，kg⋅mol−1。其中，当对玄武岩储层CO2埋存潜力进行概算时，可假设Ceff=1；当对玄武岩储层CO2埋存潜力进行详细评估时，需要根据实验及数模结果决定Ceff取值。
对于埋深较深、上部具有良好盖层条件的玄武岩储层，可适当考虑构造封存、残余气封存及溶解气封存等机理对CO2埋存潜力的贡献，埋存潜力的理论计算方法可参考文献[26]。
对于矿场级别的玄武岩CO2埋存潜力评价，也可以直接采用数值模拟方法，常用的数值模拟软件有TOUGHRACT、GEM-GHG、NUFT、CHRUNCH、CHEMTOUGH等[27]，能够初步给出在设定注入方案和不同时间尺度下的CO2矿物封存量。
4.2 CO2在玄武岩中的矿物封存潜力在玄武岩CO2矿物封存潜力评价方面，目前已有部分学者进行了相关研究工作。McGrail等[12]评估得到美国Columbia River玄武岩储层的CO2埋存潜力超过100 Gt，该玄武岩储层体积达20×104 km3，埋深800~1 300 m，有效厚度100 m，孔隙度15%，孔隙内表面积500~1 300 m2⋅m−3，温度40 ℃，压力10 MPa，具有较好的孔隙度和横向连通性，储层内部夹杂低渗沉积岩，可防止CO2垂向运移。Goldberg等[28]评价了美国西海岸Juan de Fuca板块玄武岩水层的CO2埋存潜力，该玄武岩储层厚500~600 m，埋深2 700 m，温度62~64 ℃，孔隙度在10%~15%，上部覆盖有不渗透的细粒浊积岩和半深海黏土沉积层，CO2埋存潜力超过700 Gt，其中前景区域埋存潜力可达250 Gt，可供美国埋存122~147年。Snæbjörnsdóttir等[29-30]评价了冰岛和大洋脊玄武岩的CO2埋存潜力，得到玄武岩的CO2固碳能力约为18.8~48.7 kg⋅m−3，并指出年代久远的玄武岩孔隙中已填满次生矿物，1/3分布在活动断裂带的新生孔隙性玄武岩储层可以用于埋存CO2，预计埋存潜力在953~2 470 Gt，保守估计为21~60 Gt；冰岛海上专属经济区内的海底玄武岩CO2埋存潜力可达7 000 Gt，大洋中脊的CO2埋存潜力更比全球化石燃料释放的CO2总量还要高几个数量级。
国内董林森等[31]在火山岩、砂岩和火山碎屑岩CO2地化反应和矿物封存方面做过大量研究，认为火山碎屑岩是介于正常火山岩与沉积岩之间的岩石类型，既含有较高的固碳矿物（如凝灰岩是长石砂岩的2~7倍），又具有较大的存储空间，是一种非常有前途的矿物捕获岩石类型。Lu等[32]采用类比方法研究了台湾西北部第三纪中新世玄武岩的CO2矿物封存潜力，发现该地区适合CO2埋存的玄武岩储层温度在53~88 ℃，埋深在1~2 km，根据玄武岩的矿物组成，计算得到其CO2固碳能力为94.15 kg⋅m−3。吾尔娜等[33-34]指出玄武岩油气藏储层既含有大量固碳矿物，又具有枯竭油气藏良好的储盖条件，是潜力大、易实施、成本低和安全性高的碳汇靶区；经初步评估，松辽盆地徐家围子断陷玄武岩气藏的CO2埋存潜力约9.553 Gt，济阳坳陷玄武岩油气藏的CO2埋存潜力约为3.968 Gt，其中矿物封存机理贡献的埋存潜力高达90% 以上。
这些评估工作表明，CO2在玄武岩中的矿物封存潜力巨大，埋存量与储层封闭条件、非均质性(隔夹层、横向连通性)、岩石矿物组成等因素有关。废弃的玄武岩油气藏具有明显的埋存优势，注入的CO2在全部转化为碳酸盐矿物前，可依赖构造封存等机理使CO2安全圈闭在储层中。
5 CO2在玄武岩中的埋存方案及示范工程 5.1 CO2在玄武岩中埋存方案如何将CO2有效地注入玄武岩中进行埋存，目前多借助数值模拟手段。相关研究表明，在储层选择方面，埋深较深、孔渗条件较好、裂缝发育、富含橄榄岩等固碳矿物的玄武岩储层有利于CO2矿物封存。其中，较高的地层温度及压力能有效促进CO2溶解和碳酸电离，提高矿物溶解反应速率[17-18]；较好的孔渗条件及裂缝系统不仅有利于CO2在玄武岩中运移，还能增大反应表面积，促进矿物沉淀[20,35]；玄武岩中的固碳金属离子主要赋存在橄榄石、辉石及长石等矿物中，其中橄榄石固碳能力最大，其次生蛇纹岩中的固碳金属离子能在酸性环境下完全释放[20]。在方案设计方面，主要分为小规模示范和大规模应用2种情况，可以根据储层物性、工程规模和示范目的，选择直井或水平井注入，CO2年注入量一般在0.1~2.5 Mt[36-37]，注入方式可以考虑直接注入或气水同注，其中将CO2溶解于水中注入优势明显，有利于加快CO2在玄武岩储层中的矿化过程，减小对盖层密封性的依赖[7,38]；此外，为了降低工业成本，缓解环境污染，还可以考虑将CO2与其他污染气体如NOx、SOx及H2S等共同注入地层进行矿物封存[39]；预计注入的大部分CO2短则几个月，长则百年都可以转化为碳酸盐矿物而实现永久封存。
5.2 CO2玄武岩埋存示范工程在CO2玄武岩埋存示范工程方面，少数国家已经积累了一些经验。其中，在冰岛开展的CarbFix示范工程已经取得突破性进展[7,16]，如图1所示。该工程位于冰岛Hellisheidi地热发电厂，将从地热电厂排放废气中捕集到的CO2注入南部3 km处的玄武岩储层中。目标储层埋深在400~800 m，水平和垂向渗透率分别为0.3和1.7 μm2，地层温度为20~33 ℃，pH为8.4~9.4。由于目标储层埋深较浅，虽然上部有低渗层覆盖，但是考虑到CO2可能会通过裂缝向上泄漏，因此设计将CO2溶解于水后再注入地下。该项目于2012年进行了2个阶段的试验，第1阶段将175 t纯CO2注入玄武岩层中，第2阶段将73 t CO2-H2S(其中55 t CO2)混合气体注入玄武岩层中[38]。通过对CO2注入及注入结束后500多天的监测，对比溶解无机碳含量和14C同位素的计算值与实际测量值之间的差异，认为95% 以上注入的CO2已经在不到2年的时间内全部转化为碳酸盐矿物，远远超出了预期[7]。近年来，该工程在进行1 900~2 200 m深部储层CO2埋存时，提出利用地热废水捕集废气中的CO2和H2S等水溶性酸性气体，将溶有CO2-H2S的水直接注入玄武岩储层进行埋存，大部分酸性气体会在数月内矿化。这种新的CO2捕集及回注工艺成本较低，每吨混合气体仅需25美元，为碳捕获与封存技术提供了一种更为安全和成本更低的选项[40]。
除了冰岛的CarbFix项目，2013年美国开展了华盛顿Wallula先导性试验，在3周时间内共向玄武岩储层注入了将近1 000 t CO2[41]，并在2年时间内成功实现了CO2矿化[42]。近年来美国又提出在Cascadia盆地开展CO2地质埋存工程，计划将捕集到的CO2注入距离太平洋海岸200英里的近海玄武岩储层中，工程期限20年，封存总量50 Mt CO2，该项目目前正处于可行性论证阶段[36]。此外，日本长冈实验向火山沉积地层内注入了大约10 kt的CO2，经流体取样分析表明，地下正在发生预想的地化反应，但还不能对矿物转化反应速率进行准确估算[43]。
6 CO2在玄武岩中的埋存优势及关键问题总结CO2在玄武岩中埋存的研究现状得到，目前相关研究在冰岛、美国、日本开展较多，且部分现场示范已取得阶段性成果；我国关于玄武岩CO2矿物封存的相关研究起步较晚，近年来的研究主要集中在CO2地化反应机理和封存潜力评价等方面；相较于其他常规埋存地质体，CO2在玄武岩中的埋存优势还未引起普遍重视。
常规埋存地质体中砂岩盐水层被认为最具前景，具有分布广泛、埋存潜力大等优点，但CO2的安全封存对盖层的密封性依赖程度较高，封存机理复杂，封存状态需要几百至几千年的时间才能趋于稳定，如表1所示。
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表 1 砂岩盐水层与玄武岩储层优劣性对比 Table 1 Comparison of the advantages and disadvantages of sandstone saline aquifer and basalt reservoirs |
相较而言，利用玄武岩进行CO2矿物封存具有以下明显优势：1) 玄武岩中含有大量固碳矿物，单位体积玄武岩的理论固碳能力最高可达378~680 kg⋅m−3(假设玄武岩中氧化钙镁铁质量分数为25%，孔隙度为10%)，远大于砂岩和碳酸盐岩储层的2.63~124.41 kg⋅m−3[4]；2) 玄武岩在水中的反应活性比沉积岩中的硅酸盐矿物高得多，CO2地化反应速率快，可在短时间内将大部分CO2转化为碳酸盐固体矿物，实现CO2的快速永久安全封存，减少对储层封盖条件的依赖；3) 玄武岩在地球表面分布广泛，虽然不及砂岩盐水层，但也占据大陆10%的面积和大部分洋底，可以提供巨大的CO2埋存潜力；4) 在玄武岩分布广泛的岛屿、近海以及洋底，水资源丰富，具备气-水混注的优势，可以弥补某些玄武岩储层含水少的劣势，加快CO2在玄武岩中的矿物封存速率；5) 注入的CO2可在有限时间达到矿物封存稳定状态，避免了CO2埋存的长期安全监测，有利于降低CO2埋存成本。
利用玄武岩实现CO2的快速永久安全封存前景广阔，虽然目前已开展部分研究工作，但仍处在探索及试验阶段，仍存在以下问题亟待解决：
(1) 国内外在CO2-玄武岩-地层水地化反应机理方面已有大量相关研究，但对玄武岩矿物组成、埋藏深度与CO2矿物封存速率和最终有效封存量(地化反应达到平衡状态)之间的关系还未做深入讨论和梳理。此外，真实玄武岩储层孔隙及裂缝中的CO2-地层水-岩石三相接触条件，不同于目前大部分室内实验研究所采用的碳酸水与岩石粉末的充分接触条件，受制于狭小的孔隙空间，应具有不同的地化反应特征和封存速率，而这些都将为确定玄武岩的有效CO2埋存潜力提供依据。
(2) 玄武岩孔隙体积小，渗透率变化范围大。由于玄武岩中固碳矿物的质量分数高，反应活性高，部分地层水中初始含有大量结垢阳离子，CO2与地层水、玄武岩的快速反应可能会对玄武岩的储层物性造成影响或损伤，如可能会在短时间内产生大量随着注入流体和地层水运移的碳酸盐沉淀及黏土等次生矿物颗粒，存在堵塞岩石孔喉的风险。这一现象将影响CO2在玄武岩中的持续可注性、CO2在储层中与水岩的充分接触以及快速矿物封存过程，进一步会影响CO2埋存的安全性和埋存方案的选择，有待深入研究。
(3) 目前国外已经进行了一些区域和靶点的玄武岩CO2矿物封存潜力的初步评价工作，国内也开展了些评价工作，但还未对全国玄武岩资源分布和CO2矿物封存潜力进行评价。目前所采用的评价方法主要基于玄武岩中固碳矿物的质量分数，假设所有钙铁镁全部转化为碳酸盐矿物，而少有从地化反应动力学和工程实施角度来建立评价方法，因此计算得到的封存潜力一般大大超出实际的有效容量。此外，海洋和陆地玄武岩的储层物性、封盖组合、流体性质、温压系统等条件差别较大，应当有所区分。总之，需要从CO2地化反应机理入手，考虑CO2的可注性和实现快速有效封存，从安全和经济角度，建立完善的玄武岩储层筛选和CO2埋存潜力评价方法。
(4) 在注入及埋存方案方面，目前主要研究碳酸水方式注入，可以实现CO2的快速矿物封存。选择海底玄武岩作为埋存储层时，则可利用海水与CO2混注，优势明显。但对于水资源匮乏的内陆玄武岩，则会面临巨大挑战。当选择向玄武岩直接注入CO2时，由于存在CO2向地层水溶解、水中CO2又与玄武岩反应的过程，且反应接触表面积有限，使得CO2矿物封存速率会有所下降，游离态CO2长时间的存在，会增加泄露的风险，对构造的封闭性提出更高要求。因此，需要针对不同类型的玄武岩储层，进行CO2注入方案的详细设计以及技术经济和泄漏风险评估，提出成本低且安全有效的快速矿物封存CO2方法。
7 结语玄武岩储层作为对常规CO2埋存地质体的一种补充，在快速矿物封存方面具有优势，有待充分利用，有望实现CO2的快速安全永久封存。总体上看，目前CO2在玄武岩中的埋存研究仍处在探索及试验阶段。随着碳达峰和碳中和日程表的提出，我国对碳捕获、利用与封存技术的重视达到前所未有的高度。在CO2玄武岩埋存方面，我国应在积极汲取国外已有经验的同时，加大对该技术关键问题的研究力度，不断完善CO2玄武岩矿物封存技术体系，推动早日实现CO2玄武岩地质埋存的商业化和规模化。
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